王 慶，金 鑫

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

瓦斯氣體是煤炭開采的伴生物，作為安全生產(chǎn)的重大隱患大量存在于各煤礦的生產(chǎn)過程中，井下瓦斯爆炸事故時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重威脅著人的生命健康和安全生產(chǎn)[1，2]。同時(shí)瓦斯空排造成了能源的巨大浪費(fèi)，并且對(duì)環(huán)境產(chǎn)生了破壞，瓦斯發(fā)電是煤礦瓦斯利用的重要途徑，不僅可以達(dá)到節(jié)能減排的效果，還可以保護(hù)生態(tài)環(huán)境，促進(jìn)煤礦行業(yè)的良性循環(huán)發(fā)展[1，3]。金鑫[4]等研究表明采用井下定向鉆進(jìn)技術(shù)施工煤層底板注漿加固定向鉆孔的工藝方法能實(shí)現(xiàn)煤層底板超前探測(cè)和治理，確保礦區(qū)下保護(hù)煤層安全開采，但該技術(shù)未進(jìn)行瓦斯治理研究。李海濤，張哲[5，6]等僅研究了下保護(hù)層開采中的底板卸壓深度、卸壓效果，并沒有針對(duì)下保護(hù)層卸壓技術(shù)的實(shí)現(xiàn)工藝進(jìn)行研究?，F(xiàn)以定向鉆進(jìn)技術(shù)在下峪口煤礦卸壓瓦斯抽采工程實(shí)踐為基礎(chǔ)，對(duì)保護(hù)層開采卸壓瓦斯抽采定向長(zhǎng)鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究，研究成果可為類似礦井瓦斯防治及利用提供技術(shù)理論及實(shí)踐依據(jù)。

1 礦井概況及地層特征

韓城礦業(yè)有限公司下峪口煤礦位于陜西渭北石炭-二疊紀(jì)煤田東部邊緣，井田總體構(gòu)造形態(tài)為走向NE、傾向WW、平均傾角-3°波狀起伏的單斜構(gòu)造。主采煤層為山西組的2#、3#煤層，其中3#煤層為突出煤層。工作面2#煤平均煤厚1.0m，工作面頂板依次為泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、細(xì)砂巖，局部含0～0.5m煤線；底板為粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖、粉砂巖及分砂質(zhì)泥巖，局部含0～0.3m煤線，與3#煤層間距平均為14m。

目前礦井將2#煤層作為3#煤層的重要鄰近上保護(hù)層先行開采。當(dāng)2#煤層先行3#煤層開采時(shí)，底板巖層移動(dòng)、煤層膨脹卸壓，引起3#煤層中70%以上的瓦斯由吸附狀態(tài)解吸為游離狀態(tài)，通過巖層底板裂隙逸散涌出到工作面及采空區(qū)[7]。但常規(guī)鉆孔對(duì)底板卸壓瓦斯進(jìn)行抽采的過程中，存在鉆孔數(shù)量多、輔助維護(hù)管理成本大、后期孔口封閉不嚴(yán)、抽采效果衰減嚴(yán)重等問題，制約著生產(chǎn)進(jìn)度及瓦斯抽采利用率低。針對(duì)上述問題，引用井下定向鉆進(jìn)設(shè)備及技術(shù)，利用定向鉆孔對(duì)卸壓瓦斯進(jìn)行抽采利用，并對(duì)施工中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究探討，以期為煤礦安全高效生產(chǎn)提供技術(shù)保障。

2 定向鉆進(jìn)工藝與設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)具選型

項(xiàng)目施工主要設(shè)備包括動(dòng)力設(shè)備、配套鉆具及測(cè)量系統(tǒng)等部分，設(shè)備以及配套鉆具見表1。目前該型號(hào)定向鉆探設(shè)備廣泛應(yīng)用于地質(zhì)構(gòu)造及異常體探查、瓦斯抽采、防滅火、頂板疏放水及底板注漿加固等煤礦安全領(lǐng)域[8-18]。

表1 施工設(shè)備型號(hào)及用途

相比常規(guī)鉆進(jìn)，定向鉆進(jìn)技術(shù)所需鉆場(chǎng)及鉆孔數(shù)量少，減少搬遷鉆機(jī)設(shè)備的次數(shù)，降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度；由于定向鉆進(jìn)技術(shù)軌跡可控，可以盡可能增加在目標(biāo)層中的延伸長(zhǎng)度，具有覆蓋區(qū)域廣、盲區(qū)少、有效抽采距離長(zhǎng)的特點(diǎn)，因此定向鉆孔抽采效果好，可實(shí)現(xiàn)鉆孔瓦斯集中抽放，最大限度的保障瓦斯抽采效果。

2.2 鉆進(jìn)工藝流程

定向鉆探裝備選用ZDY6000LD型定向鉆機(jī)及配套測(cè)量系統(tǒng)，鉆孔造斜選用1.25°彎角螺桿鉆具。泥漿泵車輸出沖洗液經(jīng)通纜鉆具進(jìn)入螺桿馬達(dá)，在馬達(dá)進(jìn)出口形成一定壓差，推動(dòng)馬達(dá)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，通過萬向軸和傳動(dòng)軸將轉(zhuǎn)速和扭矩傳遞給鉆頭，從而達(dá)到碎巖的目的。鉆進(jìn)過程中通過隨鉆測(cè)斜數(shù)據(jù)來調(diào)整測(cè)量外管的工具面向角，從而改變螺桿彎頭的朝向，使孔內(nèi)傾角和方位基本達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，最終整個(gè)鉆孔軌跡實(shí)現(xiàn)定向彎曲的目的。定向設(shè)備配套連接工藝如圖1所示，定向鉆進(jìn)工藝流程如圖2所示。

圖1 定向設(shè)備配套連接

圖2 定向鉆進(jìn)工藝流程

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(?168mm)；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?120mm。

1)一級(jí)孔身結(jié)構(gòu)鉆具組合。開孔選用“?120mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”；一級(jí)擴(kuò)孔選用“?98mm/?153mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”；二級(jí)擴(kuò)孔選用“?153mm/?193mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”；孔口管采用?168mm套管下至穩(wěn)定巖層。

2)二級(jí)孔身結(jié)構(gòu)鉆具組合。定向鉆進(jìn)選用“?120mmPDC鉆頭+?89mm孔底馬達(dá)+?89mm下無磁鉆桿+隨鉆測(cè)量?jī)x器+?89mm上無磁鉆桿+?89mm通纜鉆桿串”?；剞D(zhuǎn)透孔鉆進(jìn)選用“?120mmPDC鉆頭+?89mm回轉(zhuǎn)鉆桿串”。定向鉆孔孔深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 定向鉆孔孔深結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3 定向鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大角度開孔技術(shù)

工作面地質(zhì)資料顯示2#煤層下部3～4m為粉砂質(zhì)泥巖，局部巖體破碎且存在薄煤線及泥巖條帶，定向鉆探施工過程中遇水極易縮徑塌孔。定向鉆孔開孔點(diǎn)選擇在巷道中部，受巷道揭露影響，圍巖較為松散破碎，存在孔內(nèi)事故的風(fēng)險(xiǎn)。針對(duì)該地質(zhì)情況，開孔點(diǎn)盡量選擇在2#煤層下方，開孔角度調(diào)整到-13°～-18°之間，一開鉆進(jìn)選用?120mmPDC鉆頭結(jié)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，快速斜穿2#煤層及下部易破碎塌孔層位，進(jìn)入穩(wěn)定的細(xì)砂巖層后停止鉆進(jìn)，依次用?153mm、?193mmPDC鉆頭逐級(jí)進(jìn)行擴(kuò)孔，下入?168mm地質(zhì)套管。

應(yīng)用實(shí)踐表明，開孔角度選擇在-14°，即與地層夾角為11°左右最佳，既能減少鉆遇煤層段和破碎區(qū)域孔段，保證套管下入成功，也能減少定向鉆孔后續(xù)施工的拐彎孔段，減小鉆孔彎曲度，大角度開孔如圖4所示。

圖4 大角度開孔

3.2 穩(wěn)壓注漿固管技術(shù)

相比常規(guī)鉆孔，定向鉆孔抽采利用周期更長(zhǎng)，對(duì)套管的密封穩(wěn)固性具有更高的要求。項(xiàng)目采用一級(jí)?168mm套管結(jié)構(gòu)，套管下深15m且坐落在穩(wěn)定的巖層中，注漿方法在常見的“兩堵一注”工藝基礎(chǔ)上，增加了孔口預(yù)處理、穩(wěn)壓注漿、耐壓試驗(yàn)等工藝環(huán)節(jié)。

孔口預(yù)處理即在注漿之前對(duì)孔口周邊較大裂隙先采用棉紗及馬麗散混合充填，再進(jìn)行水泥噴漿處理。待孔口周邊凝固后采用水灰比1∶1的水泥漿對(duì)套管內(nèi)注漿，直至水泥漿從套管外部環(huán)空流出，此時(shí)泥漿泵基本不憋壓。由于水泥漿的凝固沉降作用，水泥漿沉積在套管底部，導(dǎo)致近孔口端一段距離為清水，繼續(xù)采用水灰比0.8∶1的稠漿對(duì)孔內(nèi)進(jìn)行穩(wěn)壓循環(huán)補(bǔ)漿，重復(fù)以上操作3～4次，直至環(huán)空內(nèi)清水完全排出并返出稠水泥漿。隨著補(bǔ)漿次數(shù)的增加，大部分裂隙已被水泥充填，孔內(nèi)消耗漿液會(huì)逐漸減小。通過控制泥漿泵回水閥的關(guān)合程度，控制泥漿泵的輸出壓力穩(wěn)定在0.5MPa左右，直至再無漿液消耗后停止注漿，結(jié)束注漿工作。

固孔候凝后，用?120mmPDC鉆頭回轉(zhuǎn)方式掃孔出套管，采用泥漿泵向孔內(nèi)注水憋壓的方式，保持壓力在3.0MPa，持續(xù)時(shí)間在20～30min，觀察孔壁及孔口管附近是否存在滲漏現(xiàn)象，如若不漏則說明固孔合格；如若出現(xiàn)滲漏，則需要繼續(xù)采用穩(wěn)壓補(bǔ)漿工藝固孔，直至耐壓試驗(yàn)合格。

3.3 地層判別技術(shù)

本項(xiàng)目定向鉆孔目標(biāo)層位為3#煤層頂板的砂巖層，由于地層的不均一性及受構(gòu)造影響，局部地層存在的煤線、泥巖及破碎帶區(qū)域造成孔內(nèi)存在塌孔卡鉆甚至鉆具滅失的風(fēng)險(xiǎn)。定向鉆進(jìn)采取全斷面切屑方式鉆進(jìn)，理論上在同一穩(wěn)定地層中，鉆壓隨著孔深的增加而穩(wěn)定增加。針對(duì)該特征，采用觀察鉆壓及孔口返出巖屑能快速對(duì)地層進(jìn)行判別，及時(shí)調(diào)整施工層位。鉆遇泥巖時(shí)，鉆進(jìn)壓力減小、鉆進(jìn)速度加快、孔口返出巖屑變?yōu)檎澈隣?；鉆遇堅(jiān)硬砂巖層時(shí)，鉆進(jìn)壓力增加、鉆進(jìn)效率降低，孔口返屑為顆粒狀，一般采取適當(dāng)加大鉆壓、調(diào)整層位、或者更換回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式穿過堅(jiān)硬巖層。

3.4 快速回轉(zhuǎn)穿異常區(qū)技術(shù)

項(xiàng)目采用有線通纜的滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)，優(yōu)點(diǎn)為信號(hào)傳輸穩(wěn)定，但鉆具不轉(zhuǎn)動(dòng)不利于巖粉的排出，遇到孔內(nèi)地層不穩(wěn)定時(shí)，螺桿彎角的震動(dòng)容易對(duì)孔壁造成二次破壞。遇到地層破碎導(dǎo)致的輕微憋泵、卡鉆等問題，可使用快速回轉(zhuǎn)工藝對(duì)異常區(qū)進(jìn)行孔內(nèi)處理。選取“?120mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式處理不穩(wěn)定孔段，調(diào)整泥漿泵車排量為320L/min，鉆機(jī)鉆壓25～35kN，轉(zhuǎn)速55～65r/min的強(qiáng)力回轉(zhuǎn)工藝快速穿過異常區(qū)域，待鉆進(jìn)設(shè)備參數(shù)顯示無異常后，即可更換定向鉆具調(diào)整層位繼續(xù)施工。

3.5 預(yù)留分支點(diǎn)技術(shù)

當(dāng)采取強(qiáng)力快速回轉(zhuǎn)工藝仍不能通過異常區(qū)時(shí)，可選用側(cè)鉆開分支的方式避開異常地層。根據(jù)施工地層狀況、設(shè)計(jì)要求和目的等不同，分支孔施工順序可分為“前進(jìn)式”和“后退式”兩種。實(shí)際施工中開分支點(diǎn)一般選取鉆孔軌跡的正角度孔段，調(diào)整工具面為180°，即螺桿馬達(dá)彎角朝下，此時(shí)鉆孔與螺桿彎角呈大夾角，鉆頭向下不斷反復(fù)切削巖層從而形成新的孔段。

預(yù)留分支點(diǎn)技術(shù)如圖5所示，實(shí)踐中鉆孔開孔為-14°，保直段為-4°左右，全孔段皆為負(fù)角度，針對(duì)負(fù)角度孔段開分支較困難問題，采用提前預(yù)留分支點(diǎn)工藝，利用定向鉆進(jìn)技術(shù)每間距80～100m在保直段將孔底傾角調(diào)整為3°并保持約10m，隨后調(diào)整為負(fù)角度并沿設(shè)計(jì)軌跡繼續(xù)鉆進(jìn)。利用該技術(shù)能避開施工異常層位，提高開分支孔成功率及成孔率；同時(shí)通過預(yù)留分支點(diǎn)，也可對(duì)鄰近鉆孔未施工到的盲區(qū)進(jìn)行覆蓋。

圖5 預(yù)留分支點(diǎn)技術(shù)

3.6 混合鉆進(jìn)技術(shù)

井下鉆探施工采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)和滑動(dòng)定向鉆進(jìn)相結(jié)合的鉆進(jìn)工藝?；剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)具有效率高、孔壁平滑、事故處理能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)亦具備軌跡不可控的缺點(diǎn)；滑動(dòng)定向鉆進(jìn)具有軌跡可控的優(yōu)點(diǎn)，但由于鉆桿不能旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致鉆孔軌跡空間上呈螺旋曲線，鉆孔平滑度低、孔底馬達(dá)施工進(jìn)尺慢，且通纜鉆桿壁薄抗扭、抗拉性差，處理事故能力差。將兩種鉆進(jìn)工藝的特性與地層偏斜情況相結(jié)合，既保證鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)軌道基本一致，又能獲得較快的鉆進(jìn)效率。

混合鉆進(jìn)技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于對(duì)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)參數(shù)的提前預(yù)判，依據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)判斷回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)孔內(nèi)方位、傾角的變化特征，指導(dǎo)后期定向與回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式的切換點(diǎn)及預(yù)測(cè)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)孔深。由于回轉(zhuǎn)鉆具組合為“?120mmPDC鉆頭+?89mm普通鉆桿串”，考慮到孔底鉆具自重因素，總體上遵循“低層位高角度”、“高層位低角度”的切換方式，同時(shí)采用極值法預(yù)判回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)孔深，確保軌跡保持在可控制層位。以“低層位高角度”法為例，如圖6所示，鉆孔軌跡設(shè)計(jì)傾角為-3°，將定向孔段控制在設(shè)計(jì)線下方約1m處，保持孔底角度為3°，更換回轉(zhuǎn)鉆具鉆進(jìn)，由于鉆頭自重，孔底傾角呈下降趨勢(shì)，根據(jù)前期施工經(jīng)驗(yàn)，每3m降低0.35°，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)90m后孔底角度約為-6°，位于設(shè)計(jì)線上方0.5m處，軌跡處于可控層位。使用該方法能降低孔內(nèi)儀器風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高單孔鉆進(jìn)效率。

圖6 “低層位高角度”鉆進(jìn)軌跡

4 應(yīng)用效果分析

4.1 成孔效果

針對(duì)該礦工作面3#煤層卸壓瓦斯抽采治理問題，在工作面進(jìn)風(fēng)巷中部布設(shè)1個(gè)定向鉆場(chǎng)，設(shè)計(jì)4個(gè)定向鉆孔，定向鉆孔之間平面軌跡間距約25m，剖面軌跡位于2#煤層與3#煤層之間，與被保護(hù)層3#煤層頂板距離為4m，定向鉆孔設(shè)計(jì)穩(wěn)斜段方位角為295°，傾角-4°，與工作面產(chǎn)狀參數(shù)保持一致，穩(wěn)斜段盡可能在目標(biāo)層位中有效延伸。定向鉆孔平面軌跡如圖7所示，鉆孔實(shí)鉆參數(shù)見表2。

圖7 定向鉆孔實(shí)鉆平面軌跡

4.2 瓦斯抽采效果分析

在工作面回采期間對(duì)定向鉆孔瓦斯抽采濃度進(jìn)行考察，與常規(guī)底板鉆孔抽采效果對(duì)比，如圖8所示。結(jié)果表明：常規(guī)鉆孔在抽采期間瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.8%，百米鉆孔單日瓦斯抽采純量為19.7m3。定向鉆孔的瓦斯抽采濃度平均為35.7%，百米鉆孔單日瓦斯抽采純量為497.0m3。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，定向鉆孔的瓦斯抽采效果明顯好于常規(guī)底板鉆孔，保障了生產(chǎn)工作面的回采安全。

表2 定向鉆孔實(shí)鉆參數(shù)表

圖8 不同工藝鉆孔瓦斯抽采濃度曲線

5 結(jié) 論

1)針對(duì)下峪口煤礦上保護(hù)層開采過程中工作面瓦斯超限問題，形成了一套煤礦井下卸壓瓦斯抽采定向鉆進(jìn)裝備及技術(shù)方法，有效保障了工作面的安全生產(chǎn)。

2)定向鉆進(jìn)過程中采用大角度開孔、穩(wěn)壓注漿固管、混合鉆進(jìn)、地層判別、快速回轉(zhuǎn)穿異常區(qū)和預(yù)留分支點(diǎn)等技術(shù)，可提高鉆進(jìn)效率及避免孔內(nèi)鉆探風(fēng)險(xiǎn)。

3)定向鉆孔瓦斯抽采結(jié)果表明，其抽采效果明顯優(yōu)于常規(guī)底板鉆孔，為類似礦井的瓦斯防治方案提供了新思路。