許 超，姜 磊，陳 盼，張 迪

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.神東煤炭集團(tuán)保德煤礦，山西 保德 036600)

瓦斯災(zāi)害是煤礦五大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅著煤礦企業(yè)的安全生產(chǎn)及井下人員的生命安全[1]，隨著煤炭行業(yè)科技水平的提高及煤礦企業(yè)的管理規(guī)范，安全生產(chǎn)形勢逐年好轉(zhuǎn)，但與瓦斯相關(guān)的災(zāi)害事故仍然時有發(fā)生，并且瓦斯災(zāi)害事故仍然是煤礦企業(yè)危害最大、死亡比例最高的重大事故之一[2]。同時，瓦斯作為一種清潔能源，其合理開發(fā)利用，不僅能減少礦井瓦斯涌出，預(yù)防瓦斯事故，還能提供清潔高效的能源，降低對環(huán)境的污染[3]。對礦井瓦斯治理的主要技術(shù)手段就是通過鉆孔形成瓦斯流動通道進(jìn)行抽采，我國從20 世紀(jì)50 年代開始進(jìn)行煤層瓦斯抽采，經(jīng)過多年的技術(shù)實踐，形成了煤層氣地面開發(fā)、煤礦井下抽采和地面-井下聯(lián)合綜合抽采3 種方式[4-6]。其中煤礦井下抽采又以順煤層瓦斯抽采技術(shù)為主流應(yīng)用，尤其是對于礦井未開采區(qū)域的瓦斯治理。

大盤區(qū)瓦斯抽采是近年來隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的進(jìn)步，而逐漸形成的瓦斯綜合治理新工藝。大盤區(qū)瓦斯治理的內(nèi)涵是：以礦井盤區(qū)作為瓦斯綜合治理對象，尤其是盤區(qū)工作面巷道未形成之前，通過在盤區(qū)一側(cè)施工貫通整個規(guī)劃工作面的長鉆孔，提前數(shù)年甚至數(shù)十年對整個盤區(qū)進(jìn)行充分預(yù)抽，從而降低煤層瓦斯含量及瓦斯涌出，避免瓦斯超限事故。大盤區(qū)瓦斯抽采的主要優(yōu)點是，可以在盤區(qū)內(nèi)規(guī)劃工作面巷道未形成之前對大區(qū)域進(jìn)行瓦斯抽采，既減少了常規(guī)順煤層瓦斯鉆孔施工數(shù)量和進(jìn)尺，又減少了礦井瓦斯抽采管路成本，還能避免工作面“抽-掘”和“抽-采”失調(diào)。

大盤區(qū)瓦斯抽采要求所施工的長鉆孔要覆蓋整個工作面的走向，以保德礦二盤區(qū)為例，規(guī)劃工作面超過3 000 m，盤區(qū)兩側(cè)巷道之間超過3 300 m，因此要求單次施工順煤層貫通鉆孔長度超過3 300 m，這對順煤層鉆孔的長度提出了較高的要求[7-8]。國內(nèi)煤礦井下順煤層定向鉆進(jìn)深度記錄隨技術(shù)與裝備的進(jìn)步不斷被刷新，2008 年在陜西亭南煤礦達(dá)到1 046 m，2010 年在山西寺河煤礦達(dá)到1 059 m，2011 年分別在山西神東保德煤礦和陜西大佛寺煤礦達(dá)到1 111.6 m 和1 212 m，2014 年在山西寺河煤礦達(dá)到1 881 m[9]。國外煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)成效以澳大利亞最為顯著，分別于2002 年和2017 年完成鉆孔深度1 761 m 和2 151 m順煤層定向鉆孔。2017、2019 年度國內(nèi)煤礦井下順煤層鉆孔深度記錄被刷新至2 311 m[10]和2 570 m[11]，以順煤層長鉆孔為基礎(chǔ)的礦井大區(qū)域瓦斯治理已經(jīng)成為研究的熱點，但距離大盤區(qū)瓦斯抽采所需求的3 300 m仍存在較大差距，因此，在鉆機(jī)設(shè)備能力提升有限的情況下急需從鉆進(jìn)工藝方面進(jìn)行改進(jìn)，以提高順煤層鉆孔施工長度及施工效率。

1 鉆進(jìn)工藝技術(shù)

順煤層超長定向鉆孔施工的主要技術(shù)難點是：隨著孔深增加，孔內(nèi)鉆具摩阻逐漸增大，直至達(dá)到設(shè)備能力極限，導(dǎo)致無法繼續(xù)進(jìn)行滑動定向鉆進(jìn)，無法保證鉆孔軌跡沿煤層延伸。目前，煤礦井下大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備施工順煤層長鉆孔，孔深達(dá)到1 900 m 左右時，推進(jìn)力即達(dá)到設(shè)備能力極限，限制了超長定向鉆孔的施工，因此需要從定向鉆進(jìn)減摩阻[12-13]方面開展研究。經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)及現(xiàn)場工程實踐，針對大盤區(qū)順煤層超長定向鉆孔施工，主要形成了以下幾大關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 遞進(jìn)式軌跡延伸技術(shù)

順煤層超長鉆孔瓦斯抽采要求鉆孔全煤層鉆進(jìn)，另外由于鉆孔施工過程中頂?shù)装鍘r石對鉆具的摩擦阻力遠(yuǎn)大于煤層對鉆具的摩擦阻力，因此結(jié)合定向鉆進(jìn)向下開分支的特點，開發(fā)出“主動探頂+開分支+主動探頂+……”的遞進(jìn)式延伸鉆進(jìn)技術(shù)[10]，如圖1 所示。

圖1 遞進(jìn)式軌跡延伸鉆進(jìn)技術(shù)Fig.1 Schematic diagram of progressive trajectory extension drilling technique

該技術(shù)的特點是在鉆進(jìn)過程中，每鉆進(jìn)一定距離進(jìn)行一次主動探頂，探測頂板起伏情況，再提鉆至一定距離開分支孔，使鉆孔從頂板下的煤層中向前延伸鉆進(jìn)，這樣不斷重復(fù)施工，直至鉆進(jìn)到設(shè)計孔深。退鉆時，可進(jìn)行一定距離探測底板，以此來釋放下分層煤層瓦斯。利用該方法可以實現(xiàn)全煤層鉆進(jìn)，避免鉆孔穿越巖層導(dǎo)致摩阻快速增大。

1.2 復(fù)合鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)

復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)較傳統(tǒng)滑動定向鉆進(jìn)技術(shù)具有鉆進(jìn)效率高、鉆孔軌跡平滑、鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力低等優(yōu)勢，對于超長定向鉆孔施工至關(guān)重要。實踐中發(fā)現(xiàn)，控制鉆進(jìn)參數(shù)，可以實現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)定方位的同時對鉆孔傾角控制在一定范圍內(nèi)[8]。主要依靠圖2 中設(shè)計有外出刃的定向鉆頭及彎角外側(cè)帶襯墊的螺桿馬達(dá)來實現(xiàn)。

圖2 復(fù)合鉆進(jìn)軌跡控制鉆具Fig.2 Composite drill path control tool

復(fù)合鉆進(jìn)軌跡控制的基本原理是，依靠“快給進(jìn)、低轉(zhuǎn)速”時螺桿鉆具下方鉆屑楔進(jìn)行增傾角鉆進(jìn)，依靠“慢給進(jìn)、高轉(zhuǎn)速”時鉆頭外出刃重復(fù)切削進(jìn)行降傾角鉆進(jìn)，及給進(jìn)與轉(zhuǎn)速的“匹配”實現(xiàn)穩(wěn)傾角鉆進(jìn)。通過提高超長定向鉆孔施工中復(fù)合鉆進(jìn)比例，降低摩阻，延緩?fù)七M(jìn)力，達(dá)到設(shè)備極限的目的。

1.3 滑動鉆進(jìn)減阻技術(shù)

順煤層超長定向鉆孔施工過程中，鉆進(jìn)阻力隨著鉆孔深度增加呈快速上升趨勢。其中鉆進(jìn)阻力主要來自鉆具與孔壁之間的摩擦阻力，而摩擦阻力上升原因是，隨著鉆孔深度增加，鉆具在孔內(nèi)處于屈曲狀態(tài)。因此，從改善孔底鉆具和孔口鉆具受力狀態(tài)兩方面，分別形成了兩大減阻鉆進(jìn)技術(shù)。

1.3.1 水力加壓減阻鉆進(jìn)技術(shù)

基本原理如圖3 所示，水力加壓螺桿鉆具的轉(zhuǎn)子總成在水力驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)的同時，可在軸向產(chǎn)生一定位移，帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)的同時產(chǎn)生軸向推力，將轉(zhuǎn)子總成連同鉆頭沿軸向推出一定距離，進(jìn)而在鉆進(jìn)過程中借助水壓為鉆頭施加額外鉆壓[14]。在沖洗液壓降1 MPa情況下，可以產(chǎn)生約6 kN 推進(jìn)力，避免由于存在孔壁托壓造成鉆頭碎巖所需鉆壓不足。

圖3 水力加壓螺桿原理Fig.3 Schematic diagram of hydraulic pressure screw

1.3.2 正反扭轉(zhuǎn)減阻鉆進(jìn)技術(shù)

基本原理如圖4 所示，利用超長定向鉆孔(孔深超過2 000 m)鉆具轉(zhuǎn)矩傳遞的滯后性，通過鉆機(jī)動力頭的正反扭轉(zhuǎn)，把孔口至平衡點之前的鉆具與孔壁間的滑動摩擦轉(zhuǎn)變?yōu)闈L動摩擦，達(dá)到降低鉆進(jìn)阻力的目的[15]。

圖4 正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)原理Fig.4 Forward and reverse torsional drilling schematic

1.4 復(fù)合側(cè)鉆分支工藝技術(shù)

利用遞進(jìn)式軌跡延伸技術(shù)進(jìn)行順煤層鉆進(jìn)時需要不斷開分支，但當(dāng)鉆孔較深，孔內(nèi)發(fā)生托壓的情況下滑動鉆進(jìn)開分支成功率較低，基于復(fù)合鉆進(jìn)降傾角原理，開發(fā)出順煤層超長孔復(fù)合側(cè)鉆分支技術(shù)[8]。其技術(shù)要領(lǐng)是，控制均勻緩慢的給進(jìn)速度，并以合適的轉(zhuǎn)速反復(fù)磨削孔壁下緣。復(fù)合側(cè)鉆分支工藝技術(shù)不受孔深限制，是順煤層超長定向鉆孔全煤層鉆進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)。

2 配套裝備

大盤區(qū)瓦斯抽采順煤層超長定向鉆孔的實施需要配套裝備滿足以下要求：

①由于孔內(nèi)鉆具自重及摩阻較高，因此對鉆機(jī)設(shè)備的給進(jìn)起拔力要求較高。

② 在鉆孔長度較大時仍然保持孔底螺桿馬達(dá)的碎巖動力，因此需要配置大排量高壓泥漿泵。

③隨鉆測量系統(tǒng)的測量深度大于3 000 m 且工作穩(wěn)定性較好。

④ 配套鉆具的沿程水頭損失較低。

基于上述要求，大盤區(qū)瓦斯抽采配套鉆具主要包含以下幾個方面。

2.1 ZDY15000LD 鉆機(jī)

ZDY15000LD 型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)是一款大轉(zhuǎn)矩、低轉(zhuǎn)速，適用于鉆進(jìn)大直徑近水平長鉆孔及超長鉆孔的履帶自行式全液壓動力頭式坑道鉆機(jī)，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZDY15000LD 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of ZDY15000LD drilling rig

2.2 BLY460/13 泥漿泵車

BLY460/13 型煤礦井下定向鉆進(jìn)用全液壓履帶泵車用于全液壓動力頭式鉆機(jī)定向鉆進(jìn)時，為其提供高壓水以驅(qū)動螺桿鉆具實現(xiàn)定向鉆進(jìn)，具有可自主行走、集成性好、性能先進(jìn)、排量大、壓力高、操作簡便及作業(yè)安全等特點。其主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 BLY460/13 泥漿泵車主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of BLY460/13 mud pump truck

2.3 YHD3-3000T 測量系統(tǒng)

系統(tǒng)由YHD2-1000J 礦用隔爆兼本安型計算機(jī)、YHD2-1000P 礦用本安型鍵盤、YHD2-1000C 數(shù)據(jù)存儲器、GPD60(A)礦用本質(zhì)安全型壓力變送器和YHD3-3000T 礦用隔爆兼本安型泥漿脈沖隨鉆測量裝置探管組成。其中YHD3-3000T 探管主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 YHD3-3000T 探管主要技術(shù)參數(shù)Table 3 Main technical parameters of YHD3-3000T probe tube

2.4 ?89 mm 無纜大通孔鉆桿

?89 mm 無纜大通孔鉆桿長度為3 m，采用內(nèi)外平結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于采用無線隨鉆測量系統(tǒng)傳輸，省去了鉆桿的中心通纜結(jié)構(gòu)，故沖洗液壓耗損失下降。經(jīng)實測沖洗液壓耗損失降低71%。其主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 ?89 mm 無纜大通孔鉆桿主要技術(shù)參數(shù)Table 4 Main technical parameters of ?89 mm unwired large hole drill pipe

2.5 ?89 mm 水力加壓螺桿馬達(dá)

水力加壓螺桿馬達(dá)是在常規(guī)螺桿馬達(dá)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改進(jìn)，螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)子長度小于定子長度，使轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部可以上下活動。?89 mm 水力加壓螺桿馬達(dá)主要技術(shù)參數(shù)見表5。

表5 ?89 mm 水力加壓螺桿馬達(dá)主要技術(shù)參數(shù)Table 5 Main technical parameters of 89 mm hydraulic pressure screw motor

3 工程示范

3.1 工程概況

結(jié)合保德煤礦超長工作面大區(qū)域瓦斯治理需要，順煤層超長定向鉆孔施工地點選擇在保德煤礦五盤區(qū)一號回風(fēng)大巷27 聯(lián)巷，鉆孔區(qū)域位于規(guī)劃的二盤區(qū)81210 工作面，目標(biāo)是貫通整個工作面，鉆場位置如圖5 所示。

圖5 鉆場位置Fig.5 Drilling field location

二盤區(qū)內(nèi)主要含煤地層為8 號煤，該煤層位于山西組(P1s)底部S3 砂巖之上，煤層厚度2.15～10.39 m，平均6.60 m；純煤厚度1.70～9.01 m，平均7.8 m，為厚煤層。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含夾矸1～8 層，平均3～4 層，屬較穩(wěn)定煤層。當(dāng)8 號煤層下部夾矸大于或等于0.7 m時，將上部煤層編號為8-1，下部煤層編號為8-2。8-1號煤層直接頂板多為砂質(zhì)泥巖與泥巖，局部為粗粒砂巖，底板以泥巖為主，次為粉砂巖；8-2號煤層分布于盤區(qū)南部，煤層厚度0.37～4.46 m，平均1.76 m，純煤厚0.37～3.69 m，平均1.73 m，屬中厚煤層，屬不穩(wěn)定煤層。

3.2 施工情況

大盤區(qū)瓦斯抽采示范工程分3 步進(jìn)行，經(jīng)過科技攻關(guān)及試驗總結(jié)，最終形成大盤區(qū)瓦斯抽采定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備。試驗分別于2017 年11 月至2018 年1 月，2019 年1 月，2019 年8 月至9 月先后在山西保德礦二盤區(qū)完成主孔深度2 311、2 570 和3 353 m 的順煤層超長定向鉆孔，其中3 353 m 超長定向鉆孔成功貫通鄰近三下盤區(qū)二號回風(fēng)大巷，并3 次刷新煤礦井下順煤層鉆孔深度世界紀(jì)錄[9-11]。鉆孔信息見表6，鉆孔平面軌跡如圖6 所示。

表6 順煤層超長定向鉆孔信息Table 6 Demonstration of ultra-long directional drilling along coal seam

圖6 大盤區(qū)瓦斯抽采鉆孔實鉆軌跡Fig.6 The actual drilling track of gas extraction drilling in large panel

4 抽采效果分析

保德礦大盤區(qū)瓦斯抽采示范工程2 311、2 570、3 353 m 鉆孔分別于2018 年1 月22 日、2019 年1 月13 日和2019 年9 月15 日開始抽采，其中2 311 m 和2 570 m 鉆孔為單向抽采，3 353 m 貫通二盤區(qū)鉆孔為雙向同時抽采，截止到2021 年5 月24 日，三個鉆孔分別累計抽采1 219 d、862 d、618 d，分別累計抽采標(biāo)況下瓦斯純量達(dá)3.68×106m3、2.57×106m3和4.34×106m3，日均抽采量達(dá)3 022 m3、2 980 m3和7 015 m3。3 個鉆孔的日抽采量隨抽采天數(shù)的變化曲線如圖7所示。

圖7 日抽采量與抽采天數(shù)變化情況Fig.7 Variation of daily extraction amount and days of extraction

從圖中可以看出，大盤區(qū)瓦斯抽采超長定向鉆孔抽采效果穩(wěn)定，隨抽采時間延長衰減很小，且貫通鉆孔從兩側(cè)同時抽采效果明顯高于單側(cè)抽采鉆孔，3 353 m抽采鉆孔抽采時間達(dá)618 d 后，日均抽采量仍呈現(xiàn)上升趨勢。表明大盤區(qū)瓦斯抽采超長定向鉆孔對于提升瓦斯抽采效率效果顯著。

5 結(jié) 論

a.大盤區(qū)瓦斯抽采對于礦井未生產(chǎn)工作面，尤其是規(guī)劃工作面巷道未掘進(jìn)的大區(qū)域瓦斯綜合超前治理，防止瓦斯超限具有重要意義。

b.大盤區(qū)瓦斯抽采順煤層超長定向鉆孔主要解決孔內(nèi)摩阻過大導(dǎo)致滑動定向鉆進(jìn)困難問題，通過鉆孔遞進(jìn)式軌跡延伸技術(shù)、復(fù)合鉆進(jìn)軌跡控制技術(shù)、水力加壓減阻鉆進(jìn)技術(shù)、正反扭轉(zhuǎn)減阻鉆進(jìn)技術(shù)及復(fù)合側(cè)鉆分支技術(shù)可以有效控制鉆孔軌跡沿煤層延伸，降低孔內(nèi)摩阻，提升鉆孔長度。

c.大盤區(qū)瓦斯抽采順煤層超長定向鉆孔抽采周期長，抽采量高，尤其以順煤層對穿鉆孔雙向抽采效果最為顯著，可以對大盤區(qū)瓦斯進(jìn)行超前綜合治理。