復(fù)雜地層高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔工藝研究與應(yīng)用

王建強(qiáng) ，張 杰，杜學(xué)明

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 曙光煤礦，山西 孝義 032300)

0 引 言

瓦斯災(zāi)害是煤礦重大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅、制約著礦井安全生產(chǎn)[1-2]。隨著礦井生產(chǎn)強(qiáng)度的提高和開(kāi)采深度的增大，礦井瓦斯涌出量隨之增大，采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)象加劇，制約著煤礦安全高效開(kāi)采。目前采空區(qū)瓦斯治理主要采用高抽巷和頂板高位鉆孔，高抽巷要求在開(kāi)采煤層頂板采動(dòng)裂縫帶內(nèi)布置1條用于采空區(qū)瓦斯抽采的專用巷道，但巷道掘進(jìn)成本高，而且施工周期長(zhǎng)[3]；頂板高位鉆孔分為普通高位鉆孔和定向高位鉆孔，根據(jù)采空區(qū)“三帶”理論，將鉆孔布置在煤層頂板裂縫帶內(nèi)。普通高位鉆孔主要采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆孔軌跡不可控，一般要求每間隔50～70 m布置1個(gè)頂板高位鉆場(chǎng)，鉆孔施工深度80～180 m，有效孔段比例較低，不足40%。定向高位鉆孔主要采用定向鉆進(jìn)工藝，鉆孔軌跡可精確控制，一般要求每間隔400～500 m布置1個(gè)煤層鉆場(chǎng)，鉆孔施工深度不小于500 m，有效孔段比例不小于80%。定向高位鉆孔在治理采空區(qū)瓦斯具有顯著優(yōu)勢(shì)，不僅大幅降低鉆場(chǎng)數(shù)量和鉆孔進(jìn)尺量，而且降低了瓦斯治理成本。近年來(lái)，相關(guān)學(xué)者在煤礦井下高位定向鉆孔在采空區(qū)瓦斯治理方面開(kāi)展了大量的研究工作：針對(duì)頂板高位定向鉆孔在淮南礦區(qū)頂板復(fù)雜地層中成孔難的問(wèn)題，采用注漿加固破碎地層、擴(kuò)孔技術(shù)疏通鉆孔、增大鉆孔開(kāi)孔傾角和破碎地層孔段傾角快速通過(guò)破碎地層等技術(shù)措施有效解決成孔難題[4-6]。文獻(xiàn)[7-8]基于采空區(qū)頂板豎“三帶”與橫“三區(qū)”理論，分析了頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔技術(shù)瓦斯抽采基本原理與優(yōu)勢(shì)，總結(jié)歸納了“定向先導(dǎo)孔+擴(kuò)孔”施工工藝的技術(shù)特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了孔徑?150 mm 以上頂板走向高位定向長(zhǎng)鉆孔的高效成孔。煤礦井下大直徑高位定向長(zhǎng)鉆孔可有效解決采空區(qū)瓦斯超限問(wèn)題，瓦斯抽采效果遠(yuǎn)超過(guò)傳統(tǒng)高位鉆孔，可大量節(jié)約瓦斯治理成本，具有重要推廣意義[9-10]。目前，全國(guó)多個(gè)礦區(qū)推廣采用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理，并取得了顯著效果。曙光煤礦目前主要采用普通高位鉆孔治理采空區(qū)瓦斯，存在鉆場(chǎng)數(shù)量多、鉆孔軌跡不可控、鉆孔深度淺和有效孔段比例低等不足，導(dǎo)致瓦斯治理效果差且治理成本高。由于曙光煤礦煤層頂板地質(zhì)條件復(fù)雜，存在不穩(wěn)定泥巖及斷層，采用高位定向鉆孔治理采空區(qū)瓦斯主要面臨成孔困難的技術(shù)難題。基于此，在曙光煤礦開(kāi)展了復(fù)雜地層高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔工藝研究，以期形成適用于曙光煤礦及類似地質(zhì)條件礦區(qū)的高位定向鉆孔施工技術(shù)。

1 礦區(qū)概況

1.1 工作面概況

曙光煤礦1226工作面可采走向長(zhǎng)度約1 300 m，傾向長(zhǎng)度約180 m，根據(jù)相鄰工作面瓦斯抽采情況，預(yù)計(jì)該工作面正常回采期間最大瓦斯涌出量為8 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量約占工作面瓦斯總涌出量的60%。根據(jù)1226工作面可采長(zhǎng)度，在1226工作面運(yùn)輸巷等間距布置3個(gè)高位定向鉆場(chǎng)。1226工作面2號(hào)煤層平均厚度2.85 m，煤層傾角1°～4°，最大瓦斯壓力0.28 MPa，已有地質(zhì)資料顯示2號(hào)煤層頂板地層主要為泥巖、砂巖和1號(hào)煤層。

1.2 鉆孔布孔層位設(shè)計(jì)

根據(jù)“三帶”分布理論，隨著工作面的回采，在煤層頂板上方形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，為提高高位定向鉆孔瓦斯抽采效果，應(yīng)將鉆孔布置在頂板裂縫帶內(nèi)。同時(shí)，為保證鉆孔成孔和后期瓦斯抽采的連續(xù)性，鉆孔層位盡可能布置在相對(duì)穩(wěn)定的地層中，避免布置在軟弱、破碎地層中。

根據(jù)曙光煤礦高位鉆孔布孔經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，確定布孔層位為上中下3層，分別距離2號(hào)煤層頂板22.8、20.0、17.1 m，目標(biāo)層為中砂巖和砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)采動(dòng)裂縫“O” 型圈理論[11-13]，一般選擇在靠近回風(fēng)巷一側(cè)的“O”型裂縫圈內(nèi)平行布置鉆孔。鉆孔平面間距的選擇應(yīng)以單孔有效抽采范圍為依據(jù)，避免鉆孔間距過(guò)大或過(guò)小造成的瓦斯抽采效果不佳或鉆孔工程量增加。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)鉆孔間距為10 m，分別距離回風(fēng)巷35、25、15 m，鉆孔布孔示意如圖1所示。

圖1 鉆孔布孔示意

1.3 定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備

近年來(lái)隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的不斷發(fā)展，我國(guó)已形成了多種不同規(guī)格型號(hào)的定向鉆進(jìn)裝備。針對(duì)試驗(yàn)工作面復(fù)雜的地層條件，為提高設(shè)備對(duì)地層的適應(yīng)性，選配了ZDY12000LD大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備[14-16]，主要配套裝備見(jiàn)表1。該套裝備具有鉆進(jìn)能力強(qiáng)、適用多種鉆進(jìn)工藝和事故處理能力大等優(yōu)點(diǎn)。

表1 主要配套裝備

1.4 定向鉆進(jìn)工藝

頂板高位定向鉆孔施工采用近水平隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)，利用該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡人為控制，精確鉆遇目標(biāo)層位，并沿著目標(biāo)層位近水平沿伸。后期隨著工作面的回采，在采空區(qū)頂板內(nèi)形成采動(dòng)裂縫，隨著工作面的不斷向前推移，采動(dòng)裂縫不斷向上延伸并與高位定向鉆孔導(dǎo)通。高位定向鉆孔根據(jù)鉆孔軌跡變化可分為造斜孔段和穩(wěn)斜孔段。其中，造斜孔段由開(kāi)孔點(diǎn)進(jìn)行造斜并進(jìn)入到目標(biāo)層，穩(wěn)斜孔段是沿著目標(biāo)層位近水平沿伸段，為鉆孔瓦斯抽采有效孔段。因此，造斜孔段一般采取滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝施工，每鉆進(jìn)3 m需調(diào)整1次工具面，實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡參數(shù)傾角和方位角的精確控制，穩(wěn)斜孔段一般采取滑動(dòng)定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)工藝施工，一方面考慮到該孔段鉆孔軌跡參數(shù)變化小或者保持不變，造斜需求小甚至無(wú)需造斜，穩(wěn)斜即可;另一方面采用復(fù)合鉆進(jìn)工藝可提高施工效率和鉆孔排渣效率。

頂板高位定向鉆孔施工采用定向先導(dǎo)孔和大孔徑螺旋擴(kuò)孔的施工工藝，先導(dǎo)孔施工采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)工藝[17-18]，定向鉆具組合如圖2所示。通過(guò)人為控制鉆孔軌跡，使先導(dǎo)孔精確沿著設(shè)計(jì)軌跡鉆進(jìn)；回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔采用大孔徑螺旋回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔，通過(guò)回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔將先導(dǎo)孔孔徑擴(kuò)大至153 mm，大孔徑螺旋擴(kuò)孔鉆具組合如圖3所示。

圖2 定向鉆具組合

圖3 大孔徑螺旋擴(kuò)孔鉆具組合

2 復(fù)雜地層條件下高位定向鉆孔成孔工藝

在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)面臨的主要技術(shù)難題是塌孔，輕者導(dǎo)致鉆孔深度無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，重者發(fā)生卡鉆事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，解決復(fù)雜地層條件下鉆孔塌孔問(wèn)題具有重要意義。曙光煤礦2號(hào)煤層頂板存在不穩(wěn)定泥巖，先導(dǎo)鉆孔在穿越或沿著該巖層鉆進(jìn)時(shí)，在先導(dǎo)孔局部孔段孔壁四周出現(xiàn)裸露的泥巖，在鉆進(jìn)用沖洗介質(zhì)清水的沖刷和浸泡作用下，泥巖吸水發(fā)生水化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，在孔壁四周形成不利于孔壁穩(wěn)定的水化區(qū)，如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)水化區(qū)范圍隨著裸露時(shí)間的延長(zhǎng)呈逐漸擴(kuò)大的趨勢(shì)，最終趨于穩(wěn)定[19-20]。先導(dǎo)孔鉆進(jìn)過(guò)程中，在鉆桿柱的擾動(dòng)下孔壁四周水化區(qū)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，導(dǎo)致大量大顆粒巖塊的堆積，若排渣不暢極易引起鉆孔排渣通道堵塞，嚴(yán)重者導(dǎo)致無(wú)法正常鉆進(jìn)。隨著鉆孔施工時(shí)間的不斷延長(zhǎng)，已成型孔段在水中浸泡時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，水化越來(lái)越嚴(yán)重，而靠近孔底孔段由于成孔時(shí)間短，水化相對(duì)較弱，因此經(jīng)常出現(xiàn)孔底不塌孔，孔底后部塌孔的現(xiàn)象。

圖4 先導(dǎo)鉆孔孔壁示意

通常先導(dǎo)孔施工所采用的鉆具組合中通纜鉆桿和螺桿馬達(dá)均為普通外平面結(jié)構(gòu)，當(dāng)先導(dǎo)孔施工中出現(xiàn)由于水化導(dǎo)致的塌孔時(shí)，沖洗介質(zhì)流通通道遇阻，嚴(yán)重者導(dǎo)致沖洗介質(zhì)無(wú)法流通，如圖5所示，此時(shí)螺桿馬達(dá)出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，導(dǎo)致無(wú)法正常鉆進(jìn)。只有將沖洗介質(zhì)流通通道打通才可繼續(xù)鉆進(jìn)，通常采取復(fù)合鉆進(jìn)工藝進(jìn)行沖孔以疏通沖洗介質(zhì)流通通道，但由于外平結(jié)構(gòu)的鉆具不具備輔助排渣作用，相反隨著鉆桿柱的回轉(zhuǎn)會(huì)引起鉆孔局部孔段大量鉆屑的聚集形成嚴(yán)重“栓塞”，發(fā)生更加嚴(yán)重的憋泵現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)卡鉆事故。

圖5 先導(dǎo)鉆孔塌孔孔壁示意

根據(jù)上述先導(dǎo)孔塌孔機(jī)理及施工鉆具的不足，采用大孔徑螺旋擴(kuò)孔工藝，通過(guò)回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔將先導(dǎo)孔孔壁四周水化區(qū)切削掉，使得孔壁四周裸露出未水化或水化較輕的巖層，從而提高鉆孔孔壁的穩(wěn)定性，如圖6所示。為提高擴(kuò)孔過(guò)程中排渣效率采用外表面帶螺旋槽的螺旋鉆桿，該類型鉆桿不僅具有傳遞鉆進(jìn)用轉(zhuǎn)矩和給進(jìn)壓力的作用，而且回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔過(guò)程中螺旋槽形成一條“螺旋形輸送帶”，具備輔助排渣的能力。此外，可將大顆粒巖屑重復(fù)破碎為小顆粒，有助于排出孔外。通過(guò)擴(kuò)孔鉆孔孔徑增大，排渣環(huán)空間隙增大，不僅有助于擴(kuò)孔過(guò)程中鉆屑的排出，而且有助于后續(xù)先導(dǎo)孔施工過(guò)程中鉆屑的排出。

圖6 擴(kuò)孔鉆孔孔壁示意

具體施工流程為定向先導(dǎo)孔施工，鉆遇塌孔提鉆換用大孔徑螺旋擴(kuò)孔鉆具擴(kuò)孔至孔底，再提鉆換用定向鉆具施工先導(dǎo)孔，如此往復(fù)施工至設(shè)計(jì)孔深，具體工藝流程如圖7所示。一方面通過(guò)擴(kuò)孔可以將孔壁四周水化區(qū)切削掉，裸露出未水化區(qū)，從而提高孔壁的穩(wěn)定性；另一方面通過(guò)擴(kuò)孔增大鉆孔孔徑，顯著提高大顆粒巖塊的通過(guò)性，同時(shí)，在螺旋鉆桿螺旋翼片的回轉(zhuǎn)作用下，可將大顆粒巖塊重復(fù)破碎為小顆粒，提高鉆進(jìn)過(guò)程中的排渣效率。

圖7 鉆孔施工流程

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況

在曙光煤礦1226工作面運(yùn)輸巷，自2019年1月至11月成功施工3個(gè)鉆場(chǎng)9個(gè)頂板高位定向鉆孔，鉆孔深度最小528 m，最大801 m，終孔孔徑153 mm，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，總進(jìn)尺5 568 m。鉆孔布孔層位垂直距離分別為17.1、20.0、22.8 m，水平距離分別為15、25、35 m，具體施工數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面/平面投影如圖8—圖13所示。

圖13 3號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔實(shí)鉆軌跡平面投影

表2 各鉆孔施工數(shù)據(jù)

圖8 1號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面投影

圖9 1號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔實(shí)鉆軌跡平面投影

1-1、2-1和3-1鉆孔布孔層位距2號(hào)煤層頂板22.8 m，該層位根據(jù)已知地質(zhì)資料顯示為砂質(zhì)泥巖，鉆進(jìn)過(guò)程中3個(gè)鉆孔分別發(fā)生3、2、2次塌孔。其中1-1鉆孔分別在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至75、270、387 m時(shí)發(fā)生塌孔，第1次塌孔孔段為造斜孔段，該孔段以正傾角向上穿層，先后穿過(guò)泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和1號(hào)煤層，鉆進(jìn)至75 m時(shí)出現(xiàn)憋泵，伴隨大顆粒鉆屑排出，返水逐漸減小并變渾濁，向后退鉆仍出現(xiàn)憋泵，經(jīng)過(guò)分析泥巖和粉砂質(zhì)泥巖段出現(xiàn)水化掉塊塌孔、1號(hào)煤層段出現(xiàn)破碎塌孔；第2、3次塌孔孔段為穩(wěn)斜孔段，該孔段處于目標(biāo)層砂質(zhì)泥巖，隨著鉆孔施工時(shí)間的延長(zhǎng)，該地層逐漸發(fā)生水化，強(qiáng)度降低，發(fā)生掉塊塌孔。2-1鉆孔分別在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至279、390 m時(shí)發(fā)生塌孔，3-1鉆孔分別在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至281、411 m時(shí)發(fā)生塌孔，上述該孔段均為穩(wěn)斜孔段，砂質(zhì)泥巖水化塌孔。上述各鉆孔塌孔均采用大孔徑螺旋擴(kuò)孔成功解決。

圖10 2號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面投影

圖11 2號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔實(shí)鉆軌跡平面投影

圖12 3號(hào)鉆場(chǎng)各鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面投影

1-2、2-2、3-2鉆孔布孔層位距2號(hào)煤層頂板20 m，該層位根據(jù)已知地質(zhì)資料顯示為砂質(zhì)泥巖，鉆進(jìn)過(guò)程中3個(gè)鉆孔分別發(fā)生2、1、1次塌孔。其中1-2鉆孔分別在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至66、399 m時(shí)發(fā)生塌孔，第1次塌孔孔段為造斜孔段，由于所穿過(guò)的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖段出現(xiàn)水化掉塊塌孔、1號(hào)煤層段出現(xiàn)破碎塌孔；第2次塌孔孔段為穩(wěn)斜孔段，該孔段處于目標(biāo)層砂質(zhì)泥巖，發(fā)生水化，強(qiáng)度降低，發(fā)生掉塊塌孔。2-2鉆孔在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至381 m發(fā)生塌孔，3-2鉆孔在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至410 m發(fā)生塌孔，上述該孔段均為穩(wěn)斜孔段，砂質(zhì)泥巖水化塌孔。上述各鉆孔塌孔均采用大孔徑螺旋擴(kuò)孔成功解決。

1-3、2-3、3-3鉆孔布孔層位距煤層頂板17.1 m，目標(biāo)層為中砂巖，3鉆孔鉆進(jìn)過(guò)程未發(fā)生水化引起的塌孔。

4 結(jié) 論

1)提出采用大孔徑螺旋擴(kuò)孔工藝，在曙光煤礦成功施工9個(gè)孔深超520 m，孔徑153 mm的頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔，形成了適用于曙光煤礦復(fù)雜地層的頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔技術(shù)，解決了曙光煤礦復(fù)雜地層條件下頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔成孔困難的技術(shù)難題。

2)采用定向先導(dǎo)孔和大孔徑螺旋擴(kuò)孔施工工藝能夠有效提高易水化泥巖地層定向鉆孔的成孔率，通過(guò)大孔徑螺旋擴(kuò)孔不僅能將孔壁四周泥巖水化區(qū)切削，提高鉆孔孔壁的穩(wěn)定性，而且通過(guò)擴(kuò)孔形成更大的排渣通道，有效提高鉆孔排渣效率。

3)為避免泥巖層水化引起的鉆孔塌孔現(xiàn)象，建議盡量避免在易水化泥巖層布置鉆孔。同時(shí)，研發(fā)適用于易水化泥巖地層條件的定向鉆進(jìn)用沖洗介質(zhì)，是解決泥巖水化的有效途徑。