定向多分支長鉆孔治理瓦斯技術體系研究及應用

劉 東，辛新平，馬 耕

(1.河南能源化工集團研究總院有限公司，河南 鄭州 450046; 2.永城煤電控股集團有限公司，河南 永城 470031;3.貴州豫能投資有限公司，貴州 貴陽 550000)

隨著煤炭開采深度的不斷增加，煤層瓦斯含量越來越高，而煤層透氣性越來越差，礦井瓦斯治理難度越來越大[1-2]。采用常規的巖石抽采巷穿層鉆孔區域瓦斯治理技術[3-7]存在巷道和鉆孔工程量大、抽采周期長、成本高等方面的問題，造成瓦斯抽采效率低，“抽、掘、采”比例失衡，雖然國內研究人員開展了一系列研究工作以提升鉆孔抽采能力[8-13]，但仍未能從根本上解決工程量大和周期長的難題，因此，急需探尋一種高效、低成本的區域瓦斯治理模式。在國內井下定向鉆進技術發展及應用的基礎上[14-22]，筆者所在團隊研究了定向多分支長鉆孔治理瓦斯技術體系，其融合了定向長鉆孔施工保障技術，提出了包括定向長鉆孔“兩堵一注”定點定長帶壓封孔測瓦斯壓力技術和深孔定點密閉取樣技術的定向長鉆孔區域瓦斯抽采評價技術，優化了定向長鉆孔強化抽采增產技術。該技術體系的提出為礦井瓦斯安全高效、低成本治理提供了理論支撐，可為礦井安全生產和提質增效提供保障。

1 定向多分支長鉆孔治理瓦斯技術體系

1.1 定向鉆進保障技術原理

定向鉆進技術主要依托包括主機、泵站、操作臺、防爆計算機、定向鉆進機具(螺桿馬達)、隨鉆測量裝置、定向鉆機配套鉆桿和鉆頭的千米定向鉆機進行定向長鉆孔鉆進，近年來，隨著技術和裝備的不斷發展，定向鉆進施工日趨成熟和普遍使用，井下鉆孔最長可達3 353 m[23]。螺桿馬達是實現定向鉆進的基礎，通過高壓水動力作用下的螺桿馬達轉子的轉動，帶動彎接頭尾部鉆頭的回轉而破煤巖鉆進，由于彎接頭的作用，鉆孔的軌跡將不再是傳統鉆機所形成的近直線軌跡，而成為一條固定曲率半徑的空間曲線，通過調整螺桿馬達工具面方向角實現不同方向的鉆進作業。隨鉆測量裝置主要用于定向鉆孔施工過程中的隨鉆監測，可隨鉆測量鉆孔傾角、方位、工具面等主要參數，便于隨時了解鉆孔施工情況，并及時調整工具面方向和工藝參數，使鉆孔按照設計的軌跡延伸。

1.2 定向長鉆孔區域瓦斯抽采評價技術

1.2.1 定向長鉆孔封孔測壓技術

包括長鉆孔測壓技術和深孔定點密閉取樣技術的長鉆孔評價技術是定向多分支長鉆孔治理瓦斯技術體系的技術難點和核心問題。穿層長鉆孔“兩堵一注”定點定長帶壓封孔技術如圖1所示。

圖1 長鉆孔注漿封孔示意圖

封孔管采用直徑50 mm的金屬管(每一段長度2～3 m)，封孔管連接處為密封結構，其外部固定連接導氣測壓管，內部有硬質塑料管做成的篩管，篩管頂部設計為錐形以便于送入孔底；封孔管兩端固定有膨脹膠囊，里段的膨脹膠囊位于塑料管以外，通過注水管注入液體使膠囊膨脹，實現兩端封堵；封孔管配置有注漿管和返漿管，兩端囊袋封堵后，通過注漿管進行封孔，封孔長度一般不小于50 m，封孔段靜壓力一般不低于2 MPa。采用主動測壓法進行煤層瓦斯壓力測定，補償氣體選用N2。

1.2.2 深孔定點密閉取樣技術

深孔定點密閉取樣裝置主要由取心鉆頭、薄壁鉆頭(取心)、取心外筒、取心中筒、取心內筒、球閥開關、截斷銷、截斷閥、止回閥等結構件組成，如圖2所示。

1—止回閥；2—截斷閥；3—取心外筒；4—取心鉆頭；5—薄壁鉆頭；

取心外筒前端與取心鉆頭連接，末端通過止回閥與鉆桿連接，并通過固定螺母與取心內筒連為一體。取心中筒前端開圓弧齒槽，后端開橢圓槽，橢圓槽寬度允許固定螺母穿過、長度為一個球閥關閉行程，并留設6個截斷銷槽，通過截斷銷與取心內筒底座保持位置相對固定；取心中筒前端固定球閥開關，后端固定有截斷閥，截斷閥外徑、厚度與取心中筒一致，中間開帶螺紋的過水孔，通過增減螺母調節過水斷面，截斷閥在高壓水流作用下產生推力，剪斷截斷銷，進而帶動球閥齒輪旋轉，實現球閥閉合密封；取心中筒與外筒的間隙作為過水通道，過水量能夠滿足冷卻鉆頭、排渣需要。取心內筒主要由內筒、底座、上密封、球閥等組成，其主要作用是收集煤心，取心內筒底座安裝有解吸氣嘴，煤樣無需裝罐即可與解吸儀直接相連完成井下解吸，前端球閥通過高強度尼龍墊擠壓密封，可在1.5 MPa壓力下持續密封24 h。一般情況下，將球閥閉合密封壓力調為6 MPa，即供水壓力增加至6 MPa時剪斷截斷銷進行密封。

1.3 定向長鉆孔強化抽采增產技術

1.3.1 氣驅增產技術

通過向鉆孔中注入氣體，煤層注氣端壓力上升，氣體向附近鉆孔流動，將游離CH4帶出，從而打破CH4吸附平衡狀態，促使CH4持續解吸；同時，煤層注氣后，氣體壓力對煤層裂隙起到一定的膨脹支撐作用，緩解抽采時的收縮過程、維持滲流通道、增加煤層透氣性。注入氣體對CH4的“攜載”“驅替”作用占主導地位，而氣體之間的“競爭吸附”起次要作用。

一般情況下，注氣氣體可選擇空氣、N2和CO2，但煤層對CO2的吸附性較強，注入后可能導致煤層具有更大的突出危險性，而且煤層可能存在自燃傾向性，所以選擇N2作為常規驅替氣體，注氣壓力根據實際煤層瓦斯壓力情況調整，一般在0.5 MPa左右。

1.3.2 定向多分支長鉆孔壓裂封孔技術

定向鉆孔一般采用前進式施工，即當主孔鉆進至設計分支位置時先開分支鉆孔，待分支鉆孔完成后退鉆至主孔繼續施工。若多分支鉆孔全部設計在煤層中，則考慮在孔口進行封孔、使用大排量壓裂泵進行鉆孔全段壓裂的增透方式；若鉆孔主孔在巖層中，則對設計壓裂的分支鉆孔進行局部封孔，封孔段為開分支位置以里10 m至煤巖層交界面，封孔段長度不小于50 m，具體封孔方法可參照上述的測壓封孔方式，將封孔管延伸至孔口，并能實現壓裂后封孔管在封孔位置的斷接，以便后續施工；壓裂壓力及排水量根據作業范圍及煤巖層特性參數計算確定。

2 定向多分支長鉆孔工程應用及效果分析

2.1 試驗區地質條件

試驗地點在永夏礦區陳四樓煤礦2803工作面，該工作面地質構造總體為一個寬緩的單斜構造，工作面里部發育一向斜構造，地層傾角1°～22°，平均傾角7°；運輸巷和回風巷掘進方向煤層傾角1°～16°，平均傾角5°，整體坡度較緩；二2煤層賦存穩定、結構簡單，煤層厚度最大為3.7 m，最小為1.1 m，平均2.55 m。工作面煤層頂底板一般由堅固性系數為 3～5的層狀細砂巖、泥巖組成；直接頂為泥巖，厚度0.43～9.58 m，平均厚度3.84 m；直接底為泥巖，厚度1.58～6.79 m，平均厚度4.67 m。根據區域瓦斯地質特征及附近地質鉆孔中抽檢瓦斯含量資料，預計2803工作面整體上原始瓦斯含量在2.5～5.8 m3/t內，存在局部瓦斯賦存異常區域。

2.2 鉆孔施工及區域瓦斯預測情況

在底板巷中的定向鉆場施工鉆孔，定向鉆場距離煤層10 m左右，本輪施工定向鉆孔3個，鉆孔布置于預掘煤巷兩幫外30 m和巷道中線處，鉆孔開孔高度1.5 m，主孔在距離煤層5～7 m的底板巖層中，每隔40 m開分支進入煤層，合計長度5 833 m，其中巖孔長度3 854 m，煤孔長度1 979 m。1#鉆孔開分支12個，鉆孔最大鉆進長度621 m，鉆孔合計長度 2 212 m；2#鉆孔共有 11個分支鉆孔，鉆孔最大鉆進長度591 m，鉆孔合計長度1 719 m；3#鉆孔共有11個分支鉆孔，鉆孔最大鉆進長度632 m，鉆孔合計長度 1 902 m。定向多分支鉆孔設計與實鉆圖如圖3所示，圖3中紅色曲線為設計鉆孔軌跡，藍色曲線為實際鉆孔軌跡，圓圈為各分支的見煤位置，黑色虛線為預計煤層頂底板，黑色實線為實際煤層頂底板，鉆孔實際走向與設計走向基本一致，但分支孔實際位置與設計有一定的差異，這主要是受到底板巖性、煤層走向變化、構造發育情況的影響，鉆孔實探煤層整體走向與預測結果一致，局部區域存在較小的起伏形態，實際煤層傾角比預測結果小。

(a)平面圖

(b)1#鉆孔剖面

(c)2#鉆孔剖面

(d)3#鉆孔剖面

為了摸清試驗區域瓦斯賦存情況，在施工定向鉆孔時采用深孔定點密閉取樣裝置在每個分支孔取樣，測試煤層原始瓦斯含量，為保證取樣裝置的密封性，將取樣裝置退至孔口后進行密封性測試。取樣點間距30～50 m，共計取得33份煤樣，取樣量在 100～600 g內，最大深度632 m。測試結果如圖4 所示。

圖4 深孔密閉取樣預測煤層瓦斯含量

從圖4中可以看出，煤層瓦斯含量在1.87～4.76 m3/t內，大部分測點的瓦斯含量在4 m3/t以下，有3個測點瓦斯含量在 4～5 m3/t內，均低于《防治煤與瓦斯突出細則》規定瓦斯含量臨界值 8 m3/t 及河南省規定瓦斯含量臨界值6 m3/t，因此該區域不需要采取強化抽采增產技術措施。瓦斯含量 4 m3/t 以上的測點集中在第4、第5分支孔位置，表明鉆場前方300 m附近區域的煤層瓦斯含量較高。另一方面，打鉆及取樣過程中，孔內瓦斯涌出量很少，孔內1 m處瓦斯濃度(CH4體積分數，下同)一般接近0，在鉆進至瓦斯含量較大區域時也不超過2%，可認為煤層瓦斯含量確實不高。

2.3 瓦斯抽采及效檢結果分析

鉆孔封孔連抽后抽采管內瓦斯濃度接近0，只有極少量瓦斯從孔內抽出，分析認為存在該情況的原因有3種：一是煤層原始瓦斯含量并不高，實測在1.87～4.76 m3/t內，可解吸瓦斯量少，打鉆過程中孔內瓦斯涌出情況亦可以佐證這一點；二是鉆孔施工工期較長，施工過程中可解吸的瓦斯已經逐漸散逸，連抽后的可抽瓦斯有限；三是定向鉆孔采用的是以高壓水為動力的鉆進工藝，導致鉆孔附近煤層被水浸潤而形成水鎖效應，使煤層殘存瓦斯難以從孔隙運移至裂隙中。

抽采結束后，對煤巷條帶區域進行效果檢驗，施工定向多分支長鉆孔作為效檢鉆孔，效檢鉆孔主孔布置在底板巖層中，每隔40 m開分支進入煤層，共計有11個分支鉆孔。采用深孔定點密閉取樣裝置在分支孔內取樣，測得煤層殘存瓦斯含量在1.93～3.06 m3/t內，如圖5所示。對比發現，煤層瓦斯含量整體有所降低，而殘存瓦斯含量最大區域與原始瓦斯含量位置一致。

2.4 定向多分支長鉆孔治理結果驗證

采用瓦斯涌出初速度q和鉆屑量S指標進行區域措施驗證，統計了鉆場前方541.3 m煤巷掘進過程中的區域驗證數據，共計149組，如圖6所示。

圖6 鉆屑量和瓦斯涌出初速度測試結果

由圖6可見，瓦斯涌出初速度在0～2.89 L/min內，有136組結果為0，有13組瓦斯涌出初速度q值在0.18～2.89 L/min內，均未達到或超過臨界值，瓦斯涌出初速度較大的區域位于距鉆場220～251 m內；鉆屑量S值在3.2～4.2 kg/m內，平均3.5 kg/m，不小于4.0 kg/m的取樣點共有8組，位于距鉆場232～250 m的區域內。2種指標出現較大值的位置與瓦斯含量較大值的位置一致，證明了采用深孔定點密閉取樣裝置進行煤層瓦斯含量測試的可靠性。

煤巷掘進期間的回風流瓦斯濃度數據如圖7 所示。

圖7 煤巷掘進過程中回風流瓦斯濃度情況

由圖7分析發現，煤巷掘進期間回風流瓦斯濃度整體較低，大部分區段煤巷掘進過程中回風流瓦斯濃度為0，最高瓦斯濃度為0.06%，處于距鉆場221.4～259.7、327.9～365.4 m的區域，最大瓦斯涌出量為0.26 m3/min，與前述的瓦斯含量測試結果及區域驗證結果較為一致。另一方面，在有明顯瓦斯涌出的掘進區段，巷道瓦斯涌出量與掘進速度呈明顯的正相關關系，即巷道瓦斯涌出量隨每日掘進進度的增加而變大，停掘期間巷道瓦斯涌出量明顯回落。

3 結語

1)優化了“兩堵一注”定點定長帶壓封孔測瓦斯壓力技術，研制了深孔定點密閉取樣裝置，為定向多分支長鉆孔抽采評價提供了技術和裝備支撐；提出了包括定向長鉆孔施工保障技術、區域瓦斯抽采評價技術和強化抽采增產技術的定向多分支長鉆孔治理瓦斯技術體系。

2)開展了定向多分支長鉆孔區域瓦斯治理技術現場試驗，實現了632 m長鉆孔的密閉取樣，分析了煤層瓦斯含量測試結果、區域驗證數據、掘進過程中瓦斯涌出量等變化規律，驗證了各項結果的一致性，證明了該項技術的可靠性。