頂板大直徑定向鉆孔快速施工技術研究

冷明友

中煤科工集團西安研究院有限公司 陜西西安 710077

頂板高位鉆孔主要用于抽采裂隙帶富集區卸壓瓦斯及少量鄰近層瓦斯，抽采成本低，但常規鉆孔精度差、鉆孔直徑小，影響抽采效果。近年來開始應用大直徑定向鉆孔進行工作面瓦斯治理取得了良好的工程實踐效果[1-4]。但在工程實踐中，頂板大直徑定向鉆孔施工仍存在諸多困難，尤其是“先導孔+分級多次鉆擴”的成孔方法存在擴孔工程量大、成孔效率低等問題。筆者以陜能集團某礦為例，結合該礦首采工作面地質條件，進行頂板高位大直徑定向長鉆孔工業性試驗研究，應用雙動力擴孔與隨鉆地層辨識新技術，取得了較高的鉆進效率和瓦斯抽采效果，為后續大直徑長鉆孔的定向施工及以孔代巷技術應用提供借鑒和參考。

1 大直徑定向鉆進技術及裝備

1.1 鉆進裝備

針對含煤地層定向鉆孔施工需要，我國逐步形成了以定向鉆機、泥漿泵車、測量系統、孔底螺桿馬達等組成的煤礦井下定向鉆進典型裝備系統。鉆孔軌跡信號多采用泥漿脈沖無線測量方式進行傳輸，由防爆計算機實時監控鉆孔軌跡，通過及時調整孔底螺桿馬達工具面向角，保障鉆孔按照設計軌跡進行施工。

1.2 分級擴孔鉆進工藝

頂板高位定向鉆孔的抽采效果與鉆孔直徑密切相關，在安全鉆進的前提下，鉆孔直徑越大越好。但由于大直徑一次定向成孔對鉆進裝備的施工能力要求高，以及受礦井施工空間條件制約等原因，目前頂板大直徑定向鉆孔主要采用正向多級擴孔成孔工藝施工。該工藝采用分級多次破碎的形式，減少了單級碎巖所需的轉矩和孔內鉆具受力變形量。為確保擴孔施工時鉆具的安全，盡量使每級擴孔時鉆桿承受的轉矩保持一致，導致單次擴孔直徑較小，工藝繁瑣。以常見的直徑 120 mm 定向先導孔為例，施工至目標孔徑 200 mm，一般需要進行φ153 和φ200 mm 的二級擴孔。

1.3 雙動力擴孔鉆進工藝

分級擴孔時，主要采用孔口鉆機驅動鉆具回轉進行碎巖，動力傳遞效率低、擴孔速度慢。針對大直徑高效快速擴孔需要，開發了雙動力擴孔技術[5]，如圖1 所示。其技術原理是：在擴孔鉆頭與擴孔鉆桿之間增加了一個雙級擴孔工具，高壓沖洗液驅動雙級擴孔工具的轉子回轉，鉆機帶動雙級雙速擴孔鉆具回轉，一級擴孔鉆頭在 2 個回轉動力驅動下實現一級擴孔，二級擴孔鉆頭在鉆機回轉動力驅動下實現二級擴孔，從而實現雙動力大直徑快速擴孔。該方法充分利用鉆機機械動力和泥漿泵水驅動力，實現定向鉆孔的快速單次雙級大直徑增擴，提高了擴孔鉆進施工效率，降低了施工成本。

圖1 雙動力擴孔技術原理Fig.1 Principle of dual-power reaming technology

1.4 地層辨識技術

為有效指導頂板大直徑定向鉆孔施工，在鉆進過程中及時掌握施鉆地層情況，通過多源鉆進信息智能融合，從而實現地層辨識，保障了安全高效鉆進。由于鉆進過程是一個受地層各向異性、構造和鉆進擾動等多種因素影響的動態非線性過程，地層辨識難度較大。近年來，隨著大數據、云計算、機器學習等先進技術的發展，鉆進中的地層辨識技術也隨之得到發展[6-8]。通過鉆機工況監測系統、數據采集與傳輸系統、智能專家系統，對鉆壓、鉆速、泵量及鉆渣等信息進行融合，將深度學習卷積神經網絡與多權值任務學習機制相結合，基于新開發的地層界面與巖性智能識別模塊，實時識別地層特性，并對目標區域地層分布特性進行預測，為定向鉆進參數調整及鉆孔的科學設計提供了有力支撐。

2 工程實踐

2.1 地質概況

陜能集團某礦井田 1012001 工作面為首采工作面，煤層沿工作面走向傾角為 3°～9°，煤層夾矸 0～3 層，以炭質泥巖為主。高位瓦斯抽采大直徑定向鉆孔試驗在該首采工作面開展。工作面可采長度為 2 060 m，其中 1 470 m 范圍內采用高抽巷抽采進行瓦斯治理，剩余 590 m 計劃施工 4 個定向長鉆孔，以替代高抽巷進行瓦斯治理。

2.2 鉆孔設計

頂板高位定向鉆孔的布孔層位布置在采動裂隙帶層位和易鉆進成孔且孔壁穩定性好的層位。項目設計4 個頂板高位大直徑鉆孔，其中 1、2 號孔設計鉆孔深度為 600 m，采用分級擴孔鉆進工藝，分φ153、φ193 mm 兩級擴孔，終孔孔徑為 193 mm；3、4 號孔設計鉆孔深度為 600 m，采用雙動力一次擴孔鉆進工藝，終孔孔徑為 193 mm。1～4 號鉆孔設計距 2 號煤層頂板高度分別為 12、18、24 和 30 m，鉆進施工中根據鉆遇巖性和地層穩定性進行調整。鉆孔具體設計數據如表 1 所列。

表1 定向鉆孔設計數據Tab.1 Design data of oriented drilling

2.3 施工情況

現場試驗累計施工鉆孔 5 個，原設計 4 號鉆孔施工至 240 m 后頻繁出現憋泵卡鉆現象，多次掃孔處理均無法正常鉆進，故增加施工了補 4 號鉆孔。本次試驗定向鉆進累計進尺 2 752 m，分級擴孔鉆進累計進尺2 442 m，φ193 mm 雙動力一次擴孔鉆進累計進尺 1 218 m。試驗中雙動力擴孔鉆進最大單班進尺 50 m，平均鉆進效率較分級擴孔工藝高 30% 以上。

實鉆軌跡剖面控制在距 2 號煤層頂板 12～30 m范圍內。在鉆進過程中，鉆孔鉆遇地層與原有地質資料存在一定偏差。為保障鉆孔盡可能在穩定巖層中鉆進，主要依據地層辨識技術進行鉆孔軌跡調整?？紤]鉆孔軌跡可能存在凹洼處，導致孔內局部積水，影響鉆孔瓦斯抽采效果，在實鉆過程中，鉆孔軌跡不進行正偏差回調，使鉆孔角度盡可能為正，保持鉆孔正常鉆進。試驗施工的 5 個鉆孔實鉆軌跡剖面如圖 2 所示。

圖2 鉆孔實鉆軌跡剖面Fig.2 Section of actually drilled hole

2.4 地層辨識分析

2.4.1 鉆遇地層巖性

綜合實鉆信息，鉆遇地層巖性特征主要表現在 4個方面：①地層柱狀圖的中粒砂巖與上下砂質泥巖并無明顯界面，只存在厚度不足 1 m 白砂巖，其余砂巖均含有泥質成分；② 地層局部為砂泥巖互層，砂巖中局部存在煤線，返渣顏色多變，但沉淀后的成分多為砂質；③除 4 號鉆孔外，其他鉆孔鉆遇地層在泥巖交界和存在煤線的層位出現返渣量大及輕微塌孔現象；④ 鉆孔累計取樣 99 個，識別主要巖性特征6 個，主要為深灰色泥巖 (局部含煤表現為深黑色)、灰白色砂巖 (也可為泥質砂巖，硬度較低)、白色砂巖(硬度較大)、中粒砂巖 (顆粒明顯，膠結較差)、黑色泥巖 (易塌孔，碎片狀)、粗粒砂巖 (灰色)。

2.4.2 鉆遇構造判別

在鉆進過程中未出現明顯的構造特征信息，但存在小斷層或裂隙帶特征。其中，1 號鉆孔在施工至200～210 m 孔段時出現鉆壓突增、返渣量變大的現象，后采用φ153 mm 擴孔處理，增大排渣空間，處理有效。2～3 號定向鉆孔在施工至 200～230 m 孔段時出現同樣情況，掃孔通過后，返水返渣量變小，泵壓增大，推斷孔壁導通裂隙，導致沖洗液漏失。4 號鉆孔在施工至 240～290 m 孔段時出現憋泵卡鉆現象，多次掃孔、擴孔處理均無法正常鉆進。這是由于該層位為泥巖層，孔壁穩定性差，判斷該區域存在小型斷層，造成鉆進過程中成孔難度大。補 4 號鉆孔設計剖面層位與 3 號鉆孔一致，平面間距為 5 m，未出現塌孔卡鉆現象。

3 頂板大直徑高位瓦斯抽采效果

3.1 高位瓦斯鉆孔抽采效果

以2 號鉆孔為例，隨著工作面回采，大直徑定向鉆孔瓦斯抽采情況如圖 3 所示。初始階段瓦斯混量保持在 3～4 m3/min，當進入采空區超過 200 m時，混量開始增加，超過 250 m 后，混量大幅提高，最高達到 32.89 m3/min。進入采空區 110 m 后，瓦斯濃度平均值明顯提高，保持在 10% 以上，全段平均值為 7.9%。圖 4 為 5 個鉆孔在 2020 年 1 月—5 月單孔瓦斯抽采純量及總量統計。以 2 號鉆孔為例，初始階段瓦斯純量普遍在 1.00 m3/min 以下，4 月 30 日后，純量顯著增加，最大達到 4.83 m3/min，此階段 2 號鉆孔平均純量為 2.73 m3/min，總純量均值為 3.47 m3/min。

圖3 2 號孔瓦斯抽采統計Fig.3 Statistics of gas extraction from hole 2

圖4 鉆孔瓦斯抽采統計Fig.4 Statistics of gas extraction from holes

3.2 高位瓦斯鉆孔與高抽巷抽采效果對比

為便于高位瓦斯抽采鉆孔與高抽巷的抽采效果進行對比，對 1012001 工作面高抽巷在 2020 年 6 月至2020 年底瓦斯涌出量進行統計。高抽巷抽采流量開始維持在 330 m3/min 左右，由于抽采流量和抽采濃度快速降低，高抽巷抽采效果變差，經統計此階段抽采純量平均值為 4.32 m3/min，此時 5 個鉆孔瓦斯抽采總純量均值為 3.47 m3/min，鉆孔抽采純量總量為高抽巷的 80%。經現場監測顯示，工作面回風瓦斯濃度主要維持在 0.15%～0.20%，處于安全范圍之內。因此，利用頂板高位大直徑定向長鉆孔抽采效果較好，有效代替了高抽巷。

4 結論

(1) 由定向鉆機、泥漿脈沖測量系統及泥漿泵車等組成的整套定向鉆進裝備系統性能穩定可靠，能夠滿足煤礦井下頂板高位定向長鉆孔快速施工需求。

(2) 開展的頂板大直徑定向鉆進快速施工試驗表明，雙動力擴孔鉆進最大單班進尺 50 m，平均鉆進效率較分級擴孔工藝高 30% 以上，地層辨識技術可在鉆進過程中及時掌握施鉆地層情況，為鉆進參數調整及鉆孔的科學設計提供了有力支撐。

(3) 利用頂板高位大直徑定向長鉆孔代替高抽巷在該礦取得較好效果。5 個鉆孔瓦斯抽采總純量均值為 3.47 m3/min，可達到高抽巷抽采效果的 80% 以上，有效保障了工作面回采安全。