煤礦井下全域化瓦斯抽采定向鉆進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)與工程實踐

李泉新，許 超，劉建林，方 俊，張 杰，劉 飛

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

煤炭是我國能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的基石，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井煤炭產(chǎn)量約占全國煤炭產(chǎn)量的1/3，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約著煤炭行業(yè)的安全可持續(xù)發(fā)展。煤礦井下定向孔可實現(xiàn)超前、區(qū)域、精準(zhǔn)瓦斯抽采，是瓦斯災(zāi)害治理的重要技術(shù)手段，對提升礦井安全保障水平具有重要意義。

“十一五”以來，依托國家發(fā)改委、科技部項目支持，我國隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備得到快速發(fā)展，成功研制出國產(chǎn)系列化定向鉆進(jìn)裝備，開發(fā)了滑動定向鉆進(jìn)工藝和復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝，在煤礦井下工作面采前瓦斯、采動卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯治理中發(fā)揮著重要作用，取得了顯著的抽采效果，相較于常規(guī)瓦斯抽采技術(shù)裝備優(yōu)勢明顯。但我國煤礦區(qū)煤層賦存地質(zhì)條件差異性較大，且受鉆進(jìn)技術(shù)裝備制約，隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備主要適用于中硬穩(wěn)定煤巖層內(nèi)千米以淺定向孔鉆進(jìn)施工，在長距離定向鉆進(jìn)成孔和復(fù)雜煤巖層鉆進(jìn)方面存在一定的技術(shù)瓶頸，主要表現(xiàn)為：① 隨鉆孔深度增加，孔內(nèi)摩擦阻力呈指數(shù)型增大，鉆進(jìn)動力傳遞和軌跡控制難度大，側(cè)鉆分支困難，成孔深度受限，鉆孔覆蓋面積有待進(jìn)一步提升；② 碎軟煤層鉆進(jìn)易失穩(wěn)坍塌，定向成孔困難，鉆孔深度淺、成孔率低，易存在抽采盲區(qū)和空白帶；③ 頂板巖層成孔直徑小、鉆進(jìn)效率低、復(fù)雜頂板成孔困難，鉆孔瓦斯抽采效率有待進(jìn)一步提升。

“十三五”期間，在國家科技重大專項支持下，針對定向鉆孔瓦斯抽采存在的技術(shù)問題，研發(fā)了適用于超長定向鉆孔施工的技術(shù)裝備，攻克了復(fù)雜地層定向鉆進(jìn)成孔技術(shù)瓶頸，推動了井下瓦斯防治逐步向區(qū)域化、精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，即采掘前利用順煤層定向長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，回采過程中及回采后利用大直徑頂板高位定向鉆孔抽采采動卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯。筆者以“十三五”最新科研成果為依托，開展了全域化精準(zhǔn)瓦斯抽采模式和工程實踐研究，以期為礦井瓦斯“零超限”和煤層“零突出”目標(biāo)的實現(xiàn)提供技術(shù)裝備支撐。

1 煤礦井下全域化瓦斯精準(zhǔn)抽采

針對我國不同煤層賦存地質(zhì)條件和開采階段下礦井瓦斯治理的技術(shù)需求，提出了基于定向鉆孔的煤礦井下全域化瓦斯精準(zhǔn)抽采模式，如圖1所示，主要結(jié)合礦井采掘部署進(jìn)行抽采鉆孔布置，利用定向鉆孔軌跡精確可控、可沿目標(biāo)地層長距離延伸的優(yōu)勢，在煤礦井下大區(qū)域范圍內(nèi)實現(xiàn)“中硬煤層、碎軟煤層、頂板巖層”全區(qū)域精準(zhǔn)覆蓋、“采前-采中-采后”全時段連續(xù)抽采，最大限度實現(xiàn)全域快抽、應(yīng)抽盡抽。

圖1 煤礦井下全域化瓦斯精準(zhǔn)抽采模式示意

“全域化”抽采包括空間和時間2個概念，其中空間上與礦井含煤地層適應(yīng)，平面上既覆蓋中硬煤層，又覆蓋碎軟煤層，剖面上既覆蓋煤層，又覆蓋巖層，確保煤礦區(qū)內(nèi)含煤地層全覆蓋，避免出現(xiàn)瓦斯抽采盲區(qū)和空白帶；時間上與采煤工程協(xié)調(diào)，準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)利用順煤層定向鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽，采動區(qū)、采空區(qū)利用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采動卸壓抽采，實現(xiàn)抽采時間無縫銜接、應(yīng)抽盡抽，最終在礦井生產(chǎn)空間和時間上形成協(xié)同性高、實效性強的瓦斯精準(zhǔn)抽采模式。

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了其適用地層范圍從中硬煤層逐步拓展到碎軟煤層和頂?shù)装鍘r層，基于定向鉆孔的全域化瓦斯精準(zhǔn)抽采模式主要包含以下3種模式，即：中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采、碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采和采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采。

1.1 中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采模式

1.1.1 技術(shù)需求

大型現(xiàn)代化礦井是保障我國煤炭持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的重要基礎(chǔ)，其煤炭科學(xué)產(chǎn)能的釋放嚴(yán)重受限于瓦斯治理效率。針對大型礦井中硬煤層瓦斯抽采治理，目前常采用“遞進(jìn)銜接”的方式進(jìn)行區(qū)域瓦斯抽采，取得了較好的瓦斯抽采效果，但其仍存在鉆孔施工受采掘活動制約、鉆孔抽采時間短、抽采不充分等問題。

中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采模式主要適用于高強度開采條件下結(jié)構(gòu)完整、地質(zhì)構(gòu)造簡單、堅固性系數(shù)≥1的煤層瓦斯抽采，其原理如圖2所示，即：在盤區(qū)大巷形成后，從盤區(qū)大巷沿工作面走向施工超長定向鉆孔群覆蓋整個盤區(qū)，超前預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，再布置盤區(qū)內(nèi)巷道和工作面，超長定向鉆孔施工和抽采不依賴于盤區(qū)內(nèi)采掘工作面布置和施工，可超前開始抽采。該抽采模式既延長了瓦斯抽采時間，又提高了瓦斯抽采范圍，實現(xiàn)了盤區(qū)整體性瓦斯治理，為大型現(xiàn)代化礦井工作面布設(shè)優(yōu)化、增產(chǎn)上產(chǎn)、降本增效提供了技術(shù)支撐。

圖2 中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采與常規(guī)遞進(jìn)式瓦斯抽采模式

1.1.2 技術(shù)難點

中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采模式的實現(xiàn)與定向鉆孔的成孔深度密切相關(guān)。煤礦井下順煤層定向鉆進(jìn)多采用“滑動糾偏+復(fù)合保直”的鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆孔軌跡控制，采用“主動探頂+側(cè)鉆分支”的鉆進(jìn)工藝保證鉆孔沿煤層延伸，糾偏鉆進(jìn)與側(cè)鉆分支均采用滑動定向鉆進(jìn)工藝。然而，隨孔深增加，滑動定向鉆進(jìn)的摩擦阻力急速增加，導(dǎo)致鉆進(jìn)動力傳遞和鉆孔軌跡控制難度增大，制約了鉆孔深度進(jìn)一步提高。超長定向鉆孔施工存在以下技術(shù)難點：① 超長孔定向鉆進(jìn)時所受阻力不斷增大。所受阻力主要來源于碎巖阻力、沉渣阻力和孔壁摩擦阻力，如圖3所示，由于定向鉆孔軌跡復(fù)雜、孔內(nèi)清潔度差、鉆桿彎曲變形程度加劇，鉆桿與孔壁接觸壓力增大，導(dǎo)致定向鉆進(jìn)所受阻力逐漸增加。鉆機為克服孔內(nèi)不斷增大的鉆進(jìn)阻力，需要連續(xù)提高其給進(jìn)壓力，導(dǎo)致給進(jìn)壓力近似呈指數(shù)型增長，并達(dá)到鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力極限，這成為制約滑動定向鉆進(jìn)提速和鉆孔深度的關(guān)鍵。② 滑動側(cè)鉆分支技術(shù)難以滿足超長孔分支孔鉆進(jìn)需要。側(cè)鉆分支孔是定向鉆孔軌跡長距離延伸的保證，然而滑動側(cè)鉆分支時需保持孔底定向鉆具造斜方向穩(wěn)定，隨孔深增加，定向鉆具反扭角增加，鉆壓難以有效穩(wěn)定作用于鉆頭，導(dǎo)致精準(zhǔn)控制定向鉆具造斜方向困難，鉆進(jìn)鉆孔軌跡控制難度大，滑動側(cè)鉆分支成功率大幅下降。③ 超長孔定向鉆進(jìn)測量信號傳輸穩(wěn)定性低。煤礦井下有線隨鉆測量系統(tǒng)利用中心通纜鉆作為信號傳輸通道，其信號傳輸對鉆具結(jié)構(gòu)和密封性要求高，且隨鉆孔深度增加，中心通纜鉆桿接觸點增多、導(dǎo)線電阻增大，電壓信號在接觸點被分壓嚴(yán)重，導(dǎo)致信號傳輸強度隨孔深不斷衰減，信號傳輸深度受限。

圖3 滑動定向鉆進(jìn)阻力變化示意

1.1.3 中硬煤層超長孔定向鉆進(jìn)技術(shù)

(1)超長孔定向鉆進(jìn)減阻技術(shù)。水力加壓技術(shù)主要是利用水力加壓螺桿馬達(dá)，將泥漿泵提供的高壓沖洗液動能轉(zhuǎn)化為軸向推力，直接施加在鉆頭上進(jìn)行回轉(zhuǎn)碎巖。通過孔底局部加壓，改善孔底鉆具受力狀態(tài)，降低對孔口鉆進(jìn)給進(jìn)力的需求，為孔底鉆頭碎巖提供持續(xù)動力。正反扭轉(zhuǎn)減阻技術(shù)主要是利用復(fù)合鉆進(jìn)阻力小于滑動鉆進(jìn)阻力的特性，采用孔口鉆機正反扭轉(zhuǎn)鉆桿，通過合理控制正反扭轉(zhuǎn)速度和角度，確保復(fù)合段鉆具復(fù)合扭轉(zhuǎn)、滑行段鉆具滑動，降低滑動鉆進(jìn)阻力，減緩鉆進(jìn)推力隨孔深的增長速率，從而提高滑動鉆進(jìn)深度，如圖4所示。正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，扭轉(zhuǎn)頻率越高，減阻效果越好；在不改變螺桿鉆具工具面和不致使鉆具卸扣條件下，扭轉(zhuǎn)運動幅度越大，扭轉(zhuǎn)運動區(qū)范圍越大，鉆進(jìn)減阻效果越明顯。

圖4 正反扭轉(zhuǎn)滑動定向鉆進(jìn)減阻技術(shù)原理

(2)復(fù)合回轉(zhuǎn)傾角控制與側(cè)鉆分支技術(shù)。開發(fā)了復(fù)合鉆進(jìn)傾角控制技術(shù)，通過動態(tài)調(diào)整復(fù)合鉆進(jìn)鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等參數(shù)，實現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況下增傾角、降傾角、穩(wěn)傾角精準(zhǔn)控制調(diào)節(jié)，其中增傾角控制采用“高鉆速、低轉(zhuǎn)速”工藝參數(shù)，降傾角控制采用“低鉆速、高轉(zhuǎn)速”工藝參數(shù)，穩(wěn)傾角控制采用中間狀態(tài)工藝參數(shù)，從而解決超長定向鉆孔的軌跡控制難題。開發(fā)了“低鉆速推進(jìn)、高轉(zhuǎn)速復(fù)合”側(cè)鉆分支工藝，采用更低的鉆進(jìn)速度和較高的旋轉(zhuǎn)速度，使鉆頭側(cè)出刃在單位時間內(nèi)連續(xù)多次切削孔壁下緣，使鉆頭在前進(jìn)的同時切入下孔壁的煤巖體中，達(dá)到鉆進(jìn)分支孔的目的，由此解決超長鉆孔側(cè)鉆分支難題，確保超長定向鉆孔沿目標(biāo)地層延伸。

(3)泥漿脈沖無線隨鉆測量技術(shù)。開發(fā)了礦用泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)，以清水作為信號傳輸載體，通過動態(tài)控制鉆桿柱內(nèi)沖洗液過流面積產(chǎn)生正脈沖信號，實現(xiàn)信號無線傳輸；利用脈沖信號比例先導(dǎo)發(fā)射技術(shù)，基于沖洗液流量的電源智能控制方法，采用間歇工作模式，降低了隨鉆測量系統(tǒng)工作能耗，解決了超長時間續(xù)航難題，實現(xiàn)了超長定向鉆孔“一趟鉆”施工；采用電源隔離、信號隔離及運動部件隔離技術(shù)，解決了爆炸性氣體工作環(huán)境下測量系統(tǒng)防爆難題。該系統(tǒng)突破了小泵量、低泵壓和小直徑條件下測量信號無線隨鉆傳輸技術(shù)瓶頸，信號傳輸速度為1 400 m/s 左右，信號強度衰減速率慢、傳輸距離遠(yuǎn)，具備孔深3 000 m以上信號傳輸能力。

1.2 碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采模式

1.2.1 技術(shù)需求

碎軟煤層在我國河南焦作、安徽兩淮、貴州畢節(jié)等地區(qū)廣泛分布，且多數(shù)中硬煤層礦井中存在局部碎軟煤層或軟硬互層煤層。在碎軟煤層中施工瓦斯抽采鉆孔難度大，特別是突出礦井采取預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施時，在鉆孔類型、鉆孔深度、抽采時間等方面存在諸多限制，而以“瓦斯抽采底板巷+穿層鉆孔+順層對穿鉆孔”為主的傳統(tǒng)瓦斯治理模式周期長、成本高，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯治理效率和安全生產(chǎn)水平的提升。

碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采模式包括煤巷條帶煤層瓦斯預(yù)抽和回采工作面瓦斯預(yù)抽，主要適用于結(jié)構(gòu)破碎、堅固性系數(shù)0.3≤<1.0的煤層瓦斯預(yù)抽，其原理如圖5所示，即：首先沿煤巷條帶延伸方向，施工集束型定向長鉆孔群均勻覆蓋待掘巷道前方及兩側(cè)一定范圍，要求煤巷條帶掩護(hù)距離達(dá)300 m以上，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)后方可進(jìn)行安全掘進(jìn)；然后利用已掘煤巷，施工橫穿工作面定向鉆孔群或集束型定向鉆孔群，覆蓋待采工作面，并覆蓋下一工作面的待掘巷道，瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，進(jìn)行工作面回采和下一個工作面巷道掘進(jìn)，實現(xiàn)抽、掘、采接續(xù)交替。該抽采模式可大幅減少巖巷掘進(jìn)量、縮短碎軟煤層瓦斯抽采周期，從而提高瓦斯治理效率、降低瓦斯治理成本。2019年修訂的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》將定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯納入?yún)^(qū)域防突措施，進(jìn)一步強化定向鉆孔在碎軟煤層瓦斯抽采中的應(yīng)用。

圖5 碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采示意

1.2.2 技術(shù)難點

目前，井下普遍應(yīng)用的隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)以清水作為動力介質(zhì)驅(qū)動孔底螺桿馬達(dá)，主要適用于堅固性系數(shù)≥1的中硬穩(wěn)定煤層，由于清水對孔壁的沖刷擾動大，因此不適用于碎軟煤層定向鉆進(jìn)成孔。以空氣作為動力介質(zhì)驅(qū)動螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)是碎軟煤層定向成孔的理想技術(shù)方案，但存在以下技術(shù)難題：① 缺乏定向鉆孔強排渣、精準(zhǔn)軌跡控制和長距離完孔工藝。由于碎軟煤層結(jié)構(gòu)破碎。鉆進(jìn)過程中受外力擾動及瓦斯涌出等不利因素影響，孔內(nèi)鉆渣量較大，若不及時將鉆渣輸送出鉆孔，鉆渣堆積堵塞瓦斯運移通道會形成噴孔等現(xiàn)象，甚至造成卡鉆等事故；瓦斯抽采階段，由于裸孔孔壁自穩(wěn)能力差，而定向鉆孔由于多分支結(jié)構(gòu)導(dǎo)致篩管難以下放至孔底，塌孔易堵塞瓦斯抽采通道。② 缺乏針對碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)的礦用螺桿馬達(dá)。螺桿馬達(dá)是進(jìn)行定向造斜、實現(xiàn)鉆孔軌跡精準(zhǔn)控制的核心工具，現(xiàn)有礦用液動螺桿馬達(dá)工作壓力大(≥2 MPa)、排量小(≤500 L/min)，不適用氣體鉆進(jìn)，而石油天然氣勘探開發(fā)行業(yè)普遍使用的氣動螺桿馬達(dá)直徑大、長度大、啟動壓力大，難以直接應(yīng)用于煤礦井下；此外，氣體對螺桿馬達(dá)的冷卻潤滑效果差，若不采取合理的工藝措施，則會加劇氣動螺桿馬達(dá)的異常磨損。③ 缺乏隨鉆安全監(jiān)控儀器。氣動定向鉆進(jìn)相比液動定向鉆進(jìn)，總體工況更加復(fù)雜，而氣體減振效果差，實現(xiàn)孔底強震動環(huán)境下鉆孔軌跡精準(zhǔn)測量是亟待解決的難題；此外，由于礦用空壓機輸出的壓風(fēng)溫度高，壓風(fēng)冷卻效果差且富含氧氣，容易導(dǎo)致孔內(nèi)著火，因此開展氣體鉆進(jìn)安全監(jiān)測技術(shù)研究，且采取必要的安全預(yù)防措施至關(guān)重要。

1.2.3 碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)技術(shù)

(1)碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)技術(shù)及定向孔篩管完孔工藝。該技術(shù)利用礦用空壓機輸出的壓力氣體作為碎軟煤層定向鉆進(jìn)的動力源和排渣介質(zhì)，驅(qū)動氣動螺桿馬達(dá)帶動鉆頭鉆進(jìn)，減少對孔壁的沖刷擾動，同時配套隨鉆測量系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔軌跡測控，解決碎軟煤層長距離定向成孔難題。針對碎軟煤層煤渣量大、易積聚問題，利用壓力氣體為煤渣提供軸向運移動力，利用異形定向鉆具為煤渣提供周向運移動力，提升了氣體攜渣能力，減少煤渣沉積。針對碎軟煤層易塌孔，影響后期瓦斯抽采的問題，采用定向鉆孔長距離篩管安設(shè)工藝，實現(xiàn)了定向鉆孔篩管護(hù)孔，保障了瓦斯長時間穩(wěn)定抽采。

(2)小直徑耐高溫長壽命氣動螺桿馬達(dá)。氣動螺桿馬達(dá)采用長導(dǎo)程轉(zhuǎn)子、高密封定子線型及多級多頭結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，實現(xiàn)了≤0.3 MPa低壓啟動。針對氣體冷卻潤滑性能差，氣動螺桿馬達(dá)高速回轉(zhuǎn)輸出動力過程中，傳動軸軸承、馬達(dá)總成受高頻交變載荷作用易生熱磨損問題，創(chuàng)新設(shè)計了油密封潤滑裝置，實現(xiàn)了傳動軸密封潤滑，提高了軸承使用壽命；采用氣控油霧潤滑裝置，定量抽吸和高壓霧化潤滑油，隨壓縮氣體進(jìn)入氣動螺桿馬達(dá)，在馬達(dá)總成的定轉(zhuǎn)子間形成潤滑油膜，通過主動潤滑，顯著減緩馬達(dá)總成因高速摩擦生熱而導(dǎo)致的磨損失效。

(3)壓風(fēng)定向鉆進(jìn)隨鉆測量監(jiān)控裝置。為避免壓風(fēng)定向鉆進(jìn)時孔內(nèi)異常升溫帶來的安全隱患，采用礦用有線隨鉆測溫測斜系統(tǒng)，在測量鉆孔傾角、方位角、氣動螺桿馬達(dá)工具面向角的同時，可測量鉆桿內(nèi)溫度和鉆孔環(huán)空溫度等參數(shù)，并采用有線傳輸方式進(jìn)行快速傳輸，實現(xiàn)了鉆孔軌跡、孔內(nèi)溫度的隨鉆監(jiān)測，保障了定向孔施工安全。針對孔口氣體鉆進(jìn)安全監(jiān)測問題，開發(fā)了壓風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用參數(shù)監(jiān)測模塊實時監(jiān)測流量、壓力、溫度和氧氣濃度等進(jìn)風(fēng)參數(shù)和一氧化碳濃度、甲烷濃度、溫度和流量等返風(fēng)參數(shù)，且可進(jìn)行異常報警；采用風(fēng)水聯(lián)動模塊在孔內(nèi)出現(xiàn)異常時立即向孔底注入霧化氣體，實現(xiàn)快速應(yīng)急處理；采用孔口控壓裝置防止管路壓力過高和孔內(nèi)氣體返流，實現(xiàn)安全降噪卸載；同時使壓風(fēng)定向鉆進(jìn)參數(shù)可知、狀態(tài)可控，為鉆進(jìn)施工提供了決策依據(jù)，有效避免了瓦斯異常涌出、孔內(nèi)異常高溫、管路憋壓等安全風(fēng)險。

1.3 采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采模式

1.3.1 技術(shù)需求

井下定向鉆孔采前預(yù)抽可提前降低煤層瓦斯含量，使煤層達(dá)到開采條件。但煤層中仍然存在大量吸附態(tài)瓦斯氣體，當(dāng)煤層回采時，受采動卸壓影響，本煤層和鄰近層含有的瓦斯將會大量釋放，沿采動裂隙運移并聚集于頂板裂隙帶及采空區(qū)中，容易造成上隅角及回風(fēng)巷瓦斯超限，特別是特厚煤層綜放開采，常發(fā)生“低瓦斯賦存、高瓦斯涌出”等異常情況，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅?，F(xiàn)有技術(shù)主要采用高抽巷、通風(fēng)、常規(guī)高位鉆孔等方式進(jìn)行采動卸壓瓦斯抽采，但高抽巷施工效率低、成本高，通風(fēng)和常規(guī)高位鉆孔無法完全解決瓦斯抽采問題。

實踐證明頂板大直徑高位定向鉆孔是治理采動卸壓瓦斯的有效技術(shù)手段，采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采模式主要適用于煤層頂板巖層裂隙帶瓦斯抽采，其技術(shù)原理如圖6所示，即：在工作面回采之前，在回風(fēng)巷一側(cè)布置鉆場，從煤層開孔向頂板目標(biāo)地層中施工定向鉆孔，工作面回采時進(jìn)行采動卸壓瓦斯集中抽采，具有鉆場布設(shè)靈活、軌跡精確可控、有效孔段長、施工周期短、抽采效率高等優(yōu)點。該抽采模式一方面能有效降低采動卸壓瓦斯治理成本和治理周期，另一方面可減少高抽巷掘進(jìn)而增加的矸石運輸量和處理量。

圖6 采動卸壓瓦斯以孔代巷抽采示意

1.3.2 技術(shù)難點

“十二五”期間，隨著大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備的研發(fā)與應(yīng)用，國內(nèi)開始開展“以孔代巷”瓦斯抽采工程實踐，驗證了其抽采原理可行。但受頂板地層復(fù)雜賦存地質(zhì)條件、定向鉆進(jìn)裝備能力有限等因素影響，復(fù)雜頂板大直徑高位定向鉆進(jìn)成孔仍然面臨以下技術(shù)難題：① 先導(dǎo)孔硬巖層鉆進(jìn)效率低、鉆具損耗大。當(dāng)鉆遇頂板局部灰?guī)r、砂巖等堅硬巖層時，常規(guī)螺桿馬達(dá)配套PDC鉆頭鉆具組合以回轉(zhuǎn)切削方式碎巖，深孔鉆進(jìn)條件下鉆頭磨削碎巖速度慢、且易產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，造成先導(dǎo)孔鉆進(jìn)效率低、鉆具磨損嚴(yán)重；② 大直徑擴孔級序多、效率低。增大鉆孔直徑可提升單孔瓦斯抽采能力、減少鉆孔數(shù)量，目前主要采用多次回轉(zhuǎn)擴孔的方式進(jìn)行施工，主要依賴于孔口鉆機輸出扭矩，擴孔動力單一，施工效率低、成孔周期長；由于高位定向鉆孔在穿層孔段和水平孔段軌跡變化幅度大，不利于擴孔動力的高效傳遞，鉆具安全性差、事故風(fēng)險高。③ 復(fù)雜頂板巖層易塌孔卡鉆造成鉆進(jìn)受阻。頂板高位定向鉆孔從煤層開孔后，需穿過多個地層后才能進(jìn)入目標(biāo)地層，其鉆遇的地層類型多，水敏性地層、構(gòu)造破碎帶、軟硬交互地層等復(fù)雜巖層分布廣泛，鉆進(jìn)時易塌孔，不僅可導(dǎo)致排渣通道堵塞，還會產(chǎn)生大量鉆渣，現(xiàn)有技術(shù)缺乏恢復(fù)排渣通道的有效手段，不能滿足連續(xù)、高效排渣需要，易導(dǎo)致卡鉆事故。

1.3.3 復(fù)雜頂板巖層大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)

(1)頂板硬巖提速工具。目前煤礦井下提速工具主要有等壁厚螺桿馬達(dá)、沖擊螺桿馬達(dá)、螺桿馬達(dá)與液動潛孔錘復(fù)合鉆具組合等。等壁厚螺桿馬達(dá)與常規(guī)螺桿馬達(dá)相比，定子橡膠層厚度均勻、相等、變形量小，增大了定子、轉(zhuǎn)子之間的過盈配合量，因而能獲得較高的機械效率和輸出扭矩，其額定輸出扭矩較常規(guī)螺桿馬達(dá)可提高1倍以上。沖擊螺桿馬達(dá)是在螺桿馬達(dá)傳動軸上增設(shè)了沖擊機構(gòu)，提供施加軸向沖擊力，實現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)復(fù)合碎巖。螺桿馬達(dá)與液動潛孔錘復(fù)合鉆具組合，將液動潛孔錘布置于螺桿馬達(dá)與鉆頭之間，同時發(fā)揮螺桿馬達(dá)調(diào)控軌跡和液動潛孔錘高效碎巖的特性，并創(chuàng)新設(shè)計研制出柱片混合型鉆頭，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時，柱齒先承擔(dān)沖擊力，然后再利用PDC片切削碎巖。

(2)多動力分級一次性擴孔技術(shù)。開發(fā)了礦用雙級雙速擴孔工具、小直徑扭力沖擊器、分體式雙級擴孔鉆頭(圖7)等孔底擴孔動力鉆具，利用孔口鉆機和孔底擴孔動力鉆具輸出的多種形式動力聯(lián)合碎巖，可實現(xiàn)120 mm先導(dǎo)定向孔一次性鉆擴至200 mm。該方法將泥漿泵輸出的高壓流體動能和鉆機回轉(zhuǎn)動力結(jié)合，增大了擴孔鉆進(jìn)動力，有效解決了孔底回轉(zhuǎn)動力隨孔深增加衰減的難題。

圖7 分體式雙級擴孔鉆頭

(3)復(fù)雜破碎地層強造斜鉆進(jìn)主動防塌與復(fù)合高效排渣工藝。針對煤層與頂板目標(biāo)地層之間的穿層孔段局部復(fù)雜地層易坍塌問題，設(shè)計了強造斜鉆具組合，造斜能力達(dá)到了0.667(°)/m以上，通過增大鉆孔與地層間的夾角、縮短穿層孔段長度，降低鉆進(jìn)安全風(fēng)險，解決強造斜條件下軌跡控制難題，確保順利進(jìn)入穩(wěn)定目標(biāo)地層。針對目標(biāo)地層內(nèi)易坍塌形成鉆渣積聚問題，設(shè)計了由整體式寬翼片螺旋鉆桿、螺旋無磁鋼鉆具和主體銑槽的螺旋型螺桿馬達(dá)組成的異形定向鉆具組合，利用異形定向鉆具組合回轉(zhuǎn)攪動，輔助沖洗液攜帶、輸運鉆渣，提高鉆渣水平運移速度和清除能力，維持孔內(nèi)循環(huán)排渣通道通暢，降低了卡鉆風(fēng)險。

2 工程實踐

2.1 中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采工程實踐

2.1.1 工程概況

保德煤礦位于山西省忻州市，屬于高瓦斯礦井，其主采8號煤層為中硬煤層，平均厚度6.83 m，煤層平均傾角3.5°，瓦斯含量為0.480～7.856 m/t。保德煤礦主要采用區(qū)域遞進(jìn)式模式進(jìn)行瓦斯抽采治理，為進(jìn)一步提升瓦斯抽采效率，在保德煤礦二盤區(qū)進(jìn)行了順煤層超長孔定向鉆進(jìn)試驗，開展了大盤區(qū)瓦斯超前抽采工程實踐。

2.1.2 成孔效果

2017年，利用ZDY12000LD型大功率定向鉆機、YHD2-1000(A)有線隨鉆測量系統(tǒng)等裝備，完成主孔深度2 311 m的超長定向鉆孔，總進(jìn)尺3 094 m，探頂開分支15次，平均日進(jìn)155 m，復(fù)合鉆進(jìn)孔段占總進(jìn)尺65%，這是我國首次完成主孔深度超過2 000 m的順煤層超長定向鉆孔。

2019年，利用ZDY15000LD型大功率定向鉆機、YHD3-3000泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)等裝備，完成了主孔深度2 570 m和3 353 m的超長定向鉆孔。其中3 353 m超長定向鉆孔總進(jìn)尺4 428 m，復(fù)合鉆進(jìn)孔段占總進(jìn)尺90%以上，平均日進(jìn)尺210 m。正反扭轉(zhuǎn)技術(shù)和水力加壓螺桿馬達(dá)的應(yīng)用使滑動定向鉆進(jìn)阻力降低30%以上，滑動定向鉆進(jìn)極限深度從1 800 m 提高到2 700 m以上；復(fù)合鉆進(jìn)側(cè)鉆分支點最大深度達(dá)到3 198 m，實現(xiàn)了鉆孔軌跡的精確控制，鉆孔中靶坐標(biāo)誤差小于0.15%；泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)信號傳輸穩(wěn)定可靠，解碼準(zhǔn)確率達(dá)到98%以上，孔內(nèi)連續(xù)工作時間超過480 h。

2.1.3 瓦斯抽采效果

如圖8所示，孔深2 311 m超長定向鉆孔已穩(wěn)定抽采超1 200 d，累計抽采瓦斯量320余萬m，日均產(chǎn)氣量約3 022 m；孔深2 570 m超長定向鉆孔已穩(wěn)定抽采超800 d，累計抽采瓦斯240余萬m，日均產(chǎn)氣量約2 980 m；3 353 m超長定向鉆孔已穩(wěn)定抽采超600 d，累計抽采瓦斯430余萬m，日均產(chǎn)氣量7 015 m。

圖8 保德煤礦超長定向鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)

瓦斯抽采實踐證明：超長定向鉆孔抽采持續(xù)時間長，抽采量穩(wěn)定、衰減不明顯，實現(xiàn)了大盤區(qū)順煤層超長定向鉆孔的長期、穩(wěn)定、高效抽采，為大盤區(qū)采掘優(yōu)化部署奠定了基礎(chǔ)。

2.2 碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采工程實踐

2.2.1 工程概況

青龍煤礦位于貴州省畢節(jié)市，屬于煤與瓦斯突出礦井，其主采的16號煤層瓦斯含量高、壓力大，煤體結(jié)構(gòu)破碎，最大瓦斯壓力1.73 MPa，平均瓦斯含量15.62 t/m，堅固性系數(shù)0.37。傳統(tǒng)的以“底抽巷+穿層鉆孔+順層鉆孔”的瓦斯治理模式周期長、成本高，造成采掘銜接緊張；以清水為沖洗液的定向鉆進(jìn)技術(shù)對孔壁的沖刷擾動大，難以滿足碎軟煤層定向鉆進(jìn)成孔需要，瓦斯抽采成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的首要因素。因此，亟需突破碎軟煤層定向鉆進(jìn)技術(shù)瓶頸，通過碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采，緩解礦井采掘接續(xù)壓力。

2.2.2 成孔效果

在21608運輸巷南段鉆場和21601運輸巷鉆場開展了煤巷條帶瓦斯超前預(yù)抽試驗，鉆孔設(shè)計深度300 m、孔徑108 mm、間距7 m，同時覆蓋待掘巷道兩側(cè)各20 m。2個鉆場共施工鉆孔19個，最大孔深345 m，累計進(jìn)尺7 758 m，300 m以上鉆孔成孔率達(dá)到76%。

以21606運輸巷為鉆場，開展了工作面區(qū)域抽采試驗，鉆孔設(shè)計深度150 m、間距6 m，共施工鉆孔253個，累計進(jìn)尺31 874 m，95%鉆孔達(dá)到設(shè)計深度，實現(xiàn)了工作面區(qū)域全覆蓋。

2.2.3 瓦斯抽采效果

21608運輸巷南段鉆場平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在70%左右，鉆場瓦斯抽采純量達(dá)到4.0 m/min，定向鉆孔單孔瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔的5～10倍、抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)較常規(guī)鉆孔提升60%，已累計抽采瓦斯11.5萬m。

21601運輸巷鉆場已完成抽采，采用分段檢驗方法進(jìn)行了區(qū)域措施效果檢驗，煤層剩余瓦斯含量和瓦斯壓力降低到達(dá)標(biāo)值以下，檢驗合格區(qū)段內(nèi)已安全掘進(jìn)，未發(fā)生瓦斯超限等事故。21606運輸巷定向鉆孔主管路瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到62.4%，瓦斯抽采純量7.5 m/min，累計抽采瓦斯超過400萬m。

青龍煤礦已大規(guī)模采用碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備進(jìn)行區(qū)域瓦斯預(yù)抽，解決了煤巷條帶和回采工作面瓦斯區(qū)域抽采難題，實現(xiàn)了碎軟煤層精準(zhǔn)、超前區(qū)域瓦斯抽采治理，有效緩解了礦井采掘接替矛盾。

2.3 采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采工程實踐

2.3.1 工程概況

顧橋煤礦位于安徽省淮南市，屬于高瓦斯礦井，其主采13-1煤層埋深-780 m，厚度4 m左右，瓦斯含量5.3 m/t，瓦斯壓力0.2～0.5 MPa。13-1煤層回采過程中，本煤層卸壓瓦斯聚集于頂板裂隙帶，上鄰近層13-2薄煤層受采動卸壓影響，瓦斯沿裂隙流向13-1工作面，容易造成13-1煤層回采工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯超限。此外，13-1煤層直接頂以砂質(zhì)泥巖和深灰色泥巖為主，巖層穩(wěn)定性差、裂隙發(fā)育程度高、力學(xué)強度低；13-1煤層直接頂與基本頂層間粘結(jié)弱，極易發(fā)生離層垮落。長期以來，顧橋煤礦頂板復(fù)雜巖層定向鉆進(jìn)成孔困難，采用高抽巷的方式進(jìn)行采動卸壓瓦斯抽采，存在施工周期長、維護(hù)成本高等不足。因此，亟需創(chuàng)新采動卸壓瓦斯高效抽采模式和技術(shù)。

2.3.2 成孔效果

采用復(fù)雜頂板巖層大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)，在顧橋煤礦中央?yún)^(qū)1123(3)工作面和南區(qū)1212(3)工作面等進(jìn)行了現(xiàn)場試驗和推廣應(yīng)用，共完成頂板高位定向鉆孔17個，總進(jìn)尺8 261 m，最大鉆孔深度為536 m，平均日進(jìn)尺大于130 m。實鉆表明：鉆孔穿層爬坡孔段，采用強造斜主動防塌技術(shù)，提升了孔壁穩(wěn)定性；目標(biāo)地層鉆進(jìn)孔段，利用異形定向鉆具復(fù)合排渣，有利于沖洗液將鉆渣迅速排出孔外，避免了沉渣卡鉆等問題；大直徑多動力分級一次性擴孔技術(shù)顯著增加了頂板高位定向鉆孔孔徑，提高了擴孔效率，提升了采動卸壓瓦斯抽采效果。

2.3.3 瓦斯抽采效果

以顧橋煤礦中央?yún)^(qū)1123(3)工作面為例，當(dāng)回采工作面推進(jìn)過孔底一定距離后，頂板高位定向鉆孔抽采瓦斯純量和體積分?jǐn)?shù)開始增加并保持穩(wěn)定。其中2號鉆孔抽采瓦斯純量穩(wěn)定在7 m/min左右，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為35%，并且隨著工作面周期性來壓冒落，瓦斯抽采純量表現(xiàn)出波動性變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 鉆孔純瓦斯流量隨工作面過終孔點距離變化曲線[25]

鉆場主管路瓦斯抽采純量平均達(dá)到11.07 m/min，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)31.39%，與鄰近高抽巷抽采水平相當(dāng)。目前，該工作面已經(jīng)安全回采，回風(fēng)和上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值為0.035%，未發(fā)生瓦斯超限事故，表明采用大直徑高位定向鉆孔代替高抽巷進(jìn)行采動卸壓瓦斯抽采治理是可行的。

3 結(jié) 論

(1)煤礦井下隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的進(jìn)步推動了瓦斯治理模式的轉(zhuǎn)變，瓦斯防治逐步向區(qū)域化、精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，形成了以中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采、碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采和采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采為內(nèi)涵的全域化瓦斯抽采模式。

(2)基于中硬煤層、碎軟煤層和采動卸壓瓦斯全域化精準(zhǔn)抽采需求及其技術(shù)難點，開發(fā)了中硬煤層超長孔定向鉆進(jìn)技術(shù)、碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)技術(shù)和復(fù)雜頂板巖層大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)，拓寬了定向鉆進(jìn)技術(shù)適用地層范圍，并有效提升了鉆孔成孔深度、成孔效率和瓦斯抽采效果。

(3)現(xiàn)場實踐表明：中硬煤層順煤層定向鉆進(jìn)成孔最大深度達(dá)3 353 m，實現(xiàn)了礦井大盤區(qū)瓦斯超前治理；碎軟煤層中孔深300 m以上定向鉆孔成孔率達(dá)76%，實現(xiàn)了煤巷條帶、采煤工作面超前區(qū)域精準(zhǔn)抽采；復(fù)雜頂板巖層中定向鉆孔深度普遍達(dá)到500 m以上，推動實現(xiàn)了“以孔代巷”技術(shù)發(fā)展。