王 慶

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

瓦斯作為煤炭形成的伴生物，隨著礦井開(kāi)拓及工作面回采卸壓逸散到空氣中，嚴(yán)重影響到人的生命安全和制約著生產(chǎn)接續(xù)。一般采用常規(guī)鉆孔提前預(yù)抽方式進(jìn)行瓦斯治理，但也存在著工程量大、抽采效果差、綜合管理難等問(wèn)題[1-2]。隨著定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展成熟，已經(jīng)應(yīng)用于防治水、瓦斯抽采、構(gòu)造異常體探查等煤炭安全保障領(lǐng)域[3-8]?，F(xiàn)以定向鉆進(jìn)技術(shù)在西北某煤礦上保護(hù)層開(kāi)采卸壓瓦斯抽采工程實(shí)踐為例，對(duì)定向鉆孔在保護(hù)層開(kāi)采卸壓瓦斯的抽采效果進(jìn)行考察，同時(shí)優(yōu)選出本工程中定向鉆孔抽采效果最佳的施工層位，研究成果可為類似礦井瓦斯防治方案提供技術(shù)理論及實(shí)踐依據(jù)。

1 礦井地質(zhì)及瓦斯概況

1.1 礦井概況

西北某煤礦位于渭北石炭—二疊紀(jì)煤田東部邊緣，井田總體構(gòu)造形態(tài)為一走向NE-NEE，傾向NW-NWW，沿走向與傾向有明顯波狀起伏的單斜構(gòu)造，大中型構(gòu)造不太發(fā)育，主要以褶皺、小型斷裂及層滑構(gòu)造為主。礦井主采煤層為山西組的2號(hào)、3號(hào)煤層，均為突出煤層，其中2號(hào)煤平均厚度1.0 m。研究區(qū)工作面長(zhǎng)約600 m，寬約160 m，總體呈走向NE、傾向WW、平均傾角-3°波狀起伏的單斜構(gòu)造。頂板巖性由老到新依次為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖，與上部2號(hào)上煤線平均距離為5.5 m；底板為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及粉砂質(zhì)泥巖，與下部3號(hào)煤層平均間距為14.5 m，屬于典型中近距離煤層群開(kāi)采礦井。

目前礦井將2號(hào)煤層作為上保護(hù)層先行開(kāi)采，隨著回采工作面推進(jìn)，底板巖層卸壓產(chǎn)生裂隙，導(dǎo)致下部3號(hào)煤層瓦斯由吸附狀態(tài)解吸為游離狀態(tài)，通過(guò)巖層底板裂隙通道逸散到回采工作面中。目前工作面總體瓦斯含量約70%來(lái)自于底板3號(hào)煤層卸壓瓦斯，由此導(dǎo)致工作面瓦斯超限現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。隨著礦井開(kāi)采范圍擴(kuò)大和開(kāi)采深度的增加，礦井瓦斯涌出量整體表現(xiàn)出明顯增大的上升趨勢(shì)，嚴(yán)重制約著礦井的安全生產(chǎn)。

1.2 瓦斯鉆孔情況

該礦前期采用常規(guī)底板穿層鉆孔對(duì)卸壓逸散到首采層的瓦斯進(jìn)行攔截抽采，常規(guī)底板卸壓鉆孔自進(jìn)風(fēng)巷距離切眼5 m處開(kāi)始施工，鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)間距1 m，每5個(gè)鉆孔為1組，每組工程量約180 m；進(jìn)風(fēng)巷距切眼200 m范圍內(nèi)組間距5 m，共設(shè)計(jì)41組鉆孔，鉆孔數(shù)量205個(gè)，設(shè)計(jì)工程量7 380 m。常規(guī)鉆孔剖面布孔層位如圖1所示。

圖1 常規(guī)底板卸壓鉆孔施工剖面Fig.1 Construction profile of conventional bottom pressure relief drilling

常規(guī)鉆孔抽采方式存在所需鉆孔數(shù)量多、工程量大、后期管理維護(hù)及輔助成本大的缺點(diǎn)。相比常規(guī)鉆進(jìn)，定向鉆進(jìn)施工所需鉆場(chǎng)及鉆孔數(shù)量少，鉆探設(shè)備搬遷次數(shù)少，工人勞動(dòng)強(qiáng)度可大大降低；由于定向鉆進(jìn)其軌跡可控，鉆孔可最大限度在目標(biāo)層中鉆進(jìn)延伸。因此，其具有盲區(qū)少、抽采距離長(zhǎng)、影響區(qū)域廣等優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)鉆孔瓦斯集中抽放，保障瓦斯抽放效果。

2 定向設(shè)備及工藝

2.1 設(shè)備組成

施工鉆探設(shè)備采用ZDY12000LD型井下履帶式全液壓坑道定向鉆機(jī)和BW600/10型泥漿泵作為動(dòng)力系統(tǒng)，其余配套設(shè)備鉆具、測(cè)量系統(tǒng)見(jiàn)表1。目前該成套定向鉆探設(shè)備廣泛應(yīng)用于瓦斯抽采、防治水、防滅火、地質(zhì)構(gòu)造和異常體勘察等煤礦安全領(lǐng)域[9-12]。煤礦井下設(shè)備配套連接如圖2所示。

表1 鉆探設(shè)備型號(hào)及用途Tab.1 Model and application of drilling equipment

圖2 定向設(shè)備配套連接示意Fig.2 Directional equipment matching connection diagram

2.2 鉆進(jìn)工藝

定向鉆進(jìn)技術(shù)發(fā)展初期，采用穩(wěn)斜鉆具組合達(dá)到鉆孔自然彎曲或保直的目的，該方法受地層等不確定因素影響較大，屬于被動(dòng)定向鉆進(jìn)。隨著孔底馬達(dá)、隨鉆測(cè)量及計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，在煤礦井下可采用定向鉆進(jìn)技術(shù)使鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)要求在目標(biāo)層中有序鉆進(jìn)，屬于主動(dòng)定向鉆進(jìn)，從而達(dá)到實(shí)鉆軌跡由彎變直或由直變彎的目的[13]。項(xiàng)目選用彎角1.25°螺桿鉆具主動(dòng)造斜方式，泥漿泵輸出高壓鉆井液經(jīng)過(guò)通纜鉆具內(nèi)部進(jìn)入孔底螺桿馬達(dá)，在螺桿馬達(dá)出口兩端形成壓力差，從而推動(dòng)螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過(guò)萬(wàn)向軸和傳動(dòng)軸將扭矩和轉(zhuǎn)速傳遞給鉆頭，從而達(dá)到碎巖鉆進(jìn)的目的。定向鉆進(jìn)過(guò)程中，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)可監(jiān)測(cè)孔內(nèi)方位和傾角等參數(shù)，結(jié)合孔底螺桿馬達(dá)的彎頭糾偏功能，可使鉆孔軌跡達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)[14]。具體鉆探工藝流程如圖3所示。

圖3 定向鉆進(jìn)工藝流程示意Fig.3 Directional drilling process flow diagram

鉆孔施工初期，為了使實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌道相吻合，采用定向鉆進(jìn)工藝，從而對(duì)鉆孔軌跡實(shí)時(shí)監(jiān)控，但定向鉆孔軌跡空間呈螺旋狀，易造成鉆孔摩阻大，導(dǎo)致鉆進(jìn)效率低且易造成孔內(nèi)鉆具安全事故?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)具有井斜、方位不可控性，但孔壁光滑、摩阻較小，且處理孔內(nèi)塌孔時(shí)能力較強(qiáng)。因此，結(jié)合2種鉆進(jìn)工藝的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行混合交替鉆進(jìn)工藝施工。

2.3 孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

定向鉆孔為二級(jí)孔身結(jié)構(gòu)，一級(jí)孔身結(jié)構(gòu)主要目的為下入孔口管(φ168 mm)；二級(jí)孔深結(jié)構(gòu)為定向孔段，主要是在目的層位進(jìn)行定向鉆進(jìn)，孔徑為120 mm。定向鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 定向鉆孔孔身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.4 Structural design of directional drilling hole

(1)一級(jí)孔身結(jié)構(gòu)鉆具組合。①開(kāi)孔：φ120 mm PDC鉆頭+φ89 mm普通鉆桿串；②一級(jí)擴(kuò)孔：φ98 mm/φ153 mm PDC鉆頭+φ89 mm普通鉆桿串；③二級(jí)擴(kuò)孔：φ153 mm/φ193 mm PDC鉆頭+φ89 mm普通鉆桿串；④孔口管下伸，φ168 mm孔口管下至穩(wěn)定巖層。

(2)二級(jí)孔身結(jié)構(gòu)鉆具組合。定向鉆進(jìn)：①φ120 mm PDC鉆頭+φ89 mm孔底馬達(dá)+φ89 mm下無(wú)磁鉆桿+隨鉆測(cè)量?jī)x器+φ89 mm上無(wú)磁鉆桿+φ89 mm通纜鉆桿串；②回轉(zhuǎn)透孔鉆進(jìn)：φ120 mm PDC鉆頭+φ89 mm普通鉆桿串。

2.4 鉆孔軌跡

研究區(qū)共設(shè)計(jì)定向鉆孔3個(gè)，分別命名為1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)孔。1號(hào)孔設(shè)計(jì)軌跡平面水平段距離進(jìn)風(fēng)巷約10 m，剖面距離3號(hào)煤層頂板約8 m；2號(hào)孔設(shè)計(jì)軌跡平面水平段與1號(hào)孔間距約15 m，剖面距離3號(hào)煤層頂板約6 m；3號(hào)孔設(shè)計(jì)軌跡平面水平段與2號(hào)孔間距約30 m，剖面距離3號(hào)煤層頂板約4 m；鉆孔實(shí)鉆參數(shù)見(jiàn)表2，鉆孔平、剖面軌跡如圖5、圖6所示。

圖5 定向鉆孔實(shí)鉆軌跡平面示意Fig.5 Plane diagram of actual drilling track of directional drilling

圖6 定向鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面示意Fig.6 Profile of actual drilling trajectory of directional drilling

表2 定向鉆孔實(shí)鉆參數(shù)Tab.2 Actual drilling parameters of directional drilling

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 定向鉆孔瓦斯抽采效果分析

定向鉆孔施工完成后，回采期間對(duì)2類型鉆孔由圖7和圖8瓦斯抽采數(shù)據(jù)可知，常規(guī)鉆孔在單獨(dú)抽采期間平均瓦斯?jié)舛葹?.8%，平均抽采純量為1.0 m3/min，平均單日瓦斯抽采純量為1 455.1 m3；計(jì)算百米鉆孔單日瓦斯抽采純量為19.7 m3。定向鉆孔在單獨(dú)抽采期間平均瓦斯抽采濃度為35.7%，平均抽采純量為4.2 m3/min，平均單日瓦斯抽采純量為6 048.0 m3；百米鉆孔單日瓦斯抽采純量為497.0 m3。因此，定向鉆孔平均單日瓦斯抽采濃度為常規(guī)鉆孔的4.1倍，百米單日瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔的25.2倍，其瓦斯抽采效果更優(yōu)于常規(guī)底板卸壓抽采鉆孔。

分別進(jìn)行聯(lián)管抽采，不同工藝瓦斯抽采濃度如圖7所示，抽采純量變化曲線如圖8所示。

圖7 不同工藝瓦斯抽采濃度曲線Fig.7 Gas drainage concentration curve of different processes

圖8 不同工藝瓦斯抽采純量曲線Fig.8 Pure quantity curve of gas drainage in different processes

目前該工作面已安全回采結(jié)束，表明利用定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)底板卸壓瓦斯進(jìn)行抽采是可行的，其抽采效果明顯好于常規(guī)底板卸壓瓦斯抽采鉆孔。

3.2 不同層位定向鉆孔瓦斯抽采效果對(duì)比

為對(duì)不同層位定向鉆孔的瓦斯抽采效果進(jìn)行對(duì)比分析，分別在3個(gè)定向鉆孔孔口安裝瓦斯計(jì)量裝置，選取其中部分瓦斯抽采數(shù)據(jù)作為分析樣本，其瓦斯抽采濃度和純量變化曲線如圖9、圖10所示。

圖9 定向鉆孔瓦斯抽采濃度變化曲線Fig.9 Variation curve of gas drainage concentration in directional borehole

圖10 定向鉆孔瓦斯抽采純量變化曲線Fig.10 Variation curve of pure quantity of gas drainage by directional borehole

從圖9中可看出，3號(hào)定向鉆孔瓦斯抽采濃度最高，平均濃度為77.3%；其次為2號(hào)定向鉆孔，其瓦斯抽采濃度平均為52.0%；1號(hào)鉆孔瓦斯抽采濃度為27.2%。由圖10可以得出，3號(hào)定向鉆孔其瓦斯抽采純量最高，平均為5.3 m3/min；其次為2號(hào)定向鉆孔，瓦斯抽采純量平均為1.4 m3/min；1號(hào)定向鉆孔瓦斯抽采純量最低，平均為0.52 m3/min。

綜上分析可知，3號(hào)定向鉆孔瓦斯抽采效果最佳，明顯優(yōu)于其他層位的定向鉆孔的瓦斯抽采效果。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)該工程的實(shí)施，與常規(guī)鉆孔工藝相比，定向鉆孔可精確控制施工層位，使鉆孔軌跡在目標(biāo)層位中延伸，抽采盲區(qū)少，有效抽采孔段長(zhǎng)，可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離連續(xù)抽采。

(2)實(shí)際瓦斯抽采結(jié)果表明，定向鉆孔聯(lián)抽時(shí)抽采純量平均為4.2 m3/min，百米鉆孔單日瓦斯抽采純量為常規(guī)鉆孔的25.2倍，其瓦斯抽采效果明顯好于常規(guī)抽采鉆孔。

(3)通過(guò)對(duì)不同目標(biāo)層的定向鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，表明更靠近被保護(hù)煤層頂板的3號(hào)定向鉆孔瓦斯抽采效果最佳，平均瓦斯抽采純量為5.3 m3/min；該成果可作為礦井其他工作面上保護(hù)層開(kāi)采卸壓瓦斯抽采定向鉆孔的布孔依據(jù)。