碎軟煤層定向鉆孔防瓦斯套銑打撈技術(shù)

楊 旭 ，王建強(qiáng) ，張宏杰 ，張 杰 ，張亞洲 ，黃寒靜 ，陳天柱

（1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

碎軟煤層在我國(guó)廣泛分布，具有瓦斯含量高、壓力大、透氣性差、煤質(zhì)破碎等特點(diǎn)[1-2]，鉆孔預(yù)抽是碎軟煤層瓦斯治理的有效技術(shù)手段，但在該類煤層中施工瓦斯抽采鉆孔極易發(fā)生噴孔、塌孔、卡鉆等事故，導(dǎo)致鉆孔成孔困難[3-4]。定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆孔軌跡可控的優(yōu)點(diǎn)[5-9]，用于碎軟煤層瓦斯治理鉆孔施工，但由于煤層破碎，經(jīng)常發(fā)生卡鉆事故，處理不當(dāng)會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。套銑打撈技術(shù)是利用套銑打撈鉆具，采用回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝進(jìn)行孔內(nèi)卡鉆事故處理[10-11]，由于事故處理成功率較高，近年來(lái)大量應(yīng)用于定向鉆孔孔內(nèi)事故處理。針對(duì)該技術(shù)國(guó)內(nèi)學(xué)者主要從套銑打撈鉆具研制、套銑打撈鉆具組合及級(jí)配優(yōu)化、不同類型孔內(nèi)事故套銑打撈工藝開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行了大量研究[12-15]，研制出了多種規(guī)格套銑打撈鉆具，適用于不同類型的孔內(nèi)事故處理。但對(duì)于碎軟煤層由于煤質(zhì)碎軟，孔壁穩(wěn)定性差，套銑打撈過(guò)程中易發(fā)生卡鉆事故，而且該類煤層瓦斯含量大、壓力高，套銑打撈過(guò)程中易發(fā)生瓦斯異常涌出?；诖?，提出碎軟煤層定向鉆孔防瓦斯套銑打撈技術(shù)，在現(xiàn)有套銑打撈技術(shù)基礎(chǔ)上，通過(guò)優(yōu)化套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯管路系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統(tǒng)和套銑打撈加桿防瓦斯裝置，實(shí)現(xiàn)套銑打撈全程負(fù)壓抽采、密閉排渣和密封加桿，以解決碎軟煤層定向鉆孔套銑打撈瓦斯異常涌出的技術(shù)難題。

1 套銑打撈瓦斯涌出原因

套銑打撈技術(shù)主要針對(duì)塌孔、縮徑和沉渣等原因?qū)е裸@具在孔內(nèi)處于壓鉆或卡鉆的工況，該技術(shù)利用套銑打撈鉆具組合，采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，進(jìn)行全孔回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)，將卡點(diǎn)孔段積壓的煤巖體通過(guò)套銑打撈鉆具進(jìn)行破碎并排出孔外，從而疏通卡點(diǎn)孔段，實(shí)現(xiàn)事故鉆具解卡。套銑打撈原理如圖1。

圖1 套銑打撈原理Fig.1 Schematic diagram of sleeve milling and fishing principle

在套銑打撈過(guò)程中，孔壁煤體內(nèi)瓦斯不斷釋放到鉆孔內(nèi)，當(dāng)釋放的瓦斯量達(dá)到一定體積時(shí)，該部分瓦斯便順著鉆孔排出孔外。因此在套銑打撈過(guò)程中，孔口始終有瓦斯的排出，但在處理碎軟煤層定向鉆孔孔內(nèi)事故時(shí)，由于孔壁穩(wěn)定性差，鉆孔易發(fā)生塌孔，瓦斯釋放通道被堵，導(dǎo)致瓦斯在孔內(nèi)積聚，當(dāng)孔內(nèi)積聚的瓦斯量和瓦斯壓力達(dá)到一定值時(shí)，封堵在孔內(nèi)的煤渣被沖向孔外，瞬間孔口伴隨大量煤渣和瓦斯噴出，嚴(yán)重者造成瓦斯超限事故。同時(shí)，停止打撈鉆進(jìn)時(shí)，打撈鉆具內(nèi)也會(huì)積聚大量瓦斯，當(dāng)送水器拆掉時(shí)，該部分瓦斯便會(huì)瞬間噴出，嚴(yán)重者造成瓦斯超限事故。從套銑打撈技術(shù)原理及瓦斯涌出原因可知，碎軟煤層套銑打撈瓦斯涌出主要有以下通道：

1）套銑打撈鉆具內(nèi)通孔成為孔內(nèi)瓦斯積聚及涌出的天然通道，當(dāng)停止打撈鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔孔壁煤體釋放的瓦斯就會(huì)進(jìn)入該通道。隨著打撈鉆具末端送水器拆卸，打撈鉆具內(nèi)瓦斯便會(huì)瞬間涌出至鉆場(chǎng)巷道。

2）鉆孔孔壁與套銑打撈鉆具環(huán)空返渣通道成為瓦斯涌出的另一通道，在正常套銑打撈鉆進(jìn)過(guò)程中，煤層釋放的瓦斯，隨著鉆屑一起通過(guò)該通道排出孔外。當(dāng)遇到局部孔段塌孔，該通道被堵，瓦斯便積聚在該通道內(nèi)。隨著該通道的疏通，瓦斯便從該通道瞬間涌出。

2 套銑打撈瓦斯涌出量

隨著套銑打撈鉆孔的形成，鉆孔孔壁圍巖應(yīng)力重新分布，徑向方向由內(nèi)向外將鉆孔孔壁圍巖劃分為破碎區(qū)Ⅰ、塑性區(qū)Ⅱ、彈性區(qū)Ⅲ和原巖應(yīng)力區(qū)Ⅳ, 套銑打撈鉆孔圍巖變形區(qū)分布如圖2。

圖2 套銑打撈鉆孔圍巖變形區(qū)分布Fig.2 Distribution map of surrounding rock deformation zone of borehole

打撈鉆進(jìn)過(guò)程中瓦斯主要來(lái)源于2 部分：①破碎區(qū)煤體內(nèi)釋放的瓦斯；②塑性區(qū)煤體內(nèi)釋放的瓦斯。其中破碎區(qū)煤體內(nèi)瓦斯主要是吸附瓦斯中可解吸瓦斯，隨著打撈鉆頭的切削全部釋放；打撈鉆進(jìn)過(guò)程中隨著鉆孔的形成，塑性區(qū)煤體由于發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致煤體裂隙增大，煤體透氣性增加，煤體內(nèi)可解吸瓦斯基本全部釋放。

可見(jiàn)，套銑打撈涌出瓦斯主要來(lái)源于破碎區(qū)煤體和塑性區(qū)煤體內(nèi)瓦斯，則打撈鉆進(jìn)每米鉆孔瓦斯釋放量可通過(guò)公式[16]進(jìn)行計(jì)算：

式中：R1為原鉆孔半徑，m；R2為破碎區(qū)半徑，m，取套銑鉆頭的半徑；R3為塑性區(qū)半徑，m；C為黏聚力，MPa； φ為內(nèi)摩擦角，（°）；p1為原地應(yīng)力，MPa；Q為每米鉆孔瓦斯釋放量，m3； ρ為煤體密度，kg/m3；T為原始煤體可解吸瓦斯含量，m3/kg；p2為煤體瓦斯壓力，MPa；fn為煤體孔隙率，m3/t。

可以看出，套銑打撈瓦斯涌出量主要與煤層自身可解吸瓦斯含量、套銑打撈鉆孔孔徑和原地應(yīng)力有關(guān)，并隨之增大而增大，在滿足打撈要求的前提下應(yīng)降低打撈鉆頭直徑。

3 防瓦斯套銑打撈技術(shù)

根據(jù)套銑打撈瓦斯異常涌出原因分析，套銑打撈過(guò)程中要同時(shí)防止打撈鉆具與孔壁環(huán)空間隙內(nèi)瓦斯、套銑打撈鉆具內(nèi)通孔瓦斯的積聚，并對(duì)上述通道瓦斯實(shí)行密閉抽采及卸壓。防瓦斯套銑打撈技術(shù)借助于套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯技術(shù)和套銑打撈孔外防瓦斯技術(shù)，一方面通過(guò)抽采管路優(yōu)化實(shí)現(xiàn)對(duì)打撈鉆具內(nèi)積聚的瓦斯進(jìn)行負(fù)壓抽采并卸壓；另一方面利用孔口密閉抽瓦斯系統(tǒng)和加桿防瓦斯裝置實(shí)現(xiàn)孔口瓦斯密閉抽采和打撈鉆桿密封加接。套銑打撈鉆進(jìn)過(guò)程中通過(guò)套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯技術(shù)和套銑打撈孔外防瓦斯技術(shù)協(xié)同配合實(shí)施，最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)打撈鉆進(jìn)過(guò)程中瓦斯的密閉抽采和卸壓，防止瓦斯的異常涌出。

3.1 套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯技術(shù)

為了避免加接打撈鉆桿時(shí)，打撈鉆具內(nèi)積聚的瓦斯瞬間涌出，造成瓦斯超限事故。在加接打撈鉆桿前需要對(duì)打撈鉆具內(nèi)瓦斯進(jìn)行負(fù)壓抽采。

套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯技術(shù)是在套銑打撈鉆具末端連接抽采管路，將抽采管路通過(guò)氣水分離器與負(fù)壓管路連接，通過(guò)負(fù)壓對(duì)套銑打撈鉆具內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽采，并釋放其壓力。套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯原理如圖3，套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯流程如圖4。

圖3 套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯原理Fig.3 Schematic diagram of gas drainage principle of sleeve milling and fishing

圖4 套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯流程Fig.4 Flow chart of sleeve milling and fishing gas drainage

抽采管路上安裝有壓力表和閥門(mén)，在加接打撈鉆桿前，先開(kāi)啟抽采管路閥門(mén)，通過(guò)負(fù)壓抽采打撈鉆具內(nèi)積聚的瓦斯，待壓力表顯示壓力降為0 時(shí)，關(guān)閉閥門(mén)停止抽采，拆卸送水器，最后加接打撈鉆桿繼續(xù)進(jìn)行事故處理，如此循環(huán)直至事故鉆具解卡。

3.2 套銑打撈孔外防瓦斯技術(shù)

3.2.1 套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統(tǒng)

為了防止孔口及排渣口處瓦斯異常涌出，設(shè)計(jì)了孔口密閉抽瓦斯系統(tǒng)。套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統(tǒng)如圖5。

圖5 套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統(tǒng)Fig.5 Schematic diagram of closed gas drainage system of sleeve milling and fishing

系統(tǒng)通過(guò)在孔口管上安裝孔口五通，孔口五通與打撈鉆桿之間采用孔口密封裝置實(shí)現(xiàn)密封，孔口五通排渣口通過(guò)排渣管路與防噴箱連接，防噴箱和孔口五通均連有負(fù)壓管路，防噴箱在打撈過(guò)程中處于密閉狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)邊打撈邊密閉負(fù)壓抽采。防噴箱用于存儲(chǔ)鉆屑和瓦斯，防噴箱體積可達(dá)2～3 m3，當(dāng)瓦斯瞬間涌出時(shí)，可對(duì)瓦斯進(jìn)行緩沖和密閉負(fù)壓抽采，從而防止瓦斯涌出至鉆場(chǎng)巷道。

3.2.2 套銑打撈加桿防瓦斯裝置

為了防止加接打撈鉆桿時(shí)，打撈鉆桿內(nèi)部殘余瓦斯從打撈鉆桿末端涌出，設(shè)計(jì)了加桿防瓦斯裝置，套銑打撈加桿防瓦斯裝置如圖6。

圖6 套銑打撈加桿防瓦斯裝置Fig.6 Add drill pipe gas prevention technology of sleeve milling and fishing

套銑打撈加桿防瓦斯裝置主要由箱體、插板、密封橡膠、固定螺釘、定位卡槽和負(fù)壓管路接口組成。插板用來(lái)?yè)踉诖驌沏@桿與送水器之間，密封橡膠實(shí)現(xiàn)箱體與打撈鉆桿及送水器之間的密封，箱體用螺釘固定在打撈鉆桿上，防止箱體軸向移動(dòng)，定位卡槽實(shí)現(xiàn)插板的軸向定位，防止插板偏移，負(fù)壓管路接口用于接負(fù)壓管路。裝置箱體中心為圓孔結(jié)構(gòu)，打撈鉆桿可從中心孔穿過(guò)。當(dāng)需要加接打撈鉆桿時(shí)，將該裝置箱體安裝在打撈鉆桿與送水器之間，具體位置以插板落下時(shí)剛好擋在打撈鉆桿末端為準(zhǔn)，通過(guò)固定螺釘將箱體與打撈鉆桿固定，在負(fù)壓管路接口上連接負(fù)壓管路，打開(kāi)負(fù)壓，拆卸送水器，當(dāng)送水器與打撈鉆桿絲扣分離的瞬間，插板依靠自重自由下落，封擋在打撈鉆桿末端口處，此時(shí)打撈鉆桿內(nèi)涌出的殘余瓦斯進(jìn)入該裝置箱體內(nèi)并通過(guò)負(fù)壓抽走，從而防止瓦斯涌入鉆場(chǎng)巷道。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)區(qū)概況

山西天地王坡煤礦開(kāi)采3 號(hào)煤層為碎軟煤層，平均厚度5.8 m，煤層傾角為 2°～10°。煤體內(nèi)部弱面極其發(fā)育，煤體發(fā)脆，導(dǎo)致整體強(qiáng)度顯著降低，煤層堅(jiān)固性系數(shù)f為0.3～0.5，原始煤層瓦斯含量6～19 m3/t。煤層頂板巖性為砂質(zhì)泥巖和石英砂巖，底板為泥巖和石英砂巖。3 號(hào)煤層及頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

4.2 事故鉆孔施工情況

試驗(yàn)鉆孔采用ZDY15000LD 型定向鉆進(jìn)裝備，施工1 號(hào)本煤層定向鉆孔，治理?xiàng)l帶瓦斯。該鉆孔分支孔9 個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺1 778 m，1-2 號(hào)分支孔施工至362 m塌孔卡鉆。其中，305～345 m 為砂質(zhì)泥巖，其余孔段為煤。鉆孔軌跡平面投影如圖7，鉆孔結(jié)構(gòu)如圖8。鉆孔施工數(shù)據(jù)及瓦斯涌出統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。

圖7 鉆孔軌跡平面投影Fig.7 Drilling trajectory plane graph

圖8 鉆孔結(jié)構(gòu)Fig.8 Drilling hole structure

在鉆孔施工的過(guò)程中，孔壁坍塌，造成瓦斯異常涌出6 次，涌出時(shí)長(zhǎng)為51 s，累計(jì)涌出量約為7 m3。

4.3 套銑打撈處理方案

分支孔鉆遇煤層頂板，由于煤巖交界區(qū)域地層破碎，導(dǎo)致發(fā)生塌孔卡鉆事故。經(jīng)過(guò)對(duì)該鉆孔實(shí)鉆軌跡數(shù)據(jù)分析計(jì)算[17]，該鉆孔平均全彎曲強(qiáng)度為0.3 °/m，其中，孔深75～120 m 全彎曲強(qiáng)度最大為0.4 °/m，鉆孔軌跡全彎曲強(qiáng)度小，軌跡整體相對(duì)較平滑。孔口管采用φ200 mm PVC 管，內(nèi)徑173 mm。最終采用φ168 mm 套銑鉆頭+φ127 mm套銑鉆桿進(jìn)行套銑打撈處理，套銑打撈鉆具組合如圖9。

圖9 套銑打撈鉆具組合Fig.9 Schematic diagram of sleeve milling and fishing drill tool combination

4.4 套銑打撈處理

1）安裝孔口五通及防噴箱。在φ200 mm PVC孔口管上安裝孔口五通，孔口五通出渣口通過(guò)φ180 mm 膠管與防噴箱連接，防噴箱上連接有負(fù)壓管路；孔口五通與打撈鉆桿之間安裝盤(pán)根，實(shí)現(xiàn)打撈鉆桿與孔口五通之間的密封。

2）安裝加桿防瓦斯裝置。將加桿防瓦斯裝置安裝在打撈鉆桿與送水器絲扣連接處，并連接負(fù)壓管路。

3）連接抽采管路。在送水器末端安裝三通，用高壓膠管分別與泥漿泵排水口和氣水分離器連接，并在氣水分離器上安裝壓力表，氣水分離器與負(fù)壓管路連接。

4）套銑打撈。套銑打撈前先開(kāi)啟孔口五通和防噴箱上連接的負(fù)壓，開(kāi)泵向孔內(nèi)供水，待孔口返水正常后，開(kāi)始打撈鉆進(jìn)。每打撈鉆進(jìn)完1 根鉆桿，停止供水，先開(kāi)啟抽采管路閥門(mén)，孔內(nèi)的瓦斯和水經(jīng)過(guò)氣水分離器后，水通過(guò)排水口人工排出，瓦斯則進(jìn)入主負(fù)壓管路，待壓力表壓力降至0，開(kāi)啟加桿防瓦斯裝置上的負(fù)壓，拆卸送水器，送水器拆卸掉的瞬間，加桿防瓦斯裝置上插板依靠自重下落，封擋在打撈鉆桿末端口處，打撈鉆桿內(nèi)殘余瓦斯通過(guò)負(fù)壓被抽走，從而防止瓦斯涌入鉆場(chǎng)巷道。打撈過(guò)程產(chǎn)生的鉆屑及瓦斯直接排至防噴箱內(nèi)，防噴箱在打撈鉆進(jìn)過(guò)程中為密閉狀態(tài)，瓦斯通過(guò)負(fù)壓直接抽至負(fù)壓管路，鉆屑堆積至防噴箱內(nèi)，防噴箱內(nèi)堆滿鉆屑后，停止打撈鉆進(jìn)，將防噴箱內(nèi)鉆屑清理干凈后再繼續(xù)打撈鉆進(jìn)。

套銑打撈施工中，出煤量和卸壓時(shí)間及初始?jí)毫ψ兓€如圖10。

圖10 出煤量和卸壓時(shí)間及初始?jí)毫ψ兓€Fig.10 Coal output, pressure relief time, initial pressure change curves

打撈鉆進(jìn)過(guò)程中出煤量整體較穩(wěn)定，平均出煤量約260 kg，由于孔壁穩(wěn)定性差的孔段塌孔，導(dǎo)致局部孔段出煤量明顯增大，最大出煤量達(dá)390 kg，可見(jiàn)出煤量受孔壁穩(wěn)定性影響較大，孔壁穩(wěn)定性差的孔段出煤量較大。卸壓時(shí)間隨孔深的增大呈明顯增大的趨勢(shì)，由初期的1 min 增大至40 min，由于孔深的增大，單位時(shí)間鉆孔釋放的瓦斯量增大，導(dǎo)致卸壓時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)，不同孔段卸壓時(shí)間隨出煤量的變化波動(dòng)較大，出煤量大的孔段卸壓時(shí)間明顯延長(zhǎng)，可見(jiàn)卸壓時(shí)間受鉆孔深度和出煤量影響較大。初始?jí)毫τ沙跗?.8 MPa，增大至1.5 MPa，增幅相對(duì)較平緩，但局部孔段隨著出煤量增大而明顯增大，可見(jiàn)初始?jí)毫χ饕艹雒毫康挠绊戄^大。綜上所述打撈鉆進(jìn)過(guò)程中出煤量大小直接影響到卸壓時(shí)間和初始?jí)毫Γ捎诳妆诜€(wěn)定性差的孔段出煤量大，因此孔壁穩(wěn)定性差的孔段更容易發(fā)生瓦斯異常涌出。

最終套銑打撈至孔深356 m 時(shí)，孔內(nèi)事故鉆具解卡，成功打撈出孔內(nèi)所有事故鉆具。套銑打撈過(guò)程中雖然發(fā)生多次塌孔，導(dǎo)致瓦斯積聚在孔內(nèi)，但在孔口均未出現(xiàn)瓦斯異常涌出，未發(fā)生瓦斯超限。

5 結(jié) 語(yǔ)

1）通過(guò)碎軟煤層套銑打撈孔內(nèi)瓦斯異常涌出原因、涌出通道和涌出量分析，提出了碎軟煤層定向鉆孔防瓦斯套銑打撈技術(shù)，優(yōu)化了套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯管路系統(tǒng)，開(kāi)發(fā)出了套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統(tǒng)和套銑打撈加桿防瓦斯裝置。

2）套銑打撈鉆具內(nèi)抽采瓦斯管路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了打撈鉆具內(nèi)瓦斯提前抽采卸壓：孔口密閉抽瓦斯系統(tǒng)和套銑打撈加桿防瓦斯裝置實(shí)現(xiàn)了整個(gè)套銑打撈鉆進(jìn)過(guò)程瓦斯的密閉抽采，有效防止瓦斯的異常涌出。

3）該技術(shù)成功應(yīng)用于碎軟煤層定向鉆孔孔內(nèi)卡鉆事故處理，處理孔深362 m，不僅保障了現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員的人身安全，而且對(duì)于套銑打撈技術(shù)在碎軟煤層中的推廣應(yīng)用提供了技術(shù)保障。