负角度定向长钻孔瓦斯抽采完孔工艺研究

马 赞，陈冬冬，解恒星，陈天柱，王 彬，贾秉义

(1.贵州金沙龙凤煤业有限公司，贵州 金沙 551800；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

煤矿瓦斯抽采是防治瓦斯灾害事故、实现瓦斯综合利用的有效措施[1-2]。定向钻进工艺可跨盘(采)区、工作面进行钻孔施工，实现大区域、超长距离、递进式煤层瓦斯精准高效抽采，可大幅增加钻孔抽采范围，解决了高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井瓦斯灾害治理的时空矛盾[3-6]。目前常用的液动定向钻进技术适用于坚固性系数(f值)大于0.8 的中硬煤层中，中硬煤层顺层钻进成孔性较好，通常无需采取筛管护孔措施即可取得较好的抽采效果。同时，受矿井采掘部署影响，负角度钻孔(下向孔)在煤矿生产中有着较为广泛的应用。但下向孔积水可能造成钻孔孔壁失稳变形甚至坍塌，导致孔内瓦斯抽采通道堵塞等问题，将致使钻孔瓦斯抽采量降低[7-9]，影响瓦斯抽采效果，对于定向长钻孔更是如此，若局部出现塌孔问题，将导致大量钻孔失效，造成瓦斯抽采盲区，严重影响定向长钻孔瓦斯抽采技术的高效性、经济性和实用性。

针对下向钻孔的排水问题，国内外学者开展了相关研究，常用的主要方法有压风排水法、孔外泵抽和孔内泵排等，虽然取得了一些成果，但均集中在底板巷穿层下向孔或较短长度的顺层下向孔中[10]，对于长距离(大于300 m)的下向钻孔积水问题，现有常规方法均无法有效解决，且鲜有见到相关的研究报道。因此，在无有效排水措施的前提下，对于中硬煤层负角度定向长钻孔而言，是否需要采取护孔工艺，二者的抽采效果差异是值得商榷的生产实际问题。基于此，笔者以贵州龙凤煤矿9 号中硬煤层为研究对象，考察分析了采取护孔和未护孔2 种完孔工艺的负角度定向长钻孔瓦斯抽采效果，以期为中硬煤层定向长钻孔合理抽采工艺提供参考。

1 负角度定向长钻孔筛管护孔工艺技术

1.1 失稳分析

定向长钻孔抽采瓦斯工艺作为防治煤与瓦斯突出灾害事故的重要措施，已被广泛应用，与普通钻孔相比，定向钻孔具有钻孔轨迹精确可控、成孔性较好、钻孔深度大、覆盖范围广、瓦斯抽采效率高等优点。但是在负角度定向长钻孔成孔后，钻孔积水可能造成钻孔孔壁失稳变形甚至坍塌，钻孔孔壁稳定性极差，导致钻孔抽采有效截面积减小，瓦斯抽采效果无法得到保证，严重影响煤矿企业的安全生产。负角度定向长钻孔成孔后造成孔内失稳具有以下特征：

①在突出煤层中，煤层破碎、强度低、黏聚力小、吸附能力强、易膨胀，为塑性围岩，不利于钻孔孔壁的稳定，极易造成钻孔失稳、坍塌。

② 积水对煤层可以产生软化、泥化作用，导致钻孔发生体积膨胀、崩解等明显变化；在负角度定向长钻孔中，钻孔孔壁周围的煤体吸附大量的水分，会发生近似整体向内平移的失稳塌孔现象。

③长钻孔失稳塌孔，煤体自身因素起着决定性的作用，但是外部因素的作用也很重要，在煤矿开采过程中，煤巷掘进、临近层开采、爆破等都会造成钻孔失稳变形；此外，附近钻孔施工也是造成其变形的原因，而且，由于煤层具有流变及蠕变特性，时间因素也是考虑钻孔失稳变形的重要因素之一。

1.2 筛管护孔工艺

如何解决已形成钻孔坍塌失效成为亟待解决问题。筛管护孔工艺既解决了钻孔缩径、坍塌失效的问题，又不影响瓦斯抽采，有效保证了钻孔抽采瓦斯的可靠性和有效性。在顺层或穿层短距离钻孔中，常规下护孔筛管技术需借助人工助推方式下入护孔筛管，但人工助推能力有限，无法实现远距离或全孔下筛管[11-15]。随着技术的不断革新与进步，随钻下护孔筛管技术日趋成熟，使用可开闭式钻头利用机械助推方式配合大通孔螺旋钻杆实现远距离下入护孔筛管，其工艺流程为：首先利用定向回转钻进工艺施工定向长钻孔，待达到设计孔深之后，提钻终孔。从钻杆中心利用机械方式下入护孔筛管，下至设计孔深后，退出孔内钻具，护孔筛管留在孔内作为钻孔内瓦斯抽采通道[16-18]。

1.3 不同完孔工艺效果分析

在已成形负角度定向钻孔中，由于打钻积水和地层水的存在，钻孔内存在积水，且对于长距离、大垂深钻孔而言，孔内积水不能被负压抽采和涌出瓦斯有效携带，致使其在钻孔中始终聚积[19-20]。钻孔揭露的煤体长期浸泡在水中，煤体的含水饱和度增高，煤体颗粒之间充满水，导致表面张力消失，剪切强度减小，煤体强度变低，造成钻孔力学失稳，表现为缩径、掉渣、掉块甚至坍塌。对于中硬煤层而言，含水钻孔的孔壁煤体力学失稳不一定会造成坍塌堵塞，本文中2 种完孔工艺的定向钻孔的瓦斯抽采量没有出现突然衰减和明显下降，间接也表明孔内应没有出现大面积塌孔造成的钻孔失效；但随着煤体浸泡时间的增加，造成缩径、掉渣、掉块等效应会逐渐增加钻孔摩擦阻力，导致孔内负压损失较大，瓦斯运移压力梯度逐步减小。同时，掉渣、掉块效应一定程度上虽然不会堵塞瓦斯流动通道，但会直接导致钻孔有效截面积大幅减小，如图1 所示。因此，初步分析认为，中硬煤层负角度定向长钻孔积水导致的负压损失、孔壁变形、渣块沉积等使得钻孔有效抽采面积减少，这是造成未护孔条件下瓦斯长期抽采效果差的主要原因。下入护孔筛管后，筛管的支撑作用缓解且防止孔壁的进一步变形，维持了钻孔抽采有效截面积，并且可以作为长期的瓦斯抽采通道，如图2 所示，既解决钻孔坍塌失效的问题，又不影响瓦斯抽采，延长了钻孔的服务周期，有效保障瓦斯抽采钻孔的可靠性和有效性。

图1 未下入护孔筛管定向钻孔瓦斯运移趋势Fig.1 Trend of gas migration in directional drilling holes without protective screen pipe

图2 下入护孔筛管定向钻孔瓦斯运移趋势Fig.2 Trend of gas migration in directional drilling holes with protective pipe

2 工程实践

2.1 矿井概况

贵州金沙龙凤煤业有限公司(简称“龙凤煤矿”)位于贵州省金沙县西南部，矿井分两期建设，一期生产能力为120 万t/a，为煤与瓦斯突出矿井；矿井目前处于基建阶段，首采区位于矿区中部，主采二叠系龙潭组9 号煤层，煤质为高变质无烟煤。矿井开拓期间，实测9 号煤层最大瓦斯含量15.74 m3/t、煤层瓦斯压力 1.26 MPa，透气性系数 0.022～0.096 m2/(MPa2·d)、钻孔流量衰减系数0.14～0.24 d–1，属于较难抽采煤层。首采1903 工作面沿倾向布置，落差近160 m(切眼低)，平均倾角–8°，工作面长度200 m、煤层厚度2.80 m，结构较简单、一般不含夹矸，煤层顶底板岩性为泥岩、粉砂岩或砂质泥岩；区域地层走向NE、倾向SE，地质构造复杂程度属中等类型。

实测9 号煤坚固性系数(f值)1.94，适合定向长钻孔施工，为实现工作面瓦斯超前抽采与高效治理，保障矿井首采工作面瓦斯治理工程超前实施，在已完成的开拓巷道和工作面底板巷道施工负角度定向长钻孔，超前预抽掘进区域煤层瓦斯，满足矿井快速掘进及按期投产的要求。

2.2 不同完孔工艺定向长钻孔设计与施工

由于龙凤煤矿首采1903 工作面沿倾向布置，设计负角度钻孔顺煤层钻进预抽煤层瓦斯。在无有效排水措施的前提下，针对负角度定向长钻孔在1903工作面运输巷道和回风巷道分别采取未护孔和护孔2 种完孔工艺。

2.2.1 未护孔工艺

开孔点位于回风斜井9 号煤层揭煤钻场，向1903 运输巷道掘进区域实施负角度定向长钻孔，最外侧钻孔终孔点位于巷道轮廓线外15 m，共设计7个钻孔，钻孔孔径96 mm，设计钻孔沿煤层钻进深度不小于200 m，实钻轨迹如图3 和图4 所示。采用ZDY4000LD 定向钻机施工完成7 个9 号煤定向钻孔施工，钻孔平面间距6 m、平均倾角–8°，累计进尺2 799 m，见煤段总长2 467 m，最大主孔孔深330 m，孔口至孔底落差平均为40 m，钻孔施工参数见表1。

表1 回风斜井钻场定向长钻孔实钻轨迹参数Table 1 Parameters of actual drilling trajectory of directional long borehole in return air inclined well drilling site

图3 工作面掘进区域负角度定向长钻孔布置Fig.3 Arrangement of the directional long boreholes with negative angle in the heading area of working face

图4 回风斜井钻场定向长钻孔实钻轨迹剖面 (以1 号孔为例)Fig.4 The actual drilling trajectory of the directional long borehole at the return air inclined well drilling site(No.1 bore hole)

2.2.2 护孔工艺

在轨道1 号联里程30 m 处，分别在左右两帮布置钻场，向1903 工作面回风巷道掘进区域实施负角度定向长钻孔，最外侧钻孔终孔点位于巷道轮廓线外15 m，共设计7 个钻孔，钻孔孔径96 mm。采用ZDY4000LD 定向钻机施工完成7 个9 号煤定向钻孔，钻孔间距6 m、平均倾角–8°，孔口至孔底落差平均为40.3 m，累计进尺2 886 m，见煤段总长2 440 m，最大主孔孔深363 m。为了对比考察，采用钻孔下筛管工艺进行护孔，选用的可开闭式钻头配合大通孔螺旋钻杆下筛管工艺，最大下深可达360 m，实钻平面轨迹如图3 所示，钻孔施工参数和筛管护孔参数见表2。

表2 轨道1 号联巷钻场定向长钻孔实钻轨迹参数Table 2 Parameters of actual drilling trajectory for directional long boreholes in the track No.1 joint drilling site

3 不同护孔工艺瓦斯抽采效果考察与分析

通过现场排查和数据分析发现，同一钻场内部分定向钻孔之间存在串孔，同时，单孔抽采数据与钻场抽采数据存在误差。为此，为保证分析结果的准确性和代表性，选取钻场瓦斯抽采量作为考察与分析的基础数据。

3.1 瓦斯抽采量跟踪考察

回风斜井未护孔定向钻场累计抽采213 d，瓦斯抽采纯量0.18～10.25 m3/min、平均1.87 m3/min，瓦斯抽采体积分数13.00%～77.30%，平均55.12%。轨道1 号联巷护孔工艺定向钻场累计抽采时间141 d，钻场瓦斯抽采纯量为0.49～3.75 m3/min、平均2.09 m3/min，瓦斯抽采体积分数8.80%～89.70%，平均51.74%。由图5 和图6 对比分析可知，在瓦斯抽采前30 d，2 种完孔工艺钻孔瓦斯抽采量差别不大，且二者的瓦斯抽采曲线均较为平缓，瓦斯抽采量没有出现突然衰减和明显下降，说明孔内应没有出现大面积塌孔造成的钻孔失效现象。

图5 未护孔工艺负角度定向长钻孔瓦斯抽采量变化曲线Fig.5 Variation curves of gas drainage volume of negative-angle directional long borehole with unprotected hole technology

图6 筛管护孔工艺负角度定向长钻孔瓦斯抽采量变化曲线Fig.6 Nariation curves of gas drainage volume of negative angle directional drilling long boreholes with screen pipe protection

3.2 瓦斯抽采规律对比分析

为进一步对比分析不同完孔工艺的瓦斯抽采效果，对表征钻孔瓦斯抽采效果参数的初始瓦斯抽采量(q0)和瓦斯抽采量衰减系数(β)进行拟合分析；二者对钻孔瓦斯抽采效果起着决定性作用；q0越大、β越小，则钻孔瓦斯抽采效果就越好；反之，则越差。钻孔初始瓦斯抽采量(q0)和瓦斯抽采量衰减系数(β)的值可根据(t,qt)数组按下式回归分析求得：

式中：qt为抽采时间t下每100 m 钻孔平均瓦斯抽采量，m3/min；q0为百米钻孔初始瓦斯抽采量，m3/min；β为钻孔瓦斯抽采量衰减系数，d–1；t为区段内钻孔平均抽采时间，d。

对2 种完孔工艺的瓦斯抽采量数据进行了进一步的数据整理、分析和拟合，得到了二者的瓦斯抽采量与抽采时间之间的幂指数关系。

护孔负角度定向长钻孔：

未护孔负角度定向长钻孔：

由式(2)和式(3)得出：采取护孔工艺负角度定向长钻孔初始瓦斯抽采量(q0)为0.137 0 m3/min，瓦斯抽采量衰减系数(β)为0.008 d–1；未护孔工艺负角度定向长钻孔初始瓦斯抽采量(q0)为0.152 9 m3/min，瓦斯抽采量衰减系数(β)为0.013 d–1。二者的初始瓦斯抽采量(q0)基本一致，但采取护孔工艺的瓦斯抽采量衰减系数(β)是未护孔的61.54%，即从长期抽采来看，采取护孔工艺的负角度定向长钻孔瓦斯抽采效率将会明显提升。以抽采400 d 为例，护孔工艺负角度定向长钻孔瓦斯抽采总量将是未护孔的1.40 倍(图7)。经理论计算，采取筛管护孔工艺钻场抽采达标时间为195 d，未护孔钻场为352 d，采取筛管护孔工艺钻场抽采达标时间比未护孔钻场缩短了157 d。

图7 筛管钻孔与未护孔定向钻孔百米抽采总量对比Fig.7 Comparison of the extraction volume of 100 m between screen pipe protected and unprotected directional boreholes

4 结论

a.负角度定向钻孔长期抽采过程中，钻孔积水引起的负压损失、孔壁变形、渣块沉积等导致的钻孔有效抽采面积减少是造成采取护孔工艺钻孔抽采效果优于未采取钻孔的主要原因。下入护孔筛管后，筛管的支撑作用缓解和防止孔壁的进一步变形，维持钻孔抽采有效截面积，从而保障了负角度定向钻孔长期高效抽采。

b.通过贵州龙凤煤矿的实践应用，对比分析采取负角度长钻孔筛管护孔和未护孔工艺效果，在瓦斯抽采前6 个月，采取护孔工艺的负角度定向长钻孔平均瓦斯抽采纯量为2.09 m3/min、未采取护孔工艺为1.87 m3/min，二者差别不大。但护孔定向长钻孔瓦斯抽采量衰减系数是未下筛管的61.54%，以抽采400 d 为例，采取护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采总量将是未护孔的1.40 倍。经理论计算，采取筛管护孔工艺钻场抽采达标时间比未护孔钻场缩短了157 d。

c.定向长钻孔筛管护孔工艺对于瓦斯抽采虽然取得一定成效，但本次仅从水分对煤体力学的角度开展分析研究，今后需在水对煤体物化作用和吸附解吸影响方面需进一步研究；且目前现有措施仍无法从根本上解决负角度钻孔积水对孔壁失稳变形甚至在局部造成的堵孔问题，而有效的排水措施是解决孔内积水问题的根本手段。