楊偉鋒，劉建林，劉 飛，趙建國，褚志偉

（中煤科工集團西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

長期以來，瓦斯災(zāi)害是制約高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井安全高效生產(chǎn)的重大災(zāi)害之一[1]。隨著煤礦開采深度的增大和生產(chǎn)強度的提高，工作面采動卸壓瓦斯涌出量逐漸增大，部分低瓦斯賦存礦井甚至也會發(fā)生大量瓦斯涌出現(xiàn)象，極大地增加了采煤工作面瓦斯治理難度，加強采動卸壓瓦斯抽采是礦井安全高效生產(chǎn)的關(guān)鍵[2-3]。

大量理論研究和生產(chǎn)實踐表明：頂板高位定向鉆孔是進行工作面采動卸壓瓦斯治理的有效技術(shù)手段之一，通過將鉆孔主抽采孔段布置在回采工作面頂板巖層裂隙帶內(nèi)，回采期間能有效抽采工作面采動卸壓瓦斯，可有效降低上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛萚4-5]。李樹剛等[6]構(gòu)建了深部采動卸壓瓦斯抽采技術(shù)體系，提出大直徑定向鉆孔是采動卸壓抽采的主要發(fā)展方向；林海飛等[7]研究了采動卸壓瓦斯的抽采機理，論述了采動卸壓瓦斯抽采鉆孔設(shè)計方法和參數(shù)，并展望了采動卸壓瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展方向；孫榮軍等[8]、方俊等[9]針對頂板高位定向鉆孔特點，開發(fā)了先導(dǎo)孔復(fù)合定向鉆進技術(shù)和回轉(zhuǎn)擴孔鉆進技術(shù)與裝備；許超等[10]、童壁等[11]針對淮南頂板復(fù)雜地層高效成孔需要，通過對鉆進工藝創(chuàng)新和鉆具組合優(yōu)化，實現(xiàn)了采動卸壓瓦斯“以孔代巷”高效抽采。上述文獻提及的頂板高位孔普遍采用“先導(dǎo)定向孔+多級多次擴孔”方式成孔，最突出的問題是綜合成孔效率較低。

山西晉城礦區(qū)某煤礦屬于高瓦斯礦井，采煤工作面采用“U”型通風(fēng)。該煤礦頂板地質(zhì)條件復(fù)雜，砂泥巖互層，存在紋層狀粉砂質(zhì)泥巖，力學(xué)強度低、膠結(jié)性差，頂板高位定向鉆進成孔難度大。當(dāng)前，該礦主要采用高位瓦斯抽放巷與鄰近工作面巷道布置聯(lián)絡(luò)巷預(yù)埋抽放管等方式進行采空區(qū)瓦斯抽采。高位巷抽采存在掘進、排矸工程量大、周期長、成本高、安全性差等缺點；聯(lián)絡(luò)巷預(yù)埋抽放管瓦斯抽采受采掘進度規(guī)劃限制、在孤島工作面無法實施，綜合效率低，瓦斯治理工作往往滯后。如何實現(xiàn)復(fù)雜地層頂板中先導(dǎo)孔高效定向鉆進成孔并提升大直徑擴孔鉆進效率，成為該煤礦采動卸壓瓦斯頂板高位定向孔治理的關(guān)鍵。針對上述問題，基于該煤礦頂板覆巖特征，研究形成了?200 mm 頂板高位大直徑鉆孔成孔技術(shù)及配套裝備，為該礦生產(chǎn)工作面采動卸壓瓦斯治理提供了新途徑。

1 工作面概況

試驗工作面設(shè)計回采長度約1 950 m，切眼長為175 m，整體展布特征為中部高南北低，為一簡單背斜構(gòu)造。開采煤層埋深520～719 m，整體煤厚平均4.9 m，煤層傾角2°～10°，平均6°。工作面瓦斯儲量約為2 785.48 萬m3，掘進期間實測瓦斯含量為7.45～15.38 m3/t，平均10.37 m3/t。直接頂板為黑色泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，含植物化石，平均厚度2.9 m，局部可見炭質(zhì)泥巖偽頂，遇水易膨脹，厚度0.5 m 左右?；卷敒榛液谏?灰白色細砂巖、粉砂巖交互層，層狀構(gòu)造，所含成分主要包括石英，長石，少量白云母。

2 高位定向鉆孔

2.1 鉆孔布設(shè)

采空區(qū)覆巖移動規(guī)律和瓦斯流動規(guī)律表明，煤層開采過程中，上覆巖層受采動影響發(fā)生移動破裂，隨著工作面的推進，采空區(qū)沿豎直方向自下而上形成跨落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶，橫向上從采空區(qū)邊界向采空區(qū)中部形成煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)、重新壓實區(qū)，進而在采空區(qū)周圍形成1 個閉合的環(huán)形采動裂隙發(fā)育區(qū)，稱之為采動裂隙發(fā)“O”形圈[12-13]?！癘”形圈裂隙發(fā)育充分，是采動卸壓瓦斯的主要積聚區(qū)，存在大量高濃度瓦斯，同時也是抽采瓦斯的最佳區(qū)域。將高位鉆孔布置在煤層頂板采動裂隙發(fā)育區(qū)域，可使鉆孔與裂隙帶充分溝通，從而高效地抽采采動卸壓瓦斯[14-15]。根據(jù)煤層采動后垮落帶及裂隙帶高度計算經(jīng)驗公式，并根據(jù)該工作面煤層巖性分析，結(jié)合經(jīng)驗公式及鄰近工作面鉆孔設(shè)計參數(shù)，綜合確定頂板高位定向鉆孔布孔層位：在豎直方向上，將鉆孔布置在煤層頂板以上17～41 m 范圍內(nèi)；在水平方向上，將鉆孔布置在工作面內(nèi)距回風(fēng)巷道10～40 m 范圍。高位定向鉆孔平面布置圖如圖1，高位定向鉆孔剖面布置圖如圖2，鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 高位定向鉆孔設(shè)計參數(shù)Table 1 Design parameters of high-position directional borehole

圖1 高位定向鉆孔平面布置圖Fig.1 Plane layout of high-position directional borehole

圖2 高位定向鉆孔剖面布置圖Fig.2 Profile layout plan of high-position directional borehole

式中：H1為跨落帶高度，m；H2為裂隙帶高度，m；M為煤層開采厚度，m；K為巖石松散系數(shù)；α為煤層傾角，（°）。

2.2 鉆孔結(jié)構(gòu)

大直徑高位定向試驗孔設(shè)計采用兩級孔身結(jié)構(gòu)，根據(jù)孔身結(jié)構(gòu)和鉆孔軌跡特點，分為套管孔段、定向孔段2 部分。頂板高位大直徑定向孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖如圖3。

圖3 頂板高位大直徑定向孔孔身結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Structure diagram of high-position large-diameter directional borehole in the roof

1）套管孔段。采用三開鉆進工藝施工，首先采用?120 mm 鉆頭以回轉(zhuǎn)方式鉆進至設(shè)計孔深，然后更換?250/?120 mm 擴孔鉆頭將鉆孔直徑擴大至250 mm，再更換?300/?250 mm 擴孔鉆頭將鉆孔直徑擴大至300 mm，下入?244.5 mm 鋼套管，進行注漿固管。套管正常下入深度以進入頂板巖層垂距不少于1 m 為宜，若煤巖界面地層穩(wěn)定差，則鋼套管下入深度應(yīng)增加。

2）定向孔段。采用“一鉆一擴”二開鉆進工藝施工，首先采用隨鉆測量復(fù)合定向鉆進工藝進行施工?120 mm 先導(dǎo)孔，然后采用多動力正向回轉(zhuǎn)鉆進工藝將?120 mm 鉆孔一次鉆擴至?200 mm。

3 關(guān)鍵鉆進裝備

根據(jù)工作面采動卸壓瓦斯治理對頂板高位定向鉆孔直徑、深度與成孔效率的需求，綜合考慮復(fù)雜地層中施工可能遇到的突發(fā)狀況，選型了適合于高位大直徑定向鉆孔施工的定向鉆機、泥漿泵、螺桿馬達、擴孔鉆具等關(guān)鍵鉆進裝備。

3.1 定向鉆機

ZDY20000LD 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機是一種履帶自行式、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩類型的定向鉆機，具有鉆進及事故處理能力強、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，適用孔底馬達定向鉆進、孔口回轉(zhuǎn)鉆進及復(fù)合定向鉆進等多種鉆進工藝。此外，該鉆機配備了液壓吊臂，具備輔助起吊能力（最大起質(zhì)量5 t），滿足螺桿馬達、大直徑套管與孔口裝置等起吊需求。

ZDY20000LD 型鉆機主要技術(shù)性能參數(shù)為：①回轉(zhuǎn)器：額定轉(zhuǎn)矩20 000～4 300 N·m，額定轉(zhuǎn)速30～130 r/min，主軸制動轉(zhuǎn)矩4 000 N·m，主軸通孔直徑135 mm；②給進裝置：主軸傾角-10°～20°，最大給進/起拔力300 kN，給進/起拔行程1 200 mm；③泵站電機：額定功率132 kW，額定電壓660/1 140 V；④整機：配套鉆桿直徑?89/?114/?127 mm，整機質(zhì)量12 500 kg，整機運輸狀態(tài)外形尺寸（長×寬×高）4 200 mm×1 600 mm×1 900 mm。

3.2 泥漿泵車

在大直徑高位定向鉆孔施工過程中，要求泥漿泵在高負載條件下具備大流量穩(wěn)定供給能力，以滿足孔底動力鉆具高效破巖與大孔徑條件下的高效排渣需要，因此選型BLY460/13 型全液壓履帶泵車，該泵車具有可自主行走、集成性好、大排量、高壓力、操作簡便及作業(yè)安全等特點，在高泵壓工況下依然可保證足夠大的排量，能夠為孔底動力鉆具及環(huán)空排渣提供充足的水動力。

BLY460/13 型泥漿泵車主要技術(shù)參數(shù)為：①泥漿泵單元：額定流量460 L/min，額定壓力13 MPa，吸水口直徑/76 mm，排水口直徑32 mm；②整機：電動機額定功率110 kW，額定電壓660/1 140 V，整機質(zhì)量5 500 kg，整機外形尺寸（長×寬×高）3 250 mm×1 300 mm×1 760 mm。

3.3 多動力擴孔鉆具

多動力擴孔鉆具主要由雙級雙速螺桿馬達、同軸分體式擴孔鉆頭（包括初級擴孔鉆頭、次級擴孔鉆頭）組成。初級擴孔鉆頭連接于雙級雙速螺桿馬達傳動軸前端，分為導(dǎo)向器與擴孔鉆頭體2 部分，導(dǎo)向器置于擴孔鉆頭體前端，用于引導(dǎo)擴孔鉆具組合沿定向先導(dǎo)孔擴孔鉆進；次級擴孔鉆頭連接于雙級雙速螺桿馬達定子殼體前端，擴孔過程中，高壓水驅(qū)動雙級雙速螺桿馬達轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，帶動初級擴孔鉆頭旋轉(zhuǎn)進行一級擴孔；鉆機動力頭驅(qū)動孔內(nèi)定向鉆具組合回轉(zhuǎn)，帶動次級擴孔鉆頭旋轉(zhuǎn)進行二級擴孔，實現(xiàn)高位定向鉆孔直徑由?120 mm 到?200 mm 一次鉆擴成孔。同軸分體式擴孔鉆頭實物如圖4。

圖4 同軸分體式擴孔鉆頭實物Fig.4 Coaxial split type reaming bit

雙級雙速螺桿馬達主要技術(shù)參數(shù)為：①外徑規(guī)格：?105 mm；②長度：4.9 m；③轉(zhuǎn)速：87～110 r/min；④啟動壓力：0.8～1.0 MPa；⑤額定壓降：3.2 MPa；⑥額定扭矩：1 850 N·m。

4 鉆進工藝技術(shù)

4.1 復(fù)合強排渣定向鉆進技術(shù)

在復(fù)雜地層頂板高位定向鉆孔施工過程中，主要面臨以下技術(shù)難題：①煤層頂板多為弱膠結(jié)軟巖，整體強度低、膠結(jié)性差，煤巖層界面易坍塌；②鉆遇松軟破碎、水敏易塌地層，孔壁巖石極易軟化碎脹，導(dǎo)致局部孔段產(chǎn)生縮徑，甚至沿水平層理崩塌脫落，造成不同程度的卡鉆、憋泵異常工況；③深孔鉆進條件下，鉆渣在孔壁下緣堆積增加了鉆具摩阻，造成托壓現(xiàn)象加劇，嚴(yán)重影響鉆進效率。

為此，提出采用復(fù)合強排渣定向鉆進技術(shù)進行?120 mm 先導(dǎo)孔施工。針對復(fù)雜地層頂板高位定向鉆孔孔壁易坍塌的問題，采用復(fù)合鉆進技術(shù)，借助異形鉆桿旋轉(zhuǎn)過程中的機械動力，連續(xù)碾壓擾動孔內(nèi)積聚的鉆渣與垮落巖塊，進一步提升沖洗液對孔內(nèi)鉆渣懸浮攜帶效果；針對局部孔段縮徑問題，利用異形鉆桿回轉(zhuǎn)對縮頸段孔壁進行持續(xù)修復(fù)，以保證孔壁的穩(wěn)定；針對深孔鉆進條件下托壓問題嚴(yán)重，利用泥漿脈沖隨鉆測量裝置配合單彎螺桿馬達定向鉆具進行鉆孔軌跡隨鉆精確測控，采用孔口鉆機與孔底馬達輸出的雙動力復(fù)合定向鉆進技術(shù)，使孔內(nèi)鉆具滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，大幅降低孔內(nèi)鉆具所受摩阻，有效緩解深孔鉆進條件下托壓現(xiàn)象。無線隨鉆測量定向鉆具組合示意如圖5。

圖5 無線測量復(fù)合定向鉆具組合示意Fig.5 Diagram of wireless measurement composite directional drilling tool assembly

4.2 多動力一次擴孔技術(shù)

在煤礦井下定向鉆進技術(shù)裝備直徑規(guī)格受限條件下，目前頂板高位大直徑定向鉆孔普遍采用常規(guī)旋轉(zhuǎn)擴孔鉆進工藝，即在定向先導(dǎo)鉆孔的基礎(chǔ)上多次逐級鉆擴增大鉆孔直徑。

隨著采空區(qū)卸壓瓦斯治理對頂板高位鉆孔孔深、直徑進一步增大的需求，實際生產(chǎn)過程中，常規(guī)旋轉(zhuǎn)逐級擴孔工藝局限性日益突出：①分級擴孔起下鉆次數(shù)多、工作量大、作業(yè)勞動強度大；②單純以孔口鉆機回轉(zhuǎn)帶動孔內(nèi)鉆具回轉(zhuǎn)的方式進行鉆擴，隨著孔深增加，動力傳遞效果變差，擴孔鉆進效率降低；③擴孔過程中，隨著鉆孔直徑與鉆具外徑級差的增大，鉆桿柱受復(fù)雜的交變載荷作用，易疲勞損壞，同時也存在較大的施工風(fēng)險。

為此，提出采用多動力一次鉆擴成孔技術(shù)，以孔口—孔底雙動力聯(lián)合方式驅(qū)動鉆頭碎巖擴孔，實現(xiàn)一次性將?120 mm 先導(dǎo)定向孔的直徑鉆擴至?200 mm。多動力擴孔技術(shù)原理如圖6。

圖6 多動力擴孔技術(shù)原理Fig.6 Technology principle of two-stage and two-speed reaming

其技術(shù)原理是：泥漿泵輸出高壓循環(huán)介質(zhì)、攜帶的流體壓力能通過孔底多動力擴孔鉆具轉(zhuǎn)化為鉆頭破巖所需的機械能，帶動前置初級擴孔鉆頭切削破巖，實現(xiàn)一級擴孔；同時，鉆機輸出的旋轉(zhuǎn)扭矩與軸向推力通過鉆桿柱、孔底動力鉆具定子外殼驅(qū)動次級擴孔鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖，實現(xiàn)二級擴孔。初級擴孔鉆頭與次級擴孔鉆頭采用同軸布置方式，其本質(zhì)是一次鉆擴過程中同時進行兩級擴孔。

5 成孔效果及瓦斯抽采情況

5.1 成孔效果

在該煤礦試驗工作面成功施工4 個頂板高位大直徑定向鉆孔，最大孔深300 m，孔徑200 mm，總進尺957 m。先導(dǎo)孔正常鉆進平均效率17.3 m/h，擴孔鉆進平均效率22.3 m/h。采用常規(guī)分級擴孔方式需要從孔徑120 mm 一次擴孔至153 mm，二次擴孔至200 mm；采用大直徑一次鉆擴方式成孔可節(jié)省一次擴孔級序，綜合鉆進效率較常規(guī)分級擴孔方式提高50%以上。頂板高位定向鉆孔施工數(shù)據(jù)見表2。

表2 頂板高位定向鉆孔施工數(shù)據(jù)Table 2 Construction date of high-position directional borehole in the roof

5.2 瓦斯抽采效果

工作面回采期間，對試驗鉆場內(nèi)4 個頂板高位大直徑定向鉆孔純瓦斯抽采流量和瓦斯抽采體積分數(shù)數(shù)據(jù)進行了觀測，試驗孔穩(wěn)定抽采達到70 d，最大瓦斯抽采純量10.94 m3/min，平均瓦斯抽采純量6.28 m3/min，最大抽采瓦斯體積分數(shù)82.8%，平均抽采瓦斯體積分數(shù)40%，抽采瓦斯體積分數(shù)大于40% 的時間占總抽采時間的比例為42%。鉆孔瓦斯抽采純量、瓦斯體積分數(shù)隨工作面推進距離變化曲線如圖7、圖8。

圖7 鉆孔抽采瓦斯純量隨工作面推進變化曲線Fig.7 Variation curves of gas quantity from borehole drainage with the advance of working face

圖8 鉆孔抽采瓦斯體積分數(shù)隨工作面推進變化曲線Fig.8 Variation curves of gas concentration from borehole drainage with the advance of working face

由圖7、圖8 可以看出，高位鉆孔抽采分為3個階段：

1）第1 階段。工作面推進至鉆孔終孔點時，瓦斯抽采參數(shù)無明顯變化，該階段鉆孔所在層位受采動影響小、裂隙發(fā)育不充分，未與鉆孔孔壁有效溝通，因此，瓦斯抽采純量和抽采體積分數(shù)較低。

2）第2 階段。工作面推進過鉆孔終孔點10～40 m 后，采動裂隙與鉆孔孔壁充分溝通，高位定向鉆孔瓦斯抽采純量和瓦斯體積分數(shù)明顯增加，單孔瓦斯抽采純量最大達到5.94 m3/min，瓦斯體積分數(shù)最高達到78.6%；隨著工作面的推進，鉆孔瓦斯抽采純量和抽采瓦斯體積分數(shù)呈現(xiàn)短暫下降趨勢后又逐漸增高，進入穩(wěn)定抽采階段，該階段上覆巖層受采動影響產(chǎn)生周期性破斷，鉆孔瓦斯抽采純量和抽采瓦斯體積分數(shù)也呈現(xiàn)出周期性波動特征。由于采空區(qū)兩側(cè)采動裂隙帶發(fā)展高度稍微滯后于采空區(qū)中部，4#鉆孔有效抽采孔段更靠近采空區(qū)中部，因而抽采效果更好。

3）第3 階段。當(dāng)工作面推進至距鉆場40 m 左右時，鉆孔瓦斯抽采進入衰減期，其中1#、2#、3#鉆孔平均瓦斯抽采體積分數(shù)下降至16%，抽采純量下降至1 m3/min 以下，該階段采空區(qū)上覆巖層裂隙通道逐步壓實、閉合，頂板巖層垮落，瓦斯抽采純量與抽采瓦斯體積分數(shù)逐漸降低。

綜上，整個抽采階段，4#鉆孔抽采效果最好，平均瓦斯抽采體積分數(shù)為40.62%，平均瓦斯抽采純量3.19 m3/min，表明距工作面煤層頂板41 m 左右、距回風(fēng)巷道煤壁40 m 左右的位置處于“O”形圈采動裂隙密集發(fā)育區(qū)，將鉆孔布置在該區(qū)域能保證較好的采動卸壓瓦斯抽采效果。在工作面回采期間，對工作面上隅角瓦斯體積分數(shù)進行連續(xù)監(jiān)測，基本保持在0.5%以下，上隅角瓦斯體積分數(shù)得到了有效控制，有效保障了工作面安全回采。

6 結(jié)語

1）在“U”型通風(fēng)采煤工作面利用大直徑高位定向鉆孔治理采動卸壓瓦斯是可行的，通過合理選取層位、優(yōu)化布孔方式和數(shù)量，能夠滿足該礦現(xiàn)行開采條件下工作面采動影響區(qū)瓦斯治理需求。

2）針對該煤礦復(fù)雜頂板巖層賦存地質(zhì)條件，研究形成了一套大直徑高位定向孔成孔技術(shù)裝備，有效解決了復(fù)雜坍塌層段定向鉆孔成孔技術(shù)難題，為高位鉆孔代替高抽巷治理采動卸壓瓦斯提供技術(shù)保障。

3）根據(jù)瓦斯抽采效果分析，距工作面煤層頂板 30～40 m，距回風(fēng)巷道煤壁40 m 區(qū)域范圍處于“O”形圈采動裂隙密集發(fā)育區(qū)，將鉆孔布置在該區(qū)域能保證較好的瓦斯抽采效果。