煤層底板孔多分支點取樣鉆進技術及應用研究

褚志偉，龍威成，賈秉義，劉 飛

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤礦區(qū)廣泛分布有碎軟煤層，碎軟煤層礦井數量占比在50%以上[1-2]。碎軟煤層原生結構受地質構造運動影響而發(fā)生破壞，煤體結構破碎，具有瓦斯含量高、壓力大，煤層透氣性差等特征，瓦斯抽采效果差，易出現煤與瓦斯突出災害，嚴重制約了碎軟煤層礦井的安全高效生產[3]。利用鉆孔抽采瓦斯是碎軟煤層礦井進行瓦斯治理的一種有效技術途徑，對碎軟煤層取樣進行瓦斯參數測定可為瓦斯抽采鉆孔工程設計和抽采效果評價提供可靠依據，有助于提高碎軟煤層瓦斯治理水平[4-6]。

目前，煤礦井下主要采用常規(guī)回轉鉆進方式施工取樣鉆孔，有鉆孔巖屑取樣、套管取樣和繩索取樣等直接法進行煤層取樣[7-11]。鉆孔巖屑取樣采用煤樣罐接收孔口返出煤渣以獲取煤樣，楊昌光等[12]通過現場試驗認為該方法簡便易實現。套管取樣使用套管鉆進，鉆至預定深度后通過套筒獲取煤樣，任浩洋等[13]通過現場應用分析認為該方法適用于順層或穿層向上鉆孔，但不適用于下向鉆孔。繩索取樣利用取心筒取樣，通過打撈器將孔內取心筒取出以獲取煤樣，陳功勝[14]研制了井下用?98 mm 繩索取心裝備，取樣率達到80%以上。現有取樣技術在一定程度上滿足了碎軟煤層取樣的基本要求，但在應用中主要存在以下問題：①取樣深度淺。煤礦井下一般以井下管路靜壓風為沖洗介質，供風壓力低，排渣能力受限，成孔深度淺[15]；現有的中硬煤層順層隨鉆測量定向鉆進技術以水為沖洗介質，順煤層施工碎軟煤層定向鉆孔時對孔壁擾動較大，易發(fā)生噴孔、塌孔和卡鉆等復雜孔內情況，成孔深度也受到限制，無法沿碎軟煤層長距離成孔[16]。② 取樣位置不可控。采用回轉鉆進方式進行碎軟煤層鉆孔施工過程中無法控制鉆孔軌跡，只能在鉆孔施工一定深度后進行取樣，取樣點位置不能隨鉆控制，無法實現碎軟煤層定點取樣。③煤樣瓦斯參數測定誤差大?，F有常用取樣方式主要包括鉆屑取樣法和繩索取樣法，其中鉆屑取樣法通過在孔口收集返出的煤渣進行瓦斯含量測定，由于煤渣在運移中暴露時間長，測量瓦斯含量偏低，影響煤樣瓦斯測定精度；繩索取樣法在孔底取樣，但在提取煤樣過程中耗時較長，同樣造成煤樣暴露時間長，存在煤樣瓦斯參數測定精度低的問題，不能滿足礦井瓦斯高效治理對煤層瓦斯參數測定的需要。

因此，采用底板梳狀定向鉆孔作為取樣鉆孔，主孔布置在煤層底板中，分支孔進入煤層取樣，避免了碎軟煤層順層長距離鉆進困難的問題，保證了取樣鉆孔軌跡可控和成孔深度；采用密閉取樣技術在取樣分支孔中對碎軟煤層進行取樣，減少了煤樣暴露時間，實現了碎軟煤層長距離定點精準取樣，為瓦斯抽采鉆孔工程設計和抽采效果評價提供可靠依據。

1 多分支鉆孔密閉取樣鉆進技術

1.1 技術原理

依據礦井地質資料和瓦斯參數測定需求，進行取樣鉆孔和取樣點設計；應用隨鉆測量定向鉆進技術施工底板梳狀取樣定向鉆孔，主孔布置在待取樣煤層底板穩(wěn)定層位中；采用“前進式”開分支方式施工分支孔，包括探查分支孔和取樣分支孔；其中探查分支孔用于隨鉆探查煤層起伏，見煤后提鉆繼續(xù)施工主孔；取樣分支孔主要用作取樣通道，也可對煤層起伏進行探查。在煤層中鉆進適當距離滿足取樣要求后提出定向鉆具，下入密閉取樣裝置，回轉鉆進至密閉取樣裝置內煤樣裝滿后，提鉆進行煤樣氣密性測試和現場解吸，測試合格后完成單次碎軟煤層定點密閉取樣鉆進；根據需要，重復進行取樣分支孔施工和密閉取樣，直至完成取樣鉆孔全部取樣點的定點密閉取樣[17]。定點密閉取樣鉆進工藝流程如圖1 所示。

圖1 多分支密閉取樣鉆進工藝流程Fig.1 Flow chart of the multi branch sampling drilling

1.2 成孔關鍵技術

1.2.1 隨鉆軌跡精準調控技術

1)煤層起伏隨鉆探查技術

取樣鉆孔主孔布置在距煤層一定距離的煤層底板中，而礦井煤層起伏情況一般掌握不夠精準，為避免主孔誤入煤層，取樣鉆孔施工時應隨鉆探查煤層的起伏情況。煤層起伏隨鉆探查方法為：采用“前進式”開分支方式，間隔一定距離(50～80 m)主動增大鉆孔傾角，施工探查分支孔向煤層靠近；探查分支孔鉆進過程中給進壓力降低，鉆進速度加快，且孔口返出煤渣時，確認探查分支孔鉆遇煤層；利用多個探查分支孔見煤點數據，計算出實際煤層傾角，并預測鉆孔延伸方向的煤層起伏變化情況，對主孔軌跡、取樣點位置和取樣分支孔軌跡進行優(yōu)化調整，實現鉆孔軌跡的隨鉆精準調控[18]。煤層起伏隨鉆探查原理如圖2 所示。

圖2 煤層起伏隨鉆探查原理Fig.2 Schematic diagram of the exploration principle under coal seam undulating

2)變角度見煤鉆進技術

為提高探查分支孔的鉆進效率和取樣分支孔的取樣成功率，不同類型分支孔施工時的見煤角度應不同。施工探查分支孔時，在鉆遇煤層前應主動提高鉆孔傾角，使探查分支孔以較大角度見煤，見煤后便提鉆施工主孔，以減少探查分支孔的無效進尺，同時較大角度見煤方式可以提高見煤后鉆渣的排出效果；施工取樣分支孔時，在鉆遇煤層前應主動降低鉆孔傾角，使探查分支孔以較小角度見煤，見煤后適當鉆進一定距離提鉆更換密閉取樣裝置進行取樣鉆進，確保取樣分支孔在煤層中有效延伸，防止穿過煤層，預留出充足的取樣鉆進距離，提高取樣鉆進的成功率[19]。

1.2.2 “機械+水力”高效排渣技術

取樣鉆孔主孔在煤層底板中長距離延伸，為了提高主孔成孔深度、鉆進效率和鉆進安全性，提出了“機械+水力”高效排渣技術[20-21]?！皺C械+水力”高效排渣充分結合了水力排渣和機械攪渣的技術優(yōu)勢，在水力排渣將較細鉆渣懸浮并向孔口輸送的基礎上，利用異形鉆具組合(異形鉆桿+螺旋無磁鉆桿+螺旋螺桿鉆具)回轉機械攪渣方式，將沉積在孔底較粗鉆渣磨削和攪拌，減少粗顆粒鉆渣的沉積，使沖洗液能及時將鉆渣向孔口輸送，防止卡、埋鉆等孔內復雜情況的發(fā)生，實現取樣鉆孔主孔高效鉆進，“機械+水力”高效排渣原理如圖3 所示。

圖3 “機械+水力”高效排渣原理Fig.3 Principle diagram of the efficient slag discharge by“mechanical+hydraulic”

1.3 密閉取樣關鍵技術

1.3.1 煤樣快速密閉技術

常規(guī)取樣裝置在孔底采取煤樣的過程中無法快速密閉和保存煤樣，煤樣暴露時間長，影響瓦斯參數測量精度。密閉取樣時，當密閉取樣裝置內裝滿煤樣后，利用靜壓水向孔底輸送橡膠球，橡膠球到達孔底后泵壓升高，剪斷密閉取樣裝置的推桿固定銷釘，推桿下移帶動剪切密閉球閥截斷煤樣，并將煤樣密封在取樣筒內，實現采取煤樣的快速密閉。通過機械方式快速密閉煤樣，減少了煤樣暴露時間，避免了提鉆和煤樣封裝過程造成的瓦斯氣體逸散，從而使瓦斯含量測試結果更加準確可靠[22-23]。

1.3.2 煤樣瓦斯測試技術

采取煤樣通過投球方式快速密閉后采用密閉方式保存在取樣筒內，取樣筒既作為煤樣的封存裝置，又可用于收集煤樣井下原位解吸的瓦斯[24-25]。通過提鉆方式將取樣筒取出，在煤礦井下施工現場利用瓦斯參數測量裝置進行初步解吸瓦斯的含量測定，井下煤樣瓦斯解吸氣含量為Q1；將采取煤樣帶至地面，地面測定煤樣粉碎前瓦斯解吸氣含量為Q2；將采取煤樣進行粉碎，粉碎過程中和粉碎后測定煤樣瓦斯解吸量為Q3。因此，可以計算采取煤樣的瓦斯解吸氣含量Q，如下式所述：

1.4 關鍵配套裝備

1.4.1 取樣鉆孔鉆進裝備

碎軟煤層定點密閉取樣定向鉆孔鉆進裝備主要包括定向鉆機、泥漿泵(車)、螺桿鉆具、隨鉆測量系統(tǒng)、定向鉆桿和鉆頭等[26]，關鍵配套鉆進裝備見表1。

表1 關鍵配套鉆進裝備基本情況Table 1 Basic information of key supporting drilling equipment

1.4.2 密閉取樣裝備

1)密閉取樣裝置

密閉取樣裝置選用小直徑設備，其采用模塊化設計、雙筒單動結構，解體性好、便于拆卸和維護，與各種鉆機、鉆具、泥漿泵、瓦斯解吸儀等設備的配套和銜接十分方便，取心過程操作簡單，能夠準確、完整、快速地提取高質量煤樣。

2)取樣鉆桿

取樣鉆桿選用大通徑螺旋鉆桿，鉆桿桿體需要采用三棱螺旋結構，具備機械強化排渣功能，有助于提高碎軟煤層鉆進排渣效果；鉆桿接頭需要大通孔結構設計，鉆桿整體內部通徑達20 mm 以上，保證橡膠球順利通過，以符合密閉取樣要求。大通徑三棱螺旋鉆桿實物如圖4 所示。

圖4 取樣鉆桿實物Fig.4 The sampling drill pipe

2 現場試驗

2.1 試驗礦井

選擇安徽省宿州市某礦作為本次試驗礦井，該礦井所屬井田位于淮北煤田宿縣礦區(qū)宿南向斜內，為煤與瓦斯突出礦井。

試驗鉆場位于94 采區(qū)61煤底板回風上山上部平巷。鉆孔施工鉆遇地層為71煤和71煤底板。71煤堅固性系數f=0.30～0.52，平均厚度1.9 m，多含1～2 層泥巖夾矸，平均厚度0.27 m；瓦斯壓力0.62～2.15 MPa，瓦斯含量6.3～10.4 m3/t。71煤底板為灰色?深灰色泥巖，平均厚度3.1 m。

2.2 多分支鉆孔取樣鉆進試驗方案

1)鉆孔設計

定向鉆孔由套管孔段和定向孔段組成。套管孔段擴孔至?193 mm，下入?146 mm 套管9 m；定向孔段孔徑為105 mm，控制鉆孔軌跡距離71煤底板1～1.5 m，沿71煤回采工作面走向延伸，主孔深度大于等于300 m，采用“前進式”開分支方式施工分支孔，分支孔數量大于等于4 個，其中最深的2 個分支孔進行密閉取心，其他分支孔用于煤層起伏探查。取樣鉆孔軌跡和取樣點設計如圖5 所示。

圖5 取樣鉆孔設計軌跡剖面Fig.5 Design track profile of the sampling bore hole

2)施工配套設備

取樣定向鉆孔施工配套設備主要包括?89 mm 密閉取樣裝置、ZDY4000LD(C)型全液壓定向鉆機、YHD2-1000(A)礦用隨鉆測量系統(tǒng)、BLY260/9 型泥漿泵車、?73 mm 液動螺桿鉆具、?73 mm 整體式螺旋隨鉆測量鉆桿、?73 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿、?105 mm定向鉆頭、?98 mm 取心鉆頭。

3)施工方案

首先采用回轉鉆進技術進行套管孔段施工，施工完成后下入套管并用水泥固孔；然后采用定向鉆進技術進行定向孔段施工，定向鉆進鉆具組合為：?105 mm定向鉆頭+?73 mm 液動螺桿鉆具+?76 mm 下無磁鉆桿+?76 mm 探管外管(內部安裝有YHD2-1000T(A)隨鉆測量裝置探管)+?76 mm 上無磁+?73 mm 整體式螺旋隨鉆測量鉆桿+···+?73 mm 整體式螺旋隨鉆測量鉆桿+?73 mm 送水器；最后施工2 個分支孔時進行取心鉆進，取心鉆進鉆具組合為：?98 mm 取心鉆頭+?89 mm 密閉取樣裝置+?73 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿+···+?73 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿+? 73 mm 送水器。

2.3 試驗結果

現場試驗時按照取樣鉆孔設計完成了鉆孔施工和定點密閉取樣，取樣鉆孔實鉆軌跡剖面如圖6 所示。

圖6 取樣鉆孔實鉆軌跡剖面Fig.6 Drilling profile of the sampling bore hole

取樣鉆孔主孔深度301 m，順利施工分支孔4 個，總進尺532 m。鉆進過程中，根據分支孔鉆遇煤層時多個見煤點數據，調整煤層起伏預測和鉆孔軌跡設計，使鉆孔更好在底板中沿煤層起伏延伸，有益于控制取樣點位置。鉆遇不取心煤層、破碎和縮徑巖層前，通過主動增大鉆孔傾角，降低了鉆孔軌跡在不穩(wěn)定層位中的延伸長度，提高了鉆進安全性。在第3、第4 分支孔進行了定點密閉取樣，分別獲取了178、238 m 深度處的煤樣，獲取的煤樣如圖7 所示。

圖7 獲取煤樣實物Fig.7 Coal samples taken from boreholes

3 現場試驗效果分析

3.1 取樣鉆進分析

考慮到孔底鉆渣返出孔口存在一定的滯后性，取樣分支孔施工接近目標取心煤層前，通過適當降低鉆進速度，及時觀察孔口返渣是否出現煤粉，防止鉆孔穿過煤層。

取樣鉆進時主要鉆進參數控制范圍為回轉速度：50～80 r/min，取樣鉆進速度：0.2～0.3 m/min，鉆進深度1.2～1.5 m。沖洗液由井下管路靜壓水管路提供，避免水壓和水量過大，影響取樣質量。

3.2 煤樣瓦斯測試分析

完成碎軟煤層定點采樣后對煤樣進行了瓦斯含量測試，178 m 和238 m 深度處獲取煤樣的瓦斯含量分別為9.05 m3/t 和10.08 m3/t，礦井該區(qū)域利用常規(guī)方法測得平均瓦斯含量約為8.05 m3/t?？梢钥闯?，定點密閉取樣瓦斯含量與已有常規(guī)方法測得瓦斯含量相比，分別提高了12.4%和25.2%，可為礦井提供更為準確的瓦斯數據。

3.3 技術優(yōu)勢

多分支密閉取樣鉆進技術具有以下優(yōu)勢：取樣鉆孔主孔布置在煤層底板中，施工分支孔進入煤層取樣，煤層中孔段延伸少，可以提高煤層孔段的成孔率，避免出現塌孔、噴孔和卡鉆等孔內復雜情況，顯著提高鉆孔取樣深度，取樣深度達到了178 m 和238 m；同時，應用隨鉆測量定向鉆進技術可以精準控制主孔和分支孔沿設計軌跡延伸，取樣位置可控；采用密閉方式在預定位置取樣，采取的煤樣暴露時間短，測得瓦斯含量與常規(guī)方法相比提高了12.4%和25.2%。

4 結 論

a.在分析常規(guī)取樣鉆進技術存在問題的基礎上，開發(fā)了隨鉆軌跡精準調控、“機械+水力”高效排渣等關鍵鉆進技術，并選型配套了關鍵裝備，融合長距離密閉取心技術優(yōu)勢，形成了煤層底板鉆孔多分支取樣鉆進技術，具有取樣深度大、取樣位置可控、取樣測試精度高等顯著優(yōu)勢，可為碎軟煤層長距離瓦斯參數測定、瓦斯抽采鉆孔工程設計和抽采效果評價提供技術支持。

b.在安徽省宿州市某礦開展了碎軟煤層底板鉆孔多分支取樣鉆進技術現場試驗，施工了1 個主孔深度301 m 的取樣定向鉆孔，完成了2 次定點密閉取樣，順利采取了煤樣，最大取樣深度238 m，測得瓦斯含量與常規(guī)方法相比提高了12.4%和25.2%，提高了煤層瓦斯參數測試的準確性。

c.取樣鉆進時主要鉆進工藝參數控制范圍為回轉速度：50～80 r/min，取樣鉆進速度：0.2～0.3 m/min，鉆進深度1.2～1.5 m，沖洗液由井下靜壓水管路提供，避免水壓和水量過大，影響取樣質量，可為碎軟煤層取樣鉆進提供參數指導。