基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測(cè)定取樣技術(shù)

柴建祿

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

鉆孔抽采是礦井瓦斯治理的重要技術(shù)手段，瓦斯含量測(cè)定是鉆孔工程設(shè)計(jì)和抽采效果評(píng)價(jià)的重要依據(jù)[1]。煤礦井下瓦斯含量測(cè)定方法主要可分為間接法和直接法2 類，其中間接法通過測(cè)定鉆孔內(nèi)瓦斯氣體壓力變化情況，利用公式間接計(jì)算出瓦斯含量，其應(yīng)用時(shí)間悠久，但測(cè)試流程繁瑣、測(cè)試周期較長(zhǎng)；直接法利用鉆孔采取煤樣或煤渣，然后采用解吸法直接測(cè)定煤層瓦斯含量，具有測(cè)定結(jié)果準(zhǔn)確、測(cè)試速度快等優(yōu)點(diǎn)，逐漸取代間接法，推廣應(yīng)用廣泛[2-3]。煤樣采取是瓦斯含量直接測(cè)定的核心，采樣地點(diǎn)準(zhǔn)確性、采樣過程的瓦斯損失量等是瓦斯含量測(cè)定準(zhǔn)確性的重要影響因素[4-5]。煤樣采取方法主要有鉆屑取樣、套管取樣、繩索取心、負(fù)壓氣動(dòng)取樣、正負(fù)壓聯(lián)合栓流定點(diǎn)取樣、密閉取心、低溫冷凍取樣等方式，但其取樣深度一般不超過120 m，存在取樣深度淺、取樣位置無法精確控制等不足，需要與礦井采掘工程銜接，重復(fù)開展多次測(cè)試[6-12]。近年來，開發(fā)了順煤層定向鉆孔密閉取心技術(shù)，將定向鉆孔與密閉取心技術(shù)結(jié)合，既提高了井下近水平煤樣的采取深度，又可精確控制采樣精度，實(shí)現(xiàn)單孔多次定點(diǎn)取樣，最大取樣深度超過500 m，為定向鉆孔區(qū)域遞進(jìn)式瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)和效果評(píng)價(jià)提供了保障[13-15]。但該技術(shù)定向鉆孔需沿煤層延伸，主要適用于中硬煤層，碎軟煤層中鉆進(jìn)成孔困難，尤其是當(dāng)煤層賦存較薄時(shí)，無法確保沿煤層延伸，采樣成功率極低。碎軟煤層在高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井發(fā)育廣泛，針對(duì)其瓦斯抽采治理工程設(shè)計(jì)與效果評(píng)價(jià)需要，開發(fā)了基于梳狀定向鉆孔的碎軟薄煤層瓦斯含量測(cè)定取樣技術(shù)，并在安徽祁東煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，應(yīng)用效果顯著。

1 技術(shù)原理

1.1 工藝原理

基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測(cè)定取樣技術(shù)原理如圖1。

圖1 基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測(cè)定取樣技術(shù)原理Fig.1 Technical principle of sampling technology for measuring gas content in broken soft coal seam based on comb-shaped directional borehole

取樣梳狀定向鉆孔由主孔、探查分支孔和取樣分支孔組成。首先在賦存穩(wěn)定的煤層頂板或底板中布置定向鉆孔主孔；然后在主孔中側(cè)鉆探查分支孔，查明碎軟煤層的起伏變化情況，得到鉆孔延伸方向的煤層頂?shù)装鍢?biāo)高；再在主孔中施工取樣分支孔，進(jìn)入煤層后，退鉆重新下入密閉取心裝置，在取樣分支孔中進(jìn)行密閉采樣；最后采用解吸法對(duì)采取的煤樣進(jìn)行解吸測(cè)試，獲得煤層瓦斯含量。

1.2 工藝流程

基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測(cè)定取樣工藝流程如圖2。首先依據(jù)礦井地質(zhì)資料和區(qū)域瓦斯治理需要，確定取樣點(diǎn)數(shù)量與位置，完成取樣定向鉆孔設(shè)計(jì)；然后施工套管孔段、主孔段和探查分支孔段，做好取樣準(zhǔn)備；再利用探查分支孔進(jìn)行多次密閉取心，測(cè)試氣密性合格后，進(jìn)行瓦斯解吸，獲得煤層瓦斯含量值。

圖2 基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測(cè)定取樣工藝流程Fig.2 Process flow of sampling technology for measuring gas content in broken soft coal seam based on comb-shaped directional borehole

1.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1）取樣距離遠(yuǎn)。通過穩(wěn)定巖層布置主孔，分支孔進(jìn)入煤層取樣的方式，解決了碎軟煤層順層鉆進(jìn)難題，顯著提高鉆孔取樣深度。

2）取樣點(diǎn)位置控制精度高。采用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)施工梳狀定向鉆孔，可實(shí)時(shí)測(cè)量和控制鉆孔軌跡，準(zhǔn)確掌握取樣點(diǎn)的位置信息。

3）取樣成功率高。采用探查分支孔查明煤層賦存情況，取樣分支孔進(jìn)行取樣的方式，提升了地層適應(yīng)性，減少了因煤層賦存情況變化大、煤層厚度薄或局部變薄等導(dǎo)致的取樣失敗。

4）單孔多次取樣。可在主孔上施工多個(gè)取樣分支孔，從而進(jìn)行多次取樣，提高了鉆孔利用率。

5）測(cè)試結(jié)果精準(zhǔn)。在取樣分支孔內(nèi)利用密閉取心裝置進(jìn)行煤樣采取，煤樣進(jìn)入密閉取心裝置后，進(jìn)行切斷封閉，避免瓦斯氣體泄漏，煤樣暴露時(shí)間短，瓦斯氣體逸散少。

2 配套鉆進(jìn)與取樣裝備

1）礦用密閉取心裝置。裝置主要由外筒總成、取樣內(nèi)筒、球座、液壓總成、取心鉆頭等組成。礦用密閉取心裝置工作原理如圖3。在取心鉆進(jìn)時(shí)，外筒總成傳遞鉆進(jìn)動(dòng)力，帶動(dòng)取心鉆頭鉆進(jìn)；取樣內(nèi)筒與液壓總成不隨外筒總成一起轉(zhuǎn)動(dòng)，煤樣沿剪切密閉球閥進(jìn)入取樣內(nèi)筒，沖洗液沿解吸閥門排出，達(dá)到取樣長(zhǎng)度后停止鉆進(jìn)；在孔口向鉆桿內(nèi)投入橡膠球，泥漿泵加壓將橡膠球送至球座的球座中，球座底部的導(dǎo)水孔被堵塞，泵壓急劇升高，推動(dòng)液壓總成剪斷銷釘并向前運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)推桿關(guān)閉取樣內(nèi)筒的解吸閥門和剪切密閉球閥，將煤心密閉在取樣內(nèi)筒中；退鉆取出取樣內(nèi)筒，即可得到采取的煤樣。

圖3 礦用密閉取心裝置工作原理Fig.3 Working principle of mine-used closed coring device

2）定向鉆機(jī)。定向鉆機(jī)主要用于梳狀定向鉆孔施工，為滿足梳狀定向鉆孔大角度開孔、深孔鉆進(jìn)、受限巷道空間施工的需求，優(yōu)選調(diào)角范圍寬、額定扭矩大、可垂直巷道施工的定向鉆機(jī)。

3）泥漿泵。泥漿泵主要用于提供螺桿馬達(dá)孔底碎巖動(dòng)力和煤樣切斷密封動(dòng)力，要求額定輸出壓力≥8 MPa，且輸出泵量可調(diào)節(jié)。

4）液驅(qū)螺桿馬達(dá)。液驅(qū)螺桿馬達(dá)用于梳狀定向鉆孔軌跡控制，可根據(jù)礦用密閉取心裝置大小進(jìn)行選型。當(dāng)采用φ100 mm 礦用密閉取心裝置時(shí)，選用φ89 mm 液驅(qū)螺桿馬達(dá)；當(dāng)采用φ89 mm 礦用密閉取心裝置時(shí)，選用φ73 mm 液驅(qū)螺桿馬達(dá)。

5）隨鉆測(cè)量裝置。隨鉆測(cè)量裝置主要用于梳狀定向鉆孔軌跡隨鉆測(cè)量，指導(dǎo)鉆孔軌跡控制，考慮復(fù)雜破碎地層高效排渣鉆進(jìn)需要，優(yōu)選采用礦用泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量裝置，當(dāng)?shù)貙訔l件較好時(shí)，也可采用礦用有線隨鉆測(cè)量裝置。

6）鉆桿。鉆桿主要用于傳遞鉆進(jìn)動(dòng)力，輸送密閉取心用橡膠球，可分為定向鉆桿和取樣鉆桿2 種。其中定向鉆桿優(yōu)選采用寬翼片螺旋、三棱、三棱螺旋等異形結(jié)構(gòu)鉆桿，輔助沖洗液進(jìn)行強(qiáng)化排渣，確保復(fù)雜破碎地層鉆進(jìn)安全性；取樣鉆桿優(yōu)選采用大通孔的常規(guī)鉆桿，鉆桿內(nèi)徑應(yīng)大于橡膠球直徑。

7）鉆頭。可分為定向鉆頭和取心鉆頭，其中定向鉆頭采用窄翼片平底型PDC 全面鉆頭，鑲焊有反向切斜齒和側(cè)向耐磨合金，側(cè)向切斜能力和事故處理能力強(qiáng)；取心鉆頭采用底噴式PD 環(huán)狀鉆頭，降低對(duì)煤樣的擾動(dòng)和破壞，鉆頭內(nèi)徑應(yīng)小于取樣內(nèi)筒內(nèi)徑，鉆頭外徑應(yīng)小于定向鉆頭外徑。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 主孔雙動(dòng)力復(fù)合排渣定向鉆進(jìn)技術(shù)

梳狀定向鉆孔的主孔雖然布置在相對(duì)穩(wěn)定的頂板、底板中，但其定向鉆進(jìn)效率相對(duì)于煤層較低，且復(fù)雜破碎地層仍較為常見，孔內(nèi)事故易發(fā)。

為提高主孔鉆進(jìn)效率和安全性，采用雙動(dòng)力復(fù)合排渣定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行施工，其“雙動(dòng)力復(fù)合”包含2 層含義：①孔底螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)動(dòng)力和孔口定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)力的復(fù)合，提高了鉆進(jìn)碎巖動(dòng)力，從而提高了巖層定向鉆進(jìn)效率；②大流量沖洗液紊流排渣動(dòng)力和異形定向鉆具攪動(dòng)排渣動(dòng)力的復(fù)合，提高了鉆孔排渣效率，保障了主孔施工安全性。

3.2 探查分支孔隨鉆煤層探查技術(shù)

礦井地質(zhì)資料主要來源于前期地勘階段，其精細(xì)度相對(duì)較低，與碎軟煤層實(shí)際賦存情況存在差異，為確保主孔沿煤層頂板、底板長(zhǎng)距離延伸，保障取樣分支孔成功采取煤樣，需要先利用探查分支孔提前查明煤層變化情況。

探查分支孔采用前進(jìn)式開分支工藝施工，其流程是：在主孔施工過程中間隔預(yù)留分支點(diǎn)，每隔一定距離（50～60 m 左右）主動(dòng)調(diào)整鉆孔傾角，施工探查分支孔使其進(jìn)入煤層，根據(jù)多個(gè)探查分支孔的見煤點(diǎn)標(biāo)高，計(jì)算出煤層的實(shí)際賦存情況，調(diào)整煤層起伏預(yù)測(cè)和鉆孔軌跡設(shè)計(jì)；然后退鉆至分支點(diǎn)處，側(cè)鉆分支回到主孔中，根據(jù)調(diào)整后的鉆孔設(shè)計(jì)繼續(xù)向前施工。

探查分支孔施工時(shí)，應(yīng)增大鉆孔傾角，降低鉆孔在不穩(wěn)定層位中的長(zhǎng)度，提高鉆進(jìn)安全性；同時(shí)，考慮孔底鉆渣外返存在滯后性，探查分支孔接近目標(biāo)煤層時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低鉆進(jìn)速度，以及時(shí)觀察孔口返渣是否出現(xiàn)煤粉，防止鉆孔穿過煤層。

3.3 取樣分支孔密閉取心技術(shù)

常規(guī)取樣方法采取煤樣后無法快速截取和保存煤樣，煤樣暴露時(shí)間長(zhǎng)，影響瓦斯參數(shù)測(cè)量精度。為減少瓦斯逸散，采用密閉取心技術(shù)實(shí)現(xiàn)煤樣采取，其操作技術(shù)要領(lǐng)如下：

1）緩傾角進(jìn)入煤層。根據(jù)探查分支孔查明的煤層起伏情況，進(jìn)行取樣分支孔鉆進(jìn)，接近煤層時(shí)，逐漸將鉆孔傾角調(diào)整至與煤層傾角一致，緩傾角確認(rèn)進(jìn)入煤層后，將鉆孔沖洗干凈，退出定向鉆具，提高煤層中的延伸距離，避免取樣分支孔穿出薄煤層。

2）小泵量低泵壓下鉆防堵。依次連接取心鉆頭、礦用密閉取心裝置和取樣鉆桿，連接時(shí)注意清理鉆桿內(nèi)孔的雜物，避免密閉取心裝置堵塞；下入取樣鉆具時(shí)若阻力較大，進(jìn)行水力沖孔和回轉(zhuǎn)掃孔，直至鉆具到達(dá)孔底后，通過取樣鉆桿向鉆孔供水至從孔口返出，確保密閉取心裝置未堵塞；以上供水過程中水壓應(yīng)控制在2 MPa 以下，宜采用礦井靜壓水管路供水。

3）小泵量低泵壓取心鉆進(jìn)。先將取心鉆頭推送至貼靠孔底，然后以轉(zhuǎn)速50～80 r/min、給進(jìn)速度0.2～0.3 m/min 向前鉆進(jìn)1.2～1.5 m 后，停止鉆進(jìn)；取心鉆進(jìn)時(shí)水壓應(yīng)控制在2 MPa 以下，供水量≤100 L/min，宜采用礦井靜壓水管路供水。

4）大泵量高泵壓煤樣切斷密閉。向取樣鉆桿內(nèi)放入1 個(gè)橡膠球，然后開啟泥漿泵以200 L/min 以上泵量向取樣鉆桿供水，至泵壓突增至8 MPa 以上，煤樣被剪斷且被密封在取樣內(nèi)筒內(nèi)，泵壓恢復(fù)正常。

5）取樣過程中，應(yīng)詳細(xì)記錄取樣鉆具下放時(shí)間、取樣孔段鉆進(jìn)時(shí)間和煤樣封閉時(shí)間。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)礦井祁東煤礦為煤與瓦斯突出礦井，試驗(yàn)區(qū)內(nèi)煤層群發(fā)育，含煤9 層，主要可采煤層有61、71、82、9，其他煤層賦存不穩(wěn)定，整體上煤層普氏硬度系數(shù)小、瓦斯壓力大、瓦斯含量高，均屬于碎軟煤層。其中63平均厚度0.94 m，屬極不穩(wěn)定煤層，其底板為淺灰色～灰白色細(xì)粒石英砂巖，泥、硅質(zhì)膠結(jié)；81煤平均厚度0.88 m，屬局部可采煤層；82煤層平均厚度2.23 m，屬較穩(wěn)定煤層，其頂板以灰白色細(xì)砂巖為主，夾薄層灰色泥巖或砂泥互層。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在2 個(gè)鉆場(chǎng)進(jìn)行：①第1 個(gè)鉆場(chǎng)：設(shè)計(jì)底板梳狀定向鉆孔1 個(gè)，深度≥600 m，自63煤底板開孔，主孔沿63煤底板延伸，設(shè)計(jì)分支孔5 個(gè)，用于探查63煤賦存情況，并利用分支孔進(jìn)行2 次密閉取心；②第2 個(gè)鉆場(chǎng)：設(shè)計(jì)頂板梳狀定向鉆孔1 個(gè)，深度≥500 m，自72煤與81煤之間的巖層開孔，沿81煤頂板施工，設(shè)計(jì)分支孔5 個(gè)，用于探查81煤、82煤賦存情況，并利用分支孔進(jìn)行1 次密閉取心。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝備主要有ZDY6000LD（B）型定向鉆機(jī)、BLY390/12 型泥漿泵車、YHD2-1000（A）型礦用隨鉆測(cè)量裝置、φ89 mm 液驅(qū)螺桿馬達(dá)、φ89 mm 整體式螺旋隨鉆測(cè)量鉆桿、φ89 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿、礦用密閉取心裝置、φ120 mm 定向鉆頭、φ108 mm 取心鉆頭等。

4.2 試驗(yàn)情況

63煤底板梳狀定向鉆孔實(shí)鉆孔深608 m，施工分支孔6 個(gè)，總進(jìn)尺948 m，63煤底板梳狀定向鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖4。

圖4 63 煤底板梳狀定向鉆孔實(shí)鉆軌跡Fig.4 Actual drilling track of 63 coal floor comb-shaped directional borehole

63煤底板鉆孔完成密閉取心2 次，其中第1 次取樣深度452 m，取出破碎狀泥巖巖心約10 cm，綜合分析認(rèn)為該區(qū)域63煤煤層厚度變薄，未能正常取樣；第2 次取樣深度484 m，順利取得煤樣，經(jīng)室內(nèi)脫氣法測(cè)定，煤層瓦斯含量為9.26 m3/t。

82煤頂板梳狀定向鉆孔實(shí)鉆孔深500 m，施工分支孔5 個(gè)，總進(jìn)尺1 075 m，82煤頂板梳狀定向鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖5。

圖5 82 煤頂板梳狀定向鉆孔實(shí)鉆軌跡Fig.5 Actual drilling track of 82 coal floor comb-shaped directional borehole

82煤頂板鉆孔完成密閉取心1 次，取樣深度為405 m，順利取得煤樣，經(jīng)室內(nèi)脫氣法測(cè)定，煤層的瓦斯含量為13.65 m3/t。

5 結(jié) 語

1）將定向鉆進(jìn)技術(shù)和密閉取心技術(shù)結(jié)合，開發(fā)了基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測(cè)定取樣技術(shù)，在祁東煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取樣成功率67%，最大取樣深度達(dá)到484 m，解決了碎軟煤層長(zhǎng)距離精準(zhǔn)瓦斯含量測(cè)定取樣難題，為碎軟煤層區(qū)域瓦斯抽采治理工程設(shè)計(jì)與效果評(píng)價(jià)提供了參數(shù)依據(jù)。

2）研究選配了梳狀定向鉆孔鉆進(jìn)與取樣裝備，總結(jié)形成了“主孔穩(wěn)定地層長(zhǎng)距離延伸、探查分支孔大傾角探煤、取樣分支孔緩傾角取樣，小泵量、低泵壓取樣鉆進(jìn)，大泵量、高泵壓煤樣切斷密閉”的工藝措施，為梳狀定向鉆孔順利鉆進(jìn)和取樣提供了保障。

3）可進(jìn)一步開發(fā)碎軟煤層順層定向取樣技術(shù)，減少取樣工程量，提高取樣效率。