頂板高位定向鉆孔在青龍煤礦瓦斯治理中的應用

代 茂， 徐書榮， 梁道富， 蔡天亮， 曹建明

(1.貴州黔西能源開發有限公司青龍煤礦，貴州 畢節 551500； 2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

煤層開采后頂板覆巖產生移動和破斷，促使頂板覆巖產生大量采動裂隙，包括離層裂隙和穿層裂隙，采動效應導致周圍煤巖體卸壓增透效應增強，煤巖層透氣性顯著增加，大量卸壓瓦斯積聚在覆巖采動裂隙及采動區內，在通風風流的影響下，卸壓瓦斯在工作面上隅角聚集，引起超限，從而影響工作面安全回采[1-4]。目前，針對上隅角瓦斯治理難題，主要采用采空區埋管、頂板高抽巷、常規頂板高位鉆孔等方式進行瓦斯抽采[5-7]。但采空區埋管瓦斯治理效率低；頂板高抽巷需要施工專門的瓦斯抽放巷道，施工成本高、周期長；常規頂板高位鉆孔軌跡不可控、鉆孔深度淺，容易造成瓦斯抽采不連續、抽采時間短等問題，這些問題都極大地制約了煤礦上隅角瓦斯治理[8]。基于此，提出采用頂板高位定向鉆孔進行上隅角瓦斯治理[9-12]。

1 青龍煤礦地質概況

青龍煤礦為煤與瓦斯突出礦井，屬于近距離煤層群開采，主要可采煤層為16號、17號和18號煤層，煤層瓦斯含量高、透氣性差，礦井絕對瓦斯涌出量165.56 m3/min,礦井相對瓦斯涌出量80.65 m3/t。目前，青龍煤礦采用保護層開采模式對被保護層煤層進行全面卸壓，首先開采16號煤層。16號煤層平均厚度2.88 m、瓦斯含量19.88 m3/t、瓦斯壓力1.73 MPa、硬度系數0.37。16號煤層頂板巖層頂板以泥巖及粉砂質泥巖為主，次為粉砂巖，巖層穩固性極差，為不穩定頂板，采用全部垮落法管理頂板。長期以來，青龍煤礦主要采用高位鉆孔配采空區埋管抽采上隅角瓦斯，治理效果不甚理想。

2 頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采機理

工作面回采后，頂板上覆巖層由于應力平衡破壞自下而上形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶，而裂隙帶成為卸壓瓦斯運移和存儲的主要場所。隨著工作面推進，采空區中部覆巖逐漸冒落壓實，而在采空區的四周覆巖裂隙帶內形成O形圈，且伴隨整個工作面回采過程而向前移動[2]。頂板高位定向鉆孔是在工作面回采之前，在回風巷布置多個專用鉆場，首先在煤層開上仰孔至煤層頂板，然后起出開孔鉆具，下入定向鉆具，利用隨鉆測量裝備與技術進行定向先導孔施工，通過對鉆孔軌跡的精確控制保證軌跡在O形圈裂隙帶內有效延伸。頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采原理如圖1所示。先導孔施工完成后，起出孔內鉆具下入擴孔鉆具進行全程擴孔，增大鉆孔直徑，使鉆孔孔壁能有效溝通更多采動裂隙，其次，增大了卸壓瓦斯的單位流通面積，從而達到提高瓦斯抽采效果的目的。由于頂板定向高位定向鉆孔能在O形圈內長期穩定存在，因而能保證長時間、大流量的瓦斯抽采效果，有效降低工作面上隅角瓦斯濃度。同時，在多個鉆場內施工頂板高位定向鉆孔，保證鉆孔軌跡在工作面回采方向上壓茬搭接，有效保證工作面安全回采。相比于高抽巷及常規高位鉆孔，高位定向鉆孔具有施工周期短、覆蓋范圍廣、鉆孔布置靈活、節約生產成本等優點。

圖1 頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采原理圖Fig.1 Schematic diagram of gas extraction by high position directional boreholes

3 頂板高位定向鉆孔施工

3.1 鉆孔層位的選擇

頂板高位定向鉆孔層位的優選是進行高效瓦斯抽采的技術關鍵，首先保證鉆孔軌跡在O形圈內有效延伸；同時，由于青龍煤礦頂板巖層地質條件復雜，巖層穩定性較差，鉆孔層位的選擇還要保證利于成孔的地層條件。頂板覆巖冒落后形成“三帶”的分布結構，根據公式(1)和公式(2)確定冒落帶和裂隙帶的發育高度(H1、H2)，從而綜合確定頂板高位定向鉆孔的層位[13-14]。其中a、b、c取值參照表1，h為煤層綜采高度。

(1)

(2)

表1 a、b、c取值表Table 1 Values of a, b and c

青龍煤礦頂板巖層多以泥巖及粉砂質泥巖為主，確定a、b、c的值，h取2.88，然后代入到式(1)、式(2)中，冒落帶高度范圍為6.0～12.0 m，裂隙帶高度范圍為23.0～35.0 m。根據頂板巖層發育特征，綜合確定頂板定向高位鉆孔層位布置在25～30 m位置。

3.2 鉆具組合

(1)套管孔段鉆進鉆具組合：一開采用“?98 mm平底鉆頭+?73 mm高韌性外平鉆桿串+?73 mm水便”鉆具組合；二開采用“?98/153 mm擴孔鉆頭+?73 mm高韌性外平鉆桿串+?73 mm水便”鉆具組合擴孔至153 mm；三開采用“?153/193 mm擴孔鉆頭+?73 mm高韌性外平鉆桿串+?73 mm水便”鉆具組合擴孔至193 mm。

(2)先導孔定向鉆進鉆具組合：?98 mm定向鉆頭+?73 mm螺桿馬達+?73 mm下無磁鉆具+?73 mm探管外管+?73 mm上無磁鉆具+?73 mm通纜鉆桿串+?73 mm水便。

(3)擴孔鉆進鉆具組合：?94/153 mm擴孔鉆頭+?73 mm高韌性外平鉆桿串+?73 mm水便。

3.3 成孔工藝技術

鉆進過程中采用滑動定向鉆進工藝，鉆進過程中，鉆桿不回轉，泥漿泵提供高壓水流作為孔底螺桿鉆具旋轉的動力，帶動鉆頭旋轉碎巖。煤礦井下定向鉆進所用螺桿鉆具萬向軸都具有彎外殼結構，一般選用1.25°結構彎角螺桿鉆具，通過螺桿鉆具的工具面向角的調整而實現對孔軌跡控制調整，實現受控定向鉆進，保證鉆孔軌跡在目標層位延伸。定向鉆機為孔內鉆具提供近水平方向的鉆壓，并為調整工具面向角及提供回轉動力。

鉆進過程中，采用減壓給進方式，嚴格把控給進壓力，給進壓力隨著孔深的增加而逐步平穩遞增，泥漿泵流量為260 L/min，鉆進時根據泥漿泵壓力表判斷孔內工礦，?73 mm螺桿馬達孔口空載啟動時壓力為2 MPa，在孔內泥漿泵壓力會隨著鉆孔深度平穩遞增，螺桿馬達負載鉆進時的泵壓一般高于空載泵壓0.5～1 MPa。

3.4 鉆孔施工過程及注意問題

11615工作面進行頂板高位定向鉆孔施工，選用ZDY6000LD(FA)型定向鉆機、配套FMC泥漿泵、YHD-1000(A)隨鉆測量系統、73 mm通纜鉆桿、定向鉆頭、擴孔鉆頭等，共完成5個鉆孔的施工，累計進尺2445 m，各鉆孔孔深如表2所示。鉆孔軌跡剖面圖及平面圖見圖2和圖3。

表2 鉆孔孔深Table 2 Depth of boreholes

圖2 頂板高位定向鉆孔軌跡剖面圖Fig.2 Profile of the high position directional borehole trajectory

圖3 頂板高位定向鉆孔軌跡平面圖Fig.3 Plan of the high position directional borehole trajectory

4號鉆孔由于在開孔時傾角過大，鉆孔軌跡未能及時進入到預設層位，導致鉆孔偏高，傾角過大而作為廢孔終孔。結合施工過程中遇到的一些問題，在進行高位定向鉆孔施工中還應注意以下問題：施工期間，由于各類客觀因素，例如停電、停水、放炮、采面瓦斯點閉鎖等影響施工，因此在施工過程中盡量減少或避免客觀因素影響，能更大程度增加施工效率；鉆進過程中，應穩定給進速度，加強沖孔，保證鉆孔干凈，控制起拔壓力和回轉壓力，鉆孔軌跡在剖面上盡量保證平直趨勢，避免出現波谷，以利于鉆渣排出，鉆進過程中應注意觀察孔口返水，如遇返水異常要及時處理。

4 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工完成后，從2017年1月11日開始連接瓦斯負壓抽放管路進行連抽。由圖4可以看出，瓦斯濃度與純流量都經歷了上升-穩定-下降三個周期，上升階段，總管路瓦斯濃度從12.8%上升到15.3%，瓦斯純流量3.99 m3/min上升到5.54 m3/min；穩定周期內，總管路瓦斯濃度保持在14%以上，瓦斯純流量保持在4.5 m3/min左右；下降階段，總管路瓦斯濃度下降至6.8%以上，瓦斯純流量下降至0.26 m3/min，這與工作面的推進引起采空區覆巖冒落密切相關。以2號孔瓦斯抽采數據進行具體說明[9,15]，如圖5所示。

(1)上升期，煤層頂板以上采動裂隙發育程度低，采空區中部頂板覆巖首先冒落，采空區兩側的導氣裂隙帶發育高度滯后于采空區中部導氣裂隙帶的發育，因而先期瓦斯濃度和瓦斯純流量較低。當頂板初次冒落后，瓦斯純流量和瓦斯濃度急劇增加，瓦斯濃度從7.8%上升到23%，瓦斯純流量0.8 m3/min上升到2.67 m3/min。

(2)穩定期，隨著工作面的推進，頂板覆巖周期性冒落，受工作面采動效應影響，采空區兩側的導氣裂隙帶向上發展，頂板覆巖裂隙進一步擴展貫通，構成瓦斯運移和存儲的主要通道和場所，因而能保證高濃度、大流量瓦斯抽采效果。瓦斯濃度維持在20%以上，瓦斯純流量保持在2.5 m3/min左右。

(3)下降期，當工作面推進過鉆孔孔底時，采空區冒落覆巖裂隙閉合，逐漸趨于壓實狀態，孔口負壓對卸壓瓦斯的影響減小，因而鉆孔瓦斯濃度和純流量逐步衰減，瓦斯濃度下降至10.5%，瓦斯純流量下降至0.16 m3/min。

圖4 11615軌順瓦斯總管路瓦斯抽采情況Fig.4 Total production of gas extraction at No.11615 track gallery

圖5 11615軌順2號鉆孔瓦斯抽采情況Fig.5 Production of gas extraction from No.2 drill hole at No.11615 track gallery

5 結論

(1)利用頂板高位定向鉆孔進行采空區瓦斯抽采和上隅角瓦斯治理在原理上是可行的，相較于常規高位鉆孔和高抽巷，具有鉆孔軌跡控制精度高、覆蓋范圍廣、施工周期短等優勢。

(2)通過理論分析，結合頂板巖層工程地質特征，綜合確定頂板高位定向鉆孔層位在煤層以上20～25 m。針對青龍煤層頂板復雜巖層高位定向鉆孔成孔難題，通過優化鉆具組合和鉆進工藝參數，成功實施完成5個高位定向鉆孔，最大鉆孔深度達到612 m。

(3)工作面回采期間，抽采瓦斯濃度高、流量大，上隅角瓦斯濃度保持在臨界值以下，有效保證了工作面安全回采，同時也驗證了頂板高位定向鉆孔在青龍煤礦瓦斯治理中優勢所在。