復(fù)雜頂板高位定向長鉆孔全程下篩管技術(shù)實(shí)踐

童 碧

（淮南礦業(yè)集團(tuán)有限公司 顧橋煤礦，安徽 淮南 232000）

瓦斯治理是煤礦安全生產(chǎn)的重中之重，其中瓦斯治理的模式因地制宜、多種多樣，針對(duì)上隅角瓦斯治理，淮南礦區(qū)自20世紀(jì)90年代開始主要采用高位抽采巷道或高位常規(guī)鉆孔等模式進(jìn)行抽采[1]，取得良好的治理效果，有效保證了煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)。近年來隨著煤礦井下大功率定向鉆機(jī)等設(shè)備及高精度定向鉆進(jìn)技術(shù)的研發(fā)成功，以頂板高位定向鉆孔組代替高位抽采巷道的瓦斯治理模式，以其相對(duì)低成本和高效率的優(yōu)勢(shì)受到青睞，2016年復(fù)雜頂板“以孔代巷”技術(shù)在淮南礦業(yè)集團(tuán)顧橋煤礦取得突破，并迅速推廣到淮南礦區(qū)各煤礦，取得良好的應(yīng)用效果[2-4]。

淮南礦區(qū)煤層頂板普遍呈現(xiàn)煤線發(fā)育、多破碎帶、軟硬交互、多斷層的特點(diǎn)[5]，頂板高位定向鉆孔施工及抽采期間易出現(xiàn)垮塌，堵塞瓦斯抽采通道，降低瓦斯抽采效果，乃至鉆孔報(bào)廢。實(shí)踐證明，向已完成的鉆孔內(nèi)下篩管護(hù)孔，是提高瓦斯抽采效果的有效技術(shù)路徑[6-7]，且瓦斯抽采效率隨篩管下放的深度增加而增加，隨篩管護(hù)孔的直徑增大而增加。目前本煤層及穿層孔鉆桿內(nèi)下篩管技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟[8-9]，但頂板高位定向鉆孔需要形成直徑較大的瓦斯抽采通道，客觀上要求所需護(hù)孔篩管具有較高的強(qiáng)度和較大的直徑，從鉆桿內(nèi)下放至孔底需要多次擴(kuò)孔和準(zhǔn)備多套鉆具[10]；為此，從復(fù)雜頂板高位定向鉆孔裸眼下大直徑篩管角度入手，研究頂板高位定向長鉆孔全程下篩管技術(shù)，提升頂板高位孔護(hù)孔長度和護(hù)孔直徑，從而提高瓦斯抽采效率，為“以孔代巷”技術(shù)的全面推廣奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)基本概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于張集煤礦東一11-2（3）采區(qū)1133（1）工作面回風(fēng)巷。工作面走向長1 219 m，傾向長210 m。工作面內(nèi)11-2煤均厚3.6 m，煤層頂板（鉆孔施工層位）以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主。煤層瓦斯壓力0.4 MPa，瓦斯含量0.4 m3/t。煤層發(fā)育較穩(wěn)定，無較大構(gòu)造影響，煤層平均傾角3°。

鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)鉆孔8個(gè)，孔深均超過600 m，鉆孔分上下2層，上分層鉆孔距11-2煤層頂板約24 m，下分層鉆孔距11-2煤層頂板約18 m，鉆孔平面布局0～32 m，平均間隔8 m。

為保證鉆孔順利實(shí)施，制定了頂板高位定向鉆孔施工的工藝流程，頂板高位定向鉆孔施工流程如圖1。

本次試驗(yàn)全程采用準(zhǔn)120 mm鉆頭定向鉆進(jìn)，不擴(kuò)孔，孔口12 m采用準(zhǔn)200 mm鋼套管封孔，鉆孔施工結(jié)束后全程下篩管護(hù)孔。

2 全程下篩管存在的問題

淮南礦區(qū)復(fù)雜頂板高位定向鉆孔在前期下篩管過程中主要存在以下幾個(gè)方面的問題：

1）破碎地層易塌孔。頂板高位定向鉆孔爬升段要以大傾角穿越多種地層后進(jìn)入目標(biāo)層，淮南礦區(qū)煤層頂板普遍較為復(fù)雜，煤線及破碎地層易塌孔，篩管下入困難。

2）PVC篩管強(qiáng)度低。在已經(jīng)形成成熟工藝的順煤層鉆孔，及穿層鉆孔全程下篩管中一般從鉆孔內(nèi)通孔下入不超過準(zhǔn)32 mm的PVC篩管，無法滿足頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采需要，采用大直徑PVC篩管直接從鉆孔下入則由于PVC篩管強(qiáng)度較低，遇阻容易頂斷，無法實(shí)現(xiàn)全程護(hù)孔。

3）鋼制篩管對(duì)鉆孔測(cè)量的影響尚待檢驗(yàn)。頂板高位定向鉆孔一般在距離工作面一定范圍內(nèi)開辟鉆場(chǎng)，在鉆場(chǎng)內(nèi)相近位置鉆進(jìn)1組鉆孔，相鄰鉆孔內(nèi)下入的鋼制篩管會(huì)對(duì)測(cè)量信號(hào)有一定的影響，一般在鉆孔組全部完成后集中下篩管，前期形成的鉆孔受相鄰鉆孔施工的影響，及破碎地層隨時(shí)間推移自然塌孔等，造成鉆孔通道堵塞篩管無法下入。

4）下篩管工藝流程繁瑣。頂板高位定向鉆孔一般采用準(zhǔn)89 mm鉆桿，鋼制篩管直徑為準(zhǔn)73 mm，在定向鉆進(jìn)、通孔與下篩管工序轉(zhuǎn)換需要頻繁切換鉆機(jī)卡瓦，工藝流程繁瑣。

5）下篩管遇阻后難處理。頂板高位定向鉆孔下篩管過程中，前端導(dǎo)向頭一般為尖錐形狀，遇阻后會(huì)出現(xiàn)越頂越實(shí)的現(xiàn)象，無法處理只能重新帶鉆頭下鉆掃孔或終止下篩管。

3 形成的技術(shù)措施

針對(duì)淮南礦區(qū)復(fù)雜頂板高位定向鉆孔前期下篩管試驗(yàn)中存在的問題，研究從工藝及裝備上進(jìn)行改進(jìn)，主要形成以下技術(shù)措施。

1）確保鉆孔軌跡平滑。頂板高位定向鉆孔的爬升段為定向鉆進(jìn)施工，鉆孔的彎曲強(qiáng)度較大，同時(shí)孔壁往往存在小臺(tái)階，篩管容易卡在孔壁臺(tái)階處導(dǎo)致下管失敗。因此，爬升段采取“定向鉆進(jìn)造斜，復(fù)合回轉(zhuǎn)劃眼”的施工方式，消除小臺(tái)階，確保鉆孔軌跡平滑，孔內(nèi)暢通。另外鉆孔穿過煤線及破碎地層時(shí)鉆孔上部容易垮塌造成局部孔徑擴(kuò)大，不利于篩管下放，應(yīng)盡量選擇較大角度迅速通過煤線及破碎地層，降低塌孔風(fēng)險(xiǎn)。

2）套管改進(jìn)。選用鋼制篩管作為護(hù)孔管，具有以下優(yōu)點(diǎn)：①準(zhǔn)73 mm鋼篩管可以借助鉆機(jī)下管，遇到孔內(nèi)阻力可以通過旋轉(zhuǎn)、推進(jìn)突破垮孔段，有效保證了下管深度；②強(qiáng)度高，能夠抵抗一定的地壓，起到護(hù)孔作用，保證后期抽采效果。

3）導(dǎo)向頭改進(jìn)。尖錐改進(jìn)為環(huán)形鉆頭，利用尖錐作為套管端頭導(dǎo)向，由于尖錐不具備切割功能，也不具備排渣功能，因此遇到局部垮孔帶，在強(qiáng)行推進(jìn)時(shí)尖錐會(huì)頂入孔壁，最終導(dǎo)致下管中斷；而選用環(huán)形鉆頭作為導(dǎo)向，當(dāng)遇到局部垮孔帶時(shí)，通過旋轉(zhuǎn)套管，鉆頭切割、松動(dòng)垮落帶，使得套管能夠順利通過局部垮孔帶，有效保證了下管深度。環(huán)形鉆頭如圖2。

圖2 環(huán)形鉆頭Fig.2 Annular bit

4）下管輔助工具的改進(jìn)。頂板高位定向鉆孔施工時(shí)，鉆桿直徑為準(zhǔn)89 mm，而篩管直徑為準(zhǔn)73 mm，利用鉆機(jī)下篩管時(shí)，需要頻繁更換鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器卡瓦，輔助工序轉(zhuǎn)換頻繁，且安全風(fēng)險(xiǎn)大。采用在鉆桿上安裝變頭的方式方便快捷，安全更有保障。利用變頭輔助下管操作步驟：①不更換回轉(zhuǎn)器卡瓦，只更換鉆機(jī)前夾持器準(zhǔn)89 mm卡瓦為準(zhǔn)73 mm（該操作簡(jiǎn)單）；②在鉆機(jī)上留1根鉆桿作為“主動(dòng)鉆桿”，在鉆桿上加變頭，公扣可以和準(zhǔn)73 mm鋼篩管母扣連接，母扣可以和準(zhǔn)89 mm鉆桿的公扣連接；③利用主動(dòng)鉆桿將巖心管送至孔內(nèi)，前夾持器夾住鋼篩管，主動(dòng)鉆桿與鋼篩管絲扣卸開，主動(dòng)鉆桿退后，在前夾持器與回轉(zhuǎn)器直接加鋼篩管，加完之后再次送入孔內(nèi)，依次重復(fù)。

4 鋼篩管對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響分析及應(yīng)用

鋼篩管對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響范圍是本次研究的重點(diǎn)。理論上，鋼篩管對(duì)測(cè)量系統(tǒng)在一定距離范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致測(cè)量的鉆孔方位數(shù)據(jù)失真，進(jìn)而導(dǎo)致鉆進(jìn)時(shí)無法準(zhǔn)確的控制鉆孔軌跡。因此，施工中多采用間隔下管或集中下管方式。即鉆孔施工結(jié)束暫不下管，以保證鋼篩管與目標(biāo)鉆孔保持一定的距離，從而減小對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響。而延遲下管存在明顯弊端：鉆孔長時(shí)間停放導(dǎo)致垮孔，嚴(yán)重影響下管深度，再次掃孔則影響施工效率。

1）第1次驗(yàn)證。在7#孔（方位297°，傾角18°）、1#孔（方位297°，傾角15°，位于7#孔正下方0.8 m）施工結(jié)束后，直接開8#孔（方位301°傾角18°，位于7#孔正右方0.5 m）鉆進(jìn)30 m。待1#孔下篩管結(jié)束后，繼續(xù)施工8#孔，并對(duì)30 m范圍鉆孔參數(shù)重新測(cè)量，對(duì)比8#孔受到剛篩管影響前后的鉆孔參數(shù)，第1次試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表1。從表1可知，8#孔在無鋼篩管影響時(shí)，9 m以內(nèi)方位數(shù)據(jù)失真，且隨著孔深增加，其誤差越小，9 m時(shí)回歸真實(shí)值；而在受到鋼篩管影響后所測(cè)的數(shù)據(jù)與無巖心管影響時(shí)基本相同。因此得出初步結(jié)論：9 m之內(nèi)，測(cè)量系統(tǒng)受到巷道頂、幫錨索影響導(dǎo)致數(shù)據(jù)失真，而鋼篩管并沒有增加對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響，說明鋼篩管對(duì)測(cè)量系統(tǒng)有影響范圍應(yīng)小于1.7 m（孔深9 m時(shí)篩管與測(cè)點(diǎn)的最小距離）。

表1 第1次試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)Table 1 First test verification

2）第2次驗(yàn)證。在1#孔已下鋼篩管的情況下，以300°方位開2#孔，用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方式（不帶螺桿馬達(dá)）鉆進(jìn)21 m。對(duì)21 m范圍內(nèi)鉆孔參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，第2次試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)見表2。其中根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，鉆孔方位平均變化幅度1°/21 m，因此21 m范圍內(nèi)選取300°為真實(shí)值。從表2數(shù)據(jù)可以看出，鋼篩管以及巷道內(nèi)錨索對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的影響仍然限制在孔深12 m內(nèi)，12 m時(shí)數(shù)據(jù)恢復(fù)真實(shí)值。再次得出結(jié)論：剛篩管如果對(duì)測(cè)量系統(tǒng)有影響，那么其最大影響范圍不會(huì)超過1.32 m（12 m時(shí)巖心管與測(cè)量系統(tǒng)的最小距離）。

表2 第2次試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)Table 2 The second test verification

從上述2次試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)可以得出，鋼制曬管影響范圍在1.7 m以內(nèi)，因此以同一鉆場(chǎng)內(nèi)布置的上下2排鉆孔組為例，上下相鄰鉆孔之間傾角相差3°，左右相鄰鉆孔方位相差3°，則各鉆孔間間距控制在0.8 m以上，可以保證鉆孔方位在孔深12 m以后無干擾，而鉆孔孔深在12 m以內(nèi)多采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，受到磁場(chǎng)影響可以忽略。因此在施工過程中，不必考慮為了排除磁干擾而延遲下管。利用這一結(jié)論，摒棄了以往集中下管、延遲下管的施工模式，保證了下管的及時(shí)性，有效避免了破碎地層塌孔造成的下篩管困難，進(jìn)而保證了下管率。

5 現(xiàn)場(chǎng)施工情況

在張集礦1133（1）工作面回風(fēng)巷進(jìn)行了探索性試驗(yàn)，下篩管施工情況見表3。

表3 下篩管施工情況Table 3 Lower screen construction

自2020年4月15日開孔，截止7月16日，施工全部8個(gè)頂板高位定向鉆孔，6個(gè)孔已順利下管（7?？孜聪鹿?，4＃為試驗(yàn)孔），平均月臺(tái)效為1 240 m/（月·臺(tái)）。其中7－1＃孔最大孔深732 m，最大下管深度728.5 m，，平均下管率達(dá)97.8%，基本實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地層頂板高位定向長鉆孔全程下篩管。

利用上述技術(shù)措施，在顧橋礦南區(qū)1212（1）工作面軌道巷1#鉆場(chǎng)施工頂板高位鉆孔深度746.6m，并順利下套管744.6 m，創(chuàng)造煤礦井下準(zhǔn)73 mm鋼篩管下管深度記錄。

6 結(jié)語

1）復(fù)雜頂板高位定向長鉆孔采用鋼篩管相比于PVC篩管具有更高的強(qiáng)度，有利于全程下篩管的實(shí)現(xiàn)及保證后期瓦斯抽采通道。

2）鋼制篩管在孔口段對(duì)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的磁干擾有限，不必為考慮排除磁干擾而延遲下管，摒棄以往集中下管、延遲下管的施工模式，保證了下管的及時(shí)性，避免破碎地層塌孔造成的下篩管困難，保證鉆孔下管率。

3）具有切割、排渣功能的導(dǎo)向頭是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜頂板高位定向鉆孔全程下篩管技術(shù)的關(guān)鍵。

4）通過一定的技術(shù)措施，頂板高位定向鉆孔最大下篩管深度達(dá)744.6 m，平均下管率達(dá)97%以上，基本實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜地層頂板高位定向鉆孔全程下篩管，保證了瓦斯抽采通道的暢通，促進(jìn)“以孔代巷”技術(shù)的推廣應(yīng)用。