代 茂， 徐書榮， 梁道富， 蔡天亮， 曹建明

(1.貴州黔西能源開(kāi)發(fā)有限公司青龍煤礦，貴州 畢節(jié) 551500； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

煤層開(kāi)采后頂板覆巖產(chǎn)生移動(dòng)和破斷，促使頂板覆巖產(chǎn)生大量采動(dòng)裂隙，包括離層裂隙和穿層裂隙，采動(dòng)效應(yīng)導(dǎo)致周圍煤巖體卸壓增透效應(yīng)增強(qiáng)，煤巖層透氣性顯著增加，大量卸壓瓦斯積聚在覆巖采動(dòng)裂隙及采動(dòng)區(qū)內(nèi)，在通風(fēng)風(fēng)流的影響下，卸壓瓦斯在工作面上隅角聚集，引起超限，從而影響工作面安全回采[1-4]。目前，針對(duì)上隅角瓦斯治理難題，主要采用采空區(qū)埋管、頂板高抽巷、常規(guī)頂板高位鉆孔等方式進(jìn)行瓦斯抽采[5-7]。但采空區(qū)埋管瓦斯治理效率低；頂板高抽巷需要施工專門的瓦斯抽放巷道，施工成本高、周期長(zhǎng)；常規(guī)頂板高位鉆孔軌跡不可控、鉆孔深度淺，容易造成瓦斯抽采不連續(xù)、抽采時(shí)間短等問(wèn)題，這些問(wèn)題都極大地制約了煤礦上隅角瓦斯治理[8]?；诖?，提出采用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行上隅角瓦斯治理[9-12]。

1 青龍煤礦地質(zhì)概況

青龍煤礦為煤與瓦斯突出礦井，屬于近距離煤層群開(kāi)采，主要可采煤層為16號(hào)、17號(hào)和18號(hào)煤層，煤層瓦斯含量高、透氣性差，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量165.56 m3/min,礦井相對(duì)瓦斯涌出量80.65 m3/t。目前，青龍煤礦采用保護(hù)層開(kāi)采模式對(duì)被保護(hù)層煤層進(jìn)行全面卸壓，首先開(kāi)采16號(hào)煤層。16號(hào)煤層平均厚度2.88 m、瓦斯含量19.88 m3/t、瓦斯壓力1.73 MPa、硬度系數(shù)0.37。16號(hào)煤層頂板巖層頂板以泥巖及粉砂質(zhì)泥巖為主，次為粉砂巖，巖層穩(wěn)固性極差，為不穩(wěn)定頂板，采用全部垮落法管理頂板。長(zhǎng)期以來(lái)，青龍煤礦主要采用高位鉆孔配采空區(qū)埋管抽采上隅角瓦斯，治理效果不甚理想。

2 頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采機(jī)理

工作面回采后，頂板上覆巖層由于應(yīng)力平衡破壞自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，而裂隙帶成為卸壓瓦斯運(yùn)移和存儲(chǔ)的主要場(chǎng)所。隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)中部覆巖逐漸冒落壓實(shí)，而在采空區(qū)的四周覆巖裂隙帶內(nèi)形成O形圈，且伴隨整個(gè)工作面回采過(guò)程而向前移動(dòng)[2]。頂板高位定向鉆孔是在工作面回采之前，在回風(fēng)巷布置多個(gè)專用鉆場(chǎng)，首先在煤層開(kāi)上仰孔至煤層頂板，然后起出開(kāi)孔鉆具，下入定向鉆具，利用隨鉆測(cè)量裝備與技術(shù)進(jìn)行定向先導(dǎo)孔施工，通過(guò)對(duì)鉆孔軌跡的精確控制保證軌跡在O形圈裂隙帶內(nèi)有效延伸。頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采原理如圖1所示。先導(dǎo)孔施工完成后，起出孔內(nèi)鉆具下入擴(kuò)孔鉆具進(jìn)行全程擴(kuò)孔，增大鉆孔直徑，使鉆孔孔壁能有效溝通更多采動(dòng)裂隙，其次，增大了卸壓瓦斯的單位流通面積，從而達(dá)到提高瓦斯抽采效果的目的。由于頂板定向高位定向鉆孔能在O形圈內(nèi)長(zhǎng)期穩(wěn)定存在，因而能保證長(zhǎng)時(shí)間、大流量的瓦斯抽采效果，有效降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛?。同時(shí)，在多個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)施工頂板高位定向鉆孔，保證鉆孔軌跡在工作面回采方向上壓茬搭接，有效保證工作面安全回采。相比于高抽巷及常規(guī)高位鉆孔，高位定向鉆孔具有施工周期短、覆蓋范圍廣、鉆孔布置靈活、節(jié)約生產(chǎn)成本等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas extraction by high position directional boreholes

3 頂板高位定向鉆孔施工

3.1 鉆孔層位的選擇

頂板高位定向鉆孔層位的優(yōu)選是進(jìn)行高效瓦斯抽采的技術(shù)關(guān)鍵，首先保證鉆孔軌跡在O形圈內(nèi)有效延伸；同時(shí)，由于青龍煤礦頂板巖層地質(zhì)條件復(fù)雜，巖層穩(wěn)定性較差，鉆孔層位的選擇還要保證利于成孔的地層條件。頂板覆巖冒落后形成“三帶”的分布結(jié)構(gòu)，根據(jù)公式(1)和公式(2)確定冒落帶和裂隙帶的發(fā)育高度(H1、H2)，從而綜合確定頂板高位定向鉆孔的層位[13-14]。其中a、b、c取值參照表1，h為煤層綜采高度。

(1)

(2)

表1 a、b、c取值表Table 1 Values of a, b and c

青龍煤礦頂板巖層多以泥巖及粉砂質(zhì)泥巖為主，確定a、b、c的值，h取2.88，然后代入到式(1)、式(2)中，冒落帶高度范圍為6.0～12.0 m，裂隙帶高度范圍為23.0～35.0 m。根據(jù)頂板巖層發(fā)育特征，綜合確定頂板定向高位鉆孔層位布置在25～30 m位置。

3.2 鉆具組合

(1)套管孔段鉆進(jìn)鉆具組合：一開(kāi)采用“?98 mm平底鉆頭+?73 mm高韌性外平鉆桿串+?73 mm水便”鉆具組合；二開(kāi)采用“?98/153 mm擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm高韌性外平鉆桿串+?73 mm水便”鉆具組合擴(kuò)孔至153 mm；三開(kāi)采用“?153/193 mm擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm高韌性外平鉆桿串+?73 mm水便”鉆具組合擴(kuò)孔至193 mm。

(2)先導(dǎo)孔定向鉆進(jìn)鉆具組合：?98 mm定向鉆頭+?73 mm螺桿馬達(dá)+?73 mm下無(wú)磁鉆具+?73 mm探管外管+?73 mm上無(wú)磁鉆具+?73 mm通纜鉆桿串+?73 mm水便。

(3)擴(kuò)孔鉆進(jìn)鉆具組合：?94/153 mm擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm高韌性外平鉆桿串+?73 mm水便。

3.3 成孔工藝技術(shù)

鉆進(jìn)過(guò)程中采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆桿不回轉(zhuǎn)，泥漿泵提供高壓水流作為孔底螺桿鉆具旋轉(zhuǎn)的動(dòng)力，帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)碎巖。煤礦井下定向鉆進(jìn)所用螺桿鉆具萬(wàn)向軸都具有彎外殼結(jié)構(gòu)，一般選用1.25°結(jié)構(gòu)彎角螺桿鉆具，通過(guò)螺桿鉆具的工具面向角的調(diào)整而實(shí)現(xiàn)對(duì)孔軌跡控制調(diào)整，實(shí)現(xiàn)受控定向鉆進(jìn)，保證鉆孔軌跡在目標(biāo)層位延伸。定向鉆機(jī)為孔內(nèi)鉆具提供近水平方向的鉆壓，并為調(diào)整工具面向角及提供回轉(zhuǎn)動(dòng)力。

鉆進(jìn)過(guò)程中，采用減壓給進(jìn)方式，嚴(yán)格把控給進(jìn)壓力，給進(jìn)壓力隨著孔深的增加而逐步平穩(wěn)遞增，泥漿泵流量為260 L/min，鉆進(jìn)時(shí)根據(jù)泥漿泵壓力表判斷孔內(nèi)工礦，?73 mm螺桿馬達(dá)孔口空載啟動(dòng)時(shí)壓力為2 MPa，在孔內(nèi)泥漿泵壓力會(huì)隨著鉆孔深度平穩(wěn)遞增，螺桿馬達(dá)負(fù)載鉆進(jìn)時(shí)的泵壓一般高于空載泵壓0.5～1 MPa。

3.4 鉆孔施工過(guò)程及注意問(wèn)題

11615工作面進(jìn)行頂板高位定向鉆孔施工，選用ZDY6000LD(FA)型定向鉆機(jī)、配套FMC泥漿泵、YHD-1000(A)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、73 mm通纜鉆桿、定向鉆頭、擴(kuò)孔鉆頭等，共完成5個(gè)鉆孔的施工，累計(jì)進(jìn)尺2445 m，各鉆孔孔深如表2所示。鉆孔軌跡剖面圖及平面圖見(jiàn)圖2和圖3。

表2 鉆孔孔深Table 2 Depth of boreholes

圖2 頂板高位定向鉆孔軌跡剖面圖Fig.2 Profile of the high position directional borehole trajectory

圖3 頂板高位定向鉆孔軌跡平面圖Fig.3 Plan of the high position directional borehole trajectory

4號(hào)鉆孔由于在開(kāi)孔時(shí)傾角過(guò)大，鉆孔軌跡未能及時(shí)進(jìn)入到預(yù)設(shè)層位，導(dǎo)致鉆孔偏高，傾角過(guò)大而作為廢孔終孔。結(jié)合施工過(guò)程中遇到的一些問(wèn)題，在進(jìn)行高位定向鉆孔施工中還應(yīng)注意以下問(wèn)題：施工期間，由于各類客觀因素，例如停電、停水、放炮、采面瓦斯點(diǎn)閉鎖等影響施工，因此在施工過(guò)程中盡量減少或避免客觀因素影響，能更大程度增加施工效率；鉆進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)穩(wěn)定給進(jìn)速度，加強(qiáng)沖孔，保證鉆孔干凈，控制起拔壓力和回轉(zhuǎn)壓力，鉆孔軌跡在剖面上盡量保證平直趨勢(shì)，避免出現(xiàn)波谷，以利于鉆渣排出，鉆進(jìn)過(guò)程中應(yīng)注意觀察孔口返水，如遇返水異常要及時(shí)處理。

4 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工完成后，從2017年1月11日開(kāi)始連接瓦斯負(fù)壓抽放管路進(jìn)行連抽。由圖4可以看出，瓦斯?jié)舛扰c純流量都經(jīng)歷了上升-穩(wěn)定-下降三個(gè)周期，上升階段，總管路瓦斯?jié)舛葟?2.8%上升到15.3%，瓦斯純流量3.99 m3/min上升到5.54 m3/min；穩(wěn)定周期內(nèi)，總管路瓦斯?jié)舛缺３衷?4%以上，瓦斯純流量保持在4.5 m3/min左右；下降階段，總管路瓦斯?jié)舛认陆抵?.8%以上，瓦斯純流量下降至0.26 m3/min，這與工作面的推進(jìn)引起采空區(qū)覆巖冒落密切相關(guān)。以2號(hào)孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行具體說(shuō)明[9,15]，如圖5所示。

(1)上升期，煤層頂板以上采動(dòng)裂隙發(fā)育程度低，采空區(qū)中部頂板覆巖首先冒落，采空區(qū)兩側(cè)的導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度滯后于采空區(qū)中部導(dǎo)氣裂隙帶的發(fā)育，因而先期瓦斯?jié)舛群屯咚辜兞髁枯^低。當(dāng)頂板初次冒落后，瓦斯純流量和瓦斯?jié)舛燃眲≡黾?，瓦斯?jié)舛葟?.8%上升到23%，瓦斯純流量0.8 m3/min上升到2.67 m3/min。

(2)穩(wěn)定期，隨著工作面的推進(jìn)，頂板覆巖周期性冒落，受工作面采動(dòng)效應(yīng)影響，采空區(qū)兩側(cè)的導(dǎo)氣裂隙帶向上發(fā)展，頂板覆巖裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展貫通，構(gòu)成瓦斯運(yùn)移和存儲(chǔ)的主要通道和場(chǎng)所，因而能保證高濃度、大流量瓦斯抽采效果。瓦斯?jié)舛染S持在20%以上，瓦斯純流量保持在2.5 m3/min左右。

(3)下降期，當(dāng)工作面推進(jìn)過(guò)鉆孔孔底時(shí)，采空區(qū)冒落覆巖裂隙閉合，逐漸趨于壓實(shí)狀態(tài)，孔口負(fù)壓對(duì)卸壓瓦斯的影響減小，因而鉆孔瓦斯?jié)舛群图兞髁恐鸩剿p，瓦斯?jié)舛认陆抵?0.5%，瓦斯純流量下降至0.16 m3/min。

圖4 11615軌順瓦斯總管路瓦斯抽采情況Fig.4 Total production of gas extraction at No.11615 track gallery

圖5 11615軌順2號(hào)鉆孔瓦斯抽采情況Fig.5 Production of gas extraction from No.2 drill hole at No.11615 track gallery

5 結(jié)論

(1)利用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采和上隅角瓦斯治理在原理上是可行的，相較于常規(guī)高位鉆孔和高抽巷，具有鉆孔軌跡控制精度高、覆蓋范圍廣、施工周期短等優(yōu)勢(shì)。

(2)通過(guò)理論分析，結(jié)合頂板巖層工程地質(zhì)特征，綜合確定頂板高位定向鉆孔層位在煤層以上20～25 m。針對(duì)青龍煤層頂板復(fù)雜巖層高位定向鉆孔成孔難題，通過(guò)優(yōu)化鉆具組合和鉆進(jìn)工藝參數(shù)，成功實(shí)施完成5個(gè)高位定向鉆孔，最大鉆孔深度達(dá)到612 m。

(3)工作面回采期間，抽采瓦斯?jié)舛雀摺⒘髁看?，上隅角瓦斯?jié)舛缺３衷谂R界值以下，有效保證了工作面安全回采，同時(shí)也驗(yàn)證了頂板高位定向鉆孔在青龍煤礦瓦斯治理中優(yōu)勢(shì)所在。