洪建俊，張 杰，劉 杰

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710071；2.淮北礦業(yè)股份有限公司，安徽 淮北 235000)

目前，煤礦采空區(qū)瓦斯治理的傳統(tǒng)方法包括高抽巷和高位鉆孔，而高抽巷成本較高且施工周期長(zhǎng)，施工一條近千米的高抽巷，成本高達(dá)數(shù)百萬(wàn)元甚至上千萬(wàn)元。而更具優(yōu)勢(shì)的高位鉆孔，雖然明顯降低了成本，但因普通高位鉆孔的鉆進(jìn)方法限制，必須間隔60～70m不斷施工高位鉆場(chǎng)，掘進(jìn)鉆場(chǎng)工作量大；鉆機(jī)來(lái)回搬遷費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，嚴(yán)重降低了施工效率，同時(shí)因鉆孔軌跡無(wú)法控制，有效孔段過(guò)短，浪費(fèi)了大量進(jìn)尺[1-3]。

為解決上述問(wèn)題，近年來(lái)多采用高位定向長(zhǎng)鉆孔以替代高抽巷和普通高位鉆孔。高位定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度長(zhǎng)，近千米的工作面一般僅需1～2個(gè)鉆場(chǎng)，節(jié)省了大量的鉆場(chǎng)施工工程量；通過(guò)精確的鉆孔軌跡控制，準(zhǔn)確地將鉆孔布置在目標(biāo)層位，減少了無(wú)效孔段，瓦斯抽采量大，有效解決了煤礦采空區(qū)瓦斯治理難題[4-7]。但是，目前高位定向長(zhǎng)鉆孔深度受地層、工藝、鉆具等因素影響較大，鉆孔深度受到一定的限制。針對(duì)此問(wèn)題，本文在高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔技術(shù)、定向鉆進(jìn)設(shè)備優(yōu)化和鉆孔軌跡優(yōu)化等技術(shù)方面進(jìn)行研究，提高了鉆孔深度，取得了良好地瓦斯抽采效果。

1 高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔技術(shù)

1.1 布孔設(shè)計(jì)

高位定向長(zhǎng)鉆孔是指利用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行施工布置在煤層頂板且一般平行于煤層的長(zhǎng)鉆孔，旨在代替高抽巷和普通高位鉆孔，集中抽采回采工作面瓦斯。高位定向長(zhǎng)鉆孔具有長(zhǎng)距離、定層位、高度方向性等特點(diǎn)[8，9]：

1)長(zhǎng)距離：一般孔深可達(dá)500～600m，甚至達(dá)到1000m，區(qū)別于普通較淺的定向鉆孔，鉆孔深度的增加，對(duì)孔內(nèi)清潔度有非常高的要求，對(duì)地層穩(wěn)定性的要求也隨之增大，孔內(nèi)返渣問(wèn)題將直接影響鉆孔深度。

2)定層位：高位定向長(zhǎng)鉆孔的大部分孔段都布置在煤層頂板，距離煤層一定距離的位置，一般布置在位于冒落帶之上的裂隙帶，隨著煤層回采、應(yīng)力釋放，會(huì)產(chǎn)生大量的裂隙，形成大量貫通的瓦斯通道，這個(gè)層位基本平行于抽采煤層。

3)高度方向性：高位定向長(zhǎng)鉆孔，為治理上隅角瓦斯，一般嚴(yán)格平行于工作面回風(fēng)巷，然后沿垂直巷道方向布置多個(gè)鉆孔。

根據(jù)高位定向長(zhǎng)鉆孔的特點(diǎn)，鉆孔設(shè)計(jì)一般遵循以下流程：①定深度：依據(jù)工作面的長(zhǎng)度、鉆機(jī)能力、施工周期等綜合選定鉆孔深度；②定間距：依據(jù)瓦斯抽采半徑、有效覆蓋范圍等確定布孔數(shù)量和布孔間距；③定方位：依據(jù)巷道方位、開孔、終孔位置以及布孔數(shù)量、布孔間距等確定開孔方位和勘探線方位；④定層位：依據(jù)地質(zhì)資料及冒落帶、裂隙帶發(fā)育情況，確定裂隙帶距離煤層的高度范圍，并綜合分析附近巖層成孔性，確定布孔高度，即目標(biāo)層高度；⑤定參數(shù)：根據(jù)上述條件和參數(shù)，結(jié)合定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)基本原則，編制全孔數(shù)據(jù)參數(shù)表。

1.2 鉆進(jìn)設(shè)備

高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔技術(shù)的核心是定向鉆進(jìn)技術(shù)，定向鉆進(jìn)裝備主要包括定向鉆機(jī)、泥漿泵車、螺桿馬達(dá)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、鉆桿、鉆頭等。為滿足高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔的大深度高效排渣的要求，采用ZDY12000LD大功率定向鉆機(jī)、FMC460型泥漿泵、YHD3-1500泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、Φ89mm高韌性螺旋鉆桿、Φ89mm-1.5°螺桿馬達(dá)、Φ120mmPDC定向鉆頭及其他配套鉆具。

YHD3-1500泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)改變泥漿流道的過(guò)流斷面積引起鉆桿柱內(nèi)部泥漿壓力變化傳輸信號(hào)，鉆桿內(nèi)的泥漿是信號(hào)傳輸?shù)拿浇椋c常規(guī)的通纜鉆桿孔口供電隨鉆測(cè)量系統(tǒng)不同，該系統(tǒng)傳輸信號(hào)依靠鉆桿內(nèi)泥漿實(shí)現(xiàn)，不需要有線通纜，信號(hào)傳輸實(shí)時(shí)穩(wěn)定可靠，從而減少了對(duì)鉆桿的結(jié)構(gòu)和密封要求，工作安全性和穩(wěn)定性高，可適配不同類型普通鉆桿，滿足多種工藝需求。YHD3-1500泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)連接及信號(hào)傳輸原理如圖1所示。

圖1 YHD3-1500泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)連接及信號(hào)傳輸原理

高韌性螺旋鉆桿如圖2所示，泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)配合高韌性螺旋鉆桿能有效提高排渣能力，保證孔內(nèi)清潔度，減小孔內(nèi)阻力；同時(shí)，高韌性螺旋鉆桿強(qiáng)度大，保證孔底鉆頭給進(jìn)壓力，從而大幅度提高高位定向長(zhǎng)鉆孔深度和對(duì)較復(fù)雜地層的適應(yīng)性[10-16]。

圖2 高韌性螺旋鉆桿

1.3 高位定向長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)工藝方法

高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔過(guò)程中，一般需要使用多種鉆進(jìn)工藝方法，包括：定向鉆進(jìn)工藝、開分支方法、擴(kuò)孔、復(fù)合鉆進(jìn)以及回轉(zhuǎn)、定向、復(fù)合交替組合方法[17]。

1.3.1 定向鉆孔開分支方法

高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔過(guò)程中，遇到嚴(yán)重破碎斷層或者極易塌孔或不穩(wěn)定的泥巖等地層，必須繞開時(shí)，可使用定向鉆孔開分支方法實(shí)現(xiàn)。

定向鉆孔開分支，必須選擇鉆孔軌跡傾角連續(xù)(9m以上)上升段，調(diào)整螺桿馬達(dá)工具面180°向下開分支，采用高轉(zhuǎn)速、慢給進(jìn)的鉆進(jìn)參數(shù)，緩慢磨出分支孔。判斷分支孔開出的主要依據(jù)包括：返水變渾濁、給進(jìn)壓力增加、泥漿泵壓力提高等。

1.3.2 定向鉆孔復(fù)合鉆進(jìn)方法

復(fù)合鉆進(jìn)方法是指定向鉆進(jìn)的同時(shí)鉆桿回轉(zhuǎn)的方法。當(dāng)?shù)貙悠扑?、孔?nèi)沉渣增加，排渣不暢時(shí)，定向鉆進(jìn)無(wú)法滿足需要，可采用鉆桿回轉(zhuǎn)和定向鉆進(jìn)的復(fù)合鉆進(jìn)方法。

其中，螺旋鉆桿復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，大幅度降低鉆桿柱與孔壁的摩擦阻力，增大了大孔深傳至孔底鉆頭的有效給進(jìn)壓力，并對(duì)鉆頭附加了轉(zhuǎn)速和扭矩，提高了鉆進(jìn)能力。在復(fù)雜塌孔巖層中，螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)能有效粉碎大塊巖渣，使其同小顆粒巖渣一起在螺旋和大流量鉆井液雙重作用下，順利通過(guò)環(huán)空間隙返出孔口，大大提高了鉆孔返渣能力，保證了孔內(nèi)清潔和鉆進(jìn)施工安全，從而實(shí)現(xiàn)大深度高位定向長(zhǎng)鉆孔的鉆進(jìn)施工。在高位定向長(zhǎng)鉆孔施工時(shí)，傾角、方位變化較小的平緩段亦可使用復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

桃園礦Ⅱ8221工作面是Ⅱ2采區(qū)首個(gè)82煤工作面，位于Ⅱ2采區(qū)左翼一階段，上區(qū)段為一水平8227采空區(qū)，對(duì)應(yīng)下方為Ⅱ2采區(qū)Ⅱ1025工作面和Ⅱ1027工作面采空區(qū)；左至工業(yè)廣場(chǎng)82煤保護(hù)煤柱，右至Ⅱ2采區(qū)回風(fēng)上山。工作面標(biāo)高-518.8～-585.3m，設(shè)計(jì)走向長(zhǎng)655m，傾斜寬193m，煤層儲(chǔ)量32.43萬(wàn)t。

工作面范圍內(nèi)82煤層厚度1.35～3.14m，平均厚度2.00m；局部含有一層夾矸為泥巖，厚0～0.35m，平均0.28m；煤層傾角19°～23°，平均20°，煤層頂板為砂巖，砂巖以上有一層軟弱泥巖層，有塌孔、縮頸危險(xiǎn)性。底板為泥巖。上距72煤法距20.2m，72煤平均厚度為0.6m，煤層傾角平均為18°。Ⅱ8221工作面總體為一走向南北、傾向東的單斜構(gòu)造。根據(jù)周邊巷道實(shí)際揭露，工作面內(nèi)鉆孔預(yù)計(jì)可鉆遇4個(gè)斷層。

在Ⅱ8221底抽巷實(shí)測(cè)82煤層原始瓦斯壓力0.6MPa，實(shí)測(cè)原始瓦斯含量2.47m3/t。工作面采取開采保護(hù)層措施，但回采時(shí)瓦斯仍超限，對(duì)高位鉆孔瓦斯抽采能力有較高要求。因此旨在82煤頂板施工5個(gè)高位定向長(zhǎng)鉆孔以期解決工作面回采期間的瓦斯治理問(wèn)題。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，該區(qū)域高位孔單孔有效控制半徑5m左右，高位孔覆蓋寬度約50m左右，在Ⅱ8221回風(fēng)巷一側(cè)上隅角附近共設(shè)計(jì)5個(gè)鉆孔，單孔設(shè)計(jì)深度700m，孔徑120mm，終孔間距10m左右，各孔距回風(fēng)巷平距分別為10m，20m，30m，40m，50m。因82煤回采后裂隙帶高度約在頂板10～15m附近，設(shè)計(jì)主要孔段及終孔高度在煤層頂板12～15m。

鉆場(chǎng)布置在82煤底板7m左右，鉆孔需穿過(guò)82煤，進(jìn)入頂板，煤層段下套管護(hù)孔。同時(shí)，預(yù)計(jì)鉆孔軌跡將穿過(guò)2個(gè)斷層，且部分目標(biāo)層與易塌孔、易縮頸的泥巖互層，鉆進(jìn)施工中必須隨地層情況，綜合使用開分支、復(fù)合鉆進(jìn)等多種工藝方法，實(shí)現(xiàn)大深度高位定向鉆孔成孔。

2.3 施工情況

施工采用泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)配合高韌性螺旋鉆桿，共計(jì)完成5個(gè)鉆孔，除2#孔外均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，終孔孔徑Φ120mm，煤層段套管管徑Φ146mm，累計(jì)進(jìn)尺4065m，且大部分孔段均準(zhǔn)確控制在82煤層頂板12m左右高度的目標(biāo)層。其中，3#孔主孔終孔孔深956m。各鉆孔軌跡平面分布如圖3所示。

圖3 Ⅱ8221高位定向鉆孔軌跡平面圖

3#孔在施工中，采用了開分支的方法，成功將主要孔段繞開易塌孔、易縮頸的泥巖層及泥砂巖互層，保證孔壁穩(wěn)定。在穿越松軟煤層和局部砂泥巖交界易塌孔段時(shí)，通過(guò)高韌性螺旋鉆桿復(fù)合鉆進(jìn)，螺旋槽有效粉碎大塊巖屑煤渣。同時(shí)，螺旋作用配合大流量泥漿，大大提高了返渣能力，有效保障孔內(nèi)清潔和環(huán)空間隙通暢，最終在預(yù)定層位實(shí)現(xiàn)高位定向長(zhǎng)鉆孔終孔孔深956m，鉆孔軌跡剖面如圖4所示。

圖4 3#孔軌跡剖面圖

根據(jù)護(hù)孔的需要，鉆孔終孔后均下入篩管完孔，保證鉆孔抽采通道的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。篩管管徑Φ50mm，篩管接頭外徑Φ73mm，各孔下入篩管深度分別為1#孔528m(孔深804m)，3#孔244m(孔深956m)，4#孔506m(孔深917m)，5#孔207m(孔深684m)。

2.4 瓦斯抽采效果

根據(jù)工作面回采后的瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，總體瓦斯抽采情況如圖5所示。8221高位定向鉆孔合抽后，平均瓦斯?jié)舛?2.07%，最高瓦斯?jié)舛?5.85%；抽采負(fù)壓21kPa，標(biāo)況抽采純流量平均4.89m3/min，最大為11.77m3/min，75d累計(jì)抽采瓦斯純量59.95萬(wàn)m3。

圖5 瓦斯抽采情況圖

回采期間采空區(qū)瓦斯?jié)舛瓤刂圃?.3%以下，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)瓦斯治理目標(biāo)。同時(shí)，單日平均瓦斯抽采純量近10000m3，平均濃度30%以上，可直接供應(yīng)地面瓦斯發(fā)電站供電，創(chuàng)造了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié) 論

1)高位定向長(zhǎng)鉆孔因其大孔深、大孔徑、軌跡可控等諸多優(yōu)勢(shì)和特點(diǎn)，同時(shí)回采期間鉆孔瓦斯抽采濃度和純量高且穩(wěn)定，可以滿足工作面回采安全需要，能有效替代高抽巷和普通高位鉆孔治理工作面瓦斯問(wèn)題，并大大降低了鉆場(chǎng)、鉆孔、巷道施工量。高濃度、大純量的瓦斯可直接供應(yīng)地面瓦斯發(fā)電，創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

2)泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)充分發(fā)揮了無(wú)線傳輸孔內(nèi)數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，配合高韌性螺旋鉆桿等可以實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)及復(fù)合鉆進(jìn)，具有較高的鉆桿柱強(qiáng)度，有效加強(qiáng)鉆孔施工的排渣能力，同時(shí)復(fù)合鉆進(jìn)大幅度降低鉆孔孔壁摩阻力，有效提高施工效率，大幅度提高鉆孔深度，并具有較高的地層適應(yīng)性、鉆具適配性。

3)復(fù)雜巖層高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔技術(shù)，成功應(yīng)用于桃園礦高位定向長(zhǎng)鉆孔施工，大幅度提高鉆孔成孔深度至956m，成孔后日均瓦斯抽采量達(dá)10000m3，平均瓦斯抽采濃度30%以上，取得了良好的工程效果。