定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤與瓦斯突出礦井中的試驗(yàn)研究

張建國，陶云奇，李喜員，張 帆，高建成

(1.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；2.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；3.鄭州慧礦智能科技有限公司，河南 鄭州 451484)

平頂山天安煤業(yè)股份有限公司十一礦(以下簡稱“平煤股份十一礦”)為煤與瓦斯突出礦井，常規(guī)采用底板巖石巷+穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，雖然該措施能夠?qū)崿F(xiàn)煤層消突，但存在治理成本高、鉆孔工程量大、鉆孔利用率低、施工時(shí)間長等缺陷[1-6]。為探索高效的區(qū)域瓦斯治理新模式，平煤股份十一礦積極采用定向鉆進(jìn)技術(shù)開展以孔代巷現(xiàn)場工業(yè)性試驗(yàn)[7]，實(shí)施區(qū)域預(yù)測和區(qū)域防突措施進(jìn)行區(qū)域消突。定向鉆進(jìn)技術(shù)通常用于瓦斯防治[8-12]、防治水[13-15]、地質(zhì)探測[16-17]、通風(fēng)除塵[18]等領(lǐng)域，諸多專家學(xué)者對(duì)該技術(shù)開展了大量的研究工作，并取得顯著成果。孫四清等[19]提出了定向鉆孔煤層瓦斯含量測試密閉取心方法，采用研制的密閉取心裝置進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)；周加佳[20]分析了煤層氣井間接壓裂適應(yīng)性、壓裂裂縫擴(kuò)展規(guī)律；李泉新[21]采用復(fù)合定向與排渣技術(shù)在碎軟煤層施工了定向鉆孔，覆蓋了工作面和待掘巷道設(shè)計(jì)區(qū)域；石智軍等[22]分析了煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)在煤礦安全領(lǐng)域的優(yōu)勢；鄭凱歌[23]在碎軟煤層底板施工了梳狀定向長鉆孔，開展了分段水力壓裂現(xiàn)場試驗(yàn)，增透效果顯著。

鑒于上述分析，平煤十一礦以己16-17-24070、己16-17-24090工作面為試驗(yàn)地點(diǎn)，開展定向鉆機(jī)以孔代巷區(qū)域瓦斯治理技術(shù)研究，積極采用以孔代巷技術(shù)探查煤層、瓦斯賦存特征，以期為掌握煤層賦存、瓦斯參數(shù)提供可靠的技術(shù)支撐和參數(shù)依據(jù)，形成平煤股份十一礦新的瓦斯治理模式。

1 定向鉆機(jī)施工方案

1.1 試驗(yàn)區(qū)工作面概況

己16-17-24070、己16-17-24090工作面位于二水平己四采區(qū)東翼(圖1)，主采己16-17煤層，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，該煤層位于山西組下部，上距二2煤15.42 m，下距L7灰?guī)r10.84 m，煤厚1.2～6.4 m，平均厚5.8 m，屬較穩(wěn)定型基本全區(qū)可采的厚煤層，局部含矸1～3層，巖性為泥巖或炭質(zhì)泥巖。己16-17煤層的直接頂板為深灰色砂質(zhì)泥巖和泥巖，有時(shí)相變?yōu)樯皫r和粉砂巖；直接底板為黑色泥巖和砂質(zhì)泥巖，有時(shí)相變?yōu)榉凵皫r，局部出現(xiàn)炭質(zhì)泥巖偽頂和偽底、黃鐵礦巖層，巖性特征見表1。

圖1 己16-17-24070、己16-17-24090工作面位置示意

表1 己16-17-24070工作面煤層頂、底板巖性特征

1.2 定向鉆進(jìn)施工裝備

為了更好地開展定向鉆孔現(xiàn)場試驗(yàn)，前期采用目前裝備水平最高的VLD-1000型千米定向鉆機(jī)(圖2)及其配套設(shè)備進(jìn)行施工。鉆機(jī)長3 850 mm、寬2 200 mm、高1 750 mm，電機(jī)輸出功率為90 kW，額定電流為98 A/57 A。

圖2 VLD-1000型千米定向鉆機(jī)

后期定向鉆孔施工裝備更換為ZYWL-6000DS型煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)(圖3)和ZYWL-13000DS型與鉆機(jī)配套的泥漿泵。鉆機(jī)主車長3 700 mm、寬1 450 mm、高2 100 mm，額定輸出轉(zhuǎn)速為0～210 r/min，電動(dòng)機(jī)功率為75 kW，動(dòng)力頭/泥漿泵馬達(dá)參數(shù)為A6V160/A6V107。

圖3 ZYWL-6000DS型煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)

1.3 定向鉆孔施工設(shè)計(jì)方案

1.3.1 沿煤層走向定向鉆孔施工設(shè)計(jì)

依據(jù)定向鉆孔施工地點(diǎn)及其施工孔長，沿煤層走向方向第1單元定向鉆孔鉆場位于己16-17-22221工作面切眼底板巷，分別命名為1號(hào)鉆場、2號(hào)鉆場。1-1鉆孔(圖4)設(shè)計(jì)孔深528 m，施工地點(diǎn)為己16-17-22220切眼下口，主孔布置在煤層頂板5～6 m的砂質(zhì)泥巖層；1-2鉆孔(圖5)設(shè)計(jì)孔深201 m，施工地點(diǎn)位于己16-17-22220切眼下口，該孔呈偽傾斜布置。

圖4 1-1定向鉆孔設(shè)計(jì)示意

圖5 1-2定向鉆孔設(shè)計(jì)示意

1.3.2 沿煤層傾向定向鉆孔施工設(shè)計(jì)

前期采用VLD-1000型千米定向鉆機(jī)沿煤層走向鉆進(jìn)非常困難，然后將試驗(yàn)區(qū)域改為己16-17-24070工作面及其運(yùn)輸巷外幫30 m，定向鉆孔施工裝備更換為ZYWL-6000DS型煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)及ZYWL-13000DS型與鉆機(jī)配套的泥漿泵。

通過在己16-17-24050工作面運(yùn)輸巷向己16-17-24070工作面施工梳狀定向分支孔，在運(yùn)輸巷煤層中對(duì)擬施工的定向鉆孔開孔，開孔位置距煤層頂板下方0.5 m處的煤層中。主孔沿煤層傾向從煤層中穿層至煤層頂板砂質(zhì)泥巖中，分支孔由煤層頂板穿入煤層，施工至目標(biāo)區(qū)域時(shí)，降低鉆孔施工至目標(biāo)位置取煤樣，同孔分支孔間距200 m，鄰孔分支孔垂直間距和水平間距均為100 m(圖6)。

圖6 沿煤層傾向定向鉆孔設(shè)計(jì)示意

2 定向鉆孔鉆進(jìn)效果及分析

2.1 沿煤層走向定向鉆孔鉆進(jìn)效果及分析

1-1定向鉆孔共施工14個(gè)定向分支孔(圖7(a))，累計(jì)施工進(jìn)尺1 281 m，最深定向鉆進(jìn)孔深為417 m。1-2定向鉆孔共計(jì)開設(shè)7個(gè)分支，累計(jì)鉆孔進(jìn)尺為501 m，最深定向鉆進(jìn)孔深為183 m。打鉆期間的返渣情況表明，由于定向鉆孔需沿著穩(wěn)定巖層鉆進(jìn)，但是煤層頂板的泥巖、砂質(zhì)泥巖層位沿走向賦存不穩(wěn)定，巖性在砂質(zhì)泥巖、泥巖、砂巖之間相變，導(dǎo)致定向鉆進(jìn)非常困難，經(jīng)常出現(xiàn)垮孔、卡鉆，無法按照設(shè)計(jì)進(jìn)入煤層，只能后退開分支繼續(xù)鉆進(jìn)。定向鉆孔實(shí)鉆軌跡表明，定向鉆孔在煤層頂板中施工難度非常大，頂板破碎、巖性變化大、埋深大、應(yīng)力大，容易產(chǎn)生塌孔、卡鉆等不利狀況，施工過程非常曲折。通過沿煤層走向施工定向鉆孔可知，定向主孔布置在煤層頂板約3 m的砂質(zhì)泥巖、砂巖層，易于鉆進(jìn)，成孔率高；同下行孔相比，上行孔易于返水、返渣、取樣成功率高。

圖7 1-1定向鉆孔實(shí)鉆軌跡平、剖面

2.2 沿煤層傾向定向鉆孔鉆進(jìn)效果及分析

2號(hào)鉆場1號(hào)孔采用ZYWL-6000DS型煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)及配套泥漿泵施工了3個(gè)定向分支孔：2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔。定向鉆孔實(shí)鉆軌跡平、剖面如圖8所示，定向鉆孔總進(jìn)尺為681 m，其中巖孔段598.7 m、煤孔段82.3 m，煤層厚度為5.8～6.0 m。

圖8 2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔實(shí)鉆軌跡

2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔實(shí)鉆工程參數(shù)見表2，共取煤樣成功3次，經(jīng)過測試得出2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔3次取樣點(diǎn)采集的煤樣瓦斯含量分別為3.98、4.02、4.15 m3/t，該鉆孔測得的瓦斯壓力為0.18 MPa，均低于河南省規(guī)定的“雙6”指標(biāo)。

表2 2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔實(shí)鉆工程參數(shù)統(tǒng)計(jì)

2.3 定向鉆孔現(xiàn)場鉆進(jìn)效果差異化分析

通過對(duì)比前期、后期的定向鉆孔鉆進(jìn)效果，得出定向鉆進(jìn)差異化的主要原因如下。

(1)己16-17煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，不同巖性巖層、煤層和巖層的交界處及黃鐵礦巖層極易出現(xiàn)塌孔、卡鉆；巖層賦存狀態(tài)不穩(wěn)定，部分區(qū)域的巖性變化較大，導(dǎo)致沿煤層走向鉆進(jìn)困難，無法按照設(shè)計(jì)完成定向鉆孔的鉆進(jìn)。

(2)己16-17煤層埋深大，頂板壓力大，鉆孔容易塌孔、縮孔，給定向鉆進(jìn)帶來巨大困難。

(3)頂板中泥巖遇水膨脹，時(shí)間稍長容易發(fā)生卡鉆、抱鉆。

(4)ZYWL-6000DS型煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)和ZYWL-13000DS型鉆機(jī)配套的泥漿泵施工定向鉆孔的過程中，水壓大、動(dòng)力足，有利于返渣。

(5)無論定向鉆孔主孔布置在煤層頂板還是底板，鉆進(jìn)下行孔時(shí)均會(huì)在孔內(nèi)最低處存在積水、堆積巖(煤)渣。在高地應(yīng)力下，下行孔的塌孔、鉆孔變形程度遠(yuǎn)比上行孔嚴(yán)重。

(6)鉆孔傾角、方位角變化平緩，鉆孔內(nèi)部的阻力相對(duì)比較小，有利于排渣、取樣。

2.4 效益分析

己16-17-24070工作面區(qū)域瓦斯治理任務(wù)，按照常規(guī)的區(qū)域瓦斯治理措施，共需資金約5 819.8萬元，而按照以孔代巷區(qū)域瓦斯治理技術(shù)措施，預(yù)計(jì)需資金約2 860萬元，節(jié)約瓦斯治理費(fèi)用2 959.8萬元，預(yù)計(jì)可提前8個(gè)月準(zhǔn)備出工作面組織煤炭生產(chǎn)，提前采出煤炭約120萬t，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

定向鉆機(jī)以孔代巷區(qū)域瓦斯治理技術(shù)的實(shí)施，開辟了煤礦井下區(qū)域瓦斯治理新途徑，縮短了瓦斯治理工期，減少了人員和財(cái)物的投入，化解了礦井采掘接替困難，有利于促進(jìn)煤炭行業(yè)的科技進(jìn)步，提高礦井科技創(chuàng)新水平，為平頂山礦區(qū)開辟了區(qū)域瓦斯治理的新模式。

3 結(jié)論

(1)平煤股份十一礦前期采用VLD-1000型千米定向鉆機(jī)，在己16-17煤層頂板沿走向施工梳狀定向分支孔，1-1定向鉆孔施工1 281 m，最深鉆至417 m，由于煤層頂板巖性賦存不穩(wěn)定，頂板破碎，應(yīng)力大，導(dǎo)致鉆孔垮孔、卡鉆，鉆進(jìn)過程非常困難。

(2)十一礦后期采用ZYWL-6000DS型煤礦用雙履帶式全液壓定向鉆機(jī)和ZYWL-13000DS型鉆機(jī)配套的泥漿泵，沿煤層傾向施工頂板定向梳狀分支孔，2-1定向鉆孔在不同位置成功取到3次煤樣，測得原始最大瓦斯含量4.15 m3/t，最大瓦斯壓力0.18 MPa。

(3)己16-17煤層埋深大、應(yīng)力大，定向鉆孔沿煤層走向鉆進(jìn)出現(xiàn)塌孔、卡鉆，頂板巖層賦存不穩(wěn)定、頂板破碎，巖性沿煤層走向變化較大，不利于沿煤層走向定向鉆進(jìn)；沿煤層傾向反而適宜采用定向鉆進(jìn)技術(shù)施工梳狀定向分支孔；定向鉆孔在遇到泥巖后容易遇水膨脹，發(fā)生抱鉆事故。經(jīng)過現(xiàn)場試驗(yàn)，初步形成了適用于平煤股份十一礦的新的瓦斯治理模式。