基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測定取樣技術

柴建祿

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

鉆孔抽采是礦井瓦斯治理的重要技術手段，瓦斯含量測定是鉆孔工程設計和抽采效果評價的重要依據[1]。煤礦井下瓦斯含量測定方法主要可分為間接法和直接法2 類，其中間接法通過測定鉆孔內瓦斯氣體壓力變化情況，利用公式間接計算出瓦斯含量，其應用時間悠久，但測試流程繁瑣、測試周期較長；直接法利用鉆孔采取煤樣或煤渣，然后采用解吸法直接測定煤層瓦斯含量，具有測定結果準確、測試速度快等優點，逐漸取代間接法，推廣應用廣泛[2-3]。煤樣采取是瓦斯含量直接測定的核心，采樣地點準確性、采樣過程的瓦斯損失量等是瓦斯含量測定準確性的重要影響因素[4-5]。煤樣采取方法主要有鉆屑取樣、套管取樣、繩索取心、負壓氣動取樣、正負壓聯合栓流定點取樣、密閉取心、低溫冷凍取樣等方式，但其取樣深度一般不超過120 m，存在取樣深度淺、取樣位置無法精確控制等不足，需要與礦井采掘工程銜接，重復開展多次測試[6-12]。近年來，開發了順煤層定向鉆孔密閉取心技術，將定向鉆孔與密閉取心技術結合，既提高了井下近水平煤樣的采取深度，又可精確控制采樣精度，實現單孔多次定點取樣，最大取樣深度超過500 m，為定向鉆孔區域遞進式瓦斯抽采工程設計和效果評價提供了保障[13-15]。但該技術定向鉆孔需沿煤層延伸，主要適用于中硬煤層，碎軟煤層中鉆進成孔困難，尤其是當煤層賦存較薄時，無法確保沿煤層延伸，采樣成功率極低。碎軟煤層在高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井發育廣泛，針對其瓦斯抽采治理工程設計與效果評價需要，開發了基于梳狀定向鉆孔的碎軟薄煤層瓦斯含量測定取樣技術，并在安徽祁東煤礦進行了現場試驗，應用效果顯著。

1 技術原理

1.1 工藝原理

基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測定取樣技術原理如圖1。

圖1 基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測定取樣技術原理Fig.1 Technical principle of sampling technology for measuring gas content in broken soft coal seam based on comb-shaped directional borehole

取樣梳狀定向鉆孔由主孔、探查分支孔和取樣分支孔組成。首先在賦存穩定的煤層頂板或底板中布置定向鉆孔主孔；然后在主孔中側鉆探查分支孔，查明碎軟煤層的起伏變化情況，得到鉆孔延伸方向的煤層頂底板標高；再在主孔中施工取樣分支孔，進入煤層后，退鉆重新下入密閉取心裝置，在取樣分支孔中進行密閉采樣；最后采用解吸法對采取的煤樣進行解吸測試，獲得煤層瓦斯含量。

1.2 工藝流程

基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測定取樣工藝流程如圖2。首先依據礦井地質資料和區域瓦斯治理需要，確定取樣點數量與位置，完成取樣定向鉆孔設計；然后施工套管孔段、主孔段和探查分支孔段，做好取樣準備；再利用探查分支孔進行多次密閉取心，測試氣密性合格后，進行瓦斯解吸，獲得煤層瓦斯含量值。

圖2 基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測定取樣工藝流程Fig.2 Process flow of sampling technology for measuring gas content in broken soft coal seam based on comb-shaped directional borehole

1.3 技術優勢

1）取樣距離遠。通過穩定巖層布置主孔，分支孔進入煤層取樣的方式，解決了碎軟煤層順層鉆進難題，顯著提高鉆孔取樣深度。

2）取樣點位置控制精度高。采用隨鉆測量定向鉆進技術施工梳狀定向鉆孔，可實時測量和控制鉆孔軌跡，準確掌握取樣點的位置信息。

3）取樣成功率高。采用探查分支孔查明煤層賦存情況，取樣分支孔進行取樣的方式，提升了地層適應性，減少了因煤層賦存情況變化大、煤層厚度薄或局部變薄等導致的取樣失敗。

4）單孔多次取樣。可在主孔上施工多個取樣分支孔，從而進行多次取樣，提高了鉆孔利用率。

5）測試結果精準。在取樣分支孔內利用密閉取心裝置進行煤樣采取，煤樣進入密閉取心裝置后，進行切斷封閉，避免瓦斯氣體泄漏，煤樣暴露時間短，瓦斯氣體逸散少。

2 配套鉆進與取樣裝備

1）礦用密閉取心裝置。裝置主要由外筒總成、取樣內筒、球座、液壓總成、取心鉆頭等組成。礦用密閉取心裝置工作原理如圖3。在取心鉆進時，外筒總成傳遞鉆進動力，帶動取心鉆頭鉆進；取樣內筒與液壓總成不隨外筒總成一起轉動，煤樣沿剪切密閉球閥進入取樣內筒，沖洗液沿解吸閥門排出，達到取樣長度后停止鉆進；在孔口向鉆桿內投入橡膠球，泥漿泵加壓將橡膠球送至球座的球座中，球座底部的導水孔被堵塞，泵壓急劇升高，推動液壓總成剪斷銷釘并向前運動，帶動推桿關閉取樣內筒的解吸閥門和剪切密閉球閥，將煤心密閉在取樣內筒中；退鉆取出取樣內筒，即可得到采取的煤樣。

圖3 礦用密閉取心裝置工作原理Fig.3 Working principle of mine-used closed coring device

2）定向鉆機。定向鉆機主要用于梳狀定向鉆孔施工，為滿足梳狀定向鉆孔大角度開孔、深孔鉆進、受限巷道空間施工的需求，優選調角范圍寬、額定扭矩大、可垂直巷道施工的定向鉆機。

3）泥漿泵。泥漿泵主要用于提供螺桿馬達孔底碎巖動力和煤樣切斷密封動力，要求額定輸出壓力≥8 MPa，且輸出泵量可調節。

4）液驅螺桿馬達。液驅螺桿馬達用于梳狀定向鉆孔軌跡控制，可根據礦用密閉取心裝置大小進行選型。當采用φ100 mm 礦用密閉取心裝置時，選用φ89 mm 液驅螺桿馬達；當采用φ89 mm 礦用密閉取心裝置時，選用φ73 mm 液驅螺桿馬達。

5）隨鉆測量裝置。隨鉆測量裝置主要用于梳狀定向鉆孔軌跡隨鉆測量，指導鉆孔軌跡控制，考慮復雜破碎地層高效排渣鉆進需要，優選采用礦用泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置，當地層條件較好時，也可采用礦用有線隨鉆測量裝置。

6）鉆桿。鉆桿主要用于傳遞鉆進動力，輸送密閉取心用橡膠球，可分為定向鉆桿和取樣鉆桿2 種。其中定向鉆桿優選采用寬翼片螺旋、三棱、三棱螺旋等異形結構鉆桿，輔助沖洗液進行強化排渣，確保復雜破碎地層鉆進安全性；取樣鉆桿優選采用大通孔的常規鉆桿，鉆桿內徑應大于橡膠球直徑。

7）鉆頭。可分為定向鉆頭和取心鉆頭，其中定向鉆頭采用窄翼片平底型PDC 全面鉆頭，鑲焊有反向切斜齒和側向耐磨合金，側向切斜能力和事故處理能力強；取心鉆頭采用底噴式PD 環狀鉆頭，降低對煤樣的擾動和破壞，鉆頭內徑應小于取樣內筒內徑，鉆頭外徑應小于定向鉆頭外徑。

3 關鍵技術

3.1 主孔雙動力復合排渣定向鉆進技術

梳狀定向鉆孔的主孔雖然布置在相對穩定的頂板、底板中，但其定向鉆進效率相對于煤層較低，且復雜破碎地層仍較為常見，孔內事故易發。

為提高主孔鉆進效率和安全性，采用雙動力復合排渣定向鉆進技術進行施工，其“雙動力復合”包含2 層含義：①孔底螺桿馬達回轉動力和孔口定向鉆機回轉動力的復合，提高了鉆進碎巖動力，從而提高了巖層定向鉆進效率；②大流量沖洗液紊流排渣動力和異形定向鉆具攪動排渣動力的復合，提高了鉆孔排渣效率，保障了主孔施工安全性。

3.2 探查分支孔隨鉆煤層探查技術

礦井地質資料主要來源于前期地勘階段，其精細度相對較低，與碎軟煤層實際賦存情況存在差異，為確保主孔沿煤層頂板、底板長距離延伸，保障取樣分支孔成功采取煤樣，需要先利用探查分支孔提前查明煤層變化情況。

探查分支孔采用前進式開分支工藝施工，其流程是：在主孔施工過程中間隔預留分支點，每隔一定距離（50～60 m 左右）主動調整鉆孔傾角，施工探查分支孔使其進入煤層，根據多個探查分支孔的見煤點標高，計算出煤層的實際賦存情況，調整煤層起伏預測和鉆孔軌跡設計；然后退鉆至分支點處，側鉆分支回到主孔中，根據調整后的鉆孔設計繼續向前施工。

探查分支孔施工時，應增大鉆孔傾角，降低鉆孔在不穩定層位中的長度，提高鉆進安全性；同時，考慮孔底鉆渣外返存在滯后性，探查分支孔接近目標煤層時，應適當降低鉆進速度，以及時觀察孔口返渣是否出現煤粉，防止鉆孔穿過煤層。

3.3 取樣分支孔密閉取心技術

常規取樣方法采取煤樣后無法快速截取和保存煤樣，煤樣暴露時間長，影響瓦斯參數測量精度。為減少瓦斯逸散，采用密閉取心技術實現煤樣采取，其操作技術要領如下：

1）緩傾角進入煤層。根據探查分支孔查明的煤層起伏情況，進行取樣分支孔鉆進，接近煤層時，逐漸將鉆孔傾角調整至與煤層傾角一致，緩傾角確認進入煤層后，將鉆孔沖洗干凈，退出定向鉆具，提高煤層中的延伸距離，避免取樣分支孔穿出薄煤層。

2）小泵量低泵壓下鉆防堵。依次連接取心鉆頭、礦用密閉取心裝置和取樣鉆桿，連接時注意清理鉆桿內孔的雜物，避免密閉取心裝置堵塞；下入取樣鉆具時若阻力較大，進行水力沖孔和回轉掃孔，直至鉆具到達孔底后，通過取樣鉆桿向鉆孔供水至從孔口返出，確保密閉取心裝置未堵塞；以上供水過程中水壓應控制在2 MPa 以下，宜采用礦井靜壓水管路供水。

3）小泵量低泵壓取心鉆進。先將取心鉆頭推送至貼靠孔底，然后以轉速50～80 r/min、給進速度0.2～0.3 m/min 向前鉆進1.2～1.5 m 后，停止鉆進；取心鉆進時水壓應控制在2 MPa 以下，供水量≤100 L/min，宜采用礦井靜壓水管路供水。

4）大泵量高泵壓煤樣切斷密閉。向取樣鉆桿內放入1 個橡膠球，然后開啟泥漿泵以200 L/min 以上泵量向取樣鉆桿供水，至泵壓突增至8 MPa 以上，煤樣被剪斷且被密封在取樣內筒內，泵壓恢復正常。

5）取樣過程中，應詳細記錄取樣鉆具下放時間、取樣孔段鉆進時間和煤樣封閉時間。

4 現場試驗

4.1 試驗設計

試驗礦井祁東煤礦為煤與瓦斯突出礦井，試驗區內煤層群發育，含煤9 層，主要可采煤層有61、71、82、9，其他煤層賦存不穩定，整體上煤層普氏硬度系數小、瓦斯壓力大、瓦斯含量高，均屬于碎軟煤層。其中63平均厚度0.94 m，屬極不穩定煤層，其底板為淺灰色～灰白色細粒石英砂巖，泥、硅質膠結；81煤平均厚度0.88 m，屬局部可采煤層；82煤層平均厚度2.23 m，屬較穩定煤層，其頂板以灰白色細砂巖為主，夾薄層灰色泥巖或砂泥互層。

現場試驗在2 個鉆場進行：①第1 個鉆場：設計底板梳狀定向鉆孔1 個，深度≥600 m，自63煤底板開孔，主孔沿63煤底板延伸，設計分支孔5 個，用于探查63煤賦存情況，并利用分支孔進行2 次密閉取心；②第2 個鉆場：設計頂板梳狀定向鉆孔1 個，深度≥500 m，自72煤與81煤之間的巖層開孔，沿81煤頂板施工，設計分支孔5 個，用于探查81煤、82煤賦存情況，并利用分支孔進行1 次密閉取心。

現場試驗裝備主要有ZDY6000LD（B）型定向鉆機、BLY390/12 型泥漿泵車、YHD2-1000（A）型礦用隨鉆測量裝置、φ89 mm 液驅螺桿馬達、φ89 mm 整體式螺旋隨鉆測量鉆桿、φ89 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿、礦用密閉取心裝置、φ120 mm 定向鉆頭、φ108 mm 取心鉆頭等。

4.2 試驗情況

63煤底板梳狀定向鉆孔實鉆孔深608 m，施工分支孔6 個，總進尺948 m，63煤底板梳狀定向鉆孔實鉆軌跡如圖4。

圖4 63 煤底板梳狀定向鉆孔實鉆軌跡Fig.4 Actual drilling track of 63 coal floor comb-shaped directional borehole

63煤底板鉆孔完成密閉取心2 次，其中第1 次取樣深度452 m，取出破碎狀泥巖巖心約10 cm，綜合分析認為該區域63煤煤層厚度變薄，未能正常取樣；第2 次取樣深度484 m，順利取得煤樣，經室內脫氣法測定，煤層瓦斯含量為9.26 m3/t。

82煤頂板梳狀定向鉆孔實鉆孔深500 m，施工分支孔5 個，總進尺1 075 m，82煤頂板梳狀定向鉆孔實鉆軌跡如圖5。

圖5 82 煤頂板梳狀定向鉆孔實鉆軌跡Fig.5 Actual drilling track of 82 coal floor comb-shaped directional borehole

82煤頂板鉆孔完成密閉取心1 次，取樣深度為405 m，順利取得煤樣，經室內脫氣法測定，煤層的瓦斯含量為13.65 m3/t。

5 結 語

1）將定向鉆進技術和密閉取心技術結合，開發了基于梳狀定向鉆孔的碎軟煤層瓦斯含量測定取樣技術，在祁東煤礦進行了現場試驗，取樣成功率67%，最大取樣深度達到484 m，解決了碎軟煤層長距離精準瓦斯含量測定取樣難題，為碎軟煤層區域瓦斯抽采治理工程設計與效果評價提供了參數依據。

2）研究選配了梳狀定向鉆孔鉆進與取樣裝備，總結形成了“主孔穩定地層長距離延伸、探查分支孔大傾角探煤、取樣分支孔緩傾角取樣，小泵量、低泵壓取樣鉆進，大泵量、高泵壓煤樣切斷密閉”的工藝措施，為梳狀定向鉆孔順利鉆進和取樣提供了保障。

3）可進一步開發碎軟煤層順層定向取樣技術，減少取樣工程量，提高取樣效率。