冷明友

中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 陜西西安 710077

頂板高位鉆孔主要用于抽采裂隙帶富集區(qū)卸壓瓦斯及少量鄰近層瓦斯，抽采成本低，但常規(guī)鉆孔精度差、鉆孔直徑小，影響抽采效果。近年來開始應(yīng)用大直徑定向鉆孔進(jìn)行工作面瓦斯治理取得了良好的工程實踐效果[1-4]。但在工程實踐中，頂板大直徑定向鉆孔施工仍存在諸多困難，尤其是“先導(dǎo)孔+分級多次鉆擴(kuò)”的成孔方法存在擴(kuò)孔工程量大、成孔效率低等問題。筆者以陜能集團(tuán)某礦為例，結(jié)合該礦首采工作面地質(zhì)條件，進(jìn)行頂板高位大直徑定向長鉆孔工業(yè)性試驗研究，應(yīng)用雙動力擴(kuò)孔與隨鉆地層辨識新技術(shù)，取得了較高的鉆進(jìn)效率和瓦斯抽采效果，為后續(xù)大直徑長鉆孔的定向施工及以孔代巷技術(shù)應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備

1.1 鉆進(jìn)裝備

針對含煤地層定向鉆孔施工需要，我國逐步形成了以定向鉆機(jī)、泥漿泵車、測量系統(tǒng)、孔底螺桿馬達(dá)等組成的煤礦井下定向鉆進(jìn)典型裝備系統(tǒng)。鉆孔軌跡信號多采用泥漿脈沖無線測量方式進(jìn)行傳輸，由防爆計算機(jī)實時監(jiān)控鉆孔軌跡，通過及時調(diào)整孔底螺桿馬達(dá)工具面向角，保障鉆孔按照設(shè)計軌跡進(jìn)行施工。

1.2 分級擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝

頂板高位定向鉆孔的抽采效果與鉆孔直徑密切相關(guān)，在安全鉆進(jìn)的前提下，鉆孔直徑越大越好。但由于大直徑一次定向成孔對鉆進(jìn)裝備的施工能力要求高，以及受礦井施工空間條件制約等原因，目前頂板大直徑定向鉆孔主要采用正向多級擴(kuò)孔成孔工藝施工。該工藝采用分級多次破碎的形式，減少了單級碎巖所需的轉(zhuǎn)矩和孔內(nèi)鉆具受力變形量。為確保擴(kuò)孔施工時鉆具的安全，盡量使每級擴(kuò)孔時鉆桿承受的轉(zhuǎn)矩保持一致，導(dǎo)致單次擴(kuò)孔直徑較小，工藝繁瑣。以常見的直徑 120 mm 定向先導(dǎo)孔為例，施工至目標(biāo)孔徑 200 mm，一般需要進(jìn)行φ153 和φ200 mm 的二級擴(kuò)孔。

1.3 雙動力擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝

分級擴(kuò)孔時，主要采用孔口鉆機(jī)驅(qū)動鉆具回轉(zhuǎn)進(jìn)行碎巖，動力傳遞效率低、擴(kuò)孔速度慢。針對大直徑高效快速擴(kuò)孔需要，開發(fā)了雙動力擴(kuò)孔技術(shù)[5]，如圖1 所示。其技術(shù)原理是：在擴(kuò)孔鉆頭與擴(kuò)孔鉆桿之間增加了一個雙級擴(kuò)孔工具，高壓沖洗液驅(qū)動雙級擴(kuò)孔工具的轉(zhuǎn)子回轉(zhuǎn)，鉆機(jī)帶動雙級雙速擴(kuò)孔鉆具回轉(zhuǎn)，一級擴(kuò)孔鉆頭在 2 個回轉(zhuǎn)動力驅(qū)動下實現(xiàn)一級擴(kuò)孔，二級擴(kuò)孔鉆頭在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)動力驅(qū)動下實現(xiàn)二級擴(kuò)孔，從而實現(xiàn)雙動力大直徑快速擴(kuò)孔。該方法充分利用鉆機(jī)機(jī)械動力和泥漿泵水驅(qū)動力，實現(xiàn)定向鉆孔的快速單次雙級大直徑增擴(kuò)，提高了擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工效率，降低了施工成本。

圖1 雙動力擴(kuò)孔技術(shù)原理Fig.1 Principle of dual-power reaming technology

1.4 地層辨識技術(shù)

為有效指導(dǎo)頂板大直徑定向鉆孔施工，在鉆進(jìn)過程中及時掌握施鉆地層情況，通過多源鉆進(jìn)信息智能融合，從而實現(xiàn)地層辨識，保障了安全高效鉆進(jìn)。由于鉆進(jìn)過程是一個受地層各向異性、構(gòu)造和鉆進(jìn)擾動等多種因素影響的動態(tài)非線性過程，地層辨識難度較大。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、云計算、機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)的發(fā)展，鉆進(jìn)中的地層辨識技術(shù)也隨之得到發(fā)展[6-8]。通過鉆機(jī)工況監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)、智能專家系統(tǒng)，對鉆壓、鉆速、泵量及鉆渣等信息進(jìn)行融合，將深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與多權(quán)值任務(wù)學(xué)習(xí)機(jī)制相結(jié)合，基于新開發(fā)的地層界面與巖性智能識別模塊，實時識別地層特性，并對目標(biāo)區(qū)域地層分布特性進(jìn)行預(yù)測，為定向鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整及鉆孔的科學(xué)設(shè)計提供了有力支撐。

2 工程實踐

2.1 地質(zhì)概況

陜能集團(tuán)某礦井田 1012001 工作面為首采工作面，煤層沿工作面走向傾角為 3°～9°，煤層夾矸 0～3 層，以炭質(zhì)泥巖為主。高位瓦斯抽采大直徑定向鉆孔試驗在該首采工作面開展。工作面可采長度為 2 060 m，其中 1 470 m 范圍內(nèi)采用高抽巷抽采進(jìn)行瓦斯治理，剩余 590 m 計劃施工 4 個定向長鉆孔，以替代高抽巷進(jìn)行瓦斯治理。

2.2 鉆孔設(shè)計

頂板高位定向鉆孔的布孔層位布置在采動裂隙帶層位和易鉆進(jìn)成孔且孔壁穩(wěn)定性好的層位。項目設(shè)計4 個頂板高位大直徑鉆孔，其中 1、2 號孔設(shè)計鉆孔深度為 600 m，采用分級擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝，分φ153、φ193 mm 兩級擴(kuò)孔，終孔孔徑為 193 mm；3、4 號孔設(shè)計鉆孔深度為 600 m，采用雙動力一次擴(kuò)孔鉆進(jìn)工藝，終孔孔徑為 193 mm。1～4 號鉆孔設(shè)計距 2 號煤層頂板高度分別為 12、18、24 和 30 m，鉆進(jìn)施工中根據(jù)鉆遇巖性和地層穩(wěn)定性進(jìn)行調(diào)整。鉆孔具體設(shè)計數(shù)據(jù)如表 1 所列。

表1 定向鉆孔設(shè)計數(shù)據(jù)Tab.1 Design data of oriented drilling

2.3 施工情況

現(xiàn)場試驗累計施工鉆孔 5 個，原設(shè)計 4 號鉆孔施工至 240 m 后頻繁出現(xiàn)憋泵卡鉆現(xiàn)象，多次掃孔處理均無法正常鉆進(jìn)，故增加施工了補(bǔ) 4 號鉆孔。本次試驗定向鉆進(jìn)累計進(jìn)尺 2 752 m，分級擴(kuò)孔鉆進(jìn)累計進(jìn)尺2 442 m，φ193 mm 雙動力一次擴(kuò)孔鉆進(jìn)累計進(jìn)尺 1 218 m。試驗中雙動力擴(kuò)孔鉆進(jìn)最大單班進(jìn)尺 50 m，平均鉆進(jìn)效率較分級擴(kuò)孔工藝高 30% 以上。

實鉆軌跡剖面控制在距 2 號煤層頂板 12～30 m范圍內(nèi)。在鉆進(jìn)過程中，鉆孔鉆遇地層與原有地質(zhì)資料存在一定偏差。為保障鉆孔盡可能在穩(wěn)定巖層中鉆進(jìn)，主要依據(jù)地層辨識技術(shù)進(jìn)行鉆孔軌跡調(diào)整。考慮鉆孔軌跡可能存在凹洼處，導(dǎo)致孔內(nèi)局部積水，影響鉆孔瓦斯抽采效果，在實鉆過程中，鉆孔軌跡不進(jìn)行正偏差回調(diào)，使鉆孔角度盡可能為正，保持鉆孔正常鉆進(jìn)。試驗施工的 5 個鉆孔實鉆軌跡剖面如圖 2 所示。

圖2 鉆孔實鉆軌跡剖面Fig.2 Section of actually drilled hole

2.4 地層辨識分析

2.4.1 鉆遇地層巖性

綜合實鉆信息，鉆遇地層巖性特征主要表現(xiàn)在 4個方面：①地層柱狀圖的中粒砂巖與上下砂質(zhì)泥巖并無明顯界面，只存在厚度不足 1 m 白砂巖，其余砂巖均含有泥質(zhì)成分；② 地層局部為砂泥巖互層，砂巖中局部存在煤線，返渣顏色多變，但沉淀后的成分多為砂質(zhì)；③除 4 號鉆孔外，其他鉆孔鉆遇地層在泥巖交界和存在煤線的層位出現(xiàn)返渣量大及輕微塌孔現(xiàn)象；④ 鉆孔累計取樣 99 個，識別主要巖性特征6 個，主要為深灰色泥巖 (局部含煤表現(xiàn)為深黑色)、灰白色砂巖 (也可為泥質(zhì)砂巖，硬度較低)、白色砂巖(硬度較大)、中粒砂巖 (顆粒明顯，膠結(jié)較差)、黑色泥巖 (易塌孔，碎片狀)、粗粒砂巖 (灰色)。

2.4.2 鉆遇構(gòu)造判別

在鉆進(jìn)過程中未出現(xiàn)明顯的構(gòu)造特征信息，但存在小斷層或裂隙帶特征。其中，1 號鉆孔在施工至200～210 m 孔段時出現(xiàn)鉆壓突增、返渣量變大的現(xiàn)象，后采用φ153 mm 擴(kuò)孔處理，增大排渣空間，處理有效。2～3 號定向鉆孔在施工至 200～230 m 孔段時出現(xiàn)同樣情況，掃孔通過后，返水返渣量變小，泵壓增大，推斷孔壁導(dǎo)通裂隙，導(dǎo)致沖洗液漏失。4 號鉆孔在施工至 240～290 m 孔段時出現(xiàn)憋泵卡鉆現(xiàn)象，多次掃孔、擴(kuò)孔處理均無法正常鉆進(jìn)。這是由于該層位為泥巖層，孔壁穩(wěn)定性差，判斷該區(qū)域存在小型斷層，造成鉆進(jìn)過程中成孔難度大。補(bǔ) 4 號鉆孔設(shè)計剖面層位與 3 號鉆孔一致，平面間距為 5 m，未出現(xiàn)塌孔卡鉆現(xiàn)象。

3 頂板大直徑高位瓦斯抽采效果

3.1 高位瓦斯鉆孔抽采效果

以2 號鉆孔為例，隨著工作面回采，大直徑定向鉆孔瓦斯抽采情況如圖 3 所示。初始階段瓦斯混量保持在 3～4 m3/min，當(dāng)進(jìn)入采空區(qū)超過 200 m時，混量開始增加，超過 250 m 后，混量大幅提高，最高達(dá)到 32.89 m3/min。進(jìn)入采空區(qū) 110 m 后，瓦斯?jié)舛绕骄得黠@提高，保持在 10% 以上，全段平均值為 7.9%。圖 4 為 5 個鉆孔在 2020 年 1 月—5 月單孔瓦斯抽采純量及總量統(tǒng)計。以 2 號鉆孔為例，初始階段瓦斯純量普遍在 1.00 m3/min 以下，4 月 30 日后，純量顯著增加，最大達(dá)到 4.83 m3/min，此階段 2 號鉆孔平均純量為 2.73 m3/min，總純量均值為 3.47 m3/min。

圖3 2 號孔瓦斯抽采統(tǒng)計Fig.3 Statistics of gas extraction from hole 2

圖4 鉆孔瓦斯抽采統(tǒng)計Fig.4 Statistics of gas extraction from holes

3.2 高位瓦斯鉆孔與高抽巷抽采效果對比

為便于高位瓦斯抽采鉆孔與高抽巷的抽采效果進(jìn)行對比，對 1012001 工作面高抽巷在 2020 年 6 月至2020 年底瓦斯涌出量進(jìn)行統(tǒng)計。高抽巷抽采流量開始維持在 330 m3/min 左右，由于抽采流量和抽采濃度快速降低，高抽巷抽采效果變差，經(jīng)統(tǒng)計此階段抽采純量平均值為 4.32 m3/min，此時 5 個鉆孔瓦斯抽采總純量均值為 3.47 m3/min，鉆孔抽采純量總量為高抽巷的 80%。經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測顯示，工作面回風(fēng)瓦斯?jié)舛戎饕S持在 0.15%～0.20%，處于安全范圍之內(nèi)。因此，利用頂板高位大直徑定向長鉆孔抽采效果較好，有效代替了高抽巷。

4 結(jié)論

(1) 由定向鉆機(jī)、泥漿脈沖測量系統(tǒng)及泥漿泵車等組成的整套定向鉆進(jìn)裝備系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，能夠滿足煤礦井下頂板高位定向長鉆孔快速施工需求。

(2) 開展的頂板大直徑定向鉆進(jìn)快速施工試驗表明，雙動力擴(kuò)孔鉆進(jìn)最大單班進(jìn)尺 50 m，平均鉆進(jìn)效率較分級擴(kuò)孔工藝高 30% 以上，地層辨識技術(shù)可在鉆進(jìn)過程中及時掌握施鉆地層情況，為鉆進(jìn)參數(shù)調(diào)整及鉆孔的科學(xué)設(shè)計提供了有力支撐。

(3) 利用頂板高位大直徑定向長鉆孔代替高抽巷在該礦取得較好效果。5 個鉆孔瓦斯抽采總純量均值為 3.47 m3/min，可達(dá)到高抽巷抽采效果的 80% 以上，有效保障了工作面回采安全。