復雜地層頂板大直徑高位定向鉆孔試驗

于成鳳

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

我國大部分礦區(qū)煤層賦存地質(zhì)條件復雜，高瓦斯、煤與瓦斯突出是煤礦重大自然災(zāi)害之一，瓦斯災(zāi)害對礦井開采造成巨大威脅、嚴重制約著礦井安全生產(chǎn)［1-2］。在煤礦瓦斯治理中，瓦斯抽采效果取決于瓦斯抽采技術(shù)，關(guān)系著回采工作面的瓦斯?jié)舛瓤刂啤⒁仓苯佑绊懼咚篂?zāi)害治理程度［3-4］。當前，煤礦井下定向鉆進裝備與技術(shù)取得重大進步，利用先進的煤礦井下定向鉆進裝備，采用先進的瓦斯抽采技術(shù)，實現(xiàn)災(zāi)害精準治理，是未來瓦斯災(zāi)害治理的發(fā)展趨勢［5-6］。東保衛(wèi)煤礦三采區(qū)-700 工作面現(xiàn)有高位瓦斯孔、仰角瓦斯孔、底板攔截瓦斯孔等進行瓦斯抽采，由于單孔深度不足、鉆孔難以成孔、瓦斯抽采效果不佳等復雜問題，對礦井安全生產(chǎn)造成潛在危險?；诖?，東保衛(wèi)煤礦采用中煤科工集團西安研究院有限公司研發(fā)生產(chǎn)的煤礦井下定向鉆進裝備在三采區(qū)-700 工作面進行頂板大直徑高位定向鉆孔施工，對煤層頂板裂隙帶賦存瓦斯進行預(yù)抽，解決高位瓦斯孔、仰角瓦斯孔、底板攔截孔瓦斯抽采效果不佳等問題，為東保衛(wèi)煤礦乃至相似礦井工作面瓦斯治理提供新的技術(shù)思路。

1 試驗基本情況

1.1 工作面概況

試驗地點位于東保衛(wèi)煤礦三采區(qū)36 層-700 右面工作面，所采煤層為36 號煤，該工作面走向長813 m，傾斜長253 m，上部為30 號煤，下部為41 號煤。36 號煤煤層厚度1.7～2.15 m，煤層的穩(wěn)定可采平均厚度1.94 m，傾角14°～26°。煤層屬于簡單結(jié)構(gòu)，條帶狀結(jié)構(gòu)明顯，內(nèi)生裂隙發(fā)育，常具階梯狀斷口，自然發(fā)火期3～6 個月，煤塵爆炸指數(shù)37.00%。

36 號煤層偽頂為0.4 m 灰黑色細砂，巖石破碎、節(jié)理發(fā)育。老頂為7 m 厚的粗砂巖，黃白色，層理不發(fā)育。煤層底板為3.6 m 厚的中砂巖，灰白色，巖石層理發(fā)育。該回采工作面處于三采區(qū)深部，瓦斯?jié)舛认鄬^高，并且32、33 號煤均處于裂隙帶內(nèi)，預(yù)計瓦斯壓力0.28 MPa、瓦斯含量4.69 m3/t。

1.2 配套裝備

東保衛(wèi)煤礦三采區(qū)36 層-700 工作面頂板地質(zhì)條件復雜，斷層較為發(fā)育、含有多層煤線，對井下定向鉆進裝備施工能力要求嚴格。為提高鉆進效率以及鉆孔成孔率，選用的主要裝備情況如表1 所示。

表1 主要裝備情況Table 1 Main equipment

1.2.1 ZDY12000LD 型大功率定向鉆機

該鉆機具有低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩，適用于大直徑近水平深孔鉆進，鉆機技術(shù)性能先進、工藝適應(yīng)性強、移動搬遷方便。鉆機主要參數(shù)如表2 所示。

表2 ZDY12000LD 型鉆機主要參數(shù)Table 2 Main parameters of ZDY12000LD drilling rig

1.2.2 BLY460/13 型泥漿泵車

用于ZDY12000LD 型大功率定向鉆機定向鉆進時，提供高壓水以驅(qū)動孔底馬達實現(xiàn)定向鉆進，具有可自主行走、集成性好、性能先進、操作簡便、作業(yè)安全等特點。與定向鉆機配套使用可有效提高瓦斯鉆孔施工效率，為煤礦安全高效生產(chǎn)提供設(shè)備保障和技術(shù)支持。泵車主要參數(shù)如表3 所示。

表3 BLY460/13 型泥漿泵車主要參數(shù)Table 3 Main parameters of BLY460/13 mud pump truck

1.2.3 YHD3-1500T 型泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)

用于煤礦井下鉆探施工過程中的隨鉆監(jiān)測，可隨鉆測量鉆孔傾角、方位角、工具面向角等主要參數(shù)，同時可實現(xiàn)鉆孔參數(shù)、軌跡的即時孔口顯示，便于施鉆人員隨時了解鉆孔施工情況，并及時調(diào)整工具面向角和工藝參數(shù)，使鉆孔盡可能地按照設(shè)計的軌跡延伸。該系統(tǒng)鉆具適配性強，方便根據(jù)復雜地層實際情況進行鉆具調(diào)整。整套裝備具有施工工藝適應(yīng)性強、性能穩(wěn)定、孔內(nèi)事故處理能力強等優(yōu)點［7-8］。泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)連接如圖1 所示，主要參數(shù)如表4 所示。

表4 YHD3-1500T 型泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)主要參數(shù)Table 4 Main parameters of YHD3-1500T mud pulse MWD

圖1 泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)連接示意Fig.1 Connection diagram of the mud pulse MWD

1.3 鉆孔布置

鉆孔布置的合理性是決定頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素［9-11］，高位定向鉆孔在煤層頂板設(shè)計布孔時，同時考慮鉆孔瓦斯抽采效果及目標層位選擇2 方面因素。

（1）瓦斯抽采效果。根據(jù)煤礦瓦斯治理經(jīng)驗，剖面上鉆孔應(yīng)布置在采動裂隙帶上部，平面上鉆孔應(yīng)靠近且平行于回風巷布孔，同時根據(jù)單一鉆孔的瓦斯有效抽采半徑確定合理的鉆孔平間距。

（2）目標層位選擇。根據(jù)東保衛(wèi)煤礦36 號煤層采動后冒落帶及裂隙帶高度計算的經(jīng)驗公式：冒落帶高度可由經(jīng)驗公式（1）計算、裂隙帶高度可由經(jīng)驗公式（2）計算［12］：

式中：M——煤層開采厚度，m；K——巖石松散系數(shù)；α——煤層傾角，（°）；H1——冒落帶高度，m；H2——裂隙帶高度，m。

東保衛(wèi)煤礦36 號煤層采高M=1.9 m，巖石松散系數(shù)K=1.3，煤層傾角取平均值α=20°，代入經(jīng)驗公式（1）、（2）計算得出36 號煤層開采后裂隙帶范圍在（6.8～28.6）±5.6 m 之間。

依據(jù)36 號煤層頂板柱狀巖性分析，結(jié)合經(jīng)驗公式計算得出的裂隙帶范圍，選取鉆孔成孔率高且穩(wěn)定的層位，鉆孔分上下2 排6 個鉆孔布置，其中1、2、3 號鉆孔距36 號煤層頂板30 m，4、5、6 號鉆孔距36號煤層頂板20 m，鉆孔平間距按照10 m 平行布置，1、4 號鉆孔距離回風巷35 m，2、5 號鉆孔距離回風巷25 m，3、6 號鉆孔距離回風巷15 m，鉆孔布孔位置如圖2 所示。

圖2 頂板高位定向鉆孔布置位置示意Fig.2 Schematic diagram of placement of the roof directional drilling borehole

2 現(xiàn)場施工

2.1 施工工藝

鉆進施工完成6 個?120 mm 大孔徑頂板高位定向鉆孔，目標孔深≥300 m，施工工藝流程如圖3所示。

圖3 大孔徑頂板高位定向鉆孔施工工藝流程Fig.3 Drilling process of the high-level roof directional drilling borehole

鉆進施工過程中采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝施工孔口管孔段，再采用定向鉆進工藝施工?120 mm 定向鉆孔段，達到目標要求后提鉆終孔。

2.1.1 回轉(zhuǎn)鉆進工藝

采用普通回轉(zhuǎn)鉆進工藝施工孔口管段，目的是安裝孔口管和孔口四通裝置及氣水分離器，并連接抽采系統(tǒng)，實現(xiàn)邊鉆進邊抽采［13］，防止鉆孔施工過程中瓦斯超限?？卓诠芸锥蜗葘Э撞捎?120 mm PDC 鉆頭配套?89 mm 高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進至9 m；孔口管孔段擴孔采用?153 mm/120 mm PDC 擴孔鉆頭配套?89 mm 高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)擴孔鉆進至8 m；孔口管孔段二級擴孔采用?193 mm/153 mm PDC 擴孔鉆頭配套?89 mm 高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆桿回轉(zhuǎn)擴孔鉆進至7.5 m，下入?159 mm 孔口管6 m，采用兩堵一注方式進行注漿固管。

2.1.2 定向鉆進工藝

主要采用滑動鉆進工藝［14］，同時在鉆孔軌跡參數(shù)變化較小孔段，采取回轉(zhuǎn)鉆進工藝與滑動鉆進工藝相結(jié)合的復合鉆進工藝［15-18］，鉆進效率高，大大提高鉆孔成孔率。定向鉆進孔段采用?120 mm PDC鉆頭、?89 mm 高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆桿、BLY460 型泥漿泵車以及YHD3-1500T 型泥漿脈沖測量系統(tǒng)施工至目標孔深，施工結(jié)束提鉆終孔。

2.2 施工完成情況

自2019 年10 月23 日—2020 年1 月20 日，共 完成6 個?120 mm 頂板高位定向鉆孔，目標孔深均達到預(yù)期要求，其中最大孔深510 m，鉆孔竣工參數(shù)見表5。鉆孔實鉆軌跡見圖4、圖5。

圖5 鉆孔實鉆軌跡平面示意Fig.5 Plan view of the as-drilled trajectory

表5 鉆孔竣工參數(shù)Table 5 Drilling completion parameters

圖4 鉆孔實鉆軌跡剖面示意Fig.4 Sectional view of the as-drilled trajectory

2.3 復雜地層成孔難點

東保衛(wèi)煤礦36 層-700 工作面地質(zhì)條件復雜，斷層較為發(fā)育、多層煤線、地層負角度走向等是鉆孔成孔的主要障礙，也是復雜地層成孔難點，鉆孔施工過程中遇到的問題歸納為以下幾點。

（1）多層煤線。根據(jù)鉆孔剖面布置原則，頂板高位定向鉆孔布置在距離36 號煤層頂板20、30 m 目標層位，鉆孔需穿過5 層煤線，由于煤質(zhì)松軟，在定向鉆具振動及高壓水的沖刷作用下，煤層極易垮塌破碎，造成孔內(nèi)卡埋壓鉆現(xiàn)象，嚴重影響鉆孔成孔。

（2）斷層發(fā)育。該工作面地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育，主要類型為斷裂構(gòu)造，發(fā)育多條正逆斷層，根據(jù)地質(zhì)資料查詢，在施工范圍內(nèi)距離孔口170 m 位置揭露出一條正斷層，落差0.3 m，鉆孔穿過斷層時，進入非目標層位，造成孔內(nèi)潛在事故隱患。

（3）地層負角度。根據(jù)地質(zhì)資料顯示，在定向鉆孔施工范圍內(nèi)，從鉆場向切眼方向36 號煤層呈現(xiàn)爬坡-下坡走勢，導致鉆孔在下坡孔段順層呈負角度走勢，不利于鉆孔巖屑及時排出孔外。

2.4 解決措施

針對在東保衛(wèi)煤礦36 層-700 工作面施工頂板高位定向鉆孔遇到的難點，提出以下若干解決措施。

（1）采取大傾角鉆進。根據(jù)36 號煤層頂板巖性柱狀分析鉆孔鉆進目標層位需穿過的煤線高度以及數(shù)量，然后進行設(shè)計計算，保證鉆孔實鉆軌跡按照目標軌跡鉆進時，盡可能地減少煤層孔段長度，大傾角快速進入和穿出煤層，從而最大程度地降低煤層孔段破碎，減少破碎帶影響。

（2）復雜孔段擴孔工藝。定向鉆進過程中，難免遇到復雜孔段，例如破碎帶、斷層區(qū)域，都會導致可能的孔內(nèi)風險發(fā)生，甚至泥巖層存在縮徑現(xiàn)象，導致鉆具“抱死”等復雜情況，可以通過回轉(zhuǎn)擴孔工藝進行解決，通過增大鉆孔孔徑，減少鉆具擾動、高壓水沖刷導致的復雜孔段破碎情況，利于孔壁穩(wěn)定，進而解決破碎引起的成孔難等問題。

（3）測量系統(tǒng)選擇。東保衛(wèi)煤礦36 層-700 工作面地質(zhì)條件復雜，尤其地層負角度，導致鉆進時孔內(nèi)巖屑不易排出，針對這一難點，采用YHD3-1500T 型泥漿脈沖測量系統(tǒng)配套高韌性大通徑寬翼片螺旋鉆桿可以很好地攜帶出負角度鉆孔孔內(nèi)巖屑排出孔外，解決排渣困難問題。

2)在市場需求減小時，分別在β=1、β=0.2，而α為變量，和α=0.3，β為變量的情景下，分析供應(yīng)鏈最優(yōu)訂貨策略和期望利潤的變化趨勢.

3 瓦斯抽采效果

3.1 瓦斯抽采數(shù)據(jù)

東保衛(wèi)煤礦36 層-700 工作面6 個頂板大直徑高位定向鉆孔施工結(jié)束后，進入瓦斯抽采效果考察階段。根據(jù)工作面推進情況，于2020 年1 月8 日開始進行負壓瓦斯抽采，6 個頂板定向鉆孔均有瓦斯數(shù)據(jù)顯示，截止到4 月13 日共96 d 持續(xù)穩(wěn)定抽采。其中2 號鉆孔最大抽采流量達到9.3 m3/min，全部鉆孔抽采瓦斯總量達214.84 萬m3，瓦斯抽采效果顯著。鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)見表6。

表6 鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)Table 6 Borehole gas extraction data

3.2 瓦斯?jié)舛茸兓?/h3>

東保衛(wèi)煤礦36 層-700 工作面原有抽采鉆孔為仰角瓦斯孔，2020 年1 月2～7 日利用仰角瓦斯孔抽采瓦斯，連續(xù)6 天測得回風瓦斯?jié)舛?.4%～0.5%，上隅角瓦斯?jié)舛?.7%～0.8%。2020 年1 月8～13日利用頂板大直徑高位定向鉆孔進行負壓瓦斯抽采，連續(xù)6 d 測得回風瓦斯?jié)舛?.1%～0.2%，上隅角瓦斯?jié)舛?.2%～0.3%，工作面瓦斯?jié)舛茸兓鐖D6 所示。

圖6 工作面瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.6 Change of gas concentration at working faces

根據(jù)鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)以及工作面回風瓦斯?jié)舛?、上隅角瓦斯?jié)舛茸兓贸觯?/p>

（1）利用頂板大直徑高位定向鉆孔進行瓦斯抽采，其瓦斯抽采濃度比原有仰角瓦斯孔抽采濃度增加66.7%，取得顯著瓦斯抽采效果。

（2）解決仰角瓦斯孔有效抽采孔段短、抽采能力不足等問題，同時也解決高位瓦斯孔、底板攔截孔鉆場接續(xù)盲區(qū)等缺點，大大提高了瓦斯抽采效率以及穩(wěn)定抽采周期，極大地緩解了由于工作面瓦斯?jié)舛瘸薅鸬拿旱V安全開采緊張關(guān)系。

4 結(jié)語

針對東保衛(wèi)煤礦36 層-700 工作面頂板復雜地層條件，選取合適的井下定向鉆進裝備以及合理的瓦斯抽采技術(shù)是鉆孔成孔、瓦斯抽采效果顯著的關(guān)鍵因素。

（2）在本次頂板大直徑高位定向鉆孔試驗過程中，多層煤線采取大傾角鉆進、復雜孔段擴孔鉆進工藝，負角度地層孔段利用泥漿脈沖測量系統(tǒng)配套螺旋鉆桿攜帶巖屑排出孔外是取得鉆孔成孔成功的關(guān)鍵。

（3）采用頂板大直徑高位定向鉆孔進行瓦斯抽采，抽采瓦斯?jié)舛茸兓黠@，能夠替代東保衛(wèi)煤礦原有仰角瓦斯孔、高位瓦斯孔、底板攔截孔，為東保衛(wèi)煤礦乃至相似礦井工作面瓦斯治理提供新的技術(shù)思路。