突出煤层定向钻孔瓦斯参数测试技术研究及应用

张廷伟，寇建新，孙矩正

(1.中国平煤神马集团炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467000；2.平煤股份煤炭开采利用研究院，河南 平顶山 467000)

在突出煤矿生产中，为掌握远距离煤层瓦斯赋存状况，必然要采用长钻孔取煤样方法测试煤层瓦斯参数。目前，国内诸多专家学者对定向钻孔取样、瓦斯参数测试作了大量的研究。孙四清等[1]研制了碎软煤层双径PDC密闭取心钻头，提出了适合于碎软煤层特征的煤层气含量精准测试密闭取心方法；龙威成[2]提出了煤层密闭取心瓦斯含量测试技术，在底抽巷定向长钻孔中采集了4个密闭取心样品；孙四清等[3]设计并试制了适合于煤矿井下长钻孔煤层瓦斯含量精准测试的“三筒单动、球阀密闭”的密闭取心装置，满足了超前探测煤层瓦斯含量的实际需求；雷红艳等[4]采用HCA高压容量法瓦斯吸附装置，测试了7组煤样的常压吸附瓦斯量和瓦斯吸附常数；张向阳等[5]采用全钻粉煤样测定其解吸规律，得出了更适合计算煤样瓦斯损失量误差的方法；程波等[6]认为煤层瓦斯含量测试技术需加强理论分析、强化装备，开展原位精准测量技术；陈向军等[7]通过实验模拟测试、数值模拟分析了取样过程中损失瓦斯量推算模型，得出指数模型可以精准获得取样过程中的瓦斯损失量；张宪尚等[8]采用瓦斯解吸扩散数学物理模型得出瓦斯含量快速测定模型，运用煤层瓦斯含量快速测定仪在现场进行了应用，效果良好，满足了突出煤层瓦斯含量测定要求。上述专家学者对定向钻孔取样装备及技术开展了较为深入的研究，但未对定向钻机深孔定点取样测试煤层瓦斯参数进行相应的研究，十一矿为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯参数作为采取防突措施的基本参数，在很大程度上决定了采用何种措施、效果评价及考察[9-11]。鉴于此，平煤股份十一矿(以下简称“十一矿”)积极尝试以孔代巷瓦斯治理措施，类比、修正试验工作面的原始瓦斯参数值，以期为后期掌握煤层瓦斯参数和安全高效开采提供技术支撑。

1 试验区工作面概况

十一矿己16-17煤层为煤与瓦斯突出煤层，瓦斯赋存具有“东高西低”的特点[12，13]。己二采区位于井田东部，煤层瓦斯含量明显高于井田西部的己四采区。己16-17-24070工作面位于二水平己四采区东翼五区段，东起己二采区边界，西至己四采区运输下山处，煤的坚固性系数为0.26～0.47，破坏类型为Ⅲ～Ⅳ类，平均煤厚6.57m。己16-17煤层的直接顶为泥岩，局部为砂质泥岩，基本顶为砂质泥岩夹薄层条带细沙岩，直接底板为泥岩和砂质泥岩，老底为L2灰岩。

己四采区已回采的己16-17-24030、己16-17-24011等4个工作面均采用“底抽巷+常规穿层钻孔”技术实施区域预测，且瓦斯含量、瓦斯压力均低于“双6”指标，但该技术存在施工成本高、易误穿煤层、施工周期长等缺陷[14-17]。为避免产生影响矿井高效发展的不利局面，十一矿在己16-17-24050机巷布置定向钻机，沿己16-17煤层顶板布置长距离定向钻孔，对己16-17-24070工作面(包括机巷外错30m)整个回采区域，按100m×100m间隔布置取样点，开展利用定向钻机实施以孔代巷进行瓦斯参数测试研究工作[18-20]。己16-17-24070工作面定向钻机钻孔施工布置如图1所示。

图1 己16-17-24070工作面定向钻机取样长钻孔布置

2 瓦斯含量测试

2.1 残余瓦斯含量测试

本次试验采用定向钻机施工梳状定向分支孔，主孔布置在煤层顶板，分支孔由煤层顶板穿入煤层，每个分支孔内采用定点密闭取芯装置深孔定点取样，测定煤层瓦斯含量，结合瓦斯地质分析的方法实施区域预测，为工作面安全采掘提供可靠的参数。

定向钻机的孔底马达到达取样位置后，需退出钻杆再安装定点密闭取芯装置，然后送入钻孔取样。以取样深度120m为例，将取样器送至取样位置需1.5h，取样完毕后退出钻杆需0.8h，即从钻进到取样位置到把煤样装入煤样罐的时间在2.3h以上。由于煤体在常压下暴露时间都在1.5h以上，且该区域瓦斯含量较小，煤样在现场均没有解吸量，因此本次测定的瓦斯含量为煤样在常压下不解吸后的残余瓦斯含量。

受限于深孔定点取样时间长，目前尚无理论模型借鉴，为了得到定向钻机取样时的瓦斯损失量、解吸量，在已16-17-24050工作面风巷利用常规回转钻机，采用风排接粉法采集并实测30组煤样瓦斯含量，以推算定向钻机取样时的瓦斯取样损失量、常压下瓦斯解吸量，本次试验是对深孔定点取样测试瓦斯参数有益的探索。

2.2 常规回转钻机孔口接粉测定瓦斯含量

由于已16-17-24050工作面与已16-17-24070工作面毗邻，埋深相差较小，中间没有大的地质构造，因此同属于一个瓦斯地质单元，已16-17-24050工作面测定瓦斯含量规律可用于分析已16-17-24070工作面瓦斯含量，测试结果可用于修正深孔定点取样的瓦斯含量。

常规回转钻机测定瓦斯含量结果可知，现场解吸量与损失量之和占总瓦斯含量的比例为11.11%～12.85%，平均12.24%。

2.3 定向钻孔定点取样测试瓦斯含量

根据常规回转钻机在己16-17-24050工作面风巷测定的30组瓦斯含量及其煤样解吸规律，对利用定向钻孔定点取样测的煤层瓦斯含量测值进行修正，即加上相同比例的“取样损失量+常压现场解吸量总量(占总瓦斯含量的12.24%)”，得到定向钻孔定点取样测定的煤层瓦斯含量测值，测定结果见表1。

表1 定向钻孔定点取样测定煤层瓦斯含量测值

为了验证修正含量值的准确性，在己16-17-24070风巷的4个钻场里单独施工4个对比含量测定钻孔，即在每个钻场内利用定向钻机的回转功能施工本煤层钻孔，在40m处风排粉取样(简称“风排粉”)，井下实测瓦斯含量；风排粉取样后退出钻杆，将定点密闭取样装置送至孔底，保证孔底常压下等待1.5h以上的前提下(模拟深孔定点密闭取芯工艺)，钻进取样后退出钻杆，然后测试瓦斯含量(简称“长时取样”)。测试结果表明，风排粉煤样由于取样时间短，井下有解吸量，可以推算取样损失量；而长时取样由于取样时间长，现场没有解吸。

经实验室测定表明，在己16-17-24070工作面风巷测定的4组风排粉煤样的“损失量+现场解吸量”占总瓦斯含量的比例为11.88%～12.38%，与己16-17-24050工作面风巷测定的30组本煤层瓦斯含量规律一致。己16-17-24050工作面风巷测定数据更多，更接近真实数据，因此定向钻机测定瓦斯含量损失量与现场解吸量占总瓦斯含量的比例按12.24%来修正。风排粉和长时取样含量误差见表2。

由表2可知，如果未对测值进行修正，定向钻机定点取样测值均比真实值偏小，误差为11.57%～12.62%，平均12.07%；修正后的定向钻孔定点取样所测煤层瓦斯含量值与真实比较，误差为-0.77%～0.49%，平均0.19%。可以判定此次定向钻孔预测工作面突出危险性所测得的瓦斯含量误差较小，可以适用突出危险性区域预测判定。

表2 风排粉和长时取样含量误差

3 瓦斯压力测试

3.1 测试方法

原始瓦斯压力不仅决定煤层瓦斯含量与瓦斯涌出量的大小，而且还是预测煤与瓦斯突出危险性的重要参数之一。本次采用“两堵一注”囊袋式封孔方式主动测压法测定己16-17-24070工作面煤层瓦斯压力。每个定向钻孔测定一个位置的瓦斯压力，封孔位置根据钻孔实际轨迹确定，原则上一个主孔测定一个位置的瓦斯压力。

本次区域预测成功施工的12个主孔，除了4号钻场1#主孔、3号钻孔3#主孔和2号钻孔1#主孔内开了两个分支孔外，其他8个主孔内均开一个分支孔，因此为了保证工作面内测压力数据的均匀性，每个主孔内测定一个压力，封孔分为两种方式：第一种，测主孔压力时，首先送一组囊袋进入分支孔，在分支孔内封孔20m长度，保证分支孔内无瓦斯涌出到主孔内，然后在主孔内再进行一组囊袋封孔，封孔长度为20m，保证主孔内的测压管只与主孔内的煤层相连通，封孔材料凝固后，关闭分支孔注浆阀门，在主孔测压孔内充压力为0.2MPa空气后安装压力表进行主孔压力测定；第二种，测分支孔压力时，送一组囊袋进入分支孔内，封孔长度为20m，保证测压管只与分支孔煤孔连通，封孔材料凝固后，在分支孔测压孔内充压力为0.2MPa空气后安装压力表进行分支孔压力测定。对于有两个分支孔的4个主孔，只测定最外端(靠近孔口)分支孔压力，封孔方式与上述第二种测分支孔压力方式相同。封孔方式如图2所示。

图2 测压钻孔封孔

3.2 测定结果

根据上述方法，利用己16-17-24070工作面定向钻孔进行煤层瓦斯压力测定，测定结果见表3。分析表3可知，己16-17-24070工作面瓦斯压力在0.13～0.21MPa之间，最大0.21MPa。

表3 己16-17-24070工作面瓦斯压力测定结果表

在已16-17-24050机巷掘进前，于2018年11月至2019年2月期间曾在已16-17-24050机巷底抽巷向已16-17-24070回采区域内施工穿层钻孔测试已16-17煤层原始瓦斯压力，测得煤层原始瓦斯压力为0.02～0.43MPa之间，最大0.43MPa。

综上，由本次预测区域内定向长钻孔实测瓦斯压力与常规穿层钻孔实测煤层瓦斯压力可知，预测区域内煤层原始瓦斯压力为0.02～0.43MPa之间，平均0.19MPa，最大0.43MPa。

4 结 论

1)在平煤股份十一矿开展定向钻机现场工业性试验时，采用定向钻机施工梳状定向分支孔，将主孔布置在煤层顶板稳定岩层，分支孔由煤层顶板进入煤层，可避免钻孔不稳、容易缩径等问题。

2)定向钻机深孔取样测得的瓦斯含量为残余瓦斯含量值，通过采用常规回转钻机孔口接粉测试瓦斯含量的方法，对定向钻机测定原始瓦斯含量值进行了修正，修正后的定向钻孔定点取样所测煤层瓦斯含量值与真实比较，误差为-0.77%～0.49%，平均0.19%。

3)己16-17-24070工作面范围内实测的27组煤样的瓦斯含量为3.98～4.91m3/t，最大4.91m3/t，小于6m3/t；实测的瓦斯压力为0.02～0.43MPa，最大0.43MPa，小于0.6MPa。瓦斯含量、瓦斯压力均低于河南省规定的“双6”指标。