負角度定向長鉆孔瓦斯抽采完孔工藝研究

馬 贊，陳冬冬，解恒星，陳天柱，王 彬，賈秉義

(1.貴州金沙龍鳳煤業有限公司，貴州 金沙 551800；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦瓦斯抽采是防治瓦斯災害事故、實現瓦斯綜合利用的有效措施[1-2]。定向鉆進工藝可跨盤(采)區、工作面進行鉆孔施工，實現大區域、超長距離、遞進式煤層瓦斯精準高效抽采，可大幅增加鉆孔抽采范圍，解決了高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井瓦斯災害治理的時空矛盾[3-6]。目前常用的液動定向鉆進技術適用于堅固性系數(f值)大于0.8 的中硬煤層中，中硬煤層順層鉆進成孔性較好，通常無需采取篩管護孔措施即可取得較好的抽采效果。同時，受礦井采掘部署影響，負角度鉆孔(下向孔)在煤礦生產中有著較為廣泛的應用。但下向孔積水可能造成鉆孔孔壁失穩變形甚至坍塌，導致孔內瓦斯抽采通道堵塞等問題，將致使鉆孔瓦斯抽采量降低[7-9]，影響瓦斯抽采效果，對于定向長鉆孔更是如此，若局部出現塌孔問題，將導致大量鉆孔失效，造成瓦斯抽采盲區，嚴重影響定向長鉆孔瓦斯抽采技術的高效性、經濟性和實用性。

針對下向鉆孔的排水問題，國內外學者開展了相關研究，常用的主要方法有壓風排水法、孔外泵抽和孔內泵排等，雖然取得了一些成果，但均集中在底板巷穿層下向孔或較短長度的順層下向孔中[10]，對于長距離(大于300 m)的下向鉆孔積水問題，現有常規方法均無法有效解決，且鮮有見到相關的研究報道。因此，在無有效排水措施的前提下，對于中硬煤層負角度定向長鉆孔而言，是否需要采取護孔工藝，二者的抽采效果差異是值得商榷的生產實際問題。基于此，筆者以貴州龍鳳煤礦9 號中硬煤層為研究對象，考察分析了采取護孔和未護孔2 種完孔工藝的負角度定向長鉆孔瓦斯抽采效果，以期為中硬煤層定向長鉆孔合理抽采工藝提供參考。

1 負角度定向長鉆孔篩管護孔工藝技術

1.1 失穩分析

定向長鉆孔抽采瓦斯工藝作為防治煤與瓦斯突出災害事故的重要措施，已被廣泛應用，與普通鉆孔相比，定向鉆孔具有鉆孔軌跡精確可控、成孔性較好、鉆孔深度大、覆蓋范圍廣、瓦斯抽采效率高等優點。但是在負角度定向長鉆孔成孔后，鉆孔積水可能造成鉆孔孔壁失穩變形甚至坍塌，鉆孔孔壁穩定性極差，導致鉆孔抽采有效截面積減小，瓦斯抽采效果無法得到保證，嚴重影響煤礦企業的安全生產。負角度定向長鉆孔成孔后造成孔內失穩具有以下特征：

①在突出煤層中，煤層破碎、強度低、黏聚力小、吸附能力強、易膨脹，為塑性圍巖，不利于鉆孔孔壁的穩定，極易造成鉆孔失穩、坍塌。

② 積水對煤層可以產生軟化、泥化作用，導致鉆孔發生體積膨脹、崩解等明顯變化；在負角度定向長鉆孔中，鉆孔孔壁周圍的煤體吸附大量的水分，會發生近似整體向內平移的失穩塌孔現象。

③長鉆孔失穩塌孔，煤體自身因素起著決定性的作用，但是外部因素的作用也很重要，在煤礦開采過程中，煤巷掘進、臨近層開采、爆破等都會造成鉆孔失穩變形；此外，附近鉆孔施工也是造成其變形的原因，而且，由于煤層具有流變及蠕變特性，時間因素也是考慮鉆孔失穩變形的重要因素之一。

1.2 篩管護孔工藝

如何解決已形成鉆孔坍塌失效成為亟待解決問題。篩管護孔工藝既解決了鉆孔縮徑、坍塌失效的問題，又不影響瓦斯抽采，有效保證了鉆孔抽采瓦斯的可靠性和有效性。在順層或穿層短距離鉆孔中，常規下護孔篩管技術需借助人工助推方式下入護孔篩管，但人工助推能力有限，無法實現遠距離或全孔下篩管[11-15]。隨著技術的不斷革新與進步，隨鉆下護孔篩管技術日趨成熟，使用可開閉式鉆頭利用機械助推方式配合大通孔螺旋鉆桿實現遠距離下入護孔篩管，其工藝流程為：首先利用定向回轉鉆進工藝施工定向長鉆孔，待達到設計孔深之后，提鉆終孔。從鉆桿中心利用機械方式下入護孔篩管，下至設計孔深后，退出孔內鉆具，護孔篩管留在孔內作為鉆孔內瓦斯抽采通道[16-18]。

1.3 不同完孔工藝效果分析

在已成形負角度定向鉆孔中，由于打鉆積水和地層水的存在，鉆孔內存在積水，且對于長距離、大垂深鉆孔而言，孔內積水不能被負壓抽采和涌出瓦斯有效攜帶，致使其在鉆孔中始終聚積[19-20]。鉆孔揭露的煤體長期浸泡在水中，煤體的含水飽和度增高，煤體顆粒之間充滿水，導致表面張力消失，剪切強度減小，煤體強度變低，造成鉆孔力學失穩，表現為縮徑、掉渣、掉塊甚至坍塌。對于中硬煤層而言，含水鉆孔的孔壁煤體力學失穩不一定會造成坍塌堵塞，本文中2 種完孔工藝的定向鉆孔的瓦斯抽采量沒有出現突然衰減和明顯下降，間接也表明孔內應沒有出現大面積塌孔造成的鉆孔失效；但隨著煤體浸泡時間的增加，造成縮徑、掉渣、掉塊等效應會逐漸增加鉆孔摩擦阻力，導致孔內負壓損失較大，瓦斯運移壓力梯度逐步減小。同時，掉渣、掉塊效應一定程度上雖然不會堵塞瓦斯流動通道，但會直接導致鉆孔有效截面積大幅減小，如圖1 所示。因此，初步分析認為，中硬煤層負角度定向長鉆孔積水導致的負壓損失、孔壁變形、渣塊沉積等使得鉆孔有效抽采面積減少，這是造成未護孔條件下瓦斯長期抽采效果差的主要原因。下入護孔篩管后，篩管的支撐作用緩解且防止孔壁的進一步變形，維持了鉆孔抽采有效截面積，并且可以作為長期的瓦斯抽采通道，如圖2 所示，既解決鉆孔坍塌失效的問題，又不影響瓦斯抽采，延長了鉆孔的服務周期，有效保障瓦斯抽采鉆孔的可靠性和有效性。

圖1 未下入護孔篩管定向鉆孔瓦斯運移趨勢Fig.1 Trend of gas migration in directional drilling holes without protective screen pipe

圖2 下入護孔篩管定向鉆孔瓦斯運移趨勢Fig.2 Trend of gas migration in directional drilling holes with protective pipe

2 工程實踐

2.1 礦井概況

貴州金沙龍鳳煤業有限公司(簡稱“龍鳳煤礦”)位于貴州省金沙縣西南部，礦井分兩期建設，一期生產能力為120 萬t/a，為煤與瓦斯突出礦井；礦井目前處于基建階段，首采區位于礦區中部，主采二疊系龍潭組9 號煤層，煤質為高變質無煙煤。礦井開拓期間，實測9 號煤層最大瓦斯含量15.74 m3/t、煤層瓦斯壓力 1.26 MPa，透氣性系數 0.022～0.096 m2/(MPa2·d)、鉆孔流量衰減系數0.14～0.24 d–1，屬于較難抽采煤層。首采1903 工作面沿傾向布置，落差近160 m(切眼低)，平均傾角–8°，工作面長度200 m、煤層厚度2.80 m，結構較簡單、一般不含夾矸，煤層頂底板巖性為泥巖、粉砂巖或砂質泥巖；區域地層走向NE、傾向SE，地質構造復雜程度屬中等類型。

實測9 號煤堅固性系數(f值)1.94，適合定向長鉆孔施工，為實現工作面瓦斯超前抽采與高效治理，保障礦井首采工作面瓦斯治理工程超前實施，在已完成的開拓巷道和工作面底板巷道施工負角度定向長鉆孔，超前預抽掘進區域煤層瓦斯，滿足礦井快速掘進及按期投產的要求。

2.2 不同完孔工藝定向長鉆孔設計與施工

由于龍鳳煤礦首采1903 工作面沿傾向布置，設計負角度鉆孔順煤層鉆進預抽煤層瓦斯。在無有效排水措施的前提下，針對負角度定向長鉆孔在1903工作面運輸巷道和回風巷道分別采取未護孔和護孔2 種完孔工藝。

2.2.1 未護孔工藝

開孔點位于回風斜井9 號煤層揭煤鉆場，向1903 運輸巷道掘進區域實施負角度定向長鉆孔，最外側鉆孔終孔點位于巷道輪廓線外15 m，共設計7個鉆孔，鉆孔孔徑96 mm，設計鉆孔沿煤層鉆進深度不小于200 m，實鉆軌跡如圖3 和圖4 所示。采用ZDY4000LD 定向鉆機施工完成7 個9 號煤定向鉆孔施工，鉆孔平面間距6 m、平均傾角–8°，累計進尺2 799 m，見煤段總長2 467 m，最大主孔孔深330 m，孔口至孔底落差平均為40 m，鉆孔施工參數見表1。

表1 回風斜井鉆場定向長鉆孔實鉆軌跡參數Table 1 Parameters of actual drilling trajectory of directional long borehole in return air inclined well drilling site

圖3 工作面掘進區域負角度定向長鉆孔布置Fig.3 Arrangement of the directional long boreholes with negative angle in the heading area of working face

圖4 回風斜井鉆場定向長鉆孔實鉆軌跡剖面 (以1 號孔為例)Fig.4 The actual drilling trajectory of the directional long borehole at the return air inclined well drilling site(No.1 bore hole)

2.2.2 護孔工藝

在軌道1 號聯里程30 m 處，分別在左右兩幫布置鉆場，向1903 工作面回風巷道掘進區域實施負角度定向長鉆孔，最外側鉆孔終孔點位于巷道輪廓線外15 m，共設計7 個鉆孔，鉆孔孔徑96 mm。采用ZDY4000LD 定向鉆機施工完成7 個9 號煤定向鉆孔，鉆孔間距6 m、平均傾角–8°，孔口至孔底落差平均為40.3 m，累計進尺2 886 m，見煤段總長2 440 m，最大主孔孔深363 m。為了對比考察，采用鉆孔下篩管工藝進行護孔，選用的可開閉式鉆頭配合大通孔螺旋鉆桿下篩管工藝，最大下深可達360 m，實鉆平面軌跡如圖3 所示，鉆孔施工參數和篩管護孔參數見表2。

表2 軌道1 號聯巷鉆場定向長鉆孔實鉆軌跡參數Table 2 Parameters of actual drilling trajectory for directional long boreholes in the track No.1 joint drilling site

3 不同護孔工藝瓦斯抽采效果考察與分析

通過現場排查和數據分析發現，同一鉆場內部分定向鉆孔之間存在串孔，同時，單孔抽采數據與鉆場抽采數據存在誤差。為此，為保證分析結果的準確性和代表性，選取鉆場瓦斯抽采量作為考察與分析的基礎數據。

3.1 瓦斯抽采量跟蹤考察

回風斜井未護孔定向鉆場累計抽采213 d，瓦斯抽采純量0.18～10.25 m3/min、平均1.87 m3/min，瓦斯抽采體積分數13.00%～77.30%，平均55.12%。軌道1 號聯巷護孔工藝定向鉆場累計抽采時間141 d，鉆場瓦斯抽采純量為0.49～3.75 m3/min、平均2.09 m3/min，瓦斯抽采體積分數8.80%～89.70%，平均51.74%。由圖5 和圖6 對比分析可知，在瓦斯抽采前30 d，2 種完孔工藝鉆孔瓦斯抽采量差別不大，且二者的瓦斯抽采曲線均較為平緩，瓦斯抽采量沒有出現突然衰減和明顯下降，說明孔內應沒有出現大面積塌孔造成的鉆孔失效現象。

圖5 未護孔工藝負角度定向長鉆孔瓦斯抽采量變化曲線Fig.5 Variation curves of gas drainage volume of negative-angle directional long borehole with unprotected hole technology

圖6 篩管護孔工藝負角度定向長鉆孔瓦斯抽采量變化曲線Fig.6 Nariation curves of gas drainage volume of negative angle directional drilling long boreholes with screen pipe protection

3.2 瓦斯抽采規律對比分析

為進一步對比分析不同完孔工藝的瓦斯抽采效果，對表征鉆孔瓦斯抽采效果參數的初始瓦斯抽采量(q0)和瓦斯抽采量衰減系數(β)進行擬合分析；二者對鉆孔瓦斯抽采效果起著決定性作用；q0越大、β越小，則鉆孔瓦斯抽采效果就越好；反之，則越差。鉆孔初始瓦斯抽采量(q0)和瓦斯抽采量衰減系數(β)的值可根據(t,qt)數組按下式回歸分析求得：

式中：qt為抽采時間t下每100 m 鉆孔平均瓦斯抽采量，m3/min；q0為百米鉆孔初始瓦斯抽采量，m3/min；β為鉆孔瓦斯抽采量衰減系數，d–1；t為區段內鉆孔平均抽采時間，d。

對2 種完孔工藝的瓦斯抽采量數據進行了進一步的數據整理、分析和擬合，得到了二者的瓦斯抽采量與抽采時間之間的冪指數關系。

護孔負角度定向長鉆孔：

未護孔負角度定向長鉆孔：

由式(2)和式(3)得出：采取護孔工藝負角度定向長鉆孔初始瓦斯抽采量(q0)為0.137 0 m3/min，瓦斯抽采量衰減系數(β)為0.008 d–1；未護孔工藝負角度定向長鉆孔初始瓦斯抽采量(q0)為0.152 9 m3/min，瓦斯抽采量衰減系數(β)為0.013 d–1。二者的初始瓦斯抽采量(q0)基本一致，但采取護孔工藝的瓦斯抽采量衰減系數(β)是未護孔的61.54%，即從長期抽采來看，采取護孔工藝的負角度定向長鉆孔瓦斯抽采效率將會明顯提升。以抽采400 d 為例，護孔工藝負角度定向長鉆孔瓦斯抽采總量將是未護孔的1.40 倍(圖7)。經理論計算，采取篩管護孔工藝鉆場抽采達標時間為195 d，未護孔鉆場為352 d，采取篩管護孔工藝鉆場抽采達標時間比未護孔鉆場縮短了157 d。

圖7 篩管鉆孔與未護孔定向鉆孔百米抽采總量對比Fig.7 Comparison of the extraction volume of 100 m between screen pipe protected and unprotected directional boreholes

4 結論

a.負角度定向鉆孔長期抽采過程中，鉆孔積水引起的負壓損失、孔壁變形、渣塊沉積等導致的鉆孔有效抽采面積減少是造成采取護孔工藝鉆孔抽采效果優于未采取鉆孔的主要原因。下入護孔篩管后，篩管的支撐作用緩解和防止孔壁的進一步變形，維持鉆孔抽采有效截面積，從而保障了負角度定向鉆孔長期高效抽采。

b.通過貴州龍鳳煤礦的實踐應用，對比分析采取負角度長鉆孔篩管護孔和未護孔工藝效果，在瓦斯抽采前6 個月，采取護孔工藝的負角度定向長鉆孔平均瓦斯抽采純量為2.09 m3/min、未采取護孔工藝為1.87 m3/min，二者差別不大。但護孔定向長鉆孔瓦斯抽采量衰減系數是未下篩管的61.54%，以抽采400 d 為例，采取護孔工藝定向長鉆孔瓦斯抽采總量將是未護孔的1.40 倍。經理論計算，采取篩管護孔工藝鉆場抽采達標時間比未護孔鉆場縮短了157 d。

c.定向長鉆孔篩管護孔工藝對于瓦斯抽采雖然取得一定成效，但本次僅從水分對煤體力學的角度開展分析研究，今后需在水對煤體物化作用和吸附解吸影響方面需進一步研究；且目前現有措施仍無法從根本上解決負角度鉆孔積水對孔壁失穩變形甚至在局部造成的堵孔問題，而有效的排水措施是解決孔內積水問題的根本手段。