底板梳狀鉆孔在碎軟煤層瓦斯治理中的應(yīng)用

徐書榮， 劉 飛， 梁道富， 代 茂， 曹建明

(1.貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州 畢節(jié) 551507； 2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

貴州省煤炭資源豐富，屬于我國重要的煤炭基地，但其煤層賦存條件復雜，煤體結(jié)構(gòu)破碎，瓦斯壓力大、含量高。長期以來，受復雜地質(zhì)條件、煤層開采技術(shù)條件和瓦斯治理措施不到位等影響，導致煤與瓦斯突出災(zāi)害事故頻發(fā)，造成嚴重的人員與財產(chǎn)損失。隨著貴州省煤炭開采的深入，其開采范圍、深度及地質(zhì)復雜程度的進一步加大，煤炭行業(yè)所面臨的安全形勢也越來越嚴峻[1-2]。

目前，貴州省大多數(shù)礦井采用常規(guī)鉆進裝備進行瓦斯抽采與治理，先后嘗試采用“邊抽邊掘”、“底抽巷+穿層鉆孔+順層鉆孔”等瓦斯治理措施，但底抽巷掘進周期長、成本高；底板穿層鉆孔覆蓋范圍小，主要用于掩護巷道掘進；順層鉆孔需要在工作面圈閉后施工，且易因自然造斜進入頂?shù)装澹嬖阢@孔深度淺、軌跡不可控制、鉆孔利用率低及單孔瓦斯抽采量小等缺點，難以滿足碎軟煤礦礦井區(qū)域瓦斯抽采需要，嚴重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)[3]。

碎軟煤層順層鉆孔施工難題長期以來未得到有效解決。姚寧平等[4-6]在國家科技重大專項“井下小曲率梳狀鉆孔鉆進技術(shù)與裝備”的支持下，提出采用梳狀鉆孔的方式在煤層頂?shù)装邈@進成孔，然后通過開分支進入煤層進行遠距離區(qū)域瓦斯抽采。王飛等[7]介紹了梳狀鉆孔軌跡的設(shè)計方法，降低梳狀鉆孔施工風險，進行遠距離瓦斯預抽掩護預巷道掘進。王建強等[8]介紹了底板梳狀鉆孔在趙莊礦的應(yīng)用，通過對鉆孔布置層位和施工工藝優(yōu)化，使得梳狀定向鉆孔深度普遍達到300 m以上。李泉新等[9]介紹了梳狀鉆孔在九里山煤礦和朱仙莊煤礦的應(yīng)用，均取得了較好的應(yīng)用效果。林伯泉等[10]結(jié)合煤礦地質(zhì)特點，提出了基于千米長鉆孔技術(shù)的“三位立體”瓦斯綜合治理技術(shù)措施。王沉、朱弘杰等[11-12]均進行了瓦斯運移規(guī)律的模擬研究。王耀鋒等[13]采用關(guān)鍵層理論薄板理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對煤層頂板裂隙帶的分布和演化特征進行了研究。閆保永[14]介紹了定向鉆進技術(shù)在煤礦高位定向鉆孔成孔中的應(yīng)用實例。

基于此，本文以貴州省青龍煤礦為例，針對青龍煤礦碎軟煤層及頂?shù)装鍘r層賦存特征開展底板梳狀定向鉆孔鉆進技術(shù)研究，進行區(qū)域瓦斯抽采與治理，通過鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計及鉆具組合優(yōu)化，成功實施了多組底板梳狀鉆孔，成為貴州省首個采用底板梳狀鉆孔進行遠距離瓦斯抽采的礦井，并取得了良好的瓦斯抽采效果，研究可為貴州省類似礦井區(qū)域瓦斯治理提供重要借鑒。

1 青龍煤礦概況

1.1 地質(zhì)概況

青龍煤礦位于貴州省西北部，屬于我國西南地區(qū)典型的煤與瓦斯突出礦井。青龍煤礦主要開采16號和18號煤層，17號煤層局部可采。其中16號煤層厚度2.3～3.4 m，平均厚2.6 m，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對簡單，呈亮-半亮型，硬度系數(shù)0.37，瓦斯含量19.88 m3/t，瓦斯壓力1.73 MPa；18號煤層厚3.2～4.0 m，平均3.6 m，煤層傾角10°～14°，平均12°，最大瓦斯含量為24.37 m3/t，硬度系數(shù)為0.20～0.43，最大煤層瓦斯壓力1.20 MPa。18號煤層與16號煤層平均間距約24 m，其頂?shù)装鍘r層以泥巖、砂巖為主，巖體結(jié)構(gòu)破碎。

1.2 瓦斯治理情況

針對青龍煤礦煤層群特點，采用保護層下行開采的方式，即先開采上層16號煤層，對17號煤層和18號煤層進行卸壓，確保下部煤層安全回采。將底抽巷布置在18號煤層的底板巖層中，向上施工穿層鉆孔覆蓋16號煤層、17號煤層、18號煤層，可同時掩護16號煤層、18號煤層巷道掘進，實現(xiàn)“一孔多用”，有效減少穿層鉆孔施工數(shù)量，然后采用工作面順層鉆孔進行工作面條帶抽采。由于青龍煤礦地質(zhì)構(gòu)造復雜，局部煤層傾角起伏變化大，采用順層鉆孔進行瓦斯抽采易出現(xiàn)空白帶，難以實現(xiàn)瓦斯精準區(qū)域抽采。因此，采用底板梳狀定向鉆孔進行16號煤層區(qū)域瓦斯抽采與治理。

2 底板梳狀定向鉆孔施工技術(shù)

2.1 施工工藝技術(shù)原理

煤礦井下定向鉆孔施工常采用清水作為動力介質(zhì)和排渣介質(zhì)，主要適用于中硬煤巖層鉆孔施工。難以滿足碎軟煤層順層鉆孔長距離成孔需要。采用底板梳狀鉆孔進行碎軟煤層長距離瓦斯抽采，即首先在煤層底板特定層位施工近水平定向鉆孔，然后通過“前進式”或“后退式”開分支工藝技術(shù)在已施工的主孔中鉆進分支孔進入煤層中，分支孔進入煤層后通過對鉆孔軌跡的精確控制使其盡可能在煤層中延伸，提高煤層孔段鉆遇率，依次鉆進多組分支孔延伸，直到達到設(shè)計孔深[15](參見圖1)。此外，對于煤層群開采的礦井，在煤層回采階段，煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)生卸壓增透效應(yīng)，造成煤層群瓦斯涌出，底板梳狀鉆孔也能作為抽采臨近層采動卸壓瓦斯或采空區(qū)瓦斯之用。底板梳狀鉆孔具有施工深度大、軌跡控制精度高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點。

圖1 底板梳狀鉆孔示意圖Fig.1 Floor comb type directional boreholes

2.2 鉆孔設(shè)計原則

底板梳狀定向鉆孔設(shè)計要遵循以下原則。

(1)層位的選擇：首先底板梳狀鉆孔要布置在底板強度相對較高、結(jié)構(gòu)相對完整的地層，避免在水敏或膨脹程度較高的地層中布孔，以利于鉆孔成孔。一般情況下將底板梳狀鉆孔層位布置在目標煤層底板以下2～4 m。對于保護層開采的礦井，為了減少底抽巷的布置，降低施工成本，可以將鉆場布置在保護層底板的巖層中，通過施工大角度上仰鉆孔進入到被保護層中。

(2)分支點的選擇：首先分支點應(yīng)選擇在鉆孔軌跡爬升階段，以便于能快速開出分支孔；其次，根據(jù)螺桿馬達的造斜規(guī)律和鉆孔瓦斯抽采需要，分支點間距宜選擇40～60 m。

(3)鉆孔間距的選擇：為滿足區(qū)域瓦斯治理需要，鉆孔間距的選擇應(yīng)根據(jù)煤層的透氣性系數(shù)、瓦斯含量、瓦斯壓力等參數(shù)確定，應(yīng)根據(jù)礦井的實際情況選擇合理的鉆孔間距，確保不出現(xiàn)瓦斯抽采空白帶。對于采用水力壓裂的底板梳狀鉆孔，可根據(jù)壓裂影響半徑適當?shù)脑龃筱@孔間距。

3 工程實踐

3.1 鉆場與鉆孔設(shè)計

根據(jù)青龍煤礦示范工程要求，通過施工長距離定向煤層鉆孔抽采二采區(qū)右翼16號煤層瓦斯，實現(xiàn)大面積區(qū)域消突。鉆場布置在21605底抽巷，位于18號煤層底板，開孔位置在18號煤層底板下方7 m泥巖層中，目標煤層為16號煤層。在21605底抽巷共設(shè)計3個鉆場，每個鉆場7個鉆孔，鉆孔間距10 m，鉆孔長度500 m，每隔50 m開一個分支孔，主孔沿16號煤層底板以下2 m左右延伸，鉆孔設(shè)計平面布置如圖2所示。

圖2 鉆孔平面布置圖Fig.2 Plan view of drilling holes

3.2 施工難點

3.2.1 穿越18號煤層成孔困難

鉆孔開孔點與16號煤層垂直距離約30 m，施工鉆孔軌跡必須穿越18號煤層，而18號煤層結(jié)構(gòu)碎軟、機械強度低、瓦斯含量高，且其頂?shù)装鍘r層膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)破碎，含多層炭質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖，因此穿越18號煤層及頂?shù)装鍘r層過程中鉆進成孔困難。當鉆孔軌跡穿越18號煤層后還要繼續(xù)在16號煤層及底板中鉆進，由于鉆孔走向方向上穿越長度為90～120 m，所以18號煤層及其頂?shù)装鍘r層孔段是否穩(wěn)定是16號煤層底板梳狀定向鉆進成孔的關(guān)鍵。

3.2.2 垂直落差大

鉆孔軌跡穿過18號煤層后沿16號煤層傾向延伸，屬于大傾角上仰鉆孔，終孔點與孔口最大落差180 m左右，因此在鉆孔施工過程中，存在給進壓力大、鉆孔軌跡控制難度大等問題，增加了施工風險和難度。此外，大角度上仰鉆孔施工過程中，加接鉆桿時沖洗液容易流出鉆孔，繼續(xù)鉆進時泥漿泵給孔底送水時間增長，影響綜合鉆進效率。

3.2.3 孔內(nèi)事故預防與高效鉆進存在矛盾

16號煤層底板以泥巖、砂泥巖為主，尤其在煤巖交接處，其巖層物質(zhì)結(jié)構(gòu)復雜、水理性質(zhì)差，遇水后更容易軟化、崩解；其次，當鉆孔軌跡向上進入到16號煤層時，可能會發(fā)生憋泵、噴孔、塌孔。但為提升瓦斯抽采效果，在保證孔內(nèi)鉆具安全的前提下，應(yīng)盡量增大鉆孔在16號煤層中的延伸長度，進一步提高煤層鉆遇率。如何協(xié)調(diào)高效鉆進成孔和孔內(nèi)事故預防之間的矛盾至關(guān)重要。

3.3 鉆進裝備

根據(jù)底板梳狀鉆孔特征及鉆遇地層特點，選擇的定向鉆進裝備見表1。

表1 定向鉆進裝備Table 1 Directional drilling equipment

3.4 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計

針對鉆孔施工過程中可能出現(xiàn)的問題，優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計、制定合理的工藝措施。鉆孔穿越18號煤層過程中，采用多次擴孔鉆進的方式，降低高壓水對孔壁的沖刷，使得孔內(nèi)鉆渣能迅速排出孔外，同時也方便套管下入。首先通過大角度上仰定向鉆孔的方式穿過18號煤層及頂?shù)装宀环€(wěn)定巖層，縮短穿越孔段長度，然后在18號煤層及頂?shù)装宀环€(wěn)定巖層孔段全程下入?127 mm套管護孔，并注漿候凝；最后下入定向鉆具串沿16號煤層進行梳狀定向鉆孔施工。

鉆孔孔身結(jié)構(gòu)如圖3所示，分為孔口套管段、18號煤層護孔段和16號煤層定向鉆進孔段，各孔段結(jié)構(gòu)為：

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計示意圖Fig.3 Design of the bore hole structure

(1)孔口套管段：采用“?98 mm鉆頭+?73 mm外平鉆桿”開孔，鉆至15 m退鉆，然后依次用?133、153、193 mm擴孔至15 m，最后采用?215 mm擴孔鉆頭擴孔鉆進3 m，下入?200 mm套管封孔。

(2)18號煤層護孔段：采用“?98 mm定向鉆頭+?73 mm螺桿鉆具+?73 mm下無磁+?73 mm探管+?73 mm上無磁+?73 mm通纜鉆桿串+?73 mm通纜水便”組合鉆具穿越18號煤層及頂?shù)装宀环€(wěn)定巖層，然后采用?73 mm外平鉆桿配套?133、153、193 mm擴孔鉆頭鉆進至18號煤層頂板上方3 m處退鉆，然后全程下入?127 mm套管護孔，并注漿候凝。

(3)16號煤層定向鉆進孔段：采用“?98 mm定向鉆頭+?73 mm螺桿鉆具+?73 mm下無磁+?73 mm探管+?73 mm上無磁+?73 mm通纜鉆桿串+?73 mm通纜水便”組合鉆具進行底板梳狀鉆孔定向鉆進。

根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計，18號煤層護孔段要全程下入?127 mm套管并注漿封孔，套管下入深度90～120 m，封孔質(zhì)量尤為重要。當鉆孔注漿凝固后，必須進行拉力試驗和打壓試驗，拉拔應(yīng)力≮9 MPa，并持續(xù)1 min；打壓試驗時，憋壓≮1.0 MPa。鉆進過程中采用“勤劃眼、多沖孔、停鉆連抽”等方式，降低發(fā)生塌孔、卡鉆、噴孔等孔內(nèi)事故的概率，觀察鉆進工藝參數(shù)變化及孔口返渣情況，出現(xiàn)異常情況立即停鉆，并提鉆至安全孔段，制定合理的處理方案。

3.5 鉆孔施工情況

通過對鉆進裝備優(yōu)選、鉆具組合優(yōu)化和鉆進工藝參數(shù)優(yōu)化，在青龍煤礦21605底抽巷完成3個鉆場共計多組底板梳狀鉆孔施工，累計進尺1萬余米，各分支孔在16號煤層延伸50 m左右，最大穿煤長度138 m；煤層鉆遇率在30%左右。以1號鉆場2號鉆孔為例，開孔傾角19.7°，開孔方位128.6°，成功穿越18號煤層及頂?shù)装宀环€(wěn)定巖層段，并全程下入長度108 m、?127 mm套管進行護孔。鉆孔實際施工24 d，主孔深度519 m，累計總進尺至1059 m，開分支4次，最大穿煤長度87 m，煤層鉆遇率24%，各分支孔施工情況見表2，鉆孔剖面如圖4所示。

表2 鉆孔施工統(tǒng)計Table 2 Summary of borehole construction

4 瓦斯抽采效果分析

目前，通過對21605底抽巷梳狀定向鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進行監(jiān)測分析，在抽采初期，單孔瓦斯抽采濃度60%～85%、抽采純量0.8～2.5 m3/min，鉆孔瓦斯抽采濃度高、流量大、衰減速度慢。以3號鉆場2號鉆孔為例，其瓦斯抽采情況如圖5所示，該鉆孔從2018年9月20日開始連抽，最大瓦斯抽采濃度達78%，最大瓦斯抽采純量達2.33 m3/min，截止2019年3月21日，已連續(xù)抽采6個月，瓦斯抽采濃度仍在70%以上、抽采純量仍在0.8 m3/min以上，單孔抽采純量瓦斯已累計超過34萬m3。

圖4 2號鉆孔軌跡剖面圖Fig.4 Profile of No.2 drilling hole

圖5 1號鉆場2號鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)Fig.5 Data of gas extraction from No.2 drilling holein No.1 drilling field

5 結(jié)論

(1)底板梳狀鉆孔通過在煤層底板穩(wěn)定巖層鉆進，再向上開分支進入煤層成孔抽采瓦斯，具有施工深度大、軌跡控制精度高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，能夠有效提高瓦斯抽采效果，實現(xiàn)大面積區(qū)域瓦斯超前治理。

(2)針對青龍煤礦煤層群開采，在18號煤層底板布置鉆場，通過鉆進裝備的優(yōu)選、鉆進工藝參數(shù)和鉆具組合的優(yōu)化，采用大角度上仰鉆孔的方式穿過破碎煤巖層段，并全程下入?127 mm套管護孔，實現(xiàn)了復雜地質(zhì)條件下底板梳狀鉆孔高效成孔。

(3)瓦斯抽采效果表明，底板梳狀鉆孔瓦斯抽采濃度高、純量大、衰減速度慢，單孔抽采濃度60%～85%，單孔抽采純量0.8～2.5 m3/min；單孔已連續(xù)抽采6個月以上，瓦斯抽采純量已累計超過34萬m3，實現(xiàn)了碎軟煤層瓦斯高效抽采。

(4)為提高瓦斯抽采效果，當分支孔進入到煤層中后，可通過高壓水力沖孔或者水力壓裂的措施，增大煤層透氣性系數(shù)，實現(xiàn)瓦斯高效抽采。