厚煤層頂板定向大直徑長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

劉 洋,王維德,張洪雨,閆保永,李艷奎

(1.河南能源鶴壁煤業(yè)有限公司第三煤礦,河南 鶴壁 458000; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400039; 3.太原理工大學(xué),山西 太原 030024)

隨著我國瓦斯抽采技術(shù)的快速發(fā)展,經(jīng)過區(qū)域瓦斯治理后基本上消除了突出危險(xiǎn),但工作面回采期間上隅角瓦斯依然制約礦井安全高效生產(chǎn)。針對上隅角瓦斯治理難題,現(xiàn)已經(jīng)形成上隅角埋管、高位巷、高位鉆場等一系列較為成熟的瓦斯治理技術(shù)。雖然取得了較好的抽放效果,但均存在一定的局限性。上隅角埋管工程量小、布置方便[1],但管路易漏氣或吸進(jìn)采空區(qū)注漿水,管理難度大;高位巷抽采量大[2],但巖巷工程量大且后期維護(hù)難度大;高位鉆場工程量相對較小,抽采效果好[3-4],但存在鉆孔有效利用率低,鉆場內(nèi)瓦斯管理難度大、安全隱患多等諸多缺點(diǎn)。

近年來,隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)的快速發(fā)展,頂板裂隙定向長鉆孔代替高位鉆場進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理成為新趨勢[5-7]。但受困于鉆進(jìn)設(shè)備及鉆進(jìn)技術(shù),大埋深巖層一次性成孔直徑均在150 mm以下[8]?！岸ㄏ蛳葘?dǎo)孔+擴(kuò)孔”施工工藝可以擴(kuò)大鉆孔直徑,但需重新下鉆進(jìn)行多次擴(kuò)孔,不僅施工工序繁雜、成孔工期較長,而且會(huì)對鉆孔周邊巖石造成多次擾動(dòng)和傷害,易造成鉆孔塌孔[9-15]。為此,筆者從影響負(fù)角度大直徑長鉆孔高效成孔因素及抽采效果出發(fā),通過理論計(jì)算分析優(yōu)化了鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù),并在軟巖內(nèi)進(jìn)行了一次性成孔直徑153 mm的千米長鉆孔工程實(shí)踐,取得了較好的抽采效果,實(shí)踐成果對今后大直徑定向長鉆孔施工具有一定的指導(dǎo)意義。

1 大直徑長鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.1 鉆孔布孔層置選擇

根據(jù)具體施工地點(diǎn),選擇合理的布孔層位是實(shí)現(xiàn)大直徑定向長鉆孔高效成孔的基礎(chǔ)。以鶴煤三礦4101工作面為例,該工作面開采二1煤層,煤層直接頂由砂質(zhì)泥巖、粉砂巖、泥巖、細(xì)粒砂巖組成,厚度18.68 m;基本頂為中粒砂巖,厚度1.25 m,中粒砂巖灰淺灰色,以石英為主,次為暗色礦物分選中等,硅質(zhì)膠結(jié)含泥質(zhì)團(tuán)塊裂隙充填方解石脈。4101工作面綜合柱狀如圖1所示。

圖1 4101工作面綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of No.4101 working face

隨著工作面回采,覆巖垮落下沉填充采空區(qū),穩(wěn)定后形成“豎三帶”、“橫三區(qū)”裂隙發(fā)育區(qū)域,這些裂隙為瓦斯提供了運(yùn)移通道及賦存空間。由于瓦斯密度相對空氣較小,大量瓦斯聚集在離層裂隙帶內(nèi),因此離層裂隙帶是鉆孔最佳的布置區(qū)域。

在豎直方向,依據(jù)關(guān)鍵層理論[16],在相同開采條件下,關(guān)鍵層是影響上覆巖層彎曲破壞范圍的主要因素。由于關(guān)鍵層巖層強(qiáng)度及厚度不同,其下沉撓度值不等,最終會(huì)因變形不同步而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)離層裂隙。采用加權(quán)平均法計(jì)算巖層裂隙寬度[17]:

(1)

式中,Δp為巖層極限拉伸變形加權(quán)平均值;mi為所要計(jì)算巖層距開采層的垂直高度;Δi為所要計(jì)算巖層的極限拉伸變形值,煤0.002～0.003,砂巖、礫巖0.003～0.004,泥質(zhì)巖0.006～0.010。

采場上覆巖層某一高度h處的垂直裂隙平均寬度用Bp表示[18],其計(jì)算公式為:

Bp=0.424 2×(480m/h-2Δp×103)

(2)

式中,m為開采煤層的厚度;其他參數(shù)意義同式(1)。

利用式(1)和式(2)可以計(jì)算工作面二1煤層覆巖各巖層垂直裂隙的平均寬度。根據(jù)垂直裂隙寬度,將裂隙寬度在42～176 mm的巖層劃分為冒落帶,13～41 mm的劃分為離層裂隙帶,小于13 mm的劃分為彎曲下沉帶。由以上分析可知,冒落破碎帶范圍為煤層直接頂砂質(zhì)泥巖層至第9層的砂質(zhì)泥巖,高度26.01 m;裂隙帶范圍為第10層粉砂巖至第15層砂質(zhì)泥巖,高度為57.37 m。

在水平方向,隨著工作面的推進(jìn),會(huì)形成一個(gè)形狀類似“O”形的橢圓裂隙帶。“O”形圈離層區(qū)寬度d≈0.8l,l為回采期間頂板的初次來壓步距,取34.5 m。計(jì)算得橢圓裂隙帶寬度為0～27.6 m。

為了進(jìn)一步確定裂隙帶高度,采用FLAC3D進(jìn)行了數(shù)值模擬,模擬采用摩爾—庫侖模型,在賦參數(shù)時(shí)采取各煤巖層各向同性且屬性均勻的簡化措施?？梢钥闯?從采空區(qū)邊緣向中心下沉幅度逐漸增大,煤層底板向上約30 m下沉量在0.045 m以上,為冒落帶。煤層底板向上約60 m下沉量在0.015 m以上,為裂隙帶。與理論計(jì)算“三帶”高度基本一致。

由瓦斯運(yùn)移規(guī)律可知,裂隙帶上部的離層裂隙是瓦斯主要存儲(chǔ)場所,而下部的穿層裂隙是瓦斯的運(yùn)移通道。由于4101工作面覆巖砂巖層與泥巖層交替存在,覆巖垮落沉降后裂隙較為發(fā)育,裂隙帶下部的裂隙寬度在40 mm以上,與采空區(qū)聯(lián)通能力較強(qiáng),容易抽出采空區(qū)瓦斯。位于煤層上部第11層砂質(zhì)泥巖層位合理,另外該巖層相對硬度較小,能大幅減小鉆進(jìn)阻力,實(shí)現(xiàn)快速鉆進(jìn)。綜合考慮,鉆孔層位選在沿砂質(zhì)泥巖與粉砂巖交界面鉆進(jìn),層位距離煤層頂板約30 m,布孔層位如圖2所示。

圖2 大直徑定向鉆孔布孔層位示意Fig.2 Schematic diagram of hole layout layers for large diameter directional drilling

1.2 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)

此次累計(jì)施工5個(gè)鉆孔,鉆孔主孔1號孔試驗(yàn)長度980 m,其余4個(gè)孔長度730 m,一次性成孔孔徑153 mm以上。鉆孔水平方向距4101工作面回風(fēng)巷巷幫2～36 m,垂直方向距二1煤層頂板29～31 m。受工作面煤層賦存的影響,鉆孔整體成負(fù)角度施工。為了確保鉆進(jìn)期間順利排渣,降低鉆進(jìn)阻力,鉆孔軌跡盡量避免大曲率變化,具體參數(shù)見表1。以3號孔為例,剖面軌跡如圖3所示。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Drilling design parameters

圖3 3號定向鉆孔設(shè)計(jì)軌跡剖面示意Fig.3 Schematic diagram of design track section of No.3 directional drilling

2 鉆具及配套設(shè)備選型

為了滿足在砂質(zhì)泥巖中施工大直徑長鉆孔的需要,考慮施工現(xiàn)場環(huán)境,采用先進(jìn)的ZYWL-23000DS型煤礦用雙履帶全液壓定向鉆機(jī)。該鉆機(jī)采用雙液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭,額定輸出扭矩達(dá)到23 kN·m。采用雙油缸—雙活塞桿大行程推進(jìn)機(jī)構(gòu),最大推進(jìn)/起拔力達(dá)到400 kN。配套BC800型雙液壓馬達(dá)泥漿泵,泵車輸出流量可在0～800 L/min內(nèi)無級調(diào)節(jié),最高輸出壓力達(dá)到10 MPa[19-20]。

3 鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)

主要施工工序包括開孔、封孔、鉆進(jìn)、退鉆、開分支孔等。鉆具組合為用φ153 mmPDC鉆頭+φ103 mm無磁鉆桿+φ103 mm通纜鉆桿定向鉆進(jìn),由于為一次性成孔,不需要進(jìn)行二次擴(kuò)孔。

3.1 開孔參數(shù)誤差控制技術(shù)

由于大直徑鉆孔自煤體內(nèi)開孔,為防止煤孔段損壞,需用封孔管將煤孔段進(jìn)行注漿加固,封孔段長約40 m。由于測量探管在封孔管內(nèi)無法進(jìn)行方位測量,開孔傾角15°鉆進(jìn)時(shí),受鉆桿及鉆頭影響快速下垂。為保證測量精度,在長距離封孔段只取傾角,在測量探管段伸出封孔管6 m以上距離,用此處的方位角覆蓋從孔口到可測量處的方位角數(shù)值。通過記錄所有傾角值,在可定向測量的位置進(jìn)行修正。

3.2 負(fù)角度鉆進(jìn)防卡鉆技術(shù)

負(fù)角度大直徑長鉆孔施工期間,隨著鉆孔長度的增加,鉆桿與孔壁的接觸面積增加;隨著鉆孔孔徑的增大,鉆進(jìn)期間出渣量也大幅增加。這兩方面原因都直接增大了鉆進(jìn)阻力,如果處理不當(dāng),直接影響鉆進(jìn)速度,甚至造成卡鉆。

針對該問題:①設(shè)計(jì)鉆孔時(shí)避免大曲率的“V”字形軌跡,減少鉆桿與孔壁接觸面積的同時(shí),防止鉆孔液出現(xiàn)渦旋,導(dǎo)致煤粉堆積。②優(yōu)選鉆進(jìn)設(shè)備。大孔徑長鉆孔施工要求鉆機(jī)要有與鉆進(jìn)阻力相匹配的大扭矩驅(qū)動(dòng)動(dòng)力頭,并具有較大推進(jìn)(起拔)能力。配備800 L/min大流量可變級調(diào)節(jié)性泥漿泵,增大鉆孔液出口流速,配合深槽螺紋鉆桿,通過增加鉆孔液的回旋速度加大其對煤粉的擾動(dòng)能力,使煤粉處于懸浮狀態(tài),大幅度提高排渣能力。③鉆進(jìn)期間,隨時(shí)觀察鉆進(jìn)壓力,正常鉆進(jìn)壓力在4～6 MPa,遇到軟分層后壓力極不穩(wěn)定,壓力下降至3 MPa左右時(shí),鉆進(jìn)速度會(huì)明顯加快。若出現(xiàn)返渣顆粒變大、返渣量增加,必須停止鉆進(jìn)、反復(fù)洗孔,直至返渣變小到無,返出清水。

3.3 精確軌跡控制技術(shù)

定向鉆孔利用隨鉆測斜儀及造斜鉆頭控制鉆孔軌跡。隨鉆測量系統(tǒng)采用探管孔外持續(xù)供電技術(shù),增加探管可靠性。在施鉆過程中,必須定量控制工具面向角。①在往復(fù)鉆進(jìn)過程中,鉆機(jī)必須實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)與制動(dòng)功能聯(lián)鎖,保證退送鉆桿期間鉆桿不轉(zhuǎn)動(dòng);②為了避免停泵造成工具面向角反扭角改變,每次調(diào)節(jié)完工具面向角后,需反復(fù)拉動(dòng)鉆具以釋放反扭力,使工具面調(diào)節(jié)值盡量接近實(shí)際工具面值,減少反扭矩對鉆孔軌跡控制的影響,從而保證鉆孔軌跡精確度。

3.4 綜合防塌孔技術(shù)

隨著鉆孔孔徑以及排渣水壓的增加,鉆孔越容易塌孔。為了避免大直徑定向長鉆孔出現(xiàn)坍塌造成鉆孔抽放效果差,主要采取了以下防治塌孔的措施。

(1)調(diào)整合理的鉆孔液壓力。鉆孔液除了帶走鉆屑、冷卻鉆探、潤滑鉆具和鉆頭外,還可以起到改變井壁壓力、緩解地層壓力的作用。由于鉆孔均在泥巖中鉆進(jìn),根據(jù)鉆孔埋深及砂質(zhì)泥巖的力學(xué)特性,調(diào)整鉆進(jìn)供液壓力為5 MPa左右,鉆進(jìn)時(shí)使孔壁受力平衡,避免水化膨脹等破壞孔壁穩(wěn)定性。

(2)下套管。在巖石破碎段下套管,由套管來承擔(dān)圍巖作用于孔壁上的外力,減小鉆孔的變形量和破壞程度。套管上打有抽放瓦斯的小孔,根據(jù)現(xiàn)場經(jīng)驗(yàn),以射孔導(dǎo)致的抗壓裂強(qiáng)度減小20%時(shí)的射孔密度為宜,可以兼顧抽采與強(qiáng)度要求。

4 鉆孔成孔及抽采效果分析

4.1 鉆孔成孔參數(shù)

1號孔為本次鉆孔施工成孔中的最深孔,深度達(dá)到1 071 m,孔徑153 mm,施工鉆孔終孔距離煤層頂板29 m;2號孔孔徑153 mm,孔深730 m,施工鉆孔距離煤層頂板30 m;3號孔孔徑193 mm,鉆孔距離煤層頂板30 m,施工中500 m處遇地質(zhì)鉆孔出現(xiàn)不返水現(xiàn)象退鉆;5號孔孔徑153 mm,施工鉆孔距離煤層頂板30 m,施工至490 m處遇含大塊礫石泥質(zhì)軟巖,鉆孔軌跡控制困難退鉆。

4號孔施工主孔1個(gè),主孔孔深753 m,孔徑153 mm,施工鉆孔距離煤層頂板30 m。分支孔2個(gè),對3號、5號孔進(jìn)行了補(bǔ)充延伸。其中,1號分支孔,鉆孔距離煤層頂板30 m,400 m處開分支,分支孔長320 m;2號分支孔,鉆孔距離煤層頂板30 m,350 m處開分支,分支孔長500 m。

4.2 抽采效果

4101工作面大直徑定向長鉆孔于2020年7月10日開始施工,至11月25日鉆孔工程全部結(jié)束,2020年12月開始正規(guī)帶抽?；夭沙跗?由于回采進(jìn)度慢,頂板覆巖沉降速度慢,裂隙不發(fā)育,整體抽采量較小,具體抽采參數(shù)如圖4所示。

圖4 4101工作面大直徑定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)Fig.4 Large diameter directional drilling extraction data of No.4101 working face

從圖4可以看出,1號鉆孔在工作面回采初期抽采純量高,抽采效果較好,單孔瓦斯日抽純量最高為1 699 m3,但因距巷道近,后期巷道受壓裂隙發(fā)育,鉆孔漏氣量增大,抽采濃度衰減快。2號鉆孔沿傾向距離巷幫18 m處,位于“O”裂隙帶中部,裂隙發(fā)育較好,鉆孔抽采純量較穩(wěn)定;3號孔因鉆孔長度相對較短,前期基本無抽放量,隨著回采裂隙發(fā)育至終孔處,日抽查量快速上升,并超過2號鉆孔。4號、5號鉆孔靠近壓實(shí)區(qū),抽采濃度高但抽采流量較小。可見,2號、3號鉆孔層位為今后頂板定向鉆孔最優(yōu)位置。

4101工作面自2020年10月開始正式回采,至2020年12月推進(jìn)約65 m后,定向鉆場流量逐漸上升,日抽放量達(dá)到4 896 m3峰值后逐漸下降。生產(chǎn)期間,工作面配風(fēng)量約1 200 m3/min,平均日推進(jìn)度2.4 m,平均日產(chǎn)煤量4 300 t?；夭善陂g上隅角最大瓦斯?jié)舛?.35%,平均瓦斯?jié)舛?.28%;工作面最大瓦斯?jié)舛?.32%,平均瓦斯?jié)舛?.22%;回風(fēng)流最大瓦斯?jié)舛?.33%,平均瓦斯?jié)舛?.25%,平均風(fēng)排瓦斯量3.12 m3/min。未出現(xiàn)瓦斯超限等異?，F(xiàn)象,實(shí)現(xiàn)了安全高效回采。

5 結(jié)論

(1)通過對煤層頂板覆巖巖性、采空區(qū)覆巖垮落后裂隙發(fā)育規(guī)律以及瓦斯運(yùn)移規(guī)律進(jìn)行綜合理論分析,確定定向長鉆孔層位為頂板以上30 m處的砂質(zhì)泥巖中。

(2)根據(jù)大直徑千米長鉆孔的鉆進(jìn)需要,選用了扭矩23 kN·m、推進(jìn)/起拔力達(dá)到400 kN的大功率鉆機(jī),并配套800 L/min大流量泥漿泵,為鉆孔成功實(shí)施奠定了硬件基礎(chǔ)。

(3)鉆進(jìn)過程中,使用了開孔參數(shù)誤差控制技術(shù)、負(fù)角度鉆進(jìn)防卡鉆技術(shù)、精確軌跡控制技術(shù)以及綜合防塌孔技術(shù),鉆進(jìn)速度最高達(dá)到129 m/d,單孔成孔長度達(dá)到1 071 m,實(shí)現(xiàn)了直徑153 mm定向鉆孔一次性成孔,沿走向一次性覆蓋整個(gè)工作面。

(4)大直徑定向長鉆孔抽采效果顯著,實(shí)踐成果為類似突出礦井瓦斯治理提供了支撐。