強突出碎軟煤層定向長鉆孔區域瓦斯治理技術研究

趙中玲

（山西煤炭運銷集團 陽泉有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

近年來，隨著定向鉆探設備的不斷創新，千米定向鉆機技術在我國的應用基本成熟，利用定向鉆機施工長距離鉆孔進行采掘工作面區域瓦斯治理以及防突在許多礦井得到了有效的應用[1-6]，但大都是在煤層頂底板以及堅硬煤層中使用。在進行一系列松軟煤層試驗后發現，定向鉆進新技術的引入和應用在一定程度上提高了塌孔等相關事故的發生率，另外，該技術在長距離定向鉆進中成孔率不高。針對碎軟煤層鉆進過程中容易出現埋鉆、卡鉆等情形，使得鉆進成孔難度明顯增大，某些學者通過對鉆頭、鉆桿及施工工藝進行改造，解決了松軟煤層鉆進難的問題[7-10]，施工的鉆孔長度基本上在120 m以內。對于在掘進工作面正前施工長距離定向鉆孔、鉆孔深度350 m以上、鉆孔軌跡始終在煤層中的研究較少。本文針對上社煤礦復雜地質條件下松軟破碎低透氣性強突出煤層，利用定向鉆機能夠控制鉆進軌跡的特點，對鉆機設備和鉆機施工工藝進行升級和改造，對掘進工作面施工定向長距離鉆孔進行區域瓦斯治理，該技術可以為陽泉礦區突出礦井治理瓦斯以及突出提供一種新的方法。

1 礦井概況

上社煤礦井田位置位于沁水煤田北部邊界，井田面積12.38 km2，核定生產能力210萬t/a，地質儲量14 813.5萬t，可采儲量8 255.3萬t，為煤與瓦斯突出煤層。現開采9號、15號煤層，其中15號煤層為突出煤層。15號煤層埋深為40～620 m，煤層厚度4.35～7.01 m，平均5.67 m，煤層原始瓦斯含量12.97 m3/t，原始瓦斯壓力1.21 MPa，瓦斯放散初速度為29.4 mmHg，煤的破壞類型為Ⅲ類，煤層透氣性系數為0.351 3 m2/（MPa2·d）。

2 定向鉆孔設備

此次采用的是陜西太合智能鉆探有限公司生產的ZYL-60000D履帶式全液壓定向鉆機，鉆桿使用的是無線高強度三棱螺旋槽鉆桿，鉆頭為反切削塔式鉆頭，其優勢特征主要表現為耐磨性優良，碎巖速度快，鉆頭保徑效果比較理想，并且通水排渣比較順暢，很少出現的堵塞的情況。隨鉆測量系統主要由下無磁鉆桿、測量探管等組成，該系統和定向鉆機、高強度無線三棱螺旋槽鉆桿等相關裝置配套使用，共同負責水平定向鉆進的測量以及控制等工作。詳細技術參數如下：

3 現場試驗

3.1 試驗工作面基本情況

此次定向鉆孔施工試驗選擇井田最南端西部的15202工作面，工作面埋藏深度為625～580 m，為礦井埋深最深處，除與之垂直相交的15號皮帶巷已開采外，其他相鄰的煤體均處于原始狀態。15202工作面共設計布置4條巷道，分別為15202第一進風順槽、15202第二進風順槽、15202第一回風順槽和15202第一回風順槽，均為待掘巷道。2條進（回）風順槽之間聯絡巷間距為20 m。

3.2 鉆孔施工情況

從6月4日～9月11日，15202進風順槽口定向鉆孔按設計共開孔5個，施工7個主孔，41個分支孔，鉆孔總進尺4 287 m，鉆孔日進尺50 m。其中1號鉆孔總進尺1 353 m，主孔深351 m，開分支15個；2號鉆孔總進尺927 m，2-1號孔主孔深度315 m，2-2號孔主孔深度348 m，開分支孔8個；3號定向鉆孔總進尺516 m，主孔深351 m，開分支3個；4號鉆孔總進尺975 m，其中4-1號主孔深度354 m，4-2號主孔深度354 m，開分支9個；5號鉆孔總進尺516 m，主孔深348 m，開分支6個，鉆孔竣工示意如圖1所示。

圖1 定向鉆孔竣工示意Fig.1 Completion drawing of directional drilling

4 鉆孔瓦斯抽采效果分析

15202進風順槽口定向鉆孔施工完畢后立即連接抽放管路進行抽采，對15202進風順槽口鉆場內1號、2號（2-1號、2-2號）、3號、4號、5號共5個鉆孔瓦斯抽采濃度與鉆孔瓦斯抽采純量數據進行整理，其變化規律如圖2～圖6所示。

圖2 1號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.2 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.1 directional borehole

圖6 5號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.6 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.5 directional borehole

由于受到施工順序以及鉆孔有效抽采長度的影響，5個鉆孔的瓦斯抽采濃度和抽采純量不相同。其中1號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為57.1%，最高瓦斯抽采純量為0.594 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.043 9 m3/min；2號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為86.6%，最高瓦斯抽采純量為1.997 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.215 4 m3/min；3號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為90.5%（最早開始施工），最高瓦斯抽采純量為0.911 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.176 m3/min；4號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為49.5%，最高瓦斯抽采純量為0.633 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.065 m3/min；5號鉆孔最高瓦斯抽采濃度為63.2%，最高瓦斯抽采純量為0.445 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.086 m3/min。

抽采90 d后，1號鉆孔的瓦斯抽采濃度為55%，瓦斯抽采純量為0.301 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.022 2 m3/min，降幅49.89%；2號鉆孔的瓦斯抽采濃度為63%，瓦斯抽采純量為0.411 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.044 m3/min，降幅79.57%；3號鉆孔的瓦斯抽采濃度為82%，瓦斯抽采純量為0.511 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.099 m3/min，降幅43.75%；4號鉆孔的瓦斯抽采濃度為37%，瓦斯抽采純量為0.213 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.022 m3/min，降幅66.15%；5號鉆孔的瓦斯抽采濃度為15%，瓦斯抽采純量為0.063 m3/min，百米鉆孔瓦斯抽采量為0.012 m3/min，降幅86.04%。5號孔瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量較其他鉆孔明顯偏低，原因可能是因為在施工5號鉆孔時與4-2號鉆孔的分支連通，導致5號鉆孔瓦斯抽采效果較差。

此前，上社煤礦采用ZDY3000S液壓鉆機施工本煤層瓦斯預抽時，鉆孔長度平均為100 m左右，開始進行預抽時，單孔瓦斯抽采濃度在35%左右，百米鉆孔的瓦斯抽采純量為0.03 m3/min。通過比較發現，定向長鉆孔的百米瓦斯抽采量是一般瓦斯抽采鉆孔的3.5倍。

圖3 2號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.3 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.2 directional borehole

圖4 3號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.4 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.3 directional borehole

圖5 4號定向鉆孔瓦斯抽采濃度與抽采純量Fig.5 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.2 directional borehole

5 結 論

（1）根據煤層瓦斯運移規律、鉆孔周圍煤體的應力分布規律，建立了定向長鉆孔松軟破碎煤層瓦斯抽采流固熱耦合模型，為鉆孔抽采瓦斯數值模擬提供了理論基礎。

（2）與普通鉆孔相比，長距離鉆孔的瓦斯抽采濃度以及瓦斯抽采純量均有了較大幅度的提高。在定向鉆孔深度不斷增大、分支鉆孔數量日益增多時，長距離鉆孔的瓦斯抽采濃度和瓦斯抽采純量有所降低。抽采90 d后，鉆孔平均瓦斯抽采濃度穩定在35%左右，平均瓦斯抽采純量0.29 m3/min，平均百米鉆孔瓦斯抽采量為0.039 8 m3/min。

（3）采用定向長距離鉆孔后，提高了鉆孔百米瓦斯抽采量，降低了工作面瓦斯含量。