褚志偉，龍威成，賈秉義，劉 飛

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國煤礦區(qū)廣泛分布有碎軟煤層，碎軟煤層礦井?dāng)?shù)量占比在50%以上[1-2]。碎軟煤層原生結(jié)構(gòu)受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響而發(fā)生破壞，煤體結(jié)構(gòu)破碎，具有瓦斯含量高、壓力大，煤層透氣性差等特征，瓦斯抽采效果差，易出現(xiàn)煤與瓦斯突出災(zāi)害，嚴(yán)重制約了碎軟煤層礦井的安全高效生產(chǎn)[3]。利用鉆孔抽采瓦斯是碎軟煤層礦井進(jìn)行瓦斯治理的一種有效技術(shù)途徑，對碎軟煤層取樣進(jìn)行瓦斯參數(shù)測定可為瓦斯抽采鉆孔工程設(shè)計和抽采效果評價提供可靠依據(jù)，有助于提高碎軟煤層瓦斯治理水平[4-6]。

目前，煤礦井下主要采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式施工取樣鉆孔，有鉆孔巖屑取樣、套管取樣和繩索取樣等直接法進(jìn)行煤層取樣[7-11]。鉆孔巖屑取樣采用煤樣罐接收孔口返出煤渣以獲取煤樣，楊昌光等[12]通過現(xiàn)場試驗認(rèn)為該方法簡便易實現(xiàn)。套管取樣使用套管鉆進(jìn)，鉆至預(yù)定深度后通過套筒獲取煤樣，任浩洋等[13]通過現(xiàn)場應(yīng)用分析認(rèn)為該方法適用于順層或穿層向上鉆孔，但不適用于下向鉆孔。繩索取樣利用取心筒取樣，通過打撈器將孔內(nèi)取心筒取出以獲取煤樣，陳功勝[14]研制了井下用?98 mm 繩索取心裝備，取樣率達(dá)到80%以上?，F(xiàn)有取樣技術(shù)在一定程度上滿足了碎軟煤層取樣的基本要求，但在應(yīng)用中主要存在以下問題：①取樣深度淺。煤礦井下一般以井下管路靜壓風(fēng)為沖洗介質(zhì)，供風(fēng)壓力低，排渣能力受限，成孔深度淺[15]；現(xiàn)有的中硬煤層順層隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)以水為沖洗介質(zhì)，順煤層施工碎軟煤層定向鉆孔時對孔壁擾動較大，易發(fā)生噴孔、塌孔和卡鉆等復(fù)雜孔內(nèi)情況，成孔深度也受到限制，無法沿碎軟煤層長距離成孔[16]。② 取樣位置不可控。采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式進(jìn)行碎軟煤層鉆孔施工過程中無法控制鉆孔軌跡，只能在鉆孔施工一定深度后進(jìn)行取樣，取樣點位置不能隨鉆控制，無法實現(xiàn)碎軟煤層定點取樣。③煤樣瓦斯參數(shù)測定誤差大?，F(xiàn)有常用取樣方式主要包括鉆屑取樣法和繩索取樣法，其中鉆屑取樣法通過在孔口收集返出的煤渣進(jìn)行瓦斯含量測定，由于煤渣在運(yùn)移中暴露時間長，測量瓦斯含量偏低，影響煤樣瓦斯測定精度；繩索取樣法在孔底取樣，但在提取煤樣過程中耗時較長，同樣造成煤樣暴露時間長，存在煤樣瓦斯參數(shù)測定精度低的問題，不能滿足礦井瓦斯高效治理對煤層瓦斯參數(shù)測定的需要。

因此，采用底板梳狀定向鉆孔作為取樣鉆孔，主孔布置在煤層底板中，分支孔進(jìn)入煤層取樣，避免了碎軟煤層順層長距離鉆進(jìn)困難的問題，保證了取樣鉆孔軌跡可控和成孔深度；采用密閉取樣技術(shù)在取樣分支孔中對碎軟煤層進(jìn)行取樣，減少了煤樣暴露時間，實現(xiàn)了碎軟煤層長距離定點精準(zhǔn)取樣，為瓦斯抽采鉆孔工程設(shè)計和抽采效果評價提供可靠依據(jù)。

1 多分支鉆孔密閉取樣鉆進(jìn)技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

依據(jù)礦井地質(zhì)資料和瓦斯參數(shù)測定需求，進(jìn)行取樣鉆孔和取樣點設(shè)計；應(yīng)用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)施工底板梳狀取樣定向鉆孔，主孔布置在待取樣煤層底板穩(wěn)定層位中；采用“前進(jìn)式”開分支方式施工分支孔，包括探查分支孔和取樣分支孔；其中探查分支孔用于隨鉆探查煤層起伏，見煤后提鉆繼續(xù)施工主孔；取樣分支孔主要用作取樣通道，也可對煤層起伏進(jìn)行探查。在煤層中鉆進(jìn)適當(dāng)距離滿足取樣要求后提出定向鉆具，下入密閉取樣裝置，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)至密閉取樣裝置內(nèi)煤樣裝滿后，提鉆進(jìn)行煤樣氣密性測試和現(xiàn)場解吸，測試合格后完成單次碎軟煤層定點密閉取樣鉆進(jìn)；根據(jù)需要，重復(fù)進(jìn)行取樣分支孔施工和密閉取樣，直至完成取樣鉆孔全部取樣點的定點密閉取樣[17]。定點密閉取樣鉆進(jìn)工藝流程如圖1 所示。

圖1 多分支密閉取樣鉆進(jìn)工藝流程Fig.1 Flow chart of the multi branch sampling drilling

1.2 成孔關(guān)鍵技術(shù)

1.2.1 隨鉆軌跡精準(zhǔn)調(diào)控技術(shù)

1)煤層起伏隨鉆探查技術(shù)

取樣鉆孔主孔布置在距煤層一定距離的煤層底板中，而礦井煤層起伏情況一般掌握不夠精準(zhǔn)，為避免主孔誤入煤層，取樣鉆孔施工時應(yīng)隨鉆探查煤層的起伏情況。煤層起伏隨鉆探查方法為：采用“前進(jìn)式”開分支方式，間隔一定距離(50～80 m)主動增大鉆孔傾角，施工探查分支孔向煤層靠近；探查分支孔鉆進(jìn)過程中給進(jìn)壓力降低，鉆進(jìn)速度加快，且孔口返出煤渣時，確認(rèn)探查分支孔鉆遇煤層；利用多個探查分支孔見煤點數(shù)據(jù)，計算出實際煤層傾角，并預(yù)測鉆孔延伸方向的煤層起伏變化情況，對主孔軌跡、取樣點位置和取樣分支孔軌跡進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，實現(xiàn)鉆孔軌跡的隨鉆精準(zhǔn)調(diào)控[18]。煤層起伏隨鉆探查原理如圖2 所示。

圖2 煤層起伏隨鉆探查原理Fig.2 Schematic diagram of the exploration principle under coal seam undulating

2)變角度見煤鉆進(jìn)技術(shù)

為提高探查分支孔的鉆進(jìn)效率和取樣分支孔的取樣成功率，不同類型分支孔施工時的見煤角度應(yīng)不同。施工探查分支孔時，在鉆遇煤層前應(yīng)主動提高鉆孔傾角，使探查分支孔以較大角度見煤，見煤后便提鉆施工主孔，以減少探查分支孔的無效進(jìn)尺，同時較大角度見煤方式可以提高見煤后鉆渣的排出效果；施工取樣分支孔時，在鉆遇煤層前應(yīng)主動降低鉆孔傾角，使探查分支孔以較小角度見煤，見煤后適當(dāng)鉆進(jìn)一定距離提鉆更換密閉取樣裝置進(jìn)行取樣鉆進(jìn)，確保取樣分支孔在煤層中有效延伸，防止穿過煤層，預(yù)留出充足的取樣鉆進(jìn)距離，提高取樣鉆進(jìn)的成功率[19]。

1.2.2 “機(jī)械+水力”高效排渣技術(shù)

取樣鉆孔主孔在煤層底板中長距離延伸，為了提高主孔成孔深度、鉆進(jìn)效率和鉆進(jìn)安全性，提出了“機(jī)械+水力”高效排渣技術(shù)[20-21]?！皺C(jī)械+水力”高效排渣充分結(jié)合了水力排渣和機(jī)械攪渣的技術(shù)優(yōu)勢，在水力排渣將較細(xì)鉆渣懸浮并向孔口輸送的基礎(chǔ)上，利用異形鉆具組合(異形鉆桿+螺旋無磁鉆桿+螺旋螺桿鉆具)回轉(zhuǎn)機(jī)械攪渣方式，將沉積在孔底較粗鉆渣磨削和攪拌，減少粗顆粒鉆渣的沉積，使沖洗液能及時將鉆渣向孔口輸送，防止卡、埋鉆等孔內(nèi)復(fù)雜情況的發(fā)生，實現(xiàn)取樣鉆孔主孔高效鉆進(jìn)，“機(jī)械+水力”高效排渣原理如圖3 所示。

圖3 “機(jī)械+水力”高效排渣原理Fig.3 Principle diagram of the efficient slag discharge by“mechanical+hydraulic”

1.3 密閉取樣關(guān)鍵技術(shù)

1.3.1 煤樣快速密閉技術(shù)

常規(guī)取樣裝置在孔底采取煤樣的過程中無法快速密閉和保存煤樣，煤樣暴露時間長，影響瓦斯參數(shù)測量精度。密閉取樣時，當(dāng)密閉取樣裝置內(nèi)裝滿煤樣后，利用靜壓水向孔底輸送橡膠球，橡膠球到達(dá)孔底后泵壓升高，剪斷密閉取樣裝置的推桿固定銷釘，推桿下移帶動剪切密閉球閥截斷煤樣，并將煤樣密封在取樣筒內(nèi)，實現(xiàn)采取煤樣的快速密閉。通過機(jī)械方式快速密閉煤樣，減少了煤樣暴露時間，避免了提鉆和煤樣封裝過程造成的瓦斯氣體逸散，從而使瓦斯含量測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠[22-23]。

1.3.2 煤樣瓦斯測試技術(shù)

采取煤樣通過投球方式快速密閉后采用密閉方式保存在取樣筒內(nèi)，取樣筒既作為煤樣的封存裝置，又可用于收集煤樣井下原位解吸的瓦斯[24-25]。通過提鉆方式將取樣筒取出，在煤礦井下施工現(xiàn)場利用瓦斯參數(shù)測量裝置進(jìn)行初步解吸瓦斯的含量測定，井下煤樣瓦斯解吸氣含量為Q1；將采取煤樣帶至地面，地面測定煤樣粉碎前瓦斯解吸氣含量為Q2；將采取煤樣進(jìn)行粉碎，粉碎過程中和粉碎后測定煤樣瓦斯解吸量為Q3。因此，可以計算采取煤樣的瓦斯解吸氣含量Q，如下式所述：

1.4 關(guān)鍵配套裝備

1.4.1 取樣鉆孔鉆進(jìn)裝備

碎軟煤層定點密閉取樣定向鉆孔鉆進(jìn)裝備主要包括定向鉆機(jī)、泥漿泵(車)、螺桿鉆具、隨鉆測量系統(tǒng)、定向鉆桿和鉆頭等[26]，關(guān)鍵配套鉆進(jìn)裝備見表1。

表1 關(guān)鍵配套鉆進(jìn)裝備基本情況Table 1 Basic information of key supporting drilling equipment

1.4.2 密閉取樣裝備

1)密閉取樣裝置

密閉取樣裝置選用小直徑設(shè)備，其采用模塊化設(shè)計、雙筒單動結(jié)構(gòu)，解體性好、便于拆卸和維護(hù)，與各種鉆機(jī)、鉆具、泥漿泵、瓦斯解吸儀等設(shè)備的配套和銜接十分方便，取心過程操作簡單，能夠準(zhǔn)確、完整、快速地提取高質(zhì)量煤樣。

2)取樣鉆桿

取樣鉆桿選用大通徑螺旋鉆桿，鉆桿桿體需要采用三棱螺旋結(jié)構(gòu)，具備機(jī)械強(qiáng)化排渣功能，有助于提高碎軟煤層鉆進(jìn)排渣效果；鉆桿接頭需要大通孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，鉆桿整體內(nèi)部通徑達(dá)20 mm 以上，保證橡膠球順利通過，以符合密閉取樣要求。大通徑三棱螺旋鉆桿實物如圖4 所示。

圖4 取樣鉆桿實物Fig.4 The sampling drill pipe

2 現(xiàn)場試驗

2.1 試驗礦井

選擇安徽省宿州市某礦作為本次試驗礦井，該礦井所屬井田位于淮北煤田宿縣礦區(qū)宿南向斜內(nèi)，為煤與瓦斯突出礦井。

試驗鉆場位于94 采區(qū)61煤底板回風(fēng)上山上部平巷。鉆孔施工鉆遇地層為71煤和71煤底板。71煤堅固性系數(shù)f=0.30～0.52，平均厚度1.9 m，多含1～2 層泥巖夾矸，平均厚度0.27 m；瓦斯壓力0.62～2.15 MPa，瓦斯含量6.3～10.4 m3/t。71煤底板為灰色?深灰色泥巖，平均厚度3.1 m。

2.2 多分支鉆孔取樣鉆進(jìn)試驗方案

1)鉆孔設(shè)計

定向鉆孔由套管孔段和定向孔段組成。套管孔段擴(kuò)孔至?193 mm，下入?146 mm 套管9 m；定向孔段孔徑為105 mm，控制鉆孔軌跡距離71煤底板1～1.5 m，沿71煤回采工作面走向延伸，主孔深度大于等于300 m，采用“前進(jìn)式”開分支方式施工分支孔，分支孔數(shù)量大于等于4 個，其中最深的2 個分支孔進(jìn)行密閉取心，其他分支孔用于煤層起伏探查。取樣鉆孔軌跡和取樣點設(shè)計如圖5 所示。

圖5 取樣鉆孔設(shè)計軌跡剖面Fig.5 Design track profile of the sampling bore hole

2)施工配套設(shè)備

取樣定向鉆孔施工配套設(shè)備主要包括?89 mm 密閉取樣裝置、ZDY4000LD(C)型全液壓定向鉆機(jī)、YHD2-1000(A)礦用隨鉆測量系統(tǒng)、BLY260/9 型泥漿泵車、?73 mm 液動螺桿鉆具、?73 mm 整體式螺旋隨鉆測量鉆桿、?73 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿、?105 mm定向鉆頭、?98 mm 取心鉆頭。

3)施工方案

首先采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行套管孔段施工，施工完成后下入套管并用水泥固孔；然后采用定向鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行定向孔段施工，定向鉆進(jìn)鉆具組合為：?105 mm定向鉆頭+?73 mm 液動螺桿鉆具+?76 mm 下無磁鉆桿+?76 mm 探管外管(內(nèi)部安裝有YHD2-1000T(A)隨鉆測量裝置探管)+?76 mm 上無磁+?73 mm 整體式螺旋隨鉆測量鉆桿+···+?73 mm 整體式螺旋隨鉆測量鉆桿+?73 mm 送水器；最后施工2 個分支孔時進(jìn)行取心鉆進(jìn)，取心鉆進(jìn)鉆具組合為：?98 mm 取心鉆頭+?89 mm 密閉取樣裝置+?73 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿+···+?73 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿+? 73 mm 送水器。

2.3 試驗結(jié)果

現(xiàn)場試驗時按照取樣鉆孔設(shè)計完成了鉆孔施工和定點密閉取樣，取樣鉆孔實鉆軌跡剖面如圖6 所示。

圖6 取樣鉆孔實鉆軌跡剖面Fig.6 Drilling profile of the sampling bore hole

取樣鉆孔主孔深度301 m，順利施工分支孔4 個，總進(jìn)尺532 m。鉆進(jìn)過程中，根據(jù)分支孔鉆遇煤層時多個見煤點數(shù)據(jù)，調(diào)整煤層起伏預(yù)測和鉆孔軌跡設(shè)計，使鉆孔更好在底板中沿煤層起伏延伸，有益于控制取樣點位置。鉆遇不取心煤層、破碎和縮徑巖層前，通過主動增大鉆孔傾角，降低了鉆孔軌跡在不穩(wěn)定層位中的延伸長度，提高了鉆進(jìn)安全性。在第3、第4 分支孔進(jìn)行了定點密閉取樣，分別獲取了178、238 m 深度處的煤樣，獲取的煤樣如圖7 所示。

圖7 獲取煤樣實物Fig.7 Coal samples taken from boreholes

3 現(xiàn)場試驗效果分析

3.1 取樣鉆進(jìn)分析

考慮到孔底鉆渣返出孔口存在一定的滯后性，取樣分支孔施工接近目標(biāo)取心煤層前，通過適當(dāng)降低鉆進(jìn)速度，及時觀察孔口返渣是否出現(xiàn)煤粉，防止鉆孔穿過煤層。

取樣鉆進(jìn)時主要鉆進(jìn)參數(shù)控制范圍為回轉(zhuǎn)速度：50～80 r/min，取樣鉆進(jìn)速度：0.2～0.3 m/min，鉆進(jìn)深度1.2～1.5 m。沖洗液由井下管路靜壓水管路提供，避免水壓和水量過大，影響取樣質(zhì)量。

3.2 煤樣瓦斯測試分析

完成碎軟煤層定點采樣后對煤樣進(jìn)行了瓦斯含量測試，178 m 和238 m 深度處獲取煤樣的瓦斯含量分別為9.05 m3/t 和10.08 m3/t，礦井該區(qū)域利用常規(guī)方法測得平均瓦斯含量約為8.05 m3/t?？梢钥闯觯c密閉取樣瓦斯含量與已有常規(guī)方法測得瓦斯含量相比，分別提高了12.4%和25.2%，可為礦井提供更為準(zhǔn)確的瓦斯數(shù)據(jù)。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢

多分支密閉取樣鉆進(jìn)技術(shù)具有以下優(yōu)勢：取樣鉆孔主孔布置在煤層底板中，施工分支孔進(jìn)入煤層取樣，煤層中孔段延伸少，可以提高煤層孔段的成孔率，避免出現(xiàn)塌孔、噴孔和卡鉆等孔內(nèi)復(fù)雜情況，顯著提高鉆孔取樣深度，取樣深度達(dá)到了178 m 和238 m；同時，應(yīng)用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)可以精準(zhǔn)控制主孔和分支孔沿設(shè)計軌跡延伸，取樣位置可控；采用密閉方式在預(yù)定位置取樣，采取的煤樣暴露時間短，測得瓦斯含量與常規(guī)方法相比提高了12.4%和25.2%。

4 結(jié) 論

a.在分析常規(guī)取樣鉆進(jìn)技術(shù)存在問題的基礎(chǔ)上，開發(fā)了隨鉆軌跡精準(zhǔn)調(diào)控、“機(jī)械+水力”高效排渣等關(guān)鍵鉆進(jìn)技術(shù)，并選型配套了關(guān)鍵裝備，融合長距離密閉取心技術(shù)優(yōu)勢，形成了煤層底板鉆孔多分支取樣鉆進(jìn)技術(shù)，具有取樣深度大、取樣位置可控、取樣測試精度高等顯著優(yōu)勢，可為碎軟煤層長距離瓦斯參數(shù)測定、瓦斯抽采鉆孔工程設(shè)計和抽采效果評價提供技術(shù)支持。

b.在安徽省宿州市某礦開展了碎軟煤層底板鉆孔多分支取樣鉆進(jìn)技術(shù)現(xiàn)場試驗，施工了1 個主孔深度301 m 的取樣定向鉆孔，完成了2 次定點密閉取樣，順利采取了煤樣，最大取樣深度238 m，測得瓦斯含量與常規(guī)方法相比提高了12.4%和25.2%，提高了煤層瓦斯參數(shù)測試的準(zhǔn)確性。

c.取樣鉆進(jìn)時主要鉆進(jìn)工藝參數(shù)控制范圍為回轉(zhuǎn)速度：50～80 r/min，取樣鉆進(jìn)速度：0.2～0.3 m/min，鉆進(jìn)深度1.2～1.5 m，沖洗液由井下靜壓水管路提供，避免水壓和水量過大，影響取樣質(zhì)量，可為碎軟煤層取樣鉆進(jìn)提供參數(shù)指導(dǎo)。