張朝舉， 方俊， 楊亞黎， 王鮮， 楊小繼

(1.恒源煤電集團(tuán)有限公司祁東煤礦，安徽 宿州 234000；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

近距離煤層群廣泛分布于我國(guó)兩淮、貴州六盤(pán)水、山西大同、河南平頂山等礦區(qū)，其賦存地層條件復(fù)雜、瓦斯來(lái)源多、范圍廣，瓦斯抽采治理和煤層開(kāi)采難度大[1]。

針對(duì)近距離煤層群瓦斯治理問(wèn)題，許多學(xué)者開(kāi)展了大量研究。李家卓等[2]研究了近距離煤層氣開(kāi)采時(shí)上賦巖層破壞及裂隙發(fā)育變化規(guī)律。程志恒等[3]提出地面井與井下鉆孔相結(jié)合的井上下聯(lián)合防突技術(shù)體系。丁勇等[4]分析了二次卸壓瓦斯運(yùn)移與富集區(qū)分布規(guī)律。薛彥平[5]提出了順層預(yù)抽+高抽巷+采空區(qū)埋管的治理方法。鄧成均[6]提出了穿層鉆孔+順層鉆孔+高抽巷+反井鉆孔的立體抽采方法。劉雪莉等[7]提出了弱突出煤層保護(hù)層開(kāi)采與鉆孔立體抽采上下遞進(jìn)保護(hù)的治理方法。以上理論技術(shù)在不同礦井取得了良好應(yīng)用效果，但均需要聯(lián)合使用地面井、井下巖石巷道、井下常規(guī)孔等多種手段，瓦斯治理工程量大、成本高、周期長(zhǎng)。

安徽恒源煤電股份有限公司祁東煤礦為皖北煤電集團(tuán)下屬的煤與瓦斯突出礦井，其94采區(qū)近距離煤層群發(fā)育，采區(qū)內(nèi)煤層數(shù)量多、賦存不穩(wěn)定、間距小、煤體結(jié)構(gòu)松軟易碎、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、斷層等地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育，采用底抽巷+穿層鉆孔+順層鉆孔的方式進(jìn)行瓦斯治理，未取得理想效果[8]。針對(duì)祁東煤礦94采區(qū)近距離煤層群瓦斯治理需要，提出采用頂板攔截定向鉆孔進(jìn)行瓦斯治理的方法。首先在開(kāi)采煤層頂板施工帶有多個(gè)上向分支孔的頂板攔截定向鉆孔，然后利用上向分支孔提前對(duì)上鄰近煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，最后利用主孔在煤層回采過(guò)程中對(duì)上鄰近煤層卸壓瓦斯和開(kāi)采煤層回采工作面及采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采, 解決了瓦斯賦存參數(shù)測(cè)量、復(fù)雜破碎地層定向成孔與護(hù)孔等難題。

1 頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯方法

1.1 方法原理

近距離煤層群開(kāi)采過(guò)程中，鄰近層卸壓瓦斯易沿穿層裂隙涌入回采工作面或采空區(qū)，可能導(dǎo)致回采工作面或采空區(qū)瓦斯超限、管理困難，存在重大安全隱患。

頂板攔截定向鉆孔是在開(kāi)采煤層頂板施工定向鉆孔，既可利用上向分支孔提前對(duì)上部煤層瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，又可利用主孔在煤層回采過(guò)程中攔截抽采上鄰近煤層卸壓瓦斯，還可作為開(kāi)采層的頂板高位鉆孔抽采回采工作面和采空區(qū)瓦斯[9-10]，提高近距離煤層群瓦斯治理效果。

頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯原理如圖1所示，在待采煤層上部頂板巖層中施工定向鉆孔，并盡可能將鉆孔高度布置于待采煤層頂板裂隙帶內(nèi)，鉆孔走向沿待采煤層工作面延伸，并間隔一定距離施工分支鉆孔進(jìn)入上鄰近煤層中，鉆孔成孔后在孔內(nèi)下入篩管護(hù)孔并在孔口連接瓦斯抽采管路。煤層回采前，利用進(jìn)入煤層的分支鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，提前降低臨近煤層瓦斯含量，減少后期采動(dòng)卸壓瓦斯涌出量；待采煤層開(kāi)始回采后，頂板巖層破壞形成穿層裂隙，同時(shí)上鄰近煤層卸壓后透氣性增加、瓦斯快速解吸釋放，此時(shí)利用頂板攔截定向鉆孔既可攔截抽采上鄰近煤層卸壓瓦斯，防止其通過(guò)穿層裂隙涌入回采工作面或采空區(qū)，又可抽采回采工作面和采空區(qū)內(nèi)瓦斯，從而解決近距離煤層群卸壓瓦斯抽采問(wèn)題。

圖1 頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯技術(shù)原理

1.2 工藝流程

頂板攔截定向鉆孔施工時(shí)，先采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工孔口套管段，目的是固定孔口管以封固孔口不穩(wěn)定地層、提供瓦斯抽采管路連接接口。套管孔段長(zhǎng)度一般為9～12 m，施工時(shí)先鉆進(jìn)小直徑先導(dǎo)孔，再采用回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔鉆進(jìn)擴(kuò)大孔徑，以滿(mǎn)足孔口管下放要求，注漿固管合格后即可施工定向孔段。定向孔段采用前進(jìn)式開(kāi)分支定向鉆進(jìn)工藝施工，按照設(shè)計(jì)要求間隔一定距離施工分支孔使其進(jìn)入上鄰近煤層。首先根據(jù)需要進(jìn)行保壓密閉取芯，測(cè)定煤層瓦斯含量；然后退鉆至預(yù)留分支點(diǎn)處，側(cè)鉆分支回到主孔中繼續(xù)沿設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)，直至達(dá)到設(shè)計(jì)深度；最后退出孔內(nèi)所有定向鉆具，下入護(hù)孔篩管，連接抽采管路進(jìn)行瓦斯抽采。施工工藝流程如圖2所示。

圖2 頂板攔截定向鉆孔施工工藝流程

1.3 技術(shù)難點(diǎn)

頂板攔截定向鉆孔設(shè)計(jì)與施工是實(shí)現(xiàn)近距離煤層群瓦斯抽采治理的基礎(chǔ)與關(guān)鍵，其主要技術(shù)難點(diǎn)如下：

(1)煤層瓦斯參數(shù)和賦存情況是進(jìn)行定向鉆孔設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，而近距離煤層群經(jīng)常出現(xiàn)鄰近煤層厚度薄、煤體碎軟、賦存不穩(wěn)定等情況，常規(guī)的鉆屑取樣、套管取樣、繩索取芯、負(fù)壓氣動(dòng)取樣等方法無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)定煤層瓦斯含量，獲取煤層賦存參數(shù)，導(dǎo)致定向鉆孔設(shè)計(jì)缺乏依據(jù)，且難以確保沿目標(biāo)地層延伸。

(2)近距離煤層群受形成過(guò)程中遭遇的多期次地質(zhì)構(gòu)造作用，煤層之間的地層一般機(jī)械強(qiáng)度低、結(jié)構(gòu)劣化，易坍塌破壞，鉆進(jìn)安全風(fēng)險(xiǎn)大，成孔深度受限。

(3)定向鉆孔瓦斯攔截抽采功能主要通過(guò)采前預(yù)抽和采動(dòng)卸壓抽采實(shí)現(xiàn)，其在目標(biāo)地層中的延伸距離長(zhǎng)，預(yù)抽階段抽采時(shí)間長(zhǎng)；近距離煤層開(kāi)采時(shí)，受采動(dòng)影響，地層變形破壞量大，鉆孔孔壁易坍塌堵塞抽采通道，導(dǎo)致定向鉆孔報(bào)廢失效。

2 頂板攔截定向鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)頂板攔截定向鉆孔設(shè)計(jì)與施工難題，研究采用定向鉆孔煤層探查與保壓密閉取芯技術(shù)、復(fù)合定向鉆進(jìn)與復(fù)合排渣技術(shù)、鋼篩管完孔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)近距離煤層群中頂板攔截定向鉆孔高效成孔和長(zhǎng)距離精準(zhǔn)瓦斯測(cè)定。

2.1 定向鉆孔煤層探查與保壓密閉取芯技術(shù)

采用定向鉆孔進(jìn)行煤層探查與保壓密閉取芯的技術(shù)原理：采用前進(jìn)式開(kāi)分支技術(shù)，通過(guò)施工多個(gè)上向分支孔獲取煤層的變化情況；在探煤后的上向分支孔內(nèi)，利用保壓密閉取芯裝置(圖3)進(jìn)行煤樣采取，減少煤層瓦斯逸出量，保證采樣質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)單孔多次定點(diǎn)取樣[11]。

圖3 保壓密閉取芯裝置

定向鉆孔煤層探查工藝流程：鉆孔施工過(guò)程中，每隔一定距離(50 m左右)，人為控制鉆孔軌跡，增大鉆孔傾角，使鉆孔向上靠近上鄰近煤層，根據(jù)探查到煤層時(shí)的鉆孔軌跡坐標(biāo)，計(jì)算出煤層傾角；后退一定距離，從巖層孔段側(cè)鉆出分支孔，保持與上鄰近煤層的距離并向前鉆進(jìn)延伸。

采用定向鉆孔進(jìn)行保壓密閉取芯的工藝流程：當(dāng)上向分支孔進(jìn)入煤層后，將鉆孔沖洗干凈，退出定向鉆具，下入保壓密閉取樣鉆具，下鉆至孔底后開(kāi)啟泥漿泵，保持排量≤100 L/min，以50～80 r/min、0.2～0.3 m/min的速度回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆進(jìn)1.2～1.5 m后停止，向鉆具內(nèi)投入特制橡膠球，再開(kāi)啟泥漿泵，以200 L/min以上排量向鉆具內(nèi)供水至泥漿泵壓力突然明顯增大，說(shuō)明密閉取芯裝置已剪斷煤樣并將其密封在取樣內(nèi)筒中，隨后快速退出取樣鉆具，取出取樣內(nèi)筒進(jìn)行氣密性測(cè)試，合格后即可按常規(guī)流程測(cè)試煤層瓦斯含量。

利用定向鉆孔進(jìn)行煤層探查和瓦斯測(cè)試，充分發(fā)揮了定向鉆孔軌跡控制精度高、延伸距離長(zhǎng)、多分支的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，可準(zhǔn)確獲取區(qū)域煤層賦存變化情況，并可有效提高取樣距離、取樣成功率和煤層瓦斯含量測(cè)試準(zhǔn)確度。

2.2 復(fù)合定向鉆進(jìn)與復(fù)合排渣技術(shù)

復(fù)雜破碎地層鉆進(jìn)產(chǎn)生的鉆渣數(shù)量巨大，現(xiàn)有滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝施工時(shí)鉆桿不轉(zhuǎn)動(dòng)，且鉆具多為外平結(jié)構(gòu)，僅依靠沖洗液動(dòng)力進(jìn)行排渣，其排渣效率低，極易發(fā)生沉渣卡鉆事故。同時(shí)，頂板攔截定向鉆孔為近水平布置，鉆孔排渣方向與鉆渣重力方向不一致，加大了鉆孔排渣難度。

針對(duì)頂板攔截定向鉆孔鉆渣清除難題，采用復(fù)合定向鉆進(jìn)與復(fù)合排渣技術(shù)提高排渣效率[12-13]。復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)采用“滑動(dòng)造斜+復(fù)合穩(wěn)斜”的鉆進(jìn)模式，當(dāng)實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏離較大時(shí)，鉆機(jī)不回轉(zhuǎn)，孔內(nèi)造斜鉆具滑動(dòng)定向鉆進(jìn)進(jìn)行軌跡糾偏，使其回到可控范圍內(nèi)；當(dāng)實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏離不大時(shí)，利用鉆機(jī)低速回轉(zhuǎn)，使孔內(nèi)造斜鉆具處于穩(wěn)斜狀態(tài)，保持鉆孔向前穩(wěn)定施工。

復(fù)合排渣技術(shù)原理如圖4所示，利用螺旋、三棱、三棱螺旋等異形結(jié)構(gòu)鉆具回轉(zhuǎn)機(jī)械排渣和沖洗液水力循環(huán)排渣協(xié)同作用，提高排渣效果[9-11]。施工過(guò)程中，當(dāng)采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)糾偏時(shí)，鉆具不旋轉(zhuǎn)，此時(shí)僅沖孔液正循環(huán)進(jìn)行排渣，回次鉆進(jìn)結(jié)束后，旋轉(zhuǎn)鉆具進(jìn)行復(fù)合排渣，高效清除孔內(nèi)沉渣；當(dāng)采用復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆具處于不斷旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，鉆進(jìn)過(guò)程中沖洗液循環(huán)排渣的同時(shí)，鉆具旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合排渣。此外，異形鉆具旋轉(zhuǎn)過(guò)程中可二次破碎大顆粒鉆渣，降低鉆渣顆粒粒徑，且有利于維持不穩(wěn)定地層段孔壁穩(wěn)定性，降低泥巖縮徑抱鉆風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 鋼篩管完孔技術(shù)

采用篩管完孔技術(shù)可確保鉆孔作為瓦斯抽采通道長(zhǎng)期保持?，F(xiàn)有篩管完孔技術(shù)主要應(yīng)用于常規(guī)鉆孔，其篩管下入直徑小、距離短，而定向鉆孔深度大、多分支，篩管下入阻力大，且易下入分支孔內(nèi)。針對(duì)定向鉆孔篩管完孔難題，為避免頂板采動(dòng)卸壓作用切斷篩管，選用鋼篩管(圖5)進(jìn)行完孔；為提高瓦斯抽采通道面積，鋼篩管直徑設(shè)計(jì)為73 mm；為避免篩管下入分支孔，開(kāi)發(fā)了專(zhuān)用篩管導(dǎo)向頭，通過(guò)前端引導(dǎo)，確保沿主孔下入至孔底；利用鉆機(jī)提供下管動(dòng)力，降低下管勞動(dòng)強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)“鉆到位、管到底”。

(a)鋼篩管

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)區(qū)概況

祁東煤礦94采區(qū)位于井田西部，為礦井規(guī)劃的下一個(gè)采區(qū)，其面積約為2.66 km2。采區(qū)地層平均傾角約為14°，含煤層9層，其中主要可采煤層有61，71，82，9，部分不可采煤層在采區(qū)內(nèi)賦存不穩(wěn)定，煤層厚度與間距見(jiàn)表1。經(jīng)測(cè)定61，71，82，9煤層最大瓦斯壓力分別為2.71，2.90，2.82，3.30 MPa，對(duì)應(yīng)最大瓦斯含量分別為12.67，12.21，14.75，11.5 m3/t。

表1 94采區(qū)煤層厚度與煤層間距

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)選定在63煤層與71煤層之間施工頂板攔截定向鉆孔。63煤層厚度為0～1.61 m，平均厚度為0.94 m，在采區(qū)部分區(qū)域內(nèi)缺失，屬極不穩(wěn)定煤層；71煤層厚度為0.96～2.32 m，平均厚度為1.90 m，堅(jiān)固性系數(shù)f=0.30～0.52，煤層厚度變化較大，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜；71煤層上距63煤層16.13～28.85 m，平均為19.95 m，71煤層基本頂為淺灰色-灰白色細(xì)粒石英砂巖，石英為主，次為長(zhǎng)石，斷續(xù)波狀層理，分選中等，泥、硅質(zhì)膠結(jié)，中下部楔形層理、斜層理，含菱鐵質(zhì)結(jié)核，底部可見(jiàn)泥質(zhì)包體。

3.2 鉆孔設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)71煤層頂板攔截定向鉆孔1個(gè)，鉆孔自63煤層底板開(kāi)孔后沿63煤層以下2～3 m的底板巖層延伸，設(shè)計(jì)主孔長(zhǎng)度≥600 m，分支孔數(shù)≥5個(gè)，分支孔進(jìn)入63煤層后停止鉆進(jìn)，設(shè)計(jì)利用分支孔進(jìn)行2次定點(diǎn)保壓密閉取芯，鉆孔完成后下入φ73 mm鋼篩管完孔。頂板攔截定向鉆孔主要設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 71煤層頂板攔截定向鉆孔主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.3 試驗(yàn)裝備組成

針對(duì)頂板攔截定向鉆孔施工需要，選用ZDY6000LD(B)型煤礦用坑道鉆機(jī)進(jìn)行鉆進(jìn)，該鉆機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、工作效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合進(jìn)行大直徑近水平定向深孔鉆進(jìn)[14]。選用BLY390/12型全液壓泥漿泵車(chē)提供高壓沖洗液，其額定輸出壓力為12 MPa，可實(shí)現(xiàn)泵量0～390 L/min無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)[15]。同時(shí)，配套選用了礦用有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)、液動(dòng)螺桿馬達(dá)、保壓密閉取芯裝置和護(hù)孔鋼篩管等[16]。試驗(yàn)主要裝備見(jiàn)表3。

表3 試驗(yàn)主要裝備

3.4 鉆孔施工

71煤層頂板攔截定向鉆孔自開(kāi)始鉆進(jìn)至下入護(hù)孔篩管后完孔，歷時(shí)15 d，完成鉆孔1個(gè)，主孔深度為608 m，施工分支孔6個(gè)，鉆孔總進(jìn)尺為948 m，完成定點(diǎn)保壓密閉取芯2次，最大取芯深度為484 m，下入護(hù)孔篩管為485 m，鉆孔各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖6所示。

圖6 71煤層頂板攔截定向鉆孔實(shí)鉆軌跡

3.5 試驗(yàn)效果分析

3.5.1 鉆進(jìn)效果分析

頂板攔截定向鉆孔施工時(shí)，孔口返渣量大，在孔深404 m和588 m處發(fā)生2次塌孔卡鉆事故，均采用震擊解卡和高速旋轉(zhuǎn)復(fù)合排渣的方式成功解卡，說(shuō)明復(fù)合定向鉆進(jìn)與復(fù)合排渣技術(shù)改善了孔內(nèi)清潔程度，對(duì)于預(yù)防和處理孔內(nèi)事故具有積極作用。鉆孔成孔后，利用篩管完孔鉆具，順利下入篩管485 m，有效保障了鉆孔穩(wěn)定性和后期瓦斯抽采效果。

3.5.2 煤層探查與瓦斯含量測(cè)試效果

試驗(yàn)區(qū)域整體未開(kāi)發(fā)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中利用施工的6個(gè)分支孔查清了71煤層上鄰近煤層63煤層、62煤層的賦存情況，如圖6所示，為后期鉆孔軌跡設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

經(jīng)測(cè)定瓦斯含量為9.26 m3/t，為瓦斯抽采效果分析評(píng)價(jià)提供了參考。

3.5.3 瓦斯抽采效果

鉆孔施工完成后，利用71煤層頂板攔截定向鉆孔對(duì)鄰近的63煤層、62煤層及煤線的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，抽采時(shí)間共207 d，抽采數(shù)據(jù)如圖7所示，初始瓦斯抽采純量達(dá)到0.35 m3/min，抽采30 d后瓦斯抽采純量逐漸下降至0.1 m3/min以下，抽采65 d后雖然局部有波動(dòng)，但瓦斯抽采純量整體穩(wěn)定在0.05 m3/min左右。

圖7 71煤層頂板攔截定向鉆孔瓦斯抽采情況

試驗(yàn)結(jié)果表明，頂板攔截定向鉆孔可有效預(yù)抽鄰近煤層瓦斯，提前降低煤層瓦斯含量，從源頭上減少后期工作面回采時(shí)的采動(dòng)卸壓瓦斯涌出量，對(duì)避免工作面回采時(shí)瓦斯超限具有重要作用。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)充分驗(yàn)證了頂板攔截定向鉆孔的成孔效果，為近距離煤層群瓦斯抽采治理提供了基礎(chǔ)條件。為進(jìn)一步提高瓦斯抽采效果，應(yīng)結(jié)合后期煤層回采時(shí)采動(dòng)卸壓瓦斯抽采情況，綜合分析定向鉆孔抽采效果，調(diào)整鉆孔布置位置，實(shí)現(xiàn)高效攔截抽采；應(yīng)考慮地層整體含水，優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì)，盡量采用上仰結(jié)構(gòu)，避免鉆孔積水導(dǎo)致抽采不暢；縮短分支孔間距，增加鄰近煤層中的延伸長(zhǎng)度，提高瓦斯預(yù)抽效果。

4 結(jié)論

(1)針對(duì)近距離煤層群地層條件復(fù)雜、瓦斯來(lái)源多、范圍廣的問(wèn)題，提出采用頂板攔截定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采治理的方法，利用定向主孔及其分支孔，從采前預(yù)抽和采動(dòng)卸壓抽采2個(gè)方面，提高了近距離煤層群瓦斯抽采效果。

(2)試驗(yàn)形成了適用于頂板攔截定向鉆孔施工的技術(shù)裝備，實(shí)現(xiàn)了頂板攔截定向鉆孔精準(zhǔn)高效成孔、可靠護(hù)孔和長(zhǎng)距離定點(diǎn)保壓密閉取芯，為近距離煤層群的煤層賦存情況探測(cè)、瓦斯參數(shù)獲取、瓦斯預(yù)抽和采動(dòng)卸壓攔截抽采提供了方法。

(3)在祁東煤礦94采區(qū)近距離煤層群中完成頂板攔截定向鉆孔1個(gè)，查明了上鄰近煤層的賦存情況和瓦斯含量，并對(duì)上鄰近煤層瓦斯進(jìn)行了預(yù)抽，初始瓦斯抽采純量達(dá)到0.35 m3/min，抽采30 d后逐漸下降至0.1 m3/min以下，抽采65 d后穩(wěn)定在0.05 m3/min左右，有效降低了上鄰近煤層瓦斯含量，為祁東煤礦94采區(qū)煤層開(kāi)采提供了技術(shù)保障。

(4)為進(jìn)一步提高頂板攔截定向鉆孔的瓦斯抽采效果，可縮短分支孔間距，增加分支孔在鄰近煤層中的延伸長(zhǎng)度；在鄰近煤層賦存條件穩(wěn)定的情況下，嘗試分支孔沿煤層進(jìn)行定向鉆進(jìn)。