突出煤層定向鉆孔瓦斯參數測試技術研究及應用

張廷偉，寇建新，孫矩正

(1.中國平煤神馬集團煉焦煤資源開發及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；2.平煤股份煤炭開采利用研究院，河南 平頂山 467000)

在突出煤礦生產中，為掌握遠距離煤層瓦斯賦存狀況，必然要采用長鉆孔取煤樣方法測試煤層瓦斯參數。目前，國內諸多專家學者對定向鉆孔取樣、瓦斯參數測試作了大量的研究。孫四清等[1]研制了碎軟煤層雙徑PDC密閉取心鉆頭，提出了適合于碎軟煤層特征的煤層氣含量精準測試密閉取心方法；龍威成[2]提出了煤層密閉取心瓦斯含量測試技術，在底抽巷定向長鉆孔中采集了4個密閉取心樣品；孫四清等[3]設計并試制了適合于煤礦井下長鉆孔煤層瓦斯含量精準測試的“三筒單動、球閥密閉”的密閉取心裝置，滿足了超前探測煤層瓦斯含量的實際需求；雷紅艷等[4]采用HCA高壓容量法瓦斯吸附裝置，測試了7組煤樣的常壓吸附瓦斯量和瓦斯吸附常數；張向陽等[5]采用全鉆粉煤樣測定其解吸規律，得出了更適合計算煤樣瓦斯損失量誤差的方法；程波等[6]認為煤層瓦斯含量測試技術需加強理論分析、強化裝備，開展原位精準測量技術；陳向軍等[7]通過實驗模擬測試、數值模擬分析了取樣過程中損失瓦斯量推算模型，得出指數模型可以精準獲得取樣過程中的瓦斯損失量；張憲尚等[8]采用瓦斯解吸擴散數學物理模型得出瓦斯含量快速測定模型，運用煤層瓦斯含量快速測定儀在現場進行了應用，效果良好，滿足了突出煤層瓦斯含量測定要求。上述專家學者對定向鉆孔取樣裝備及技術開展了較為深入的研究，但未對定向鉆機深孔定點取樣測試煤層瓦斯參數進行相應的研究，十一礦為煤與瓦斯突出礦井，瓦斯參數作為采取防突措施的基本參數，在很大程度上決定了采用何種措施、效果評價及考察[9-11]。鑒于此，平煤股份十一礦(以下簡稱“十一礦”)積極嘗試以孔代巷瓦斯治理措施，類比、修正試驗工作面的原始瓦斯參數值，以期為后期掌握煤層瓦斯參數和安全高效開采提供技術支撐。

1 試驗區工作面概況

十一礦己16-17煤層為煤與瓦斯突出煤層，瓦斯賦存具有“東高西低”的特點[12，13]。己二采區位于井田東部，煤層瓦斯含量明顯高于井田西部的己四采區。己16-17-24070工作面位于二水平己四采區東翼五區段，東起己二采區邊界，西至己四采區運輸下山處，煤的堅固性系數為0.26～0.47，破壞類型為Ⅲ～Ⅳ類，平均煤厚6.57m。己16-17煤層的直接頂為泥巖，局部為砂質泥巖，基本頂為砂質泥巖夾薄層條帶細沙巖，直接底板為泥巖和砂質泥巖，老底為L2灰巖。

己四采區已回采的己16-17-24030、己16-17-24011等4個工作面均采用“底抽巷+常規穿層鉆孔”技術實施區域預測，且瓦斯含量、瓦斯壓力均低于“雙6”指標，但該技術存在施工成本高、易誤穿煤層、施工周期長等缺陷[14-17]。為避免產生影響礦井高效發展的不利局面，十一礦在己16-17-24050機巷布置定向鉆機，沿己16-17煤層頂板布置長距離定向鉆孔，對己16-17-24070工作面(包括機巷外錯30m)整個回采區域，按100m×100m間隔布置取樣點，開展利用定向鉆機實施以孔代巷進行瓦斯參數測試研究工作[18-20]。己16-17-24070工作面定向鉆機鉆孔施工布置如圖1所示。

圖1 己16-17-24070工作面定向鉆機取樣長鉆孔布置

2 瓦斯含量測試

2.1 殘余瓦斯含量測試

本次試驗采用定向鉆機施工梳狀定向分支孔，主孔布置在煤層頂板，分支孔由煤層頂板穿入煤層，每個分支孔內采用定點密閉取芯裝置深孔定點取樣，測定煤層瓦斯含量，結合瓦斯地質分析的方法實施區域預測，為工作面安全采掘提供可靠的參數。

定向鉆機的孔底馬達到達取樣位置后，需退出鉆桿再安裝定點密閉取芯裝置，然后送入鉆孔取樣。以取樣深度120m為例，將取樣器送至取樣位置需1.5h，取樣完畢后退出鉆桿需0.8h，即從鉆進到取樣位置到把煤樣裝入煤樣罐的時間在2.3h以上。由于煤體在常壓下暴露時間都在1.5h以上，且該區域瓦斯含量較小，煤樣在現場均沒有解吸量，因此本次測定的瓦斯含量為煤樣在常壓下不解吸后的殘余瓦斯含量。

受限于深孔定點取樣時間長，目前尚無理論模型借鑒，為了得到定向鉆機取樣時的瓦斯損失量、解吸量，在已16-17-24050工作面風巷利用常規回轉鉆機，采用風排接粉法采集并實測30組煤樣瓦斯含量，以推算定向鉆機取樣時的瓦斯取樣損失量、常壓下瓦斯解吸量，本次試驗是對深孔定點取樣測試瓦斯參數有益的探索。

2.2 常規回轉鉆機孔口接粉測定瓦斯含量

由于已16-17-24050工作面與已16-17-24070工作面毗鄰，埋深相差較小，中間沒有大的地質構造，因此同屬于一個瓦斯地質單元，已16-17-24050工作面測定瓦斯含量規律可用于分析已16-17-24070工作面瓦斯含量，測試結果可用于修正深孔定點取樣的瓦斯含量。

常規回轉鉆機測定瓦斯含量結果可知，現場解吸量與損失量之和占總瓦斯含量的比例為11.11%～12.85%，平均12.24%。

2.3 定向鉆孔定點取樣測試瓦斯含量

根據常規回轉鉆機在己16-17-24050工作面風巷測定的30組瓦斯含量及其煤樣解吸規律，對利用定向鉆孔定點取樣測的煤層瓦斯含量測值進行修正，即加上相同比例的“取樣損失量+常壓現場解吸量總量(占總瓦斯含量的12.24%)”，得到定向鉆孔定點取樣測定的煤層瓦斯含量測值，測定結果見表1。

表1 定向鉆孔定點取樣測定煤層瓦斯含量測值

為了驗證修正含量值的準確性，在己16-17-24070風巷的4個鉆場里單獨施工4個對比含量測定鉆孔，即在每個鉆場內利用定向鉆機的回轉功能施工本煤層鉆孔，在40m處風排粉取樣(簡稱“風排粉”)，井下實測瓦斯含量；風排粉取樣后退出鉆桿，將定點密閉取樣裝置送至孔底，保證孔底常壓下等待1.5h以上的前提下(模擬深孔定點密閉取芯工藝)，鉆進取樣后退出鉆桿，然后測試瓦斯含量(簡稱“長時取樣”)。測試結果表明，風排粉煤樣由于取樣時間短，井下有解吸量，可以推算取樣損失量；而長時取樣由于取樣時間長，現場沒有解吸。

經實驗室測定表明，在己16-17-24070工作面風巷測定的4組風排粉煤樣的“損失量+現場解吸量”占總瓦斯含量的比例為11.88%～12.38%，與己16-17-24050工作面風巷測定的30組本煤層瓦斯含量規律一致。己16-17-24050工作面風巷測定數據更多，更接近真實數據，因此定向鉆機測定瓦斯含量損失量與現場解吸量占總瓦斯含量的比例按12.24%來修正。風排粉和長時取樣含量誤差見表2。

由表2可知，如果未對測值進行修正，定向鉆機定點取樣測值均比真實值偏小，誤差為11.57%～12.62%，平均12.07%；修正后的定向鉆孔定點取樣所測煤層瓦斯含量值與真實比較，誤差為-0.77%～0.49%，平均0.19%。可以判定此次定向鉆孔預測工作面突出危險性所測得的瓦斯含量誤差較小，可以適用突出危險性區域預測判定。

表2 風排粉和長時取樣含量誤差

3 瓦斯壓力測試

3.1 測試方法

原始瓦斯壓力不僅決定煤層瓦斯含量與瓦斯涌出量的大小，而且還是預測煤與瓦斯突出危險性的重要參數之一。本次采用“兩堵一注”囊袋式封孔方式主動測壓法測定己16-17-24070工作面煤層瓦斯壓力。每個定向鉆孔測定一個位置的瓦斯壓力，封孔位置根據鉆孔實際軌跡確定，原則上一個主孔測定一個位置的瓦斯壓力。

本次區域預測成功施工的12個主孔，除了4號鉆場1#主孔、3號鉆孔3#主孔和2號鉆孔1#主孔內開了兩個分支孔外，其他8個主孔內均開一個分支孔，因此為了保證工作面內測壓力數據的均勻性，每個主孔內測定一個壓力，封孔分為兩種方式：第一種，測主孔壓力時，首先送一組囊袋進入分支孔，在分支孔內封孔20m長度，保證分支孔內無瓦斯涌出到主孔內，然后在主孔內再進行一組囊袋封孔，封孔長度為20m，保證主孔內的測壓管只與主孔內的煤層相連通，封孔材料凝固后，關閉分支孔注漿閥門，在主孔測壓孔內充壓力為0.2MPa空氣后安裝壓力表進行主孔壓力測定；第二種，測分支孔壓力時，送一組囊袋進入分支孔內，封孔長度為20m，保證測壓管只與分支孔煤孔連通，封孔材料凝固后，在分支孔測壓孔內充壓力為0.2MPa空氣后安裝壓力表進行分支孔壓力測定。對于有兩個分支孔的4個主孔，只測定最外端(靠近孔口)分支孔壓力，封孔方式與上述第二種測分支孔壓力方式相同。封孔方式如圖2所示。

圖2 測壓鉆孔封孔

3.2 測定結果

根據上述方法，利用己16-17-24070工作面定向鉆孔進行煤層瓦斯壓力測定，測定結果見表3。分析表3可知，己16-17-24070工作面瓦斯壓力在0.13～0.21MPa之間，最大0.21MPa。

表3 己16-17-24070工作面瓦斯壓力測定結果表

在已16-17-24050機巷掘進前，于2018年11月至2019年2月期間曾在已16-17-24050機巷底抽巷向已16-17-24070回采區域內施工穿層鉆孔測試已16-17煤層原始瓦斯壓力，測得煤層原始瓦斯壓力為0.02～0.43MPa之間，最大0.43MPa。

綜上，由本次預測區域內定向長鉆孔實測瓦斯壓力與常規穿層鉆孔實測煤層瓦斯壓力可知，預測區域內煤層原始瓦斯壓力為0.02～0.43MPa之間，平均0.19MPa，最大0.43MPa。

4 結 論

1)在平煤股份十一礦開展定向鉆機現場工業性試驗時，采用定向鉆機施工梳狀定向分支孔，將主孔布置在煤層頂板穩定巖層，分支孔由煤層頂板進入煤層，可避免鉆孔不穩、容易縮徑等問題。

2)定向鉆機深孔取樣測得的瓦斯含量為殘余瓦斯含量值，通過采用常規回轉鉆機孔口接粉測試瓦斯含量的方法，對定向鉆機測定原始瓦斯含量值進行了修正，修正后的定向鉆孔定點取樣所測煤層瓦斯含量值與真實比較，誤差為-0.77%～0.49%，平均0.19%。

3)己16-17-24070工作面范圍內實測的27組煤樣的瓦斯含量為3.98～4.91m3/t，最大4.91m3/t，小于6m3/t；實測的瓦斯壓力為0.02～0.43MPa，最大0.43MPa，小于0.6MPa。瓦斯含量、瓦斯壓力均低于河南省規定的“雙6”指標。