煤礦井下定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)研究進(jìn)展

張劍釗，陶云奇

(1.河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454003； 2.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191)

近年來，隨著煤礦采掘活動向縱深發(fā)展，煤炭開采條件日趨復(fù)雜，煤層瓦斯賦存 “四高兩低”(高應(yīng)力、高瓦斯、高可塑性結(jié)構(gòu)、高吸附性、低滲透性和低強度煤體)特征更加明顯，深部開采的煤層瓦斯含量、瓦斯涌出量急劇增大，瓦斯超限、煤與瓦斯突出等現(xiàn)象愈加頻繁，利用定向鉆孔超前治理瓦斯技術(shù)已被越來越多的煤炭企業(yè)推廣應(yīng)用[1-4]。基于文獻(xiàn)調(diào)研分析，定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)可廣泛應(yīng)用于本煤層、鄰近層、回采(掘進(jìn))工作面、采空區(qū)瓦斯治理且效果顯著[5-8]。鑒于此，筆者在此對目前廣泛應(yīng)用的5種形式的定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)進(jìn)行了梳理分析，并對該技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

1 煤礦井下定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)

煤礦瓦斯治理技術(shù)正逐漸由“模糊治理”到“精準(zhǔn)治理”、“井下抽采”到“地面抽采”與“井地聯(lián)合抽采”轉(zhuǎn)變，由“抽得出”向“抽得早、快、省”轉(zhuǎn)變。定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)憑借自身獨有優(yōu)勢越來越受到多地各煤炭企業(yè)的青睞，根據(jù)其作用機理、施工區(qū)域以及鉆孔空間布置差異主要有5種形式：本煤層順層定向長鉆孔防治瓦斯、底/頂板梳狀多分支定向鉆孔防治瓦斯、“以孔代巷”技術(shù)防治瓦斯、定向攔截鉆孔防治瓦斯和井上下聯(lián)合立體化抽采瓦斯。

1.1 本煤層順層定向長鉆孔防治瓦斯

本煤層順層定向長鉆孔防治瓦斯技術(shù)是依據(jù)煤層及瓦斯賦存條件等地質(zhì)資料利用定向鉆機設(shè)計施工一個或多個數(shù)量不等的本煤層順層定向長鉆孔群主要用于煤巷條帶和工作面回采區(qū)域的煤層瓦斯。

利用本煤層定向長鉆孔防治瓦斯，對煤層及瓦斯賦存條件要求較高，首先是目標(biāo)煤層煤的堅固性系數(shù)f>0.5，其次是欲抽采瓦斯煤層為易抽采煤層，煤的透氣性系數(shù)λ>0.1 m2/(MPa·d)。在此類煤層條件內(nèi)，2014年在寺河煤礦創(chuàng)造了本煤層定向鉆孔孔深1 881 m世界紀(jì)錄，2017年在保德煤礦再次打破世界紀(jì)錄，孔深達(dá)2 311 m。針對松軟煤層(f<0.5)，張杰等[9-10]利用風(fēng)動螺桿鉆具在兩淮礦區(qū)軟煤層國內(nèi)外首次成功施工12個孔深大于200 m的本煤層順層定向長鉆孔，并創(chuàng)造松軟煤層定向順層長鉆孔372 m最深記錄，實現(xiàn)了鉆孔對工作面和待掘煤巷煤層瓦斯治理，并提出松軟煤層順層定向長鉆孔“一孔兩消”瓦斯治理模式。

目前，煤礦井下常采用“底板巖抽巷+底板穿層鉆孔預(yù)抽”作為區(qū)域性防突措施治理煤層瓦斯。王兆豐等[11-12]認(rèn)為，本煤層順層定向長鉆孔可代替底板穿層鉆孔作為區(qū)域性防突措施預(yù)抽煤層瓦斯，掩護(hù)巷道掘進(jìn)，取消為穿層鉆孔施工專設(shè)的底板巖抽巷，降低瓦斯治理成本。此外，施工本煤層順層定向長鉆孔可減少順層短鉆孔施工、封孔材料和管道布置，降低鉆機移動頻次，提高抽采量的同時降低抽采成本。更重要的是，本煤層順層定向長鉆孔較穿層鉆孔、專用瓦斯抽放巷施工成本低、效率高，能根據(jù)需要設(shè)計鉆孔數(shù)量和抽采時間來保證抽采效果。

1.2 底(頂)板梳狀多分支定向鉆孔防治瓦斯

底/頂板梳狀多分支定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)主要應(yīng)用于煤堅固性系數(shù)低(f<0.5)、瓦斯壓力大、透氣性差，鉆孔過程中易發(fā)生、卡鉆、埋鉆、噴孔事故松軟煤層；利用千米定向鉆機將主孔布置在煤層上覆巖層或下伏巖層，向上或向下開分支穿入不同目標(biāo)層位抽采不同區(qū)域瓦斯。底/頂板梳狀多分支定向鉆孔原理如圖1、圖2所示。

根據(jù)定向鉆孔主孔層位與目標(biāo)煤層的距離，頂板梳狀多分支定向鉆孔又分為2種，其中近煤層頂板梳狀多分支定向鉆孔用于本煤層區(qū)域防突，巷道瓦斯超前治理等領(lǐng)域，若煤層成孔性好，可不開分支進(jìn)行瓦斯治理；遠(yuǎn)煤層頂板梳狀多分支定向鉆孔能精確布置在瓦斯富集區(qū)內(nèi)，實現(xiàn)大范圍回采區(qū)域瓦斯抽采和掩護(hù)煤層巷道掘進(jìn)，且鉆場布置簡單、鉆孔數(shù)量多；底板梳狀多分支定向鉆孔孔深一般大于500 m，單孔控制范圍達(dá)10 m左右，主要用于大區(qū)域抽采本煤層的瓦斯、掩護(hù)煤層巷道掘進(jìn)和巷道超前勘探[13-14]。

圖1 底板梳狀多分支定向鉆孔原理示意Fig.1 Schematic diagram of the principle floor comb multi branch directional drillhole

圖2 頂板梳狀多分支定向鉆孔原理示意Fig.2 Schematic diagram of the principle of roof comb multi branch directional drillhole

姚寧平等[15-16]根據(jù)梳狀定向鉆孔施工特點差異，合理選擇梳狀孔布孔形式，研究出不同梳狀鉆孔類型的施工工藝；攻克了在松軟煤層頂?shù)装鍘r層中施工梳狀定向孔面臨開分支、降低鉆具摩擦阻力等技術(shù)難關(guān)。馬晟翔等[17-18]在前人對底板梳狀定向鉆井技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，對梳狀定向長鉆孔的布孔方式、分支孔間距、施工工藝、分支孔分支節(jié)點的選擇以及分支孔控制軌跡分支測鉆、原孔重入等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究形成了一套成熟施工工藝。

1.3 “以孔代巷”瓦斯抽采技術(shù)防治瓦斯

“以孔代巷”瓦斯抽采技術(shù)基于精細(xì)地質(zhì)分析、鉆孔軌跡精確控制并輔以可靠的區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)評價技術(shù)，以鉆孔代替高抽巷、尾巷等可廣泛應(yīng)用于煤礦瓦斯采前、采中、采后等各個環(huán)節(jié)瓦斯防治工作。陶云奇等[19]對“以孔代巷”瓦斯抽采技術(shù)的技術(shù)涵義、特征、優(yōu)勢、適用條件以及治理模式進(jìn)行系統(tǒng)分析、概括并提出現(xiàn)場應(yīng)用“五定”技術(shù)原則，形成了相對完整的“以孔代巷”瓦斯治理模式。

針對上隅角瓦斯易積聚、采空區(qū)卸壓瓦斯等瓦斯治理難題，林海飛等學(xué)者在國內(nèi)多家煤礦開展“以孔代巷”治理模式研究，提出高位定向長鉆孔代替高抽巷抽采工作面煤層頂板裂隙帶采動卸壓瓦斯工藝。高位定向長鉆孔基本原理如圖3所示。

圖3 高位定向長鉆孔基本原理示意Fig.3 Diagram of the principle of high-level directional long drillhole

董昌樂等[20]對覆巖采動裂隙發(fā)育特征進(jìn)行研究，提出了裂隙帶 “O”形圈、高位環(huán)形裂隙體、橢圓拋物帶等理論，為高位定向長鉆孔目標(biāo)層位選擇提供了依據(jù)。李平等[21-22]開展頂板復(fù)雜地層成孔工藝技術(shù)研究，形成了大級差擴孔工藝、整體式螺旋鉆桿的復(fù)合排渣工藝技術(shù)、目標(biāo)層復(fù)雜孔段定向鉆進(jìn)技術(shù)、完孔技術(shù)等關(guān)鍵工藝技術(shù)，通過試驗發(fā)現(xiàn)，高位定向長鉆孔與鄰近高抽巷抽采效果相當(dāng)。郝世俊等[23-26]開展鉆孔深度、孔徑、目標(biāo)層位優(yōu)化研究，采用高位定向長鉆孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)高抽巷對采空區(qū)上隅角瓦斯進(jìn)行治理，經(jīng)過抽采效果、經(jīng)濟對比，高位定向長鉆孔具有鉆孔軌跡可精確控制、抽采范圍大、周期長、施工成本更低、周期更短等優(yōu)點。經(jīng)過現(xiàn)場試驗結(jié)果、經(jīng)濟效益對比分析，“以孔代巷”瓦斯治理模式較常規(guī)治理模式在達(dá)到同等瓦斯抽采效果、保證工作面安全回采背景下鉆孔施工工程量小、成本低、瓦斯治理周期短，有效促進(jìn)抽、掘、采良性循環(huán)，驗證了“以孔代巷”瓦斯治理模式的優(yōu)越性、必要性和可行性。

1.4 定向攔截鉆孔防治瓦斯

定向攔截鉆孔防治瓦斯技術(shù)采用大功率定向鉆機施工定向鉆孔與原瓦斯運移通道(裂隙、鉆孔)形成交叉，靶向攔截瓦斯，改變瓦斯流向，控制瓦斯沿運移通道涌出量，穩(wěn)定抽采本煤層、鄰近層、工作面、采空區(qū)瓦斯。定向攔截鉆孔基本原理如圖4所示。

圖4 定向攔截鉆孔原理示意Fig.4 A diagram of the principle of directional intercept drillhole

攔截鉆孔根據(jù)鉆孔布置方式主要分為高位定向攔截鉆孔、底板定向攔截鉆孔、下分層定向攔截鉆孔等；根據(jù)布孔方位又可分為走向定向攔截鉆孔、傾向定向攔截鉆孔、上向定向攔截鉆孔、下行定向攔截鉆孔等。定向攔截鉆孔常配合地面井、定向長鉆孔、采空區(qū)埋管、穿層鉆孔等工藝聯(lián)合治理煤礦井下瓦斯。程詳?shù)萚27]在蘆嶺礦形成了以地面采動井、攔截鉆孔、穿層鉆孔配合采空區(qū)埋管抽采為核心的卸壓瓦斯抽采體系，實現(xiàn)了煤與瓦斯共采。趙學(xué)良等[28]在寺河礦設(shè)計施工底板攔截鉆孔配合低、中、高位鉆孔聯(lián)合抽采瓦斯，各鉆孔抽采效果均超出預(yù)期，形成了“四位”鉆孔瓦斯抽采模式，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好。

1.5 井上下聯(lián)合立體化抽采瓦斯

井上下聯(lián)合立體化防治瓦斯技術(shù)在井下定向鉆孔實現(xiàn)對接的基礎(chǔ)上，采用RMRS主動測距系統(tǒng)精準(zhǔn)與地面直井進(jìn)行連接，實現(xiàn)直井與定向鉆孔群形成銜接，直井與井下定向鉆孔交叉區(qū)域經(jīng)過壓裂形成壓裂區(qū)，形成聯(lián)合進(jìn)行瓦斯抽采的一項聯(lián)合立體化瓦斯抽采系統(tǒng)。井上下聯(lián)合立體化抽采瓦斯基本原理如圖5所示。

隨著煤礦區(qū)煤層氣開發(fā)技術(shù)的發(fā)展，地面與井下聯(lián)合抽采煤層氣演化出了多種技術(shù)形式，包括開發(fā)方式的聯(lián)合、抽采通道的聯(lián)合、施工技術(shù)的聯(lián)合等[29]。付江偉等[30]針對我國低滲高突煤層瓦斯治理難題提出了條帶式井上下聯(lián)動卸壓開采、區(qū)域遞進(jìn)式井上下聯(lián)動抽采、井上下聯(lián)動抽采系統(tǒng)優(yōu)化等多項關(guān)鍵技術(shù)。姜小強等[31]基于沙曲礦近距離煤層群開采特點，在開拓區(qū)和生產(chǎn)區(qū)首次實施了多分支水平井與千米鉆孔定向?qū)痈咝С椴?、大孔徑定向長鉆孔立體式抽采等關(guān)鍵技術(shù)，形成了沙曲三區(qū)聯(lián)動瓦斯綜合治理模式與配套技術(shù)體系。

圖5 井上下聯(lián)合立體化抽采瓦斯原理示意Fig.5 Schematic diagram of the principle of three-dimensional gas drainage combined up and down the well

2 定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)展望

(1)松軟突出煤層深孔定向鉆進(jìn)保障技術(shù)與裝備。松軟突出煤層鉆進(jìn)過程中易發(fā)生塌孔、卡鉆、頂鉆現(xiàn)象，深孔或超深孔定向鉆進(jìn)更加困難，風(fēng)液聯(lián)動復(fù)合鉆進(jìn)、智能定速巡航鉆進(jìn)、雙管護(hù)孔鉆進(jìn)、性價比高的風(fēng)動鉆進(jìn)技術(shù)與裝備研究將是未來定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

(2)定向鉆孔定位增透技術(shù)與裝備。低滲突出煤層即使采用梳狀多分支定向鉆孔實現(xiàn)了超前鉆進(jìn)預(yù)抽瓦斯，但因煤層透氣性低，瓦斯抽采效果仍然困難，利用定向鉆機的精準(zhǔn)鉆探優(yōu)勢，在獲取煤層瓦斯賦存特征后，仍需配合可控沖擊波增透、分段水力壓裂、水力沖孔等定位增透技術(shù)，提高煤層透氣性和瓦斯抽采效果。故而定向鉆孔定位增透技術(shù)與裝備是未來定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)領(lǐng)域的又一關(guān)鍵。

(3)定向鉆孔以孔代巷區(qū)域瓦斯治理技術(shù)。以孔代巷技術(shù)通過精細(xì)地質(zhì)分析可做到精準(zhǔn)施策，同時可通過以定向鉆孔代替或減少專用巖石抽采巷，不僅可以對目標(biāo)治理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超前治理，縮短瓦斯治理周期，緩解礦井抽掘采緊張局面，還可降低礦井瓦斯治理成本，起到降本增效作用，其獨特的優(yōu)勢必將成為未來定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)領(lǐng)域的主流技術(shù)之一。

(4)定向鉆孔井上下聯(lián)合抽采技術(shù)。地面垂直井、水平井、羽狀井抽采瓦斯在我國很多礦區(qū)都取得了顯著效果，但由于其代價高、地面工農(nóng)關(guān)系協(xié)調(diào)困難等原因，使很多企業(yè)望而卻步，但若充分發(fā)揮地面井可大規(guī)模增透與井下定向鉆孔成本低的優(yōu)勢，既能實現(xiàn)高效抽采又能節(jié)約瓦斯治理成本。所以，定向鉆孔井上下聯(lián)合抽采技術(shù)作為未來定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向有其不可或缺的地位。

3 結(jié)語

(1)系統(tǒng)梳理了本煤層順層定向長鉆孔、底/頂板梳狀多分支定向鉆孔、 “以孔代巷”、定向攔截鉆孔和井上下聯(lián)合立體化5種形式定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)基本原理、布置方式、用途以及最新研究成果。

(2)結(jié)合國內(nèi)目前煤礦開采和定向鉆孔防治瓦斯技術(shù)現(xiàn)狀，對松軟突出煤層深孔定向鉆進(jìn)保障技術(shù)與裝備、定向鉆孔定位增透技術(shù)與裝備、定向鉆孔以孔代巷區(qū)域瓦斯治理技術(shù)和定向鉆孔井上下聯(lián)合抽采技術(shù)進(jìn)行了前景展望。