煤礦井下全域化瓦斯抽采定向鉆進關鍵技術與工程實踐

李泉新，許 超，劉建林，方 俊，張 杰，劉 飛

(中煤科工西安研究院(集團)有限公司，陜西 西安 710077)

煤炭是我國能源安全穩定供應的基石，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井煤炭產量約占全國煤炭產量的1/3，瓦斯災害嚴重制約著煤炭行業的安全可持續發展。煤礦井下定向孔可實現超前、區域、精準瓦斯抽采，是瓦斯災害治理的重要技術手段，對提升礦井安全保障水平具有重要意義。

“十一五”以來，依托國家發改委、科技部項目支持，我國隨鉆測量定向鉆進技術與裝備得到快速發展，成功研制出國產系列化定向鉆進裝備，開發了滑動定向鉆進工藝和復合定向鉆進工藝，在煤礦井下工作面采前瓦斯、采動卸壓瓦斯及采空區瓦斯治理中發揮著重要作用，取得了顯著的抽采效果，相較于常規瓦斯抽采技術裝備優勢明顯。但我國煤礦區煤層賦存地質條件差異性較大，且受鉆進技術裝備制約，隨鉆測量定向鉆進技術裝備主要適用于中硬穩定煤巖層內千米以淺定向孔鉆進施工，在長距離定向鉆進成孔和復雜煤巖層鉆進方面存在一定的技術瓶頸，主要表現為：① 隨鉆孔深度增加，孔內摩擦阻力呈指數型增大，鉆進動力傳遞和軌跡控制難度大，側鉆分支困難，成孔深度受限，鉆孔覆蓋面積有待進一步提升；② 碎軟煤層鉆進易失穩坍塌，定向成孔困難，鉆孔深度淺、成孔率低，易存在抽采盲區和空白帶；③ 頂板巖層成孔直徑小、鉆進效率低、復雜頂板成孔困難，鉆孔瓦斯抽采效率有待進一步提升。

“十三五”期間，在國家科技重大專項支持下，針對定向鉆孔瓦斯抽采存在的技術問題，研發了適用于超長定向鉆孔施工的技術裝備，攻克了復雜地層定向鉆進成孔技術瓶頸，推動了井下瓦斯防治逐步向區域化、精準化的方向發展，即采掘前利用順煤層定向長鉆孔預抽煤層瓦斯，回采過程中及回采后利用大直徑頂板高位定向鉆孔抽采采動卸壓瓦斯及采空區瓦斯。筆者以“十三五”最新科研成果為依托，開展了全域化精準瓦斯抽采模式和工程實踐研究，以期為礦井瓦斯“零超限”和煤層“零突出”目標的實現提供技術裝備支撐。

1 煤礦井下全域化瓦斯精準抽采

針對我國不同煤層賦存地質條件和開采階段下礦井瓦斯治理的技術需求，提出了基于定向鉆孔的煤礦井下全域化瓦斯精準抽采模式，如圖1所示，主要結合礦井采掘部署進行抽采鉆孔布置，利用定向鉆孔軌跡精確可控、可沿目標地層長距離延伸的優勢，在煤礦井下大區域范圍內實現“中硬煤層、碎軟煤層、頂板巖層”全區域精準覆蓋、“采前-采中-采后”全時段連續抽采，最大限度實現全域快抽、應抽盡抽。

圖1 煤礦井下全域化瓦斯精準抽采模式示意

“全域化”抽采包括空間和時間2個概念，其中空間上與礦井含煤地層適應，平面上既覆蓋中硬煤層，又覆蓋碎軟煤層，剖面上既覆蓋煤層，又覆蓋巖層，確保煤礦區內含煤地層全覆蓋，避免出現瓦斯抽采盲區和空白帶；時間上與采煤工程協調，準備區、生產區利用順煤層定向鉆孔進行采前預抽，采動區、采空區利用頂板高位定向鉆孔進行采動卸壓抽采，實現抽采時間無縫銜接、應抽盡抽，最終在礦井生產空間和時間上形成協同性高、實效性強的瓦斯精準抽采模式。

煤礦井下定向鉆進技術的進步促進了其適用地層范圍從中硬煤層逐步拓展到碎軟煤層和頂底板巖層，基于定向鉆孔的全域化瓦斯精準抽采模式主要包含以下3種模式，即：中硬煤層大盤區瓦斯抽采、碎軟煤層瓦斯區域抽采和采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采。

1.1 中硬煤層大盤區瓦斯抽采模式

1.1.1 技術需求

大型現代化礦井是保障我國煤炭持續穩定供應的重要基礎，其煤炭科學產能的釋放嚴重受限于瓦斯治理效率。針對大型礦井中硬煤層瓦斯抽采治理，目前常采用“遞進銜接”的方式進行區域瓦斯抽采，取得了較好的瓦斯抽采效果，但其仍存在鉆孔施工受采掘活動制約、鉆孔抽采時間短、抽采不充分等問題。

中硬煤層大盤區瓦斯抽采模式主要適用于高強度開采條件下結構完整、地質構造簡單、堅固性系數≥1的煤層瓦斯抽采，其原理如圖2所示，即：在盤區大巷形成后，從盤區大巷沿工作面走向施工超長定向鉆孔群覆蓋整個盤區，超前預抽達標后，再布置盤區內巷道和工作面，超長定向鉆孔施工和抽采不依賴于盤區內采掘工作面布置和施工，可超前開始抽采。該抽采模式既延長了瓦斯抽采時間，又提高了瓦斯抽采范圍，實現了盤區整體性瓦斯治理，為大型現代化礦井工作面布設優化、增產上產、降本增效提供了技術支撐。

圖2 中硬煤層大盤區瓦斯抽采與常規遞進式瓦斯抽采模式

1.1.2 技術難點

中硬煤層大盤區瓦斯抽采模式的實現與定向鉆孔的成孔深度密切相關。煤礦井下順煤層定向鉆進多采用“滑動糾偏+復合保直”的鉆進工藝進行鉆孔軌跡控制，采用“主動探頂+側鉆分支”的鉆進工藝保證鉆孔沿煤層延伸，糾偏鉆進與側鉆分支均采用滑動定向鉆進工藝。然而，隨孔深增加，滑動定向鉆進的摩擦阻力急速增加，導致鉆進動力傳遞和鉆孔軌跡控制難度增大，制約了鉆孔深度進一步提高。超長定向鉆孔施工存在以下技術難點：① 超長孔定向鉆進時所受阻力不斷增大。所受阻力主要來源于碎巖阻力、沉渣阻力和孔壁摩擦阻力，如圖3所示，由于定向鉆孔軌跡復雜、孔內清潔度差、鉆桿彎曲變形程度加劇，鉆桿與孔壁接觸壓力增大，導致定向鉆進所受阻力逐漸增加。鉆機為克服孔內不斷增大的鉆進阻力，需要連續提高其給進壓力，導致給進壓力近似呈指數型增長，并達到鉆進系統壓力極限，這成為制約滑動定向鉆進提速和鉆孔深度的關鍵。② 滑動側鉆分支技術難以滿足超長孔分支孔鉆進需要。側鉆分支孔是定向鉆孔軌跡長距離延伸的保證，然而滑動側鉆分支時需保持孔底定向鉆具造斜方向穩定，隨孔深增加，定向鉆具反扭角增加，鉆壓難以有效穩定作用于鉆頭，導致精準控制定向鉆具造斜方向困難，鉆進鉆孔軌跡控制難度大，滑動側鉆分支成功率大幅下降。③ 超長孔定向鉆進測量信號傳輸穩定性低。煤礦井下有線隨鉆測量系統利用中心通纜鉆作為信號傳輸通道，其信號傳輸對鉆具結構和密封性要求高，且隨鉆孔深度增加，中心通纜鉆桿接觸點增多、導線電阻增大，電壓信號在接觸點被分壓嚴重，導致信號傳輸強度隨孔深不斷衰減，信號傳輸深度受限。

圖3 滑動定向鉆進阻力變化示意

1.1.3 中硬煤層超長孔定向鉆進技術

(1)超長孔定向鉆進減阻技術。水力加壓技術主要是利用水力加壓螺桿馬達，將泥漿泵提供的高壓沖洗液動能轉化為軸向推力，直接施加在鉆頭上進行回轉碎巖。通過孔底局部加壓，改善孔底鉆具受力狀態，降低對孔口鉆進給進力的需求，為孔底鉆頭碎巖提供持續動力。正反扭轉減阻技術主要是利用復合鉆進阻力小于滑動鉆進阻力的特性，采用孔口鉆機正反扭轉鉆桿，通過合理控制正反扭轉速度和角度，確保復合段鉆具復合扭轉、滑行段鉆具滑動，降低滑動鉆進阻力，減緩鉆進推力隨孔深的增長速率，從而提高滑動鉆進深度，如圖4所示。正反扭轉鉆進時，扭轉頻率越高，減阻效果越好；在不改變螺桿鉆具工具面和不致使鉆具卸扣條件下，扭轉運動幅度越大，扭轉運動區范圍越大，鉆進減阻效果越明顯。

圖4 正反扭轉滑動定向鉆進減阻技術原理

(2)復合回轉傾角控制與側鉆分支技術。開發了復合鉆進傾角控制技術，通過動態調整復合鉆進鉆壓、轉速、泵量等參數，實現回轉鉆進工況下增傾角、降傾角、穩傾角精準控制調節，其中增傾角控制采用“高鉆速、低轉速”工藝參數，降傾角控制采用“低鉆速、高轉速”工藝參數，穩傾角控制采用中間狀態工藝參數，從而解決超長定向鉆孔的軌跡控制難題。開發了“低鉆速推進、高轉速復合”側鉆分支工藝，采用更低的鉆進速度和較高的旋轉速度，使鉆頭側出刃在單位時間內連續多次切削孔壁下緣，使鉆頭在前進的同時切入下孔壁的煤巖體中，達到鉆進分支孔的目的，由此解決超長鉆孔側鉆分支難題，確保超長定向鉆孔沿目標地層延伸。

(3)泥漿脈沖無線隨鉆測量技術。開發了礦用泥漿脈沖無線隨鉆測量系統，以清水作為信號傳輸載體，通過動態控制鉆桿柱內沖洗液過流面積產生正脈沖信號，實現信號無線傳輸；利用脈沖信號比例先導發射技術，基于沖洗液流量的電源智能控制方法，采用間歇工作模式，降低了隨鉆測量系統工作能耗，解決了超長時間續航難題，實現了超長定向鉆孔“一趟鉆”施工；采用電源隔離、信號隔離及運動部件隔離技術，解決了爆炸性氣體工作環境下測量系統防爆難題。該系統突破了小泵量、低泵壓和小直徑條件下測量信號無線隨鉆傳輸技術瓶頸，信號傳輸速度為1 400 m/s 左右，信號強度衰減速率慢、傳輸距離遠，具備孔深3 000 m以上信號傳輸能力。

1.2 碎軟煤層瓦斯區域抽采模式

1.2.1 技術需求

碎軟煤層在我國河南焦作、安徽兩淮、貴州畢節等地區廣泛分布，且多數中硬煤層礦井中存在局部碎軟煤層或軟硬互層煤層。在碎軟煤層中施工瓦斯抽采鉆孔難度大，特別是突出礦井采取預抽煤層瓦斯區域防突措施時，在鉆孔類型、鉆孔深度、抽采時間等方面存在諸多限制，而以“瓦斯抽采底板巷+穿層鉆孔+順層對穿鉆孔”為主的傳統瓦斯治理模式周期長、成本高，嚴重制約著礦井瓦斯治理效率和安全生產水平的提升。

碎軟煤層瓦斯區域抽采模式包括煤巷條帶煤層瓦斯預抽和回采工作面瓦斯預抽，主要適用于結構破碎、堅固性系數0.3≤<1.0的煤層瓦斯預抽，其原理如圖5所示，即：首先沿煤巷條帶延伸方向，施工集束型定向長鉆孔群均勻覆蓋待掘巷道前方及兩側一定范圍，要求煤巷條帶掩護距離達300 m以上，瓦斯抽采達標后方可進行安全掘進；然后利用已掘煤巷，施工橫穿工作面定向鉆孔群或集束型定向鉆孔群，覆蓋待采工作面，并覆蓋下一工作面的待掘巷道，瓦斯預抽達標后，進行工作面回采和下一個工作面巷道掘進，實現抽、掘、采接續交替。該抽采模式可大幅減少巖巷掘進量、縮短碎軟煤層瓦斯抽采周期，從而提高瓦斯治理效率、降低瓦斯治理成本。2019年修訂的《防治煤與瓦斯突出細則》將定向長鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯納入區域防突措施，進一步強化定向鉆孔在碎軟煤層瓦斯抽采中的應用。

圖5 碎軟煤層瓦斯區域抽采示意

1.2.2 技術難點

目前，井下普遍應用的隨鉆測量定向鉆進技術以清水作為動力介質驅動孔底螺桿馬達，主要適用于堅固性系數≥1的中硬穩定煤層，由于清水對孔壁的沖刷擾動大，因此不適用于碎軟煤層定向鉆進成孔。以空氣作為動力介質驅動螺桿馬達旋轉定向鉆進是碎軟煤層定向成孔的理想技術方案，但存在以下技術難題：① 缺乏定向鉆孔強排渣、精準軌跡控制和長距離完孔工藝。由于碎軟煤層結構破碎。鉆進過程中受外力擾動及瓦斯涌出等不利因素影響，孔內鉆渣量較大，若不及時將鉆渣輸送出鉆孔，鉆渣堆積堵塞瓦斯運移通道會形成噴孔等現象，甚至造成卡鉆等事故；瓦斯抽采階段，由于裸孔孔壁自穩能力差，而定向鉆孔由于多分支結構導致篩管難以下放至孔底，塌孔易堵塞瓦斯抽采通道。② 缺乏針對碎軟煤層氣動定向鉆進的礦用螺桿馬達。螺桿馬達是進行定向造斜、實現鉆孔軌跡精準控制的核心工具，現有礦用液動螺桿馬達工作壓力大(≥2 MPa)、排量小(≤500 L/min)，不適用氣體鉆進，而石油天然氣勘探開發行業普遍使用的氣動螺桿馬達直徑大、長度大、啟動壓力大，難以直接應用于煤礦井下；此外，氣體對螺桿馬達的冷卻潤滑效果差，若不采取合理的工藝措施，則會加劇氣動螺桿馬達的異常磨損。③ 缺乏隨鉆安全監控儀器。氣動定向鉆進相比液動定向鉆進，總體工況更加復雜，而氣體減振效果差，實現孔底強震動環境下鉆孔軌跡精準測量是亟待解決的難題；此外，由于礦用空壓機輸出的壓風溫度高，壓風冷卻效果差且富含氧氣，容易導致孔內著火，因此開展氣體鉆進安全監測技術研究，且采取必要的安全預防措施至關重要。

1.2.3 碎軟煤層氣動定向鉆進技術

(1)碎軟煤層氣動定向鉆進技術及定向孔篩管完孔工藝。該技術利用礦用空壓機輸出的壓力氣體作為碎軟煤層定向鉆進的動力源和排渣介質，驅動氣動螺桿馬達帶動鉆頭鉆進，減少對孔壁的沖刷擾動，同時配套隨鉆測量系統進行鉆孔軌跡測控，解決碎軟煤層長距離定向成孔難題。針對碎軟煤層煤渣量大、易積聚問題，利用壓力氣體為煤渣提供軸向運移動力，利用異形定向鉆具為煤渣提供周向運移動力，提升了氣體攜渣能力，減少煤渣沉積。針對碎軟煤層易塌孔，影響后期瓦斯抽采的問題，采用定向鉆孔長距離篩管安設工藝，實現了定向鉆孔篩管護孔，保障了瓦斯長時間穩定抽采。

(2)小直徑耐高溫長壽命氣動螺桿馬達。氣動螺桿馬達采用長導程轉子、高密封定子線型及多級多頭結構設計方式，實現了≤0.3 MPa低壓啟動。針對氣體冷卻潤滑性能差，氣動螺桿馬達高速回轉輸出動力過程中，傳動軸軸承、馬達總成受高頻交變載荷作用易生熱磨損問題，創新設計了油密封潤滑裝置，實現了傳動軸密封潤滑，提高了軸承使用壽命；采用氣控油霧潤滑裝置，定量抽吸和高壓霧化潤滑油，隨壓縮氣體進入氣動螺桿馬達，在馬達總成的定轉子間形成潤滑油膜，通過主動潤滑，顯著減緩馬達總成因高速摩擦生熱而導致的磨損失效。

(3)壓風定向鉆進隨鉆測量監控裝置。為避免壓風定向鉆進時孔內異常升溫帶來的安全隱患，采用礦用有線隨鉆測溫測斜系統，在測量鉆孔傾角、方位角、氣動螺桿馬達工具面向角的同時，可測量鉆桿內溫度和鉆孔環空溫度等參數，并采用有線傳輸方式進行快速傳輸，實現了鉆孔軌跡、孔內溫度的隨鉆監測，保障了定向孔施工安全。針對孔口氣體鉆進安全監測問題，開發了壓風監控系統，采用參數監測模塊實時監測流量、壓力、溫度和氧氣濃度等進風參數和一氧化碳濃度、甲烷濃度、溫度和流量等返風參數，且可進行異常報警；采用風水聯動模塊在孔內出現異常時立即向孔底注入霧化氣體，實現快速應急處理；采用孔口控壓裝置防止管路壓力過高和孔內氣體返流，實現安全降噪卸載；同時使壓風定向鉆進參數可知、狀態可控，為鉆進施工提供了決策依據，有效避免了瓦斯異常涌出、孔內異常高溫、管路憋壓等安全風險。

1.3 采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采模式

1.3.1 技術需求

井下定向鉆孔采前預抽可提前降低煤層瓦斯含量，使煤層達到開采條件。但煤層中仍然存在大量吸附態瓦斯氣體，當煤層回采時，受采動卸壓影響，本煤層和鄰近層含有的瓦斯將會大量釋放，沿采動裂隙運移并聚集于頂板裂隙帶及采空區中，容易造成上隅角及回風巷瓦斯超限，特別是特厚煤層綜放開采，常發生“低瓦斯賦存、高瓦斯涌出”等異常情況，給煤礦安全生產帶來嚴重威脅。現有技術主要采用高抽巷、通風、常規高位鉆孔等方式進行采動卸壓瓦斯抽采，但高抽巷施工效率低、成本高，通風和常規高位鉆孔無法完全解決瓦斯抽采問題。

實踐證明頂板大直徑高位定向鉆孔是治理采動卸壓瓦斯的有效技術手段，采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采模式主要適用于煤層頂板巖層裂隙帶瓦斯抽采，其技術原理如圖6所示，即：在工作面回采之前，在回風巷一側布置鉆場，從煤層開孔向頂板目標地層中施工定向鉆孔，工作面回采時進行采動卸壓瓦斯集中抽采，具有鉆場布設靈活、軌跡精確可控、有效孔段長、施工周期短、抽采效率高等優點。該抽采模式一方面能有效降低采動卸壓瓦斯治理成本和治理周期，另一方面可減少高抽巷掘進而增加的矸石運輸量和處理量。

圖6 采動卸壓瓦斯以孔代巷抽采示意

1.3.2 技術難點

“十二五”期間，隨著大功率定向鉆進技術裝備的研發與應用，國內開始開展“以孔代巷”瓦斯抽采工程實踐，驗證了其抽采原理可行。但受頂板地層復雜賦存地質條件、定向鉆進裝備能力有限等因素影響，復雜頂板大直徑高位定向鉆進成孔仍然面臨以下技術難題：① 先導孔硬巖層鉆進效率低、鉆具損耗大。當鉆遇頂板局部灰巖、砂巖等堅硬巖層時，常規螺桿馬達配套PDC鉆頭鉆具組合以回轉切削方式碎巖，深孔鉆進條件下鉆頭磨削碎巖速度慢、且易產生托壓現象，造成先導孔鉆進效率低、鉆具磨損嚴重；② 大直徑擴孔級序多、效率低。增大鉆孔直徑可提升單孔瓦斯抽采能力、減少鉆孔數量，目前主要采用多次回轉擴孔的方式進行施工，主要依賴于孔口鉆機輸出扭矩，擴孔動力單一，施工效率低、成孔周期長；由于高位定向鉆孔在穿層孔段和水平孔段軌跡變化幅度大，不利于擴孔動力的高效傳遞，鉆具安全性差、事故風險高。③ 復雜頂板巖層易塌孔卡鉆造成鉆進受阻。頂板高位定向鉆孔從煤層開孔后，需穿過多個地層后才能進入目標地層，其鉆遇的地層類型多，水敏性地層、構造破碎帶、軟硬交互地層等復雜巖層分布廣泛，鉆進時易塌孔，不僅可導致排渣通道堵塞，還會產生大量鉆渣，現有技術缺乏恢復排渣通道的有效手段，不能滿足連續、高效排渣需要，易導致卡鉆事故。

1.3.3 復雜頂板巖層大直徑定向鉆進技術

(1)頂板硬巖提速工具。目前煤礦井下提速工具主要有等壁厚螺桿馬達、沖擊螺桿馬達、螺桿馬達與液動潛孔錘復合鉆具組合等。等壁厚螺桿馬達與常規螺桿馬達相比，定子橡膠層厚度均勻、相等、變形量小，增大了定子、轉子之間的過盈配合量，因而能獲得較高的機械效率和輸出扭矩，其額定輸出扭矩較常規螺桿馬達可提高1倍以上。沖擊螺桿馬達是在螺桿馬達傳動軸上增設了沖擊機構，提供施加軸向沖擊力，實現沖擊回轉復合碎巖。螺桿馬達與液動潛孔錘復合鉆具組合，將液動潛孔錘布置于螺桿馬達與鉆頭之間，同時發揮螺桿馬達調控軌跡和液動潛孔錘高效碎巖的特性，并創新設計研制出柱片混合型鉆頭，沖擊回轉鉆進時，柱齒先承擔沖擊力，然后再利用PDC片切削碎巖。

(2)多動力分級一次性擴孔技術。開發了礦用雙級雙速擴孔工具、小直徑扭力沖擊器、分體式雙級擴孔鉆頭(圖7)等孔底擴孔動力鉆具，利用孔口鉆機和孔底擴孔動力鉆具輸出的多種形式動力聯合碎巖，可實現120 mm先導定向孔一次性鉆擴至200 mm。該方法將泥漿泵輸出的高壓流體動能和鉆機回轉動力結合，增大了擴孔鉆進動力，有效解決了孔底回轉動力隨孔深增加衰減的難題。

圖7 分體式雙級擴孔鉆頭

(3)復雜破碎地層強造斜鉆進主動防塌與復合高效排渣工藝。針對煤層與頂板目標地層之間的穿層孔段局部復雜地層易坍塌問題，設計了強造斜鉆具組合，造斜能力達到了0.667(°)/m以上，通過增大鉆孔與地層間的夾角、縮短穿層孔段長度，降低鉆進安全風險，解決強造斜條件下軌跡控制難題，確保順利進入穩定目標地層。針對目標地層內易坍塌形成鉆渣積聚問題，設計了由整體式寬翼片螺旋鉆桿、螺旋無磁鋼鉆具和主體銑槽的螺旋型螺桿馬達組成的異形定向鉆具組合，利用異形定向鉆具組合回轉攪動，輔助沖洗液攜帶、輸運鉆渣，提高鉆渣水平運移速度和清除能力，維持孔內循環排渣通道通暢，降低了卡鉆風險。

2 工程實踐

2.1 中硬煤層大盤區瓦斯抽采工程實踐

2.1.1 工程概況

保德煤礦位于山西省忻州市，屬于高瓦斯礦井，其主采8號煤層為中硬煤層，平均厚度6.83 m，煤層平均傾角3.5°，瓦斯含量為0.480～7.856 m/t。保德煤礦主要采用區域遞進式模式進行瓦斯抽采治理，為進一步提升瓦斯抽采效率，在保德煤礦二盤區進行了順煤層超長孔定向鉆進試驗，開展了大盤區瓦斯超前抽采工程實踐。

2.1.2 成孔效果

2017年，利用ZDY12000LD型大功率定向鉆機、YHD2-1000(A)有線隨鉆測量系統等裝備，完成主孔深度2 311 m的超長定向鉆孔，總進尺3 094 m，探頂開分支15次，平均日進155 m，復合鉆進孔段占總進尺65%，這是我國首次完成主孔深度超過2 000 m的順煤層超長定向鉆孔。

2019年，利用ZDY15000LD型大功率定向鉆機、YHD3-3000泥漿脈沖無線隨鉆測量系統等裝備，完成了主孔深度2 570 m和3 353 m的超長定向鉆孔。其中3 353 m超長定向鉆孔總進尺4 428 m，復合鉆進孔段占總進尺90%以上，平均日進尺210 m。正反扭轉技術和水力加壓螺桿馬達的應用使滑動定向鉆進阻力降低30%以上，滑動定向鉆進極限深度從1 800 m 提高到2 700 m以上；復合鉆進側鉆分支點最大深度達到3 198 m，實現了鉆孔軌跡的精確控制，鉆孔中靶坐標誤差小于0.15%；泥漿脈沖無線隨鉆測量系統信號傳輸穩定可靠，解碼準確率達到98%以上，孔內連續工作時間超過480 h。

2.1.3 瓦斯抽采效果

如圖8所示，孔深2 311 m超長定向鉆孔已穩定抽采超1 200 d，累計抽采瓦斯量320余萬m，日均產氣量約3 022 m；孔深2 570 m超長定向鉆孔已穩定抽采超800 d，累計抽采瓦斯240余萬m，日均產氣量約2 980 m；3 353 m超長定向鉆孔已穩定抽采超600 d，累計抽采瓦斯430余萬m，日均產氣量7 015 m。

圖8 保德煤礦超長定向鉆孔瓦斯抽采數據

瓦斯抽采實踐證明：超長定向鉆孔抽采持續時間長，抽采量穩定、衰減不明顯，實現了大盤區順煤層超長定向鉆孔的長期、穩定、高效抽采，為大盤區采掘優化部署奠定了基礎。

2.2 碎軟煤層瓦斯區域抽采工程實踐

2.2.1 工程概況

青龍煤礦位于貴州省畢節市，屬于煤與瓦斯突出礦井，其主采的16號煤層瓦斯含量高、壓力大，煤體結構破碎，最大瓦斯壓力1.73 MPa，平均瓦斯含量15.62 t/m，堅固性系數0.37。傳統的以“底抽巷+穿層鉆孔+順層鉆孔”的瓦斯治理模式周期長、成本高，造成采掘銜接緊張；以清水為沖洗液的定向鉆進技術對孔壁的沖刷擾動大，難以滿足碎軟煤層定向鉆進成孔需要，瓦斯抽采成為制約礦井安全高效生產的首要因素。因此，亟需突破碎軟煤層定向鉆進技術瓶頸，通過碎軟煤層瓦斯區域抽采，緩解礦井采掘接續壓力。

2.2.2 成孔效果

在21608運輸巷南段鉆場和21601運輸巷鉆場開展了煤巷條帶瓦斯超前預抽試驗，鉆孔設計深度300 m、孔徑108 mm、間距7 m，同時覆蓋待掘巷道兩側各20 m。2個鉆場共施工鉆孔19個，最大孔深345 m，累計進尺7 758 m，300 m以上鉆孔成孔率達到76%。

以21606運輸巷為鉆場，開展了工作面區域抽采試驗，鉆孔設計深度150 m、間距6 m，共施工鉆孔253個，累計進尺31 874 m，95%鉆孔達到設計深度，實現了工作面區域全覆蓋。

2.2.3 瓦斯抽采效果

21608運輸巷南段鉆場平均瓦斯體積分數保持在70%左右，鉆場瓦斯抽采純量達到4.0 m/min，定向鉆孔單孔瓦斯抽采純量是常規鉆孔的5～10倍、抽采瓦斯體積分數較常規鉆孔提升60%，已累計抽采瓦斯11.5萬m。

21601運輸巷鉆場已完成抽采，采用分段檢驗方法進行了區域措施效果檢驗，煤層剩余瓦斯含量和瓦斯壓力降低到達標值以下，檢驗合格區段內已安全掘進，未發生瓦斯超限等事故。21606運輸巷定向鉆孔主管路瓦斯體積分數達到62.4%，瓦斯抽采純量7.5 m/min，累計抽采瓦斯超過400萬m。

青龍煤礦已大規模采用碎軟煤層氣動定向鉆進技術裝備進行區域瓦斯預抽，解決了煤巷條帶和回采工作面瓦斯區域抽采難題，實現了碎軟煤層精準、超前區域瓦斯抽采治理，有效緩解了礦井采掘接替矛盾。

2.3 采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采工程實踐

2.3.1 工程概況

顧橋煤礦位于安徽省淮南市，屬于高瓦斯礦井，其主采13-1煤層埋深-780 m，厚度4 m左右，瓦斯含量5.3 m/t，瓦斯壓力0.2～0.5 MPa。13-1煤層回采過程中，本煤層卸壓瓦斯聚集于頂板裂隙帶，上鄰近層13-2薄煤層受采動卸壓影響，瓦斯沿裂隙流向13-1工作面，容易造成13-1煤層回采工作面上隅角及回風巷瓦斯超限。此外，13-1煤層直接頂以砂質泥巖和深灰色泥巖為主，巖層穩定性差、裂隙發育程度高、力學強度低；13-1煤層直接頂與基本頂層間粘結弱，極易發生離層垮落。長期以來，顧橋煤礦頂板復雜巖層定向鉆進成孔困難，采用高抽巷的方式進行采動卸壓瓦斯抽采，存在施工周期長、維護成本高等不足。因此，亟需創新采動卸壓瓦斯高效抽采模式和技術。

2.3.2 成孔效果

采用復雜頂板巖層大直徑定向鉆進技術，在顧橋煤礦中央區1123(3)工作面和南區1212(3)工作面等進行了現場試驗和推廣應用，共完成頂板高位定向鉆孔17個，總進尺8 261 m，最大鉆孔深度為536 m，平均日進尺大于130 m。實鉆表明：鉆孔穿層爬坡孔段，采用強造斜主動防塌技術，提升了孔壁穩定性；目標地層鉆進孔段，利用異形定向鉆具復合排渣，有利于沖洗液將鉆渣迅速排出孔外，避免了沉渣卡鉆等問題；大直徑多動力分級一次性擴孔技術顯著增加了頂板高位定向鉆孔孔徑，提高了擴孔效率，提升了采動卸壓瓦斯抽采效果。

2.3.3 瓦斯抽采效果

以顧橋煤礦中央區1123(3)工作面為例，當回采工作面推進過孔底一定距離后，頂板高位定向鉆孔抽采瓦斯純量和體積分數開始增加并保持穩定。其中2號鉆孔抽采瓦斯純量穩定在7 m/min左右，瓦斯體積分數為35%，并且隨著工作面周期性來壓冒落，瓦斯抽采純量表現出波動性變化規律，如圖9所示。

圖9 鉆孔純瓦斯流量隨工作面過終孔點距離變化曲線[25]

鉆場主管路瓦斯抽采純量平均達到11.07 m/min，瓦斯抽采體積分數31.39%，與鄰近高抽巷抽采水平相當。目前，該工作面已經安全回采，回風和上隅角瓦斯體積分數最大值為0.035%，未發生瓦斯超限事故，表明采用大直徑高位定向鉆孔代替高抽巷進行采動卸壓瓦斯抽采治理是可行的。

3 結 論

(1)煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術與裝備的進步推動了瓦斯治理模式的轉變，瓦斯防治逐步向區域化、精準化的方向發展，形成了以中硬煤層大盤區瓦斯抽采、碎軟煤層瓦斯區域抽采和采動卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采為內涵的全域化瓦斯抽采模式。

(2)基于中硬煤層、碎軟煤層和采動卸壓瓦斯全域化精準抽采需求及其技術難點，開發了中硬煤層超長孔定向鉆進技術、碎軟煤層氣動定向鉆進技術和復雜頂板巖層大直徑定向鉆進技術，拓寬了定向鉆進技術適用地層范圍，并有效提升了鉆孔成孔深度、成孔效率和瓦斯抽采效果。

(3)現場實踐表明：中硬煤層順煤層定向鉆進成孔最大深度達3 353 m，實現了礦井大盤區瓦斯超前治理；碎軟煤層中孔深300 m以上定向鉆孔成孔率達76%，實現了煤巷條帶、采煤工作面超前區域精準抽采；復雜頂板巖層中定向鉆孔深度普遍達到500 m以上，推動實現了“以孔代巷”技術發展。