楊 哲，栗子劍，李 鵬

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司 西安710077）

桑樹坪煤礦二號井為煤與瓦斯突出礦井，目前，主采煤層為3#煤層，3#煤層以煤體破碎、瓦斯壓力大、滲透性低的碎軟煤為主，瓦斯含量7.65～15.98 m3/t。目前，該礦瓦斯預(yù)抽主要以井下常規(guī)鉆孔為主[1-8]，但該方法存在成孔率低、抽采面積小、無效進(jìn)尺多、施工效率低等缺點(diǎn)，瓦斯預(yù)抽效果不理想，嚴(yán)重影響礦區(qū)安全生產(chǎn)。

為解決該礦瓦斯抽采難題，緩解礦井采掘接續(xù)緊張局面，擬在礦井三采區(qū)北帶式輸送機(jī)大巷向3#煤層頂板巖層首次采用梳狀長鉆孔水力壓裂瓦斯預(yù)抽技術(shù)[9-15]，梳狀定向長鉆孔軌跡控制是該技術(shù)應(yīng)用的前提和基本保障。為此對影響梳狀定向長鉆孔施工工藝、軌跡控制、分支側(cè)鉆、原孔重入等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，為水力壓裂和后續(xù)瓦斯抽采提供可靠通道，實(shí)現(xiàn)安全高效抽采預(yù)掘巷道瓦斯，保障礦井巷道安全掘進(jìn)。

1 頂板梳狀定向鉆孔布局

1.1 定向鉆孔布局

頂板梳狀定向鉆孔由布置在近煤層頂板的主孔和進(jìn)入煤層的分支孔構(gòu)成。本次實(shí)施的梳狀孔主孔布置在頂板上部3～5 m 穩(wěn)定且可鉆性較好的粉砂巖層位。既保證主孔成孔率和鉆效，又可避免主孔進(jìn)入煤層。

分支孔鉆進(jìn)應(yīng)盡可能在煤層中延伸，增加瓦斯泄流面積。分支孔布置時需根據(jù)煤層瓦斯?jié)舛?、壓力、透氣性、抽采方式及抽采半徑等因素合理確定分支孔間距。保證前一分支在煤層中抽采邊界與下一分支抽采范圍有效銜接，防止存在抽采盲區(qū)。如后續(xù)采用水力壓裂技術(shù)進(jìn)行改造，可適當(dāng)延長分支孔間距。掩護(hù)巷道掘進(jìn)梳狀孔平面示意圖如圖1。

圖1 掩護(hù)巷道掘進(jìn)梳狀孔平面示意圖Fig.1 Layout plan of comb hole to cover roadway excavation

本次施工鉆孔沿預(yù)掘巷道方位線延伸580 m，剖面軌跡沿煤層走向鉆進(jìn)。因梳狀鉆孔掩護(hù)巷道掘進(jìn)，分支孔全部位于主孔下部，進(jìn)入煤層后，軌跡延伸方位與預(yù)掘巷道保持一致，軌跡左右位移量不超過預(yù)掘巷道寬度。

根據(jù)主孔設(shè)計長度及預(yù)抽范圍，共設(shè)計9 個分支孔，每間隔50 m 向前開分支，實(shí)際施工中，分支孔間距根據(jù)實(shí)鉆軌跡進(jìn)入煤層的夾角進(jìn)行調(diào)整，采用合理的入煤傾角可延長分支在煤層中的平面延伸距離。同時，鉆進(jìn)中需根據(jù)各分支軌跡在煤層中延伸的長度，實(shí)時調(diào)整各分支間距。

1.2 定向鉆軌跡計算方法和施工裝備及機(jī)具

1）定向鉆軌跡計算。頂板梳狀軌跡計算模型采用均角全距法，根據(jù)隨鉆儀器測量軌跡位置某點(diǎn)的傾角θ、方位角α 及孔深L，計算該點(diǎn)的水平位移x、左右位移y 和上下位移z，計算公式如下：

式中:△Li為兩測點(diǎn)間距；θi、θi-1為鉆孔i、i-1 測點(diǎn)的傾角，（°）；αi、αi-1為i、i-1 鉆孔、測點(diǎn)的方位角，（°）；λ 為主設(shè)計方位角，（°）。

2）施工裝備及機(jī)具。施工頂板梳狀鉆孔采用鉆機(jī)、儀器、泥漿泵及鉆具如下：①ZDY-6000LD(B)履帶式全液壓坑道鉆機(jī)，提供鉆探動力；②YHD2-1000T（A）隨鉆測量系統(tǒng)，測量軌跡參數(shù)；③3NB-320泥漿泵，用于循環(huán)沖洗液；④φ73 mm 通纜鉆桿，用于傳遞孔口扭矩；⑤φ73 mm 四級螺桿馬達(dá)，用于造斜及提供定向扭；⑥φ73 mm 無磁鉆桿，用于屏蔽磁場干擾；⑦φ98 mm 三翼拋物線型PDC 鉆頭，用于定向及回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)；⑧φ98 mm 四翼平角型PDC 鉆頭，用于開分支側(cè)鉆；⑨φ133 mm 內(nèi)凹式PDC 鉆頭，用于開孔段；⑩φ133 mm/φ193 mm 擴(kuò)孔鉆頭，用于開孔段；11○孔口防噴裝置，用于防止瓦斯噴孔。

2 頂板梳狀定向鉆孔關(guān)鍵技術(shù)

2.1 煤層開孔段施工工藝

受礦井施工條件限制，頂板梳狀鉆孔需在本煤層開孔，礦區(qū)內(nèi)3#煤層松軟、破碎、穩(wěn)定性差，易發(fā)生卡鉆、埋鉆、噴孔等事故。如開孔階段常采用清水?dāng)y渣，沖蝕作用會加速煤層的垮塌。為提高成孔率，開孔段采用空氣鉆進(jìn)，借助煤礦井下壓風(fēng)系統(tǒng)，以空氣為攜渣介質(zhì)，選用寬翼片螺旋鉆桿提高排渣效果。

開孔段應(yīng)盡量增大開孔傾角，減小鉆孔在碎軟煤層的段長，快速穿過煤層至頂板。根據(jù)現(xiàn)場施工巷道高度、定向鉆機(jī)能力及煤層傾角等參數(shù)，確定開孔傾角為12°。主孔進(jìn)入頂板穩(wěn)定巖層6 m，下入φ178 mm 套管，采用全孔段水泥固孔，試壓合格后方可進(jìn)行二開施工。

開孔段采用空氣鉆進(jìn)，一開鉆進(jìn)先導(dǎo)孔鉆具組合為：φ133 mm 內(nèi)凹式PDC 鉆頭+φ89 mm 螺旋鉆桿，擴(kuò)孔鉆具組合：φ133 mm/φ193 mm 擴(kuò)孔鉆頭+φ89 mm 螺旋鉆桿。

2.2 分支孔施工工藝

根據(jù)實(shí)鉆地層狀況、施工周期、設(shè)備機(jī)具和后續(xù)抽采方式等不同，定向段主要有“前進(jìn)式”和“后退式”2 種鉆進(jìn)方式。其中“前進(jìn)式”鉆進(jìn)方式本質(zhì)上是1 個分支孔疊加在另1 個分支孔上，實(shí)時探煤層，實(shí)時修正主、分支孔設(shè)計軌跡，同時易于實(shí)現(xiàn)鉆具和工具原孔重入。由于本次施工后期需下入分段壓裂管工具至孔底，對主孔重入要求較高，故采用前進(jìn)式開分支鉆進(jìn)方法?！扒斑M(jìn)式”鉆進(jìn)方法施工流程圖如圖2。

2.3 分支鉆孔軌跡控制

圖2 前進(jìn)式施工工藝流程圖Fig.2 Flow chart of forward construction process

由于煤層起伏走向的不確定性，梳狀鉆孔在近煤層頂板延伸的深度和傾角也存在不確定性，施工時不能完全按照設(shè)計執(zhí)行，而要緊密結(jié)合巖屑和鉆時變化綜合分析，實(shí)時調(diào)整軌跡控制策略。為確保鉆孔沿設(shè)計軌跡延伸，全孔采用YHD2-1000T（A）隨鉆測量系統(tǒng)每鉆進(jìn)3 m 測斜1 次，實(shí)時監(jiān)控、調(diào)整鉆孔軌跡，頂板穩(wěn)定巖層平均造斜率0.4°/m。鉆進(jìn)至煤層后為保證軌跡平滑，孔壁穩(wěn)定性，采用多回轉(zhuǎn)少滑動的鉆進(jìn)方式，平均造斜率為0.17°/m。

分支孔軌跡控制采用分段控制原則，前進(jìn)式開分支軌跡控制剖面圖如圖3。

圖3 前進(jìn)式開分支軌跡控制剖面圖Fig.3 Forward branch trajectory control profile

Ln分支施工時，a 段軌跡工具面放至增傾角+增（降）方位，b 段軌跡工具面擺至穩(wěn)傾角+增（降）方位，c 段軌跡工具面擺至降傾角+降（增）方位，d 段軌跡采用穩(wěn)傾角+穩(wěn)方位方案進(jìn)入煤層。

Ln+1分支施工時，退回至預(yù)留開分支點(diǎn)，a 段軌跡工具面擺至強(qiáng)降傾角開分支，上下位移x 方向與原軌跡分離，b 段軌跡工具面擺至降傾角+降（增）方位，左右位移y 方向與原軌跡分離，c 段軌跡采用穩(wěn)傾角+穩(wěn)方位沿設(shè)計方位角λ 鉆進(jìn)，d 段軌跡工具面放至增傾角+增（降）方位，沿煤層傾角和設(shè)計方位角鉆進(jìn)。

二開定向段采用的鉆具組合為：φ98 mmPDC 鉆頭+φ73 mm 螺桿馬達(dá)+隨鉆測量儀器+φ73 mm 上無磁鉆桿+φ73 mm 通纜鉆桿串。

由于梳狀鉆孔需要掩護(hù)巷道掘進(jìn)，軌跡延伸方位既要考慮到頂板和煤層在上下位移x 的偏差，也要兼顧左右位移y 不超過巷道邊緣。隨鉆測量儀器的測點(diǎn)與鉆頭存在約3 m 盲區(qū)，孔底傾角、方位角需要根據(jù)已鉆地層造斜率進(jìn)行預(yù)測，故軌跡控制對現(xiàn)場定向人員提出了更高的要求。

2.4 頂板梳狀鉆孔開分支

頂板梳狀鉆孔懸空側(cè)鉆開分支鉆頭處的側(cè)向切削力主要依靠鉆具自重提供，扭矩則由螺桿馬達(dá)提供。為更好增加鉆頭側(cè)切力，本次側(cè)鉆施工優(yōu)選造斜能力更強(qiáng)的φ98 mm 四翼平角型PDC 鉆頭。開分支作業(yè)時，將工具面擺至強(qiáng)降傾角位置（175°～185°），在側(cè)鉆點(diǎn)前2～3 m 處開泵進(jìn)行劃槽作業(yè)，劃槽30～40 min 后，控時鉆進(jìn)，第1 m 鉆時保持在1 h/m，第2 m 鉆時保持在50 min/m，依次遞減10 min，直到孔口返水顏色變化，有明顯巖屑顆粒。此時，可適當(dāng)提高給進(jìn)壓力，孔底工具面反扭角有顯著變化，鉆頭充分切削新地層，表明側(cè)鉆成功。根據(jù)后續(xù)測斜數(shù)據(jù)驗(yàn)證側(cè)鉆成功后，可按設(shè)計正常定向鉆進(jìn)。

如反復(fù)嘗試未能開出分支，可更換大角度單彎螺桿，可提高側(cè)鉆成功率，也可根據(jù)地層情況增加劃槽和控時鉆進(jìn)時長。

2.5 原孔重入

頂板梳狀鉆孔施工過程中，因更換儀器、鉆頭等原因起鉆，鉆具需再次下入原分支孔時，鉆具可能進(jìn)入前部其他分支孔。本次施工采用調(diào)整工具面法保證鉆具再次下入原孔。

因分支孔側(cè)鉆均采用向下開分支的方式，先降傾角再扭方位的方式，因此再次下入時，應(yīng)采用原鉆具組合，調(diào)整工具面至原深度側(cè)鉆時的工具面，緩慢下放鉆具，測斜點(diǎn)下過側(cè)鉆點(diǎn)后測斜，與原孔深傾角、方位進(jìn)行對比，以判斷是否進(jìn)入預(yù)定分支孔。同時，選用孔口供電式隨鉆測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)不需要開啟泥漿泵即可傳遞信號，可減少對側(cè)鉆點(diǎn)處的擾動，提高孔壁穩(wěn)定性，利于鉆具下入原孔。此方法工藝簡單，現(xiàn)場易于實(shí)施，本次施工起鉆后原孔重入率達(dá)到100%。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

桑樹坪二號井三采區(qū)北運(yùn)輸大巷向3#煤層頂板梳狀鉆孔按設(shè)計施工9 個分支鉆孔總進(jìn)尺1 188 m，梳狀分支孔實(shí)鉆軌跡剖面圖如圖4。

圖4 梳狀分支孔實(shí)鉆軌跡剖面圖Fig.4 Combed-branch hole drilling trajectory profile

分支孔鉆遇煤層段雖伴有噴孔、頂鉆現(xiàn)象，但未出現(xiàn)塌孔卡鉆情況，9 個分支孔成孔率為100%，其中煤層段進(jìn)尺285 m。本次施工按預(yù)掘巷道方位線延伸長度為588 m。后續(xù)分段壓裂施工管串成功下至L9分支側(cè)鉆點(diǎn)477 m，為水力壓裂增透技術(shù)的成功實(shí)施和瓦斯預(yù)抽采提供可靠通道。

現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，區(qū)域瓦斯預(yù)抽采90 d，瓦斯預(yù)抽純量平均1.56 m3/min，是常規(guī)鉆孔瓦斯預(yù)抽純量的4 倍以上。從預(yù)抽采效果分析，頂板梳狀定向長鉆孔改善預(yù)抽效果顯著，充分證明其在掩護(hù)巷道掘進(jìn)中的適用性。

4 結(jié) 語

1）分支孔間距設(shè)計和側(cè)鉆點(diǎn)選擇是頂板梳狀分支孔軌跡控制方案的關(guān)鍵因素，同時也決定了分支孔的入煤傾角及在煤層中的延伸距離，根據(jù)后續(xù)預(yù)抽采要求，可優(yōu)化分支孔間距，提高預(yù)抽效率。

2）為保證水力壓裂工具順利下至最深分支孔，易選用前進(jìn)式開分支工藝，而鉆孔軌跡的精確控制和原孔重入技術(shù)是該工藝實(shí)現(xiàn)的前提。

3）現(xiàn)場應(yīng)用表明頂板梳狀定向鉆孔可有效解決本煤層鉆進(jìn)掉塊、塌孔等成孔率低及軌跡控制精度低等難題，可為水力壓裂增透技術(shù)提供可靠通道，有效提高預(yù)掘巷道瓦斯抽采效果，實(shí)現(xiàn)梳狀定向長鉆孔掩護(hù)巷道安全掘進(jìn)。