祁東煤礦近距離煤層群瓦斯治理頂板攔截定向鉆孔試驗

張朝舉， 方俊， 楊亞黎， 王鮮， 楊小繼

(1.恒源煤電集團有限公司祁東煤礦，安徽 宿州 234000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

近距離煤層群廣泛分布于我國兩淮、貴州六盤水、山西大同、河南平頂山等礦區，其賦存地層條件復雜、瓦斯來源多、范圍廣，瓦斯抽采治理和煤層開采難度大[1]。

針對近距離煤層群瓦斯治理問題，許多學者開展了大量研究。李家卓等[2]研究了近距離煤層氣開采時上賦巖層破壞及裂隙發育變化規律。程志恒等[3]提出地面井與井下鉆孔相結合的井上下聯合防突技術體系。丁勇等[4]分析了二次卸壓瓦斯運移與富集區分布規律。薛彥平[5]提出了順層預抽+高抽巷+采空區埋管的治理方法。鄧成均[6]提出了穿層鉆孔+順層鉆孔+高抽巷+反井鉆孔的立體抽采方法。劉雪莉等[7]提出了弱突出煤層保護層開采與鉆孔立體抽采上下遞進保護的治理方法。以上理論技術在不同礦井取得了良好應用效果，但均需要聯合使用地面井、井下巖石巷道、井下常規孔等多種手段，瓦斯治理工程量大、成本高、周期長。

安徽恒源煤電股份有限公司祁東煤礦為皖北煤電集團下屬的煤與瓦斯突出礦井，其94采區近距離煤層群發育，采區內煤層數量多、賦存不穩定、間距小、煤體結構松軟易碎、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、斷層等地質構造發育，采用底抽巷+穿層鉆孔+順層鉆孔的方式進行瓦斯治理，未取得理想效果[8]。針對祁東煤礦94采區近距離煤層群瓦斯治理需要，提出采用頂板攔截定向鉆孔進行瓦斯治理的方法。首先在開采煤層頂板施工帶有多個上向分支孔的頂板攔截定向鉆孔，然后利用上向分支孔提前對上鄰近煤層瓦斯進行預抽，最后利用主孔在煤層回采過程中對上鄰近煤層卸壓瓦斯和開采煤層回采工作面及采空區瓦斯進行抽采, 解決了瓦斯賦存參數測量、復雜破碎地層定向成孔與護孔等難題。

1 頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯方法

1.1 方法原理

近距離煤層群開采過程中，鄰近層卸壓瓦斯易沿穿層裂隙涌入回采工作面或采空區，可能導致回采工作面或采空區瓦斯超限、管理困難，存在重大安全隱患。

頂板攔截定向鉆孔是在開采煤層頂板施工定向鉆孔，既可利用上向分支孔提前對上部煤層瓦斯進行預抽，又可利用主孔在煤層回采過程中攔截抽采上鄰近煤層卸壓瓦斯，還可作為開采層的頂板高位鉆孔抽采回采工作面和采空區瓦斯[9-10]，提高近距離煤層群瓦斯治理效果。

頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯原理如圖1所示，在待采煤層上部頂板巖層中施工定向鉆孔，并盡可能將鉆孔高度布置于待采煤層頂板裂隙帶內，鉆孔走向沿待采煤層工作面延伸，并間隔一定距離施工分支鉆孔進入上鄰近煤層中，鉆孔成孔后在孔內下入篩管護孔并在孔口連接瓦斯抽采管路。煤層回采前，利用進入煤層的分支鉆孔進行瓦斯預抽，提前降低臨近煤層瓦斯含量，減少后期采動卸壓瓦斯涌出量；待采煤層開始回采后，頂板巖層破壞形成穿層裂隙，同時上鄰近煤層卸壓后透氣性增加、瓦斯快速解吸釋放，此時利用頂板攔截定向鉆孔既可攔截抽采上鄰近煤層卸壓瓦斯，防止其通過穿層裂隙涌入回采工作面或采空區，又可抽采回采工作面和采空區內瓦斯，從而解決近距離煤層群卸壓瓦斯抽采問題。

圖1 頂板攔截定向鉆孔抽采瓦斯技術原理

1.2 工藝流程

頂板攔截定向鉆孔施工時，先采用回轉鉆進施工孔口套管段，目的是固定孔口管以封固孔口不穩定地層、提供瓦斯抽采管路連接接口。套管孔段長度一般為9～12 m，施工時先鉆進小直徑先導孔，再采用回轉擴孔鉆進擴大孔徑，以滿足孔口管下放要求，注漿固管合格后即可施工定向孔段。定向孔段采用前進式開分支定向鉆進工藝施工，按照設計要求間隔一定距離施工分支孔使其進入上鄰近煤層。首先根據需要進行保壓密閉取芯，測定煤層瓦斯含量；然后退鉆至預留分支點處，側鉆分支回到主孔中繼續沿設計軌跡鉆進，直至達到設計深度；最后退出孔內所有定向鉆具，下入護孔篩管，連接抽采管路進行瓦斯抽采。施工工藝流程如圖2所示。

圖2 頂板攔截定向鉆孔施工工藝流程

1.3 技術難點

頂板攔截定向鉆孔設計與施工是實現近距離煤層群瓦斯抽采治理的基礎與關鍵，其主要技術難點如下：

(1)煤層瓦斯參數和賦存情況是進行定向鉆孔設計的基礎，而近距離煤層群經常出現鄰近煤層厚度薄、煤體碎軟、賦存不穩定等情況，常規的鉆屑取樣、套管取樣、繩索取芯、負壓氣動取樣等方法無法準確測定煤層瓦斯含量，獲取煤層賦存參數，導致定向鉆孔設計缺乏依據，且難以確保沿目標地層延伸。

(2)近距離煤層群受形成過程中遭遇的多期次地質構造作用，煤層之間的地層一般機械強度低、結構劣化，易坍塌破壞，鉆進安全風險大，成孔深度受限。

(3)定向鉆孔瓦斯攔截抽采功能主要通過采前預抽和采動卸壓抽采實現，其在目標地層中的延伸距離長，預抽階段抽采時間長；近距離煤層開采時，受采動影響，地層變形破壞量大，鉆孔孔壁易坍塌堵塞抽采通道，導致定向鉆孔報廢失效。

2 頂板攔截定向鉆孔施工關鍵技術

根據頂板攔截定向鉆孔設計與施工難題，研究采用定向鉆孔煤層探查與保壓密閉取芯技術、復合定向鉆進與復合排渣技術、鋼篩管完孔技術，實現近距離煤層群中頂板攔截定向鉆孔高效成孔和長距離精準瓦斯測定。

2.1 定向鉆孔煤層探查與保壓密閉取芯技術

采用定向鉆孔進行煤層探查與保壓密閉取芯的技術原理：采用前進式開分支技術，通過施工多個上向分支孔獲取煤層的變化情況；在探煤后的上向分支孔內，利用保壓密閉取芯裝置(圖3)進行煤樣采取，減少煤層瓦斯逸出量，保證采樣質量，實現單孔多次定點取樣[11]。

圖3 保壓密閉取芯裝置

定向鉆孔煤層探查工藝流程：鉆孔施工過程中，每隔一定距離(50 m左右)，人為控制鉆孔軌跡，增大鉆孔傾角，使鉆孔向上靠近上鄰近煤層，根據探查到煤層時的鉆孔軌跡坐標，計算出煤層傾角；后退一定距離，從巖層孔段側鉆出分支孔，保持與上鄰近煤層的距離并向前鉆進延伸。

采用定向鉆孔進行保壓密閉取芯的工藝流程：當上向分支孔進入煤層后，將鉆孔沖洗干凈，退出定向鉆具，下入保壓密閉取樣鉆具，下鉆至孔底后開啟泥漿泵，保持排量≤100 L/min，以50～80 r/min、0.2～0.3 m/min的速度回轉鉆進，鉆進1.2～1.5 m后停止，向鉆具內投入特制橡膠球，再開啟泥漿泵，以200 L/min以上排量向鉆具內供水至泥漿泵壓力突然明顯增大，說明密閉取芯裝置已剪斷煤樣并將其密封在取樣內筒中，隨后快速退出取樣鉆具，取出取樣內筒進行氣密性測試，合格后即可按常規流程測試煤層瓦斯含量。

利用定向鉆孔進行煤層探查和瓦斯測試，充分發揮了定向鉆孔軌跡控制精度高、延伸距離長、多分支的技術優勢，可準確獲取區域煤層賦存變化情況，并可有效提高取樣距離、取樣成功率和煤層瓦斯含量測試準確度。

2.2 復合定向鉆進與復合排渣技術

復雜破碎地層鉆進產生的鉆渣數量巨大，現有滑動定向鉆進工藝施工時鉆桿不轉動，且鉆具多為外平結構，僅依靠沖洗液動力進行排渣，其排渣效率低，極易發生沉渣卡鉆事故。同時，頂板攔截定向鉆孔為近水平布置，鉆孔排渣方向與鉆渣重力方向不一致，加大了鉆孔排渣難度。

針對頂板攔截定向鉆孔鉆渣清除難題，采用復合定向鉆進與復合排渣技術提高排渣效率[12-13]。復合定向鉆進技術采用“滑動造斜+復合穩斜”的鉆進模式，當實鉆軌跡與設計軌跡偏離較大時，鉆機不回轉，孔內造斜鉆具滑動定向鉆進進行軌跡糾偏，使其回到可控范圍內；當實鉆軌跡與設計軌跡偏離不大時，利用鉆機低速回轉，使孔內造斜鉆具處于穩斜狀態，保持鉆孔向前穩定施工。

復合排渣技術原理如圖4所示，利用螺旋、三棱、三棱螺旋等異形結構鉆具回轉機械排渣和沖洗液水力循環排渣協同作用，提高排渣效果[9-11]。施工過程中，當采用滑動定向鉆進糾偏時，鉆具不旋轉，此時僅沖孔液正循環進行排渣，回次鉆進結束后，旋轉鉆具進行復合排渣，高效清除孔內沉渣；當采用復合鉆進時，鉆具處于不斷旋轉狀態，鉆進過程中沖洗液循環排渣的同時，鉆具旋轉攪動，實現復合排渣。此外，異形鉆具旋轉過程中可二次破碎大顆粒鉆渣，降低鉆渣顆粒粒徑，且有利于維持不穩定地層段孔壁穩定性，降低泥巖縮徑抱鉆風險。

2.3 鋼篩管完孔技術

采用篩管完孔技術可確保鉆孔作為瓦斯抽采通道長期保持。現有篩管完孔技術主要應用于常規鉆孔，其篩管下入直徑小、距離短，而定向鉆孔深度大、多分支，篩管下入阻力大，且易下入分支孔內。針對定向鉆孔篩管完孔難題，為避免頂板采動卸壓作用切斷篩管，選用鋼篩管(圖5)進行完孔；為提高瓦斯抽采通道面積，鋼篩管直徑設計為73 mm；為避免篩管下入分支孔，開發了專用篩管導向頭，通過前端引導，確保沿主孔下入至孔底；利用鉆機提供下管動力，降低下管勞動強度，實現“鉆到位、管到底”。

(a)鋼篩管

3 現場試驗

3.1 試驗區概況

祁東煤礦94采區位于井田西部，為礦井規劃的下一個采區，其面積約為2.66 km2。采區地層平均傾角約為14°，含煤層9層，其中主要可采煤層有61，71，82，9，部分不可采煤層在采區內賦存不穩定，煤層厚度與間距見表1。經測定61，71，82，9煤層最大瓦斯壓力分別為2.71，2.90，2.82，3.30 MPa，對應最大瓦斯含量分別為12.67，12.21，14.75，11.5 m3/t。

表1 94采區煤層厚度與煤層間距

現場試驗選定在63煤層與71煤層之間施工頂板攔截定向鉆孔。63煤層厚度為0～1.61 m，平均厚度為0.94 m，在采區部分區域內缺失，屬極不穩定煤層；71煤層厚度為0.96～2.32 m，平均厚度為1.90 m，堅固性系數f=0.30～0.52，煤層厚度變化較大，煤層結構復雜；71煤層上距63煤層16.13～28.85 m，平均為19.95 m，71煤層基本頂為淺灰色-灰白色細粒石英砂巖，石英為主，次為長石，斷續波狀層理，分選中等，泥、硅質膠結，中下部楔形層理、斜層理，含菱鐵質結核，底部可見泥質包體。

3.2 鉆孔設計

設計71煤層頂板攔截定向鉆孔1個，鉆孔自63煤層底板開孔后沿63煤層以下2～3 m的底板巖層延伸，設計主孔長度≥600 m，分支孔數≥5個，分支孔進入63煤層后停止鉆進，設計利用分支孔進行2次定點保壓密閉取芯，鉆孔完成后下入φ73 mm鋼篩管完孔。頂板攔截定向鉆孔主要設計參數見表2。

表2 71煤層頂板攔截定向鉆孔主要設計參數

3.3 試驗裝備組成

針對頂板攔截定向鉆孔施工需要，選用ZDY6000LD(B)型煤礦用坑道鉆機進行鉆進，該鉆機具有低轉速、大轉矩、工藝適應性強、工作效率高等優點，適合進行大直徑近水平定向深孔鉆進[14]。選用BLY390/12型全液壓泥漿泵車提供高壓沖洗液，其額定輸出壓力為12 MPa，可實現泵量0～390 L/min無級調節[15]。同時，配套選用了礦用有線隨鉆測量系統、液動螺桿馬達、保壓密閉取芯裝置和護孔鋼篩管等[16]。試驗主要裝備見表3。

表3 試驗主要裝備

3.4 鉆孔施工

71煤層頂板攔截定向鉆孔自開始鉆進至下入護孔篩管后完孔，歷時15 d，完成鉆孔1個，主孔深度為608 m，施工分支孔6個，鉆孔總進尺為948 m，完成定點保壓密閉取芯2次，最大取芯深度為484 m，下入護孔篩管為485 m，鉆孔各項指標均達到設計要求。鉆孔實鉆軌跡如圖6所示。

圖6 71煤層頂板攔截定向鉆孔實鉆軌跡

3.5 試驗效果分析

3.5.1 鉆進效果分析

頂板攔截定向鉆孔施工時，孔口返渣量大，在孔深404 m和588 m處發生2次塌孔卡鉆事故，均采用震擊解卡和高速旋轉復合排渣的方式成功解卡，說明復合定向鉆進與復合排渣技術改善了孔內清潔程度，對于預防和處理孔內事故具有積極作用。鉆孔成孔后，利用篩管完孔鉆具，順利下入篩管485 m，有效保障了鉆孔穩定性和后期瓦斯抽采效果。

3.5.2 煤層探查與瓦斯含量測試效果

試驗區域整體未開發，現場試驗中利用施工的6個分支孔查清了71煤層上鄰近煤層63煤層、62煤層的賦存情況，如圖6所示，為后期鉆孔軌跡設計提供了依據。

經測定瓦斯含量為9.26 m3/t，為瓦斯抽采效果分析評價提供了參考。

3.5.3 瓦斯抽采效果

鉆孔施工完成后，利用71煤層頂板攔截定向鉆孔對鄰近的63煤層、62煤層及煤線的瓦斯進行預抽，抽采時間共207 d，抽采數據如圖7所示，初始瓦斯抽采純量達到0.35 m3/min，抽采30 d后瓦斯抽采純量逐漸下降至0.1 m3/min以下，抽采65 d后雖然局部有波動，但瓦斯抽采純量整體穩定在0.05 m3/min左右。

圖7 71煤層頂板攔截定向鉆孔瓦斯抽采情況

試驗結果表明，頂板攔截定向鉆孔可有效預抽鄰近煤層瓦斯，提前降低煤層瓦斯含量，從源頭上減少后期工作面回采時的采動卸壓瓦斯涌出量，對避免工作面回采時瓦斯超限具有重要作用。

現場試驗充分驗證了頂板攔截定向鉆孔的成孔效果，為近距離煤層群瓦斯抽采治理提供了基礎條件。為進一步提高瓦斯抽采效果，應結合后期煤層回采時采動卸壓瓦斯抽采情況，綜合分析定向鉆孔抽采效果，調整鉆孔布置位置，實現高效攔截抽采；應考慮地層整體含水，優化鉆孔設計，盡量采用上仰結構，避免鉆孔積水導致抽采不暢；縮短分支孔間距，增加鄰近煤層中的延伸長度，提高瓦斯預抽效果。

4 結論

(1)針對近距離煤層群地層條件復雜、瓦斯來源多、范圍廣的問題，提出采用頂板攔截定向鉆孔進行瓦斯抽采治理的方法，利用定向主孔及其分支孔，從采前預抽和采動卸壓抽采2個方面，提高了近距離煤層群瓦斯抽采效果。

(2)試驗形成了適用于頂板攔截定向鉆孔施工的技術裝備，實現了頂板攔截定向鉆孔精準高效成孔、可靠護孔和長距離定點保壓密閉取芯，為近距離煤層群的煤層賦存情況探測、瓦斯參數獲取、瓦斯預抽和采動卸壓攔截抽采提供了方法。

(3)在祁東煤礦94采區近距離煤層群中完成頂板攔截定向鉆孔1個，查明了上鄰近煤層的賦存情況和瓦斯含量，并對上鄰近煤層瓦斯進行了預抽，初始瓦斯抽采純量達到0.35 m3/min，抽采30 d后逐漸下降至0.1 m3/min以下，抽采65 d后穩定在0.05 m3/min左右，有效降低了上鄰近煤層瓦斯含量，為祁東煤礦94采區煤層開采提供了技術保障。

(4)為進一步提高頂板攔截定向鉆孔的瓦斯抽采效果，可縮短分支孔間距，增加分支孔在鄰近煤層中的延伸長度；在鄰近煤層賦存條件穩定的情況下，嘗試分支孔沿煤層進行定向鉆進。