張廷偉，寇建新，孫矩正

(1.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.平煤股份煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467000)

在突出煤礦生產(chǎn)中，為掌握遠距離煤層瓦斯賦存狀況，必然要采用長鉆孔取煤樣方法測試煤層瓦斯參數(shù)。目前，國內(nèi)諸多專家學者對定向鉆孔取樣、瓦斯參數(shù)測試作了大量的研究。孫四清等[1]研制了碎軟煤層雙徑PDC密閉取心鉆頭，提出了適合于碎軟煤層特征的煤層氣含量精準測試密閉取心方法；龍威成[2]提出了煤層密閉取心瓦斯含量測試技術(shù)，在底抽巷定向長鉆孔中采集了4個密閉取心樣品；孫四清等[3]設計并試制了適合于煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量精準測試的“三筒單動、球閥密閉”的密閉取心裝置，滿足了超前探測煤層瓦斯含量的實際需求；雷紅艷等[4]采用HCA高壓容量法瓦斯吸附裝置，測試了7組煤樣的常壓吸附瓦斯量和瓦斯吸附常數(shù)；張向陽等[5]采用全鉆粉煤樣測定其解吸規(guī)律，得出了更適合計算煤樣瓦斯損失量誤差的方法；程波等[6]認為煤層瓦斯含量測試技術(shù)需加強理論分析、強化裝備，開展原位精準測量技術(shù)；陳向軍等[7]通過實驗模擬測試、數(shù)值模擬分析了取樣過程中損失瓦斯量推算模型，得出指數(shù)模型可以精準獲得取樣過程中的瓦斯損失量；張憲尚等[8]采用瓦斯解吸擴散數(shù)學物理模型得出瓦斯含量快速測定模型，運用煤層瓦斯含量快速測定儀在現(xiàn)場進行了應用，效果良好，滿足了突出煤層瓦斯含量測定要求。上述專家學者對定向鉆孔取樣裝備及技術(shù)開展了較為深入的研究，但未對定向鉆機深孔定點取樣測試煤層瓦斯參數(shù)進行相應的研究，十一礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯參數(shù)作為采取防突措施的基本參數(shù)，在很大程度上決定了采用何種措施、效果評價及考察[9-11]。鑒于此，平煤股份十一礦(以下簡稱“十一礦”)積極嘗試以孔代巷瓦斯治理措施，類比、修正試驗工作面的原始瓦斯參數(shù)值，以期為后期掌握煤層瓦斯參數(shù)和安全高效開采提供技術(shù)支撐。

1 試驗區(qū)工作面概況

十一礦己16-17煤層為煤與瓦斯突出煤層，瓦斯賦存具有“東高西低”的特點[12，13]。己二采區(qū)位于井田東部，煤層瓦斯含量明顯高于井田西部的己四采區(qū)。己16-17-24070工作面位于二水平己四采區(qū)東翼五區(qū)段，東起己二采區(qū)邊界，西至己四采區(qū)運輸下山處，煤的堅固性系數(shù)為0.26～0.47，破壞類型為Ⅲ～Ⅳ類，平均煤厚6.57m。己16-17煤層的直接頂為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖，基本頂為砂質(zhì)泥巖夾薄層條帶細沙巖，直接底板為泥巖和砂質(zhì)泥巖，老底為L2灰?guī)r。

己四采區(qū)已回采的己16-17-24030、己16-17-24011等4個工作面均采用“底抽巷+常規(guī)穿層鉆孔”技術(shù)實施區(qū)域預測，且瓦斯含量、瓦斯壓力均低于“雙6”指標，但該技術(shù)存在施工成本高、易誤穿煤層、施工周期長等缺陷[14-17]。為避免產(chǎn)生影響礦井高效發(fā)展的不利局面，十一礦在己16-17-24050機巷布置定向鉆機，沿己16-17煤層頂板布置長距離定向鉆孔，對己16-17-24070工作面(包括機巷外錯30m)整個回采區(qū)域，按100m×100m間隔布置取樣點，開展利用定向鉆機實施以孔代巷進行瓦斯參數(shù)測試研究工作[18-20]。己16-17-24070工作面定向鉆機鉆孔施工布置如圖1所示。

圖1 己16-17-24070工作面定向鉆機取樣長鉆孔布置

2 瓦斯含量測試

2.1 殘余瓦斯含量測試

本次試驗采用定向鉆機施工梳狀定向分支孔，主孔布置在煤層頂板，分支孔由煤層頂板穿入煤層，每個分支孔內(nèi)采用定點密閉取芯裝置深孔定點取樣，測定煤層瓦斯含量，結(jié)合瓦斯地質(zhì)分析的方法實施區(qū)域預測，為工作面安全采掘提供可靠的參數(shù)。

定向鉆機的孔底馬達到達取樣位置后，需退出鉆桿再安裝定點密閉取芯裝置，然后送入鉆孔取樣。以取樣深度120m為例，將取樣器送至取樣位置需1.5h，取樣完畢后退出鉆桿需0.8h，即從鉆進到取樣位置到把煤樣裝入煤樣罐的時間在2.3h以上。由于煤體在常壓下暴露時間都在1.5h以上，且該區(qū)域瓦斯含量較小，煤樣在現(xiàn)場均沒有解吸量，因此本次測定的瓦斯含量為煤樣在常壓下不解吸后的殘余瓦斯含量。

受限于深孔定點取樣時間長，目前尚無理論模型借鑒，為了得到定向鉆機取樣時的瓦斯損失量、解吸量，在已16-17-24050工作面風巷利用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機，采用風排接粉法采集并實測30組煤樣瓦斯含量，以推算定向鉆機取樣時的瓦斯取樣損失量、常壓下瓦斯解吸量，本次試驗是對深孔定點取樣測試瓦斯參數(shù)有益的探索。

2.2 常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機孔口接粉測定瓦斯含量

由于已16-17-24050工作面與已16-17-24070工作面毗鄰，埋深相差較小，中間沒有大的地質(zhì)構(gòu)造，因此同屬于一個瓦斯地質(zhì)單元，已16-17-24050工作面測定瓦斯含量規(guī)律可用于分析已16-17-24070工作面瓦斯含量，測試結(jié)果可用于修正深孔定點取樣的瓦斯含量。

常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機測定瓦斯含量結(jié)果可知，現(xiàn)場解吸量與損失量之和占總瓦斯含量的比例為11.11%～12.85%，平均12.24%。

2.3 定向鉆孔定點取樣測試瓦斯含量

根據(jù)常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機在己16-17-24050工作面風巷測定的30組瓦斯含量及其煤樣解吸規(guī)律，對利用定向鉆孔定點取樣測的煤層瓦斯含量測值進行修正，即加上相同比例的“取樣損失量+常壓現(xiàn)場解吸量總量(占總瓦斯含量的12.24%)”，得到定向鉆孔定點取樣測定的煤層瓦斯含量測值，測定結(jié)果見表1。

表1 定向鉆孔定點取樣測定煤層瓦斯含量測值

為了驗證修正含量值的準確性，在己16-17-24070風巷的4個鉆場里單獨施工4個對比含量測定鉆孔，即在每個鉆場內(nèi)利用定向鉆機的回轉(zhuǎn)功能施工本煤層鉆孔，在40m處風排粉取樣(簡稱“風排粉”)，井下實測瓦斯含量；風排粉取樣后退出鉆桿，將定點密閉取樣裝置送至孔底，保證孔底常壓下等待1.5h以上的前提下(模擬深孔定點密閉取芯工藝)，鉆進取樣后退出鉆桿，然后測試瓦斯含量(簡稱“長時取樣”)。測試結(jié)果表明，風排粉煤樣由于取樣時間短，井下有解吸量，可以推算取樣損失量；而長時取樣由于取樣時間長，現(xiàn)場沒有解吸。

經(jīng)實驗室測定表明，在己16-17-24070工作面風巷測定的4組風排粉煤樣的“損失量+現(xiàn)場解吸量”占總瓦斯含量的比例為11.88%～12.38%，與己16-17-24050工作面風巷測定的30組本煤層瓦斯含量規(guī)律一致。己16-17-24050工作面風巷測定數(shù)據(jù)更多，更接近真實數(shù)據(jù)，因此定向鉆機測定瓦斯含量損失量與現(xiàn)場解吸量占總瓦斯含量的比例按12.24%來修正。風排粉和長時取樣含量誤差見表2。

由表2可知，如果未對測值進行修正，定向鉆機定點取樣測值均比真實值偏小，誤差為11.57%～12.62%，平均12.07%；修正后的定向鉆孔定點取樣所測煤層瓦斯含量值與真實比較，誤差為-0.77%～0.49%，平均0.19%?？梢耘卸ù舜味ㄏ蜚@孔預測工作面突出危險性所測得的瓦斯含量誤差較小，可以適用突出危險性區(qū)域預測判定。

表2 風排粉和長時取樣含量誤差

3 瓦斯壓力測試

3.1 測試方法

原始瓦斯壓力不僅決定煤層瓦斯含量與瓦斯涌出量的大小，而且還是預測煤與瓦斯突出危險性的重要參數(shù)之一。本次采用“兩堵一注”囊袋式封孔方式主動測壓法測定己16-17-24070工作面煤層瓦斯壓力。每個定向鉆孔測定一個位置的瓦斯壓力，封孔位置根據(jù)鉆孔實際軌跡確定，原則上一個主孔測定一個位置的瓦斯壓力。

本次區(qū)域預測成功施工的12個主孔，除了4號鉆場1#主孔、3號鉆孔3#主孔和2號鉆孔1#主孔內(nèi)開了兩個分支孔外，其他8個主孔內(nèi)均開一個分支孔，因此為了保證工作面內(nèi)測壓力數(shù)據(jù)的均勻性，每個主孔內(nèi)測定一個壓力，封孔分為兩種方式：第一種，測主孔壓力時，首先送一組囊袋進入分支孔，在分支孔內(nèi)封孔20m長度，保證分支孔內(nèi)無瓦斯涌出到主孔內(nèi)，然后在主孔內(nèi)再進行一組囊袋封孔，封孔長度為20m，保證主孔內(nèi)的測壓管只與主孔內(nèi)的煤層相連通，封孔材料凝固后，關(guān)閉分支孔注漿閥門，在主孔測壓孔內(nèi)充壓力為0.2MPa空氣后安裝壓力表進行主孔壓力測定；第二種，測分支孔壓力時，送一組囊袋進入分支孔內(nèi)，封孔長度為20m，保證測壓管只與分支孔煤孔連通，封孔材料凝固后，在分支孔測壓孔內(nèi)充壓力為0.2MPa空氣后安裝壓力表進行分支孔壓力測定。對于有兩個分支孔的4個主孔，只測定最外端(靠近孔口)分支孔壓力，封孔方式與上述第二種測分支孔壓力方式相同。封孔方式如圖2所示。

圖2 測壓鉆孔封孔

3.2 測定結(jié)果

根據(jù)上述方法，利用己16-17-24070工作面定向鉆孔進行煤層瓦斯壓力測定，測定結(jié)果見表3。分析表3可知，己16-17-24070工作面瓦斯壓力在0.13～0.21MPa之間，最大0.21MPa。

表3 己16-17-24070工作面瓦斯壓力測定結(jié)果表

在已16-17-24050機巷掘進前，于2018年11月至2019年2月期間曾在已16-17-24050機巷底抽巷向已16-17-24070回采區(qū)域內(nèi)施工穿層鉆孔測試已16-17煤層原始瓦斯壓力，測得煤層原始瓦斯壓力為0.02～0.43MPa之間，最大0.43MPa。

綜上，由本次預測區(qū)域內(nèi)定向長鉆孔實測瓦斯壓力與常規(guī)穿層鉆孔實測煤層瓦斯壓力可知，預測區(qū)域內(nèi)煤層原始瓦斯壓力為0.02～0.43MPa之間，平均0.19MPa，最大0.43MPa。

4 結(jié) 論

1)在平煤股份十一礦開展定向鉆機現(xiàn)場工業(yè)性試驗時，采用定向鉆機施工梳狀定向分支孔，將主孔布置在煤層頂板穩(wěn)定巖層，分支孔由煤層頂板進入煤層，可避免鉆孔不穩(wěn)、容易縮徑等問題。

2)定向鉆機深孔取樣測得的瓦斯含量為殘余瓦斯含量值，通過采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆機孔口接粉測試瓦斯含量的方法，對定向鉆機測定原始瓦斯含量值進行了修正，修正后的定向鉆孔定點取樣所測煤層瓦斯含量值與真實比較，誤差為-0.77%～0.49%，平均0.19%。

3)己16-17-24070工作面范圍內(nèi)實測的27組煤樣的瓦斯含量為3.98～4.91m3/t，最大4.91m3/t，小于6m3/t；實測的瓦斯壓力為0.02～0.43MPa，最大0.43MPa，小于0.6MPa。瓦斯含量、瓦斯壓力均低于河南省規(guī)定的“雙6”指標。