復雜頂板高位定向長鉆孔全程下篩管技術實踐

童 碧

（淮南礦業集團有限公司 顧橋煤礦，安徽 淮南 232000）

瓦斯治理是煤礦安全生產的重中之重，其中瓦斯治理的模式因地制宜、多種多樣，針對上隅角瓦斯治理，淮南礦區自20世紀90年代開始主要采用高位抽采巷道或高位常規鉆孔等模式進行抽采[1]，取得良好的治理效果，有效保證了煤礦企業的安全生產。近年來隨著煤礦井下大功率定向鉆機等設備及高精度定向鉆進技術的研發成功，以頂板高位定向鉆孔組代替高位抽采巷道的瓦斯治理模式，以其相對低成本和高效率的優勢受到青睞，2016年復雜頂板“以孔代巷”技術在淮南礦業集團顧橋煤礦取得突破，并迅速推廣到淮南礦區各煤礦，取得良好的應用效果[2-4]。

淮南礦區煤層頂板普遍呈現煤線發育、多破碎帶、軟硬交互、多斷層的特點[5]，頂板高位定向鉆孔施工及抽采期間易出現垮塌，堵塞瓦斯抽采通道，降低瓦斯抽采效果，乃至鉆孔報廢。實踐證明，向已完成的鉆孔內下篩管護孔，是提高瓦斯抽采效果的有效技術路徑[6-7]，且瓦斯抽采效率隨篩管下放的深度增加而增加，隨篩管護孔的直徑增大而增加。目前本煤層及穿層孔鉆桿內下篩管技術已經相對成熟[8-9]，但頂板高位定向鉆孔需要形成直徑較大的瓦斯抽采通道，客觀上要求所需護孔篩管具有較高的強度和較大的直徑，從鉆桿內下放至孔底需要多次擴孔和準備多套鉆具[10]；為此，從復雜頂板高位定向鉆孔裸眼下大直徑篩管角度入手，研究頂板高位定向長鉆孔全程下篩管技術，提升頂板高位孔護孔長度和護孔直徑，從而提高瓦斯抽采效率，為“以孔代巷”技術的全面推廣奠定基礎。

1 試驗基本概況

試驗點位于張集煤礦東一11-2（3）采區1133（1）工作面回風巷。工作面走向長1 219 m，傾向長210 m。工作面內11-2煤均厚3.6 m，煤層頂板（鉆孔施工層位）以泥巖、砂質泥巖為主。煤層瓦斯壓力0.4 MPa，瓦斯含量0.4 m3/t。煤層發育較穩定，無較大構造影響，煤層平均傾角3°。

鉆場內設計鉆孔8個，孔深均超過600 m，鉆孔分上下2層，上分層鉆孔距11-2煤層頂板約24 m，下分層鉆孔距11-2煤層頂板約18 m，鉆孔平面布局0～32 m，平均間隔8 m。

為保證鉆孔順利實施，制定了頂板高位定向鉆孔施工的工藝流程，頂板高位定向鉆孔施工流程如圖1。

本次試驗全程采用準120 mm鉆頭定向鉆進，不擴孔，孔口12 m采用準200 mm鋼套管封孔，鉆孔施工結束后全程下篩管護孔。

2 全程下篩管存在的問題

淮南礦區復雜頂板高位定向鉆孔在前期下篩管過程中主要存在以下幾個方面的問題：

1）破碎地層易塌孔。頂板高位定向鉆孔爬升段要以大傾角穿越多種地層后進入目標層，淮南礦區煤層頂板普遍較為復雜，煤線及破碎地層易塌孔，篩管下入困難。

2）PVC篩管強度低。在已經形成成熟工藝的順煤層鉆孔，及穿層鉆孔全程下篩管中一般從鉆孔內通孔下入不超過準32 mm的PVC篩管，無法滿足頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采需要，采用大直徑PVC篩管直接從鉆孔下入則由于PVC篩管強度較低，遇阻容易頂斷，無法實現全程護孔。

3）鋼制篩管對鉆孔測量的影響尚待檢驗。頂板高位定向鉆孔一般在距離工作面一定范圍內開辟鉆場，在鉆場內相近位置鉆進1組鉆孔，相鄰鉆孔內下入的鋼制篩管會對測量信號有一定的影響，一般在鉆孔組全部完成后集中下篩管，前期形成的鉆孔受相鄰鉆孔施工的影響，及破碎地層隨時間推移自然塌孔等，造成鉆孔通道堵塞篩管無法下入。

4）下篩管工藝流程繁瑣。頂板高位定向鉆孔一般采用準89 mm鉆桿，鋼制篩管直徑為準73 mm，在定向鉆進、通孔與下篩管工序轉換需要頻繁切換鉆機卡瓦，工藝流程繁瑣。

5）下篩管遇阻后難處理。頂板高位定向鉆孔下篩管過程中，前端導向頭一般為尖錐形狀，遇阻后會出現越頂越實的現象，無法處理只能重新帶鉆頭下鉆掃孔或終止下篩管。

3 形成的技術措施

針對淮南礦區復雜頂板高位定向鉆孔前期下篩管試驗中存在的問題，研究從工藝及裝備上進行改進，主要形成以下技術措施。

1）確保鉆孔軌跡平滑。頂板高位定向鉆孔的爬升段為定向鉆進施工，鉆孔的彎曲強度較大，同時孔壁往往存在小臺階，篩管容易卡在孔壁臺階處導致下管失敗。因此，爬升段采取“定向鉆進造斜，復合回轉劃眼”的施工方式，消除小臺階，確保鉆孔軌跡平滑，孔內暢通。另外鉆孔穿過煤線及破碎地層時鉆孔上部容易垮塌造成局部孔徑擴大，不利于篩管下放，應盡量選擇較大角度迅速通過煤線及破碎地層，降低塌孔風險。

2）套管改進。選用鋼制篩管作為護孔管，具有以下優點：①準73 mm鋼篩管可以借助鉆機下管，遇到孔內阻力可以通過旋轉、推進突破垮孔段，有效保證了下管深度；②強度高，能夠抵抗一定的地壓，起到護孔作用，保證后期抽采效果。

3）導向頭改進。尖錐改進為環形鉆頭，利用尖錐作為套管端頭導向，由于尖錐不具備切割功能，也不具備排渣功能，因此遇到局部垮孔帶，在強行推進時尖錐會頂入孔壁，最終導致下管中斷；而選用環形鉆頭作為導向，當遇到局部垮孔帶時，通過旋轉套管，鉆頭切割、松動垮落帶，使得套管能夠順利通過局部垮孔帶，有效保證了下管深度。環形鉆頭如圖2。

圖2 環形鉆頭Fig.2 Annular bit

4）下管輔助工具的改進。頂板高位定向鉆孔施工時，鉆桿直徑為準89 mm，而篩管直徑為準73 mm，利用鉆機下篩管時，需要頻繁更換鉆機回轉器卡瓦，輔助工序轉換頻繁，且安全風險大。采用在鉆桿上安裝變頭的方式方便快捷，安全更有保障。利用變頭輔助下管操作步驟：①不更換回轉器卡瓦，只更換鉆機前夾持器準89 mm卡瓦為準73 mm（該操作簡單）；②在鉆機上留1根鉆桿作為“主動鉆桿”，在鉆桿上加變頭，公扣可以和準73 mm鋼篩管母扣連接，母扣可以和準89 mm鉆桿的公扣連接；③利用主動鉆桿將巖心管送至孔內，前夾持器夾住鋼篩管，主動鉆桿與鋼篩管絲扣卸開，主動鉆桿退后，在前夾持器與回轉器直接加鋼篩管，加完之后再次送入孔內，依次重復。

4 鋼篩管對測量系統的影響分析及應用

鋼篩管對測量系統的影響范圍是本次研究的重點。理論上，鋼篩管對測量系統在一定距離范圍內會產生干擾，導致測量的鉆孔方位數據失真，進而導致鉆進時無法準確的控制鉆孔軌跡。因此，施工中多采用間隔下管或集中下管方式。即鉆孔施工結束暫不下管，以保證鋼篩管與目標鉆孔保持一定的距離，從而減小對測量系統的影響。而延遲下管存在明顯弊端：鉆孔長時間停放導致垮孔，嚴重影響下管深度，再次掃孔則影響施工效率。

1）第1次驗證。在7#孔（方位297°，傾角18°）、1#孔（方位297°，傾角15°，位于7#孔正下方0.8 m）施工結束后，直接開8#孔（方位301°傾角18°，位于7#孔正右方0.5 m）鉆進30 m。待1#孔下篩管結束后，繼續施工8#孔，并對30 m范圍鉆孔參數重新測量，對比8#孔受到剛篩管影響前后的鉆孔參數，第1次試驗驗證數據見表1。從表1可知，8#孔在無鋼篩管影響時，9 m以內方位數據失真，且隨著孔深增加，其誤差越小，9 m時回歸真實值；而在受到鋼篩管影響后所測的數據與無巖心管影響時基本相同。因此得出初步結論：9 m之內，測量系統受到巷道頂、幫錨索影響導致數據失真，而鋼篩管并沒有增加對測量系統的影響，說明鋼篩管對測量系統有影響范圍應小于1.7 m（孔深9 m時篩管與測點的最小距離）。

表1 第1次試驗驗證數據Table 1 First test verification

2）第2次驗證。在1#孔已下鋼篩管的情況下，以300°方位開2#孔，用回轉鉆進方式（不帶螺桿馬達）鉆進21 m。對21 m范圍內鉆孔參數進行測量，第2次試驗驗證數據見表2。其中根據以往經驗，回轉鉆進時，鉆孔方位平均變化幅度1°/21 m，因此21 m范圍內選取300°為真實值。從表2數據可以看出，鋼篩管以及巷道內錨索對測量系統的影響仍然限制在孔深12 m內，12 m時數據恢復真實值。再次得出結論：剛篩管如果對測量系統有影響，那么其最大影響范圍不會超過1.32 m（12 m時巖心管與測量系統的最小距離）。

表2 第2次試驗驗證數據Table 2 The second test verification

從上述2次試驗驗證數據可以得出，鋼制曬管影響范圍在1.7 m以內，因此以同一鉆場內布置的上下2排鉆孔組為例，上下相鄰鉆孔之間傾角相差3°，左右相鄰鉆孔方位相差3°，則各鉆孔間間距控制在0.8 m以上，可以保證鉆孔方位在孔深12 m以后無干擾，而鉆孔孔深在12 m以內多采用回轉鉆進，受到磁場影響可以忽略。因此在施工過程中，不必考慮為了排除磁干擾而延遲下管。利用這一結論，摒棄了以往集中下管、延遲下管的施工模式，保證了下管的及時性，有效避免了破碎地層塌孔造成的下篩管困難，進而保證了下管率。

5 現場施工情況

在張集礦1133（1）工作面回風巷進行了探索性試驗，下篩管施工情況見表3。

表3 下篩管施工情況Table 3 Lower screen construction

自2020年4月15日開孔，截止7月16日，施工全部8個頂板高位定向鉆孔，6個孔已順利下管（7＃孔未下管，4＃為試驗孔），平均月臺效為1 240 m/（月·臺）。其中7－1＃孔最大孔深732 m，最大下管深度728.5 m，，平均下管率達97.8%，基本實現了復雜地層頂板高位定向長鉆孔全程下篩管。

利用上述技術措施，在顧橋礦南區1212（1）工作面軌道巷1#鉆場施工頂板高位鉆孔深度746.6m，并順利下套管744.6 m，創造煤礦井下準73 mm鋼篩管下管深度記錄。

6 結語

1）復雜頂板高位定向長鉆孔采用鋼篩管相比于PVC篩管具有更高的強度，有利于全程下篩管的實現及保證后期瓦斯抽采通道。

2）鋼制篩管在孔口段對隨鉆測量系統的磁干擾有限，不必為考慮排除磁干擾而延遲下管，摒棄以往集中下管、延遲下管的施工模式，保證了下管的及時性，避免破碎地層塌孔造成的下篩管困難，保證鉆孔下管率。

3）具有切割、排渣功能的導向頭是實現復雜頂板高位定向鉆孔全程下篩管技術的關鍵。

4）通過一定的技術措施，頂板高位定向鉆孔最大下篩管深度達744.6 m，平均下管率達97%以上，基本實現了復雜地層頂板高位定向鉆孔全程下篩管，保證了瓦斯抽采通道的暢通，促進“以孔代巷”技術的推廣應用。