底板梳狀鉆孔在碎軟煤層瓦斯治理中的應(yīng)用

徐書(shū)榮， 劉 飛， 梁道富， 代 茂， 曹建明

(1.貴州黔西能源開(kāi)發(fā)有限公司，貴州 畢節(jié) 551507； 2.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

0 引言

貴州省煤炭資源豐富，屬于我國(guó)重要的煤炭基地，但其煤層賦存條件復(fù)雜，煤體結(jié)構(gòu)破碎，瓦斯壓力大、含量高。長(zhǎng)期以來(lái)，受復(fù)雜地質(zhì)條件、煤層開(kāi)采技術(shù)條件和瓦斯治理措施不到位等影響，導(dǎo)致煤與瓦斯突出災(zāi)害事故頻發(fā)，造成嚴(yán)重的人員與財(cái)產(chǎn)損失。隨著貴州省煤炭開(kāi)采的深入，其開(kāi)采范圍、深度及地質(zhì)復(fù)雜程度的進(jìn)一步加大，煤炭行業(yè)所面臨的安全形勢(shì)也越來(lái)越嚴(yán)峻[1-2]。

目前，貴州省大多數(shù)礦井采用常規(guī)鉆進(jìn)裝備進(jìn)行瓦斯抽采與治理，先后嘗試采用“邊抽邊掘”、“底抽巷+穿層鉆孔+順層鉆孔”等瓦斯治理措施，但底抽巷掘進(jìn)周期長(zhǎng)、成本高；底板穿層鉆孔覆蓋范圍小，主要用于掩護(hù)巷道掘進(jìn)；順層鉆孔需要在工作面圈閉后施工，且易因自然造斜進(jìn)入頂?shù)装?，存在鉆孔深度淺、軌跡不可控制、鉆孔利用率低及單孔瓦斯抽采量小等缺點(diǎn)，難以滿足碎軟煤礦礦井區(qū)域瓦斯抽采需要，嚴(yán)重制約著煤礦的安全高效生產(chǎn)[3]。

碎軟煤層順層鉆孔施工難題長(zhǎng)期以來(lái)未得到有效解決。姚寧平等[4-6]在國(guó)家科技重大專項(xiàng)“井下小曲率梳狀鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)與裝備”的支持下，提出采用梳狀鉆孔的方式在煤層頂?shù)装邈@進(jìn)成孔，然后通過(guò)開(kāi)分支進(jìn)入煤層進(jìn)行遠(yuǎn)距離區(qū)域瓦斯抽采。王飛等[7]介紹了梳狀鉆孔軌跡的設(shè)計(jì)方法，降低梳狀鉆孔施工風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行遠(yuǎn)距離瓦斯預(yù)抽掩護(hù)預(yù)巷道掘進(jìn)。王建強(qiáng)等[8]介紹了底板梳狀鉆孔在趙莊礦的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)鉆孔布置層位和施工工藝優(yōu)化，使得梳狀定向鉆孔深度普遍達(dá)到300 m以上。李泉新等[9]介紹了梳狀鉆孔在九里山煤礦和朱仙莊煤礦的應(yīng)用，均取得了較好的應(yīng)用效果。林伯泉等[10]結(jié)合煤礦地質(zhì)特點(diǎn)，提出了基于千米長(zhǎng)鉆孔技術(shù)的“三位立體”瓦斯綜合治理技術(shù)措施。王沉、朱弘杰等[11-12]均進(jìn)行了瓦斯運(yùn)移規(guī)律的模擬研究。王耀鋒等[13]采用關(guān)鍵層理論薄板理論和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對(duì)煤層頂板裂隙帶的分布和演化特征進(jìn)行了研究。閆保永[14]介紹了定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦高位定向鉆孔成孔中的應(yīng)用實(shí)例。

基于此，本文以貴州省青龍煤礦為例，針對(duì)青龍煤礦碎軟煤層及頂?shù)装鍘r層賦存特征開(kāi)展底板梳狀定向鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)研究，進(jìn)行區(qū)域瓦斯抽采與治理，通過(guò)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鉆具組合優(yōu)化，成功實(shí)施了多組底板梳狀鉆孔，成為貴州省首個(gè)采用底板梳狀鉆孔進(jìn)行遠(yuǎn)距離瓦斯抽采的礦井，并取得了良好的瓦斯抽采效果，研究可為貴州省類似礦井區(qū)域瓦斯治理提供重要借鑒。

1 青龍煤礦概況

1.1 地質(zhì)概況

青龍煤礦位于貴州省西北部，屬于我國(guó)西南地區(qū)典型的煤與瓦斯突出礦井。青龍煤礦主要開(kāi)采16號(hào)和18號(hào)煤層，17號(hào)煤層局部可采。其中16號(hào)煤層厚度2.3～3.4 m，平均厚2.6 m，煤層穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，呈亮-半亮型，硬度系數(shù)0.37，瓦斯含量19.88 m3/t，瓦斯壓力1.73 MPa；18號(hào)煤層厚3.2～4.0 m，平均3.6 m，煤層傾角10°～14°，平均12°，最大瓦斯含量為24.37 m3/t，硬度系數(shù)為0.20～0.43，最大煤層瓦斯壓力1.20 MPa。18號(hào)煤層與16號(hào)煤層平均間距約24 m，其頂?shù)装鍘r層以泥巖、砂巖為主，巖體結(jié)構(gòu)破碎。

1.2 瓦斯治理情況

針對(duì)青龍煤礦煤層群特點(diǎn)，采用保護(hù)層下行開(kāi)采的方式，即先開(kāi)采上層16號(hào)煤層，對(duì)17號(hào)煤層和18號(hào)煤層進(jìn)行卸壓，確保下部煤層安全回采。將底抽巷布置在18號(hào)煤層的底板巖層中，向上施工穿層鉆孔覆蓋16號(hào)煤層、17號(hào)煤層、18號(hào)煤層，可同時(shí)掩護(hù)16號(hào)煤層、18號(hào)煤層巷道掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)“一孔多用”，有效減少穿層鉆孔施工數(shù)量，然后采用工作面順層鉆孔進(jìn)行工作面條帶抽采。由于青龍煤礦地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，局部煤層傾角起伏變化大，采用順層鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采易出現(xiàn)空白帶，難以實(shí)現(xiàn)瓦斯精準(zhǔn)區(qū)域抽采。因此，采用底板梳狀定向鉆孔進(jìn)行16號(hào)煤層區(qū)域瓦斯抽采與治理。

2 底板梳狀定向鉆孔施工技術(shù)

2.1 施工工藝技術(shù)原理

煤礦井下定向鉆孔施工常采用清水作為動(dòng)力介質(zhì)和排渣介質(zhì)，主要適用于中硬煤巖層鉆孔施工。難以滿足碎軟煤層順層鉆孔長(zhǎng)距離成孔需要。采用底板梳狀鉆孔進(jìn)行碎軟煤層長(zhǎng)距離瓦斯抽采，即首先在煤層底板特定層位施工近水平定向鉆孔，然后通過(guò)“前進(jìn)式”或“后退式”開(kāi)分支工藝技術(shù)在已施工的主孔中鉆進(jìn)分支孔進(jìn)入煤層中，分支孔進(jìn)入煤層后通過(guò)對(duì)鉆孔軌跡的精確控制使其盡可能在煤層中延伸，提高煤層孔段鉆遇率，依次鉆進(jìn)多組分支孔延伸，直到達(dá)到設(shè)計(jì)孔深[15](參見(jiàn)圖1)。此外，對(duì)于煤層群開(kāi)采的礦井，在煤層回采階段，煤層頂?shù)装瀹a(chǎn)生卸壓增透效應(yīng)，造成煤層群瓦斯涌出，底板梳狀鉆孔也能作為抽采臨近層采動(dòng)卸壓瓦斯或采空區(qū)瓦斯之用。底板梳狀鉆孔具有施工深度大、軌跡控制精度高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 底板梳狀鉆孔示意圖Fig.1 Floor comb type directional boreholes

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)原則

底板梳狀定向鉆孔設(shè)計(jì)要遵循以下原則。

(1)層位的選擇：首先底板梳狀鉆孔要布置在底板強(qiáng)度相對(duì)較高、結(jié)構(gòu)相對(duì)完整的地層，避免在水敏或膨脹程度較高的地層中布孔，以利于鉆孔成孔。一般情況下將底板梳狀鉆孔層位布置在目標(biāo)煤層底板以下2～4 m。對(duì)于保護(hù)層開(kāi)采的礦井，為了減少底抽巷的布置，降低施工成本，可以將鉆場(chǎng)布置在保護(hù)層底板的巖層中，通過(guò)施工大角度上仰鉆孔進(jìn)入到被保護(hù)層中。

(2)分支點(diǎn)的選擇：首先分支點(diǎn)應(yīng)選擇在鉆孔軌跡爬升階段，以便于能快速開(kāi)出分支孔；其次，根據(jù)螺桿馬達(dá)的造斜規(guī)律和鉆孔瓦斯抽采需要，分支點(diǎn)間距宜選擇40～60 m。

(3)鉆孔間距的選擇：為滿足區(qū)域瓦斯治理需要，鉆孔間距的選擇應(yīng)根據(jù)煤層的透氣性系數(shù)、瓦斯含量、瓦斯壓力等參數(shù)確定，應(yīng)根據(jù)礦井的實(shí)際情況選擇合理的鉆孔間距，確保不出現(xiàn)瓦斯抽采空白帶。對(duì)于采用水力壓裂的底板梳狀鉆孔，可根據(jù)壓裂影響半徑適當(dāng)?shù)脑龃筱@孔間距。

3 工程實(shí)踐

3.1 鉆場(chǎng)與鉆孔設(shè)計(jì)

根據(jù)青龍煤礦示范工程要求，通過(guò)施工長(zhǎng)距離定向煤層鉆孔抽采二采區(qū)右翼16號(hào)煤層瓦斯，實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域消突。鉆場(chǎng)布置在21605底抽巷，位于18號(hào)煤層底板，開(kāi)孔位置在18號(hào)煤層底板下方7 m泥巖層中，目標(biāo)煤層為16號(hào)煤層。在21605底抽巷共設(shè)計(jì)3個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)7個(gè)鉆孔，鉆孔間距10 m，鉆孔長(zhǎng)度500 m，每隔50 m開(kāi)一個(gè)分支孔，主孔沿16號(hào)煤層底板以下2 m左右延伸，鉆孔設(shè)計(jì)平面布置如圖2所示。

圖2 鉆孔平面布置圖Fig.2 Plan view of drilling holes

3.2 施工難點(diǎn)

3.2.1 穿越18號(hào)煤層成孔困難

鉆孔開(kāi)孔點(diǎn)與16號(hào)煤層垂直距離約30 m，施工鉆孔軌跡必須穿越18號(hào)煤層，而18號(hào)煤層結(jié)構(gòu)碎軟、機(jī)械強(qiáng)度低、瓦斯含量高，且其頂?shù)装鍘r層膠結(jié)程度差、結(jié)構(gòu)破碎，含多層炭質(zhì)泥巖和鋁質(zhì)泥巖，因此穿越18號(hào)煤層及頂?shù)装鍘r層過(guò)程中鉆進(jìn)成孔困難。當(dāng)鉆孔軌跡穿越18號(hào)煤層后還要繼續(xù)在16號(hào)煤層及底板中鉆進(jìn)，由于鉆孔走向方向上穿越長(zhǎng)度為90～120 m，所以18號(hào)煤層及其頂?shù)装鍘r層孔段是否穩(wěn)定是16號(hào)煤層底板梳狀定向鉆進(jìn)成孔的關(guān)鍵。

3.2.2 垂直落差大

鉆孔軌跡穿過(guò)18號(hào)煤層后沿16號(hào)煤層傾向延伸，屬于大傾角上仰鉆孔，終孔點(diǎn)與孔口最大落差180 m左右，因此在鉆孔施工過(guò)程中，存在給進(jìn)壓力大、鉆孔軌跡控制難度大等問(wèn)題，增加了施工風(fēng)險(xiǎn)和難度。此外，大角度上仰鉆孔施工過(guò)程中，加接鉆桿時(shí)沖洗液容易流出鉆孔，繼續(xù)鉆進(jìn)時(shí)泥漿泵給孔底送水時(shí)間增長(zhǎng)，影響綜合鉆進(jìn)效率。

3.2.3 孔內(nèi)事故預(yù)防與高效鉆進(jìn)存在矛盾

16號(hào)煤層底板以泥巖、砂泥巖為主，尤其在煤巖交接處，其巖層物質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、水理性質(zhì)差，遇水后更容易軟化、崩解；其次，當(dāng)鉆孔軌跡向上進(jìn)入到16號(hào)煤層時(shí)，可能會(huì)發(fā)生憋泵、噴孔、塌孔。但為提升瓦斯抽采效果，在保證孔內(nèi)鉆具安全的前提下，應(yīng)盡量增大鉆孔在16號(hào)煤層中的延伸長(zhǎng)度，進(jìn)一步提高煤層鉆遇率。如何協(xié)調(diào)高效鉆進(jìn)成孔和孔內(nèi)事故預(yù)防之間的矛盾至關(guān)重要。

3.3 鉆進(jìn)裝備

根據(jù)底板梳狀鉆孔特征及鉆遇地層特點(diǎn)，選擇的定向鉆進(jìn)裝備見(jiàn)表1。

表1 定向鉆進(jìn)裝備Table 1 Directional drilling equipment

3.4 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

針對(duì)鉆孔施工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，優(yōu)化鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制定合理的工藝措施。鉆孔穿越18號(hào)煤層過(guò)程中，采用多次擴(kuò)孔鉆進(jìn)的方式，降低高壓水對(duì)孔壁的沖刷，使得孔內(nèi)鉆渣能迅速排出孔外，同時(shí)也方便套管下入。首先通過(guò)大角度上仰定向鉆孔的方式穿過(guò)18號(hào)煤層及頂?shù)装宀环€(wěn)定巖層，縮短穿越孔段長(zhǎng)度，然后在18號(hào)煤層及頂?shù)装宀环€(wěn)定巖層孔段全程下入?127 mm套管護(hù)孔，并注漿候凝；最后下入定向鉆具串沿16號(hào)煤層進(jìn)行梳狀定向鉆孔施工。

鉆孔孔身結(jié)構(gòu)如圖3所示，分為孔口套管段、18號(hào)煤層護(hù)孔段和16號(hào)煤層定向鉆進(jìn)孔段，各孔段結(jié)構(gòu)為：

圖3 鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖Fig.3 Design of the bore hole structure

(1)孔口套管段：采用“?98 mm鉆頭+?73 mm外平鉆桿”開(kāi)孔，鉆至15 m退鉆，然后依次用?133、153、193 mm擴(kuò)孔至15 m，最后采用?215 mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔鉆進(jìn)3 m，下入?200 mm套管封孔。

(2)18號(hào)煤層護(hù)孔段：采用“?98 mm定向鉆頭+?73 mm螺桿鉆具+?73 mm下無(wú)磁+?73 mm探管+?73 mm上無(wú)磁+?73 mm通纜鉆桿串+?73 mm通纜水便”組合鉆具穿越18號(hào)煤層及頂?shù)装宀环€(wěn)定巖層，然后采用?73 mm外平鉆桿配套?133、153、193 mm擴(kuò)孔鉆頭鉆進(jìn)至18號(hào)煤層頂板上方3 m處退鉆，然后全程下入?127 mm套管護(hù)孔，并注漿候凝。

(3)16號(hào)煤層定向鉆進(jìn)孔段：采用“?98 mm定向鉆頭+?73 mm螺桿鉆具+?73 mm下無(wú)磁+?73 mm探管+?73 mm上無(wú)磁+?73 mm通纜鉆桿串+?73 mm通纜水便”組合鉆具進(jìn)行底板梳狀鉆孔定向鉆進(jìn)。

根據(jù)鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，18號(hào)煤層護(hù)孔段要全程下入?127 mm套管并注漿封孔，套管下入深度90～120 m，封孔質(zhì)量尤為重要。當(dāng)鉆孔注漿凝固后，必須進(jìn)行拉力試驗(yàn)和打壓試驗(yàn)，拉拔應(yīng)力≮9 MPa，并持續(xù)1 min；打壓試驗(yàn)時(shí)，憋壓≮1.0 MPa。鉆進(jìn)過(guò)程中采用“勤劃眼、多沖孔、停鉆連抽”等方式，降低發(fā)生塌孔、卡鉆、噴孔等孔內(nèi)事故的概率，觀察鉆進(jìn)工藝參數(shù)變化及孔口返渣情況，出現(xiàn)異常情況立即停鉆，并提鉆至安全孔段，制定合理的處理方案。

3.5 鉆孔施工情況

通過(guò)對(duì)鉆進(jìn)裝備優(yōu)選、鉆具組合優(yōu)化和鉆進(jìn)工藝參數(shù)優(yōu)化，在青龍煤礦21605底抽巷完成3個(gè)鉆場(chǎng)共計(jì)多組底板梳狀鉆孔施工，累計(jì)進(jìn)尺1萬(wàn)余米，各分支孔在16號(hào)煤層延伸50 m左右，最大穿煤長(zhǎng)度138 m；煤層鉆遇率在30%左右。以1號(hào)鉆場(chǎng)2號(hào)鉆孔為例，開(kāi)孔傾角19.7°，開(kāi)孔方位128.6°，成功穿越18號(hào)煤層及頂?shù)装宀环€(wěn)定巖層段，并全程下入長(zhǎng)度108 m、?127 mm套管進(jìn)行護(hù)孔。鉆孔實(shí)際施工24 d，主孔深度519 m，累計(jì)總進(jìn)尺至1059 m，開(kāi)分支4次，最大穿煤長(zhǎng)度87 m，煤層鉆遇率24%，各分支孔施工情況見(jiàn)表2，鉆孔剖面如圖4所示。

表2 鉆孔施工統(tǒng)計(jì)Table 2 Summary of borehole construction

4 瓦斯抽采效果分析

目前，通過(guò)對(duì)21605底抽巷梳狀定向鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，在抽采初期，單孔瓦斯抽采濃度60%～85%、抽采純量0.8～2.5 m3/min，鉆孔瓦斯抽采濃度高、流量大、衰減速度慢。以3號(hào)鉆場(chǎng)2號(hào)鉆孔為例，其瓦斯抽采情況如圖5所示，該鉆孔從2018年9月20日開(kāi)始連抽，最大瓦斯抽采濃度達(dá)78%，最大瓦斯抽采純量達(dá)2.33 m3/min，截止2019年3月21日，已連續(xù)抽采6個(gè)月，瓦斯抽采濃度仍在70%以上、抽采純量仍在0.8 m3/min以上，單孔抽采純量瓦斯已累計(jì)超過(guò)34萬(wàn)m3。

圖4 2號(hào)鉆孔軌跡剖面圖Fig.4 Profile of No.2 drilling hole

圖5 1號(hào)鉆場(chǎng)2號(hào)鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)Fig.5 Data of gas extraction from No.2 drilling holein No.1 drilling field

5 結(jié)論

(1)底板梳狀鉆孔通過(guò)在煤層底板穩(wěn)定巖層鉆進(jìn)，再向上開(kāi)分支進(jìn)入煤層成孔抽采瓦斯，具有施工深度大、軌跡控制精度高、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高瓦斯抽采效果，實(shí)現(xiàn)大面積區(qū)域瓦斯超前治理。

(2)針對(duì)青龍煤礦煤層群開(kāi)采，在18號(hào)煤層底板布置鉆場(chǎng)，通過(guò)鉆進(jìn)裝備的優(yōu)選、鉆進(jìn)工藝參數(shù)和鉆具組合的優(yōu)化，采用大角度上仰鉆孔的方式穿過(guò)破碎煤巖層段，并全程下入?127 mm套管護(hù)孔，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地質(zhì)條件下底板梳狀鉆孔高效成孔。

(3)瓦斯抽采效果表明，底板梳狀鉆孔瓦斯抽采濃度高、純量大、衰減速度慢，單孔抽采濃度60%～85%，單孔抽采純量0.8～2.5 m3/min；單孔已連續(xù)抽采6個(gè)月以上，瓦斯抽采純量已累計(jì)超過(guò)34萬(wàn)m3，實(shí)現(xiàn)了碎軟煤層瓦斯高效抽采。

(4)為提高瓦斯抽采效果，當(dāng)分支孔進(jìn)入到煤層中后，可通過(guò)高壓水力沖孔或者水力壓裂的措施，增大煤層透氣性系數(shù)，實(shí)現(xiàn)瓦斯高效抽采。