下行穿層鉆孔施工工藝優化及應用

李寶軍，劉 璽

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727306)

0 引言

我國礦井瓦斯災害較為嚴重，制約著回采工作面安全生產，而鉆孔抽采技術作為有效降低煤層瓦斯含量的手段被廣泛應用[1]。抽采鉆孔施工完成后，鉆孔周圍煤體應力重新分布，當煤層采動時，抽采鉆孔受到二次擾動影響，容易導致鉆孔變形失穩，最終破壞，從而影響煤層瓦斯抽采效果[2]。

陜西黃陵二號煤礦有限公司屬高瓦斯礦井[3-4]，近年來，隨著礦井開采活動的進行和開采深度的不斷增加，礦井瓦斯涌出量逐年增大，且同時伴有油型氣災害，油型氣與瓦斯有所區別，油型氣通常儲存在煤層頂底板的砂巖層，以游離態為主，受采動影響后快速逸散，造成采空區瓦斯(油型氣)涌出量大幅增加，嚴重影響工作面的安全回采[5-6]。因此，在回采工作面瓦斯抽采及油型氣鉆場向下施工底板穿層鉆孔是解決這一問題的有效手段之一[7]。然而采用傳統的鉆孔施工工藝，鉆孔成孔率較低，同時孔內煤屑與巖屑不能有效排出，施工過程中頻繁出現卡鉆、塌孔等現象，致使抽采效果不甚理想[8-11]。為此，以黃陵二號煤礦209工作面為研究對象，通過對下行穿層鉆孔施工工藝的探索，提出在復雜巖層條件下穿層鉆孔施工的成套工藝，以期提高工作面的瓦斯抽采效率，為工作面的安全高效回采提供一定指導。

1 試驗工作面概況

209工作面屬于典型的煤、油、氣共生工作面，部分區域瓦斯(油型氣)富集程度較高。2號煤層下部富縣組砂巖及瓦窯堡組砂巖為含氣層，距2號煤層間距分別為0～23.28 m、2.2～101.67 m。209工作面回采期間，瓦斯(油型氣)受煤層采動卸壓影響，發生大量解吸、擴散至采空區，由此導致采空區瓦斯涌出量大幅增加，嚴重影響209工作面的安全回采。因此，209工作面回風巷間隔50 m施工一個鉆場，每個鉆場施工8個抽采鉆孔，鉆孔長度在72～171 m，每個鉆場鉆孔量約為961 m。

根據209工作面鉆孔柱狀圖(圖1)可知，2號煤層底板巖性較為復雜，賦存狀態以軟弱的泥巖層與堅硬的砂巖層互層為主。現場下行穿層鉆孔施工過程中，軟弱的泥巖層及破碎程度較高的3號煤層遇水膨脹，易發生卡鉆、夾鉆等現象，由此導致鉆孔施工成孔率較低。

圖1 209工作面底板鉆孔柱狀圖

2 下行穿層鉆孔施工工藝

為了提高下行穿層鉆孔成孔率及瓦斯抽采效果，通過在現場209工作面長時間的探索實踐，最終形成了復雜巖層地質條件下下行穿層鉆孔施工工藝，該工藝主要包括鉆桿選取、壓風排渣技術、孔口濕式除塵技術及護孔技術4個方面。

2.1 鉆桿選型

傳統鉆孔施工工藝普遍采用外平鉆桿，由于其表面是光滑的，鉆機在打鉆過程中遇到阻力較低、出渣量較小。但在泥巖層施工鉆孔時，泥巖強度較低，遇水極易膨脹，由此導致施工過程中易出現卡鉆、夾鉆等現象。

低螺旋鉆桿是一種專為解決松軟煤層鉆進難題而發明的一種新型鉆桿[12]。低螺旋鉆桿表面呈螺旋狀，鉆孔施工期間通過鉆桿上的螺旋葉片可將孔內粒徑較大的鉆屑排出孔外，與采用外平鉆桿相比，鉆孔出渣量大幅增加，可有效減少鉆進過程中的卡鉆、夾鉆等現象。因此現場下行穿層鉆孔的施工采用鉆頭直徑為73 mm的低螺旋鉆桿穿過泥巖及3號煤層。

2.2 風力排渣施工工藝

傳統的排渣工藝是以水作為沖洗介質，但由于水對孔壁的沖刷力較大，容易出現孔壁破碎現象[13]，并且在下行穿層鉆孔施工過程中水極易滲入3號煤層裂隙，降低煤體強度，導致鉆孔出現塌孔現象，鉆孔施工的成孔率不高。

風力排渣技術示意如圖2所示，通過將高壓水換為壓縮空氣，采用高壓風管將壓縮空氣壓入鉆桿內部，在孔內形成高速風流，鉆屑懸浮在高速風流中，從而將煤巖層碎屑吹向孔口，實現高效排渣[14-16]，同時冷卻鉆頭，可有效提高下行穿層鉆孔的成孔率。

圖2 風力排渣示意

與水力排渣成孔工藝相比，采用風力排渣技術對孔壁的沖擊力較小，產生的破壞程度較小。同時，煤巖層碎屑通過壓風及低螺旋鉆桿相互配合可以大量排出，也不影響煤的瓦斯解吸和泄出，使瓦斯得以自由快速地泄放，而且泄出的瓦斯和壓風混合，使孔內始終只有氣、固兩相流動，發生梗阻的可能性也減小[17]，鉆孔施工完成后孔內積水較少，成孔率大幅提高。

2.3 孔口濕式除塵技術

采用風力排渣施工下行穿層鉆孔過程中，產生的粉塵濃度較大，并且煤層底板賦存大量瓦斯(油型氣)極易逸出。為了降低鉆孔施工場地粉塵濃度，確保施工期間安全作業，設計了一種孔口除塵裝置，如圖3所示。該裝置采用噴霧引射流形成的負壓，將孔內煤巖粉塵由集塵器吸入出水管道內，而后通過噴霧使粉塵沉降至管壁，最后被水沖出。同時，為確保作業安全，采用直徑為160 mm的抽采軟管對接在瓦斯抽采管路上，當鉆孔內部瓦斯濃度較大時，可開啟閥門進行瓦斯(油型氣)抽采。

圖3 孔口除塵裝置示意

2.4 鉆孔護孔技術

下行穿層鉆孔施工完成后，風力排渣施工的下行鉆孔孔底均會出現一定程度的積水現象，分析積水來源為底板砂巖裂隙水以及巷道底板積水通過裂隙滲入底板，底板泥巖層遇水膨脹，導致鉆孔易出現堵塞、塌孔現象，影響現場施工鉆孔的成孔率。因此，施工完成下行穿層鉆孔后，需要采取措施保護孔內的抽采空間，從而提高抽采效果[18]。

對鉆孔全孔段安設護孔管和封孔管是鉆孔護孔技術核心，其中封孔管為實管，護孔管為花管，如圖4所示。封孔時先在孔內預留φ55 mm PE護孔管作為抽采通道抽采瓦斯，其中φ55 mm PE管路采用絲口連接，每根長度2 m，并在管路上施工20個φ20 mm的小孔。當護孔管運送至孔底后，按照正常鉆孔封孔流程進行封孔。現場下行穿層鉆孔通過采用護孔技術后，未出現塌孔現象，鉆孔成孔率大幅提升，底板瓦斯及油型氣的抽采效果明顯提升。

圖4 鉆孔護孔示意

3 工程應用

3.1 底板鉆孔布置

根據鉆孔施工參數(表1)及209工作面鉆孔柱狀圖(圖1)，發現下行穿層鉆孔施工需穿過8層不同巖性的巖層，并且在3號煤層頂底板均有強度較低的泥巖層，巖性復雜，鉆孔施工難度較高。結合鉆孔施工參數及煤層柱狀圖可以計算出穿層鉆孔泥巖段斜長在19～44 m。

表1 底板鉆孔布置參數

3.2 底板鉆孔成孔效果

209工作面下行穿層鉆孔施工時，采用低螺旋鉆桿在泥巖段施工鉆孔45 m，之后采用外平鉆桿施工，同時利用壓風可有效排除孔內殘渣。現場采用孔口除塵裝置，極大降低了下行穿層鉆孔施工期間的粉塵濃度。對于施工完成的鉆孔，全孔段安設護孔管和封孔管，提高了鉆孔后期抽采的穩定性。結合現場209工作面施工鉆孔統計，下行穿層鉆孔成孔率提高至96%，達到預期效果。

3.3 底板鉆孔瓦斯(油型氣)抽采效果

根據文中所述下行穿層鉆孔施工成套工藝，在209工作面10#鉆場施工瓦斯(油型氣)抽采鉆孔，結合現場數據，得出抽采效果如圖5所示。

由圖5可知，在使用傳統工藝的鉆孔瓦斯抽采流量平均值為22.7 m3/min，鉆孔施工工藝改進后，極大提高了下行穿層鉆孔成孔率。同時，護孔技術解決了抽采鉆孔塌孔問題，提高了鉆孔抽采效果，瓦斯抽采流量增大至32.4 m3/min以上，抽采流量提高了43%以上；抽采濃度從5%提高至20%以上，有效防治了工作面底板瓦斯(油型氣)逸出，保證了209工作面的安全高效生產。

圖5 傳統施工工藝與優化后抽采效果對比

4 結論

(1)與水力排渣相比，采用風力螺旋排渣效果良好，鉆孔成孔質量提高，現場抽采鉆孔的成孔率達到了96%。

(2)孔口濕式除塵技術能夠有效降低鉆孔施工過程中的粉塵濃度，并且可以對高濃度瓦斯(油型氣)進行抽采，為下行穿層抽采鉆孔的安全施工提供保證。

(3)鉆孔護孔技術增強了鉆孔的穩定性，杜絕了因泥巖遇水膨脹造成的塌孔問題，確保了瓦斯的高效抽采。

(4)為提高下行穿層鉆孔施工效率及抽采效果，隨著穿層區域的煤巖性質變化，施工工藝還需要進一步的優化。