負(fù)角度定向長鉆孔瓦斯抽采完孔工藝研究

任鵬飛

摘要：定向長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是實(shí)現(xiàn)煤礦瓦斯區(qū)域超前治理的有效技術(shù)手段，受采掘部署影響，負(fù)角度鉆孔（下向孔）在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。中硬煤層成孔性好、通常無需護(hù)孔，但針對(duì)負(fù)角度長鉆孔積水問題，現(xiàn)有常規(guī)方法均無法有效解決。在抽采前期，采取護(hù)孔工藝的負(fù)角度定向長鉆孔平均瓦斯抽采量為2.09m3/min，未采取護(hù)孔工藝的為1.87m3/min，二者差別不大;但護(hù)孔工藝定向長鉆孔瓦斯抽采量衰減系數(shù)是未護(hù)孔的61.54%，以抽采400d為例，護(hù)孔工藝定向長鉆孔瓦斯抽采總量是未護(hù)孔的1.40倍。從長期抽采效果來看，在缺乏有效排水措施的前提下，采取護(hù)孔工藝能夠有效提高負(fù)角度定向長鉆孔的瓦斯抽采效果。

關(guān)鍵詞：負(fù)角度;瓦斯抽采;完孔工藝

引言

煤礦瓦斯抽采是防治瓦斯災(zāi)害事故、實(shí)現(xiàn)瓦斯綜合利用的有效措施。定向鉆進(jìn)工藝可跨盤（采）區(qū)、4502工作面進(jìn)行鉆孔施工，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域、超長距離、遞進(jìn)式煤層瓦斯精準(zhǔn)高效抽采，可大幅增加鉆孔抽采范圍，解決了高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯災(zāi)害治理的時(shí)空矛盾。同時(shí)，受礦井采掘部署影響，負(fù)角度鉆孔（下向孔）在煤礦生產(chǎn)中有著較為廣泛的應(yīng)用。但下向孔積水可能造成鉆孔孔壁失穩(wěn)變形甚至坍塌，導(dǎo)致孔內(nèi)瓦斯抽采通道堵塞等問題，將致使鉆孔瓦斯抽采量降低，影響瓦斯抽采效果，對(duì)于定向長鉆孔更是如此，若局部出現(xiàn)塌孔問題，將導(dǎo)致大量鉆孔失效，造成瓦斯抽采盲區(qū)，嚴(yán)重影響定向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的高效性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。

1負(fù)角度定向長鉆孔篩管護(hù)孔工藝技術(shù)

1.1失穩(wěn)分析

定向長鉆孔抽采瓦斯工藝作為防治煤與瓦斯突出災(zāi)害事故的重要措施，已被廣泛應(yīng)用，與普通鉆孔相比，定向鉆孔具有鉆孔軌跡精確可控、成孔性較好、鉆孔深度大、覆蓋范圍廣、瓦斯抽采效率高等優(yōu)點(diǎn)。負(fù)角度定向長鉆孔成孔后造成孔內(nèi)失穩(wěn)具有以下特征：

①在突出煤層中，煤層破碎、強(qiáng)度低、黏聚力小、吸附能力強(qiáng)、易膨脹，為塑性圍巖，不利于鉆孔孔壁的穩(wěn)定，極易造成鉆孔失穩(wěn)、坍塌。

②積水對(duì)煤層可以產(chǎn)生軟化、泥化作用，導(dǎo)致鉆孔發(fā)生體積膨脹、崩解等明顯變化;在負(fù)角度定向長鉆孔中，鉆孔孔壁周圍的煤體吸附大量的水分，會(huì)發(fā)生近似整體向內(nèi)平移的失穩(wěn)塌孔現(xiàn)象。

③長鉆孔失穩(wěn)塌孔，煤體自身因素起著決定性的作用，但是外部因素的作用也很重要，在煤礦開采過程中，煤巷掘進(jìn)、臨近層開采、爆破等都會(huì)造成鉆孔失穩(wěn)變形;此外，附近鉆孔施工也是造成其變形的原因，而且，由于煤層具有流變及蠕變特性，時(shí)間因素也是考慮鉆孔失穩(wěn)變形的重要因素之一。

1.2篩管護(hù)孔工藝

如何解決已形成鉆孔坍塌失效成為亟待解決問題。篩管護(hù)孔工藝既解決了鉆孔縮徑、坍塌失效的問題，又不影響瓦斯抽采，有效保證了鉆孔抽采瓦斯的可靠性和有效性。在順層或穿層短距離鉆孔中，常規(guī)下護(hù)孔篩管技術(shù)需借助人工助推方式下入護(hù)孔篩管，但人工助推能力有限，無法實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離或全孔下篩管。隨著技術(shù)的不斷革新與進(jìn)步，隨鉆下護(hù)孔篩管技術(shù)日趨成熟，使用可開閉式鉆頭利用機(jī)械助推方式配合大通孔螺旋鉆桿實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離下入護(hù)孔篩管，其工藝流程為：首先利用定向回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝施工定向長鉆孔，待達(dá)到設(shè)計(jì)孔深之后，提鉆終孔。從鉆桿中心利用機(jī)械方式下入護(hù)孔篩管，下至設(shè)計(jì)孔深后，退出孔內(nèi)鉆具，護(hù)孔篩管留在孔內(nèi)作為鉆孔內(nèi)瓦斯抽采通道。

1.3不同完孔工藝效果分析

在已成形負(fù)角度定向鉆孔中，由于打鉆積水和地層水的存在，鉆孔內(nèi)存在積水，且對(duì)于長距離、大垂深鉆孔而言，孔內(nèi)積水不能被負(fù)壓抽采和涌出瓦斯有效攜帶，致使其在鉆孔中始終聚積。鉆孔揭露的煤體長期浸泡在水中，煤體的含水飽和度增高，煤體顆粒之間充滿水，導(dǎo)致表面張力消失，剪切強(qiáng)度減小，煤體強(qiáng)度變低，造成鉆孔力學(xué)失穩(wěn)，表現(xiàn)為縮徑、掉渣、掉塊甚至坍塌。對(duì)于中硬煤層而言，含水鉆孔的孔壁煤體力學(xué)失穩(wěn)不一定會(huì)造成坍塌堵塞。因此，初步分析認(rèn)為，中硬煤層負(fù)角度定向長鉆孔積水導(dǎo)致的負(fù)壓損失、孔壁變形、渣塊沉積等使得鉆孔有效抽采面積減少，這是造成未護(hù)孔條件下瓦斯長期抽采效果差的主要原因。

2不同完孔工藝定向長鉆孔設(shè)計(jì)與施工

2.1未護(hù)孔工藝

開孔點(diǎn)位于回風(fēng)斜井9號(hào)煤層揭煤鉆場，向1903運(yùn)輸巷道掘進(jìn)區(qū)域?qū)嵤┴?fù)角度定向長鉆孔，最外側(cè)鉆孔終孔點(diǎn)位于巷道輪廓線外15m，共設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑96mm，設(shè)計(jì)鉆孔沿煤層鉆進(jìn)深度不小于200m，實(shí)鉆軌跡如圖1所示。采用ZDY4000LD定向鉆機(jī)施工完成7個(gè)9號(hào)煤定向鉆孔施工，鉆孔平面間距6m、平均傾角–8°，累計(jì)進(jìn)尺2799m，見煤段總長2467m，最大主孔孔深330m，孔口至孔底落差平均為40m。

2.2護(hù)孔工藝

在軌道1號(hào)聯(lián)里程30m處，分別在左右兩幫布置鉆場，向1903工作面回風(fēng)巷道掘進(jìn)區(qū)域?qū)嵤┴?fù)角度定向長鉆孔，最外側(cè)鉆孔終孔點(diǎn)位于巷道輪廓線外15m，共設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔，鉆孔孔徑96mm。采用ZDY4000LD定向鉆機(jī)施工完成7個(gè)9號(hào)煤定向鉆孔，鉆孔間距6m、平均傾角–8°，孔口至孔底落差平均為40.3m，累計(jì)進(jìn)尺2886m，見煤段總長2440m，最大主孔孔深363m。為了對(duì)比考察，采用鉆孔下篩管工藝進(jìn)行護(hù)孔，選用的可開閉式鉆頭配合大通孔螺旋鉆桿下篩管工藝，最大下深可達(dá)360m，實(shí)鉆平面軌跡如圖1所示。

結(jié)語

負(fù)角度定向鉆孔長期抽采過程中，鉆孔積水引起的負(fù)壓損失、孔壁變形、渣塊沉積等導(dǎo)致的鉆孔有效抽采面積減少是造成采取護(hù)孔工藝鉆孔抽采效果優(yōu)于未采取鉆孔的主要原因。下入護(hù)孔篩管后，篩管的支撐作用緩解和防止孔壁的進(jìn)一步變形，維持鉆孔抽采有效截面積，從而保障了負(fù)角度定向鉆孔長期高效抽采。

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