定向钻孔预抽突出煤层煤巷条带瓦斯技术研究

何玢洁，刘 飞(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

我国煤层的赋存地质条件呈多样性和复杂性特征，煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸引起的灾害事故造成了严重的人员与财产损失[1-3]。目前，煤矿井下主要采用开采保护层和预抽煤层瓦斯等措施进行区域消突，但受地质条件限制，部分煤矿不具备开采保护层的条件，随着煤层开采深度的不断增加，保护层瓦斯含量和瓦斯压力不断增大，进一步增大了保护层开采的难度[4]。根据最新修订的《防治煤与瓦斯突出细则》规定，不具备突出危险区煤层开采保护层条件的，必须采用预抽煤层瓦斯区域防突措施并进行区域防突措施效果检验[5]。

在突出煤层煤巷条带掘进之前，利用顺层钻孔或“底抽巷+穿层钻孔”进行煤巷条带瓦斯预抽，已成为煤巷掘进过程中消除突出危险性的关键举措。张明杰等[6]提出了单一煤层底抽巷条带预抽防突技术，并采用水力冲孔增大煤层的透气性，以提高瓦斯抽采效果。刘明举等[7]针对煤层弱突出危险性的特点，提出采用113 mm大直径顺层钻孔煤巷条带瓦斯预抽，提高瓦斯抽采效果和煤巷掘进速度。袁志刚等[8]针对低渗高突煤层瓦斯抽采难题，提出施工穿层钻孔对煤巷条带进行水力压裂，但顺层钻孔深度有限、钻孔轨迹不可控，容易造成瓦斯抽采盲区，《防治煤与瓦斯突出细则》第65条规定，复杂赋存地质条件下突出煤层不得将顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯作为区域防突措施。尽管“底抽巷+穿层钻孔”措施在一定程度上解决了低渗突出煤层瓦斯抽采问题，但该措施施工周期长、成本高、抽采时间长，造成采掘衔接紧张。 因此，本文提出采用定向长钻孔预抽突出煤层煤巷条带瓦斯，基于贵州省青龙煤矿瓦斯赋存特征和煤巷条带消突需要，开展了定向钻孔在碎软煤层煤巷条带突出煤层瓦斯中的应用研究，采用空气复合定向钻进技术解决碎软煤层长距离定向成孔难题，并取得了显著的钻孔成孔和瓦斯抽采效果，可为类似矿井煤巷条带消突提供重要借鉴。

1 地质概况

青龙煤矿位于贵州省毕节市，属于煤与瓦斯突出矿井，主要可采煤层为16#煤层、18#煤层，17#煤层局部可采，矿井采用保护层开采模式，16#煤层作为开采保护层，煤层平均可采厚度为2.88 m，17#煤层平均可采厚度为1.20 m，18#煤层平均可采厚度为3.18 m。主要可采煤层瓦斯基本参数见表1，由于煤层瓦斯含量高、压力大、结构破碎，导致瓦斯抽采治理难度大。

表1 各煤层瓦斯基本参数Table 1 Basic gas parameters of each coal seam

针对青龙煤矿突出煤层煤巷条带预抽难题，采用“底抽巷+穿层钻孔”预抽煤层瓦斯，即先在待掘巷道的底板设计施工底抽巷，通过上覆岩层卸压来增大煤层的透气性，然后在底抽巷中施工扇形分布穿层钻孔，覆盖待倔巷道及两侧一定范围。但该方法施工成本高、效率低，同时由于青龙煤矿属近距离煤层分布，且矿区内构造复杂、煤层起伏变化大，在底抽巷掘进过程中可能发生误揭煤等情况，发生瓦斯突出事故，造成重大的安全隐患。

2 技术原理

钻孔瓦斯预抽是消除煤与瓦斯突出危险性的重要措施。在煤巷条带掘进前，通过瓦斯抽采降低煤层瓦斯压力和瓦斯含量，释放瓦斯突出潜能，以实现煤巷条带快速消突的目的。定向钻孔因其具有轨迹可控、深度大、瓦斯抽采效果好等优势已在煤矿井下瓦斯抽采中得到了广泛应用，2019年修订《防治煤与瓦斯突出细则》规定，区域防突措施可采用定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。

首先，在突出煤层煤巷条带掘进迎头布置钻场，沿煤巷掘进方向施工多组定向钻孔覆盖待掘巷道前方长度不小于300 m和煤巷两侧一定区域范围。孔间距根据煤层的透气性系数、抽采时间和有效抽采半径等确定，必须确保两孔之间不留瓦斯抽采空白带，钻孔直径根据煤层硬度、瓦斯压力、瓦斯含量和地应力水平等确定，一般不超过120 mm。在钻孔施工过程中，通过开分支技术探明煤层的顶底板发育情况，利用定向钻进随钻测控的优势保证钻孔主孔在煤层中有效延伸，提高煤层钻遇率，进而提高瓦斯抽采效果。当钻孔施工完成后提出孔内定向钻具，给孔内下入筛管完孔，然后接入瓦斯抽放管路进行负压抽采，待抽采一段时间后再进行区域防突措施效果检验，瓦斯抽采达标时间和有效抽放半径成正相关关系，如果效果校验合格则进行煤巷掘进，反之继续进行瓦斯抽采。

突出煤层一般具有瓦斯含量高、瓦斯压力大、结构破碎的特点，采用清水作为冲洗液进行定向钻孔施工，容易出现喷孔、塌孔、卡钻等问题[9-10]。因此，采用空气复合定向钻进技术进行钻孔施工，即利用防爆矿用井下螺杆压缩机输出的压风作为冲洗液驱动孔底空气螺杆马达旋转带动钻头碎岩，同时进行钻孔轨迹精确调控，可有效降低对孔壁的冲刷和扰动，从而提高成孔率和成孔深度[11-12]。此外，针对低渗突出煤层瓦斯抽采效果差、抽采达标时间长等问题，可通过水力压裂、水力冲孔、深孔预裂爆破等措施对低渗突出煤层进行增产改造，以提高煤层的透气性系数和瓦斯抽采率，缩短抽采达标时间。

3 空气复合定向钻进关键装备

3.1 空气螺杆马达

空气螺杆马达是实现碎软煤层定向钻进成孔的关键，针对性研制出矿用小直径空气螺杆马达，直径73 mm、长度4 m、结构弯角1.25°，满足低压力启动、长寿命的工作需要，同时在马达定子外壁铣螺旋槽结构，以提高钻孔排渣效果。

3.2 防爆矿用井下螺杆压缩机

煤矿井下系统压风输出压力一般在0.75 MPa以下，难以满足空气螺杆马达运转及孔内排渣需要，因此选MLGF17/12.5-132G型防爆矿用井下螺杆压缩机，其额定输出压力为1.25 MPa、输出流量为17 m3/min。

3.3 定向钻机

采用ZDY6000LD(F)定向钻机，采用紧凑型结构设计，给进/起拔能力强，最大回转扭矩为6 000 N·m，满足空气复合定向钻进和孔内异常情况处理的需要，主要技术参数见表2。

表2 ZDY6000LD(F)型钻机技术参数Table 2 The technical parameters of ZDY6000LD(F)drilling rig

4 工程实践

4.1 钻孔设计

在青龙煤矿二采区21608轨顺钻场和21601运顺钻场进行施工，利用顺煤层定向钻孔抽采16#煤层瓦斯，掩护煤巷条带掘进。钻场布置在掘进迎头，每个钻场布置7个钻孔，钻孔开孔位置在煤层中部，钻孔设计轨迹沿巷道掘进方向延伸，设计孔深为300 m，同时覆盖待掘巷道两侧各20 m。 根据16#煤层的瓦斯赋存情况确定孔间距为7 m、孔径为108 mm。钻孔施工完成后通过裸眼下筛管进行护孔，以确保瓦斯抽采效果。

钻孔结构设计分为套管段和定向钻进段：①孔口套管段：采用“Φ108 mmPDC钻头+Φ73 mm钻杆”钻具组合开孔，钻进至15 m后退钻，然后分别采用Φ133 mm、Φ153 mm、Φ193 mm扩孔钻头全程扩孔，最后下入Φ127 mm套管，注浆侯凝，水泥浆凝固时间不小于24 h。 ②定向钻进段：采用“Ф108 mm定向钻头+Ф73 mm空气螺杆马达+Ф73 mm下无磁钻杆+YHD2-1000(A)测量探管+Ф73 mm上无磁钻杆+Ф73 mm通缆钻杆+Ф73 mm通缆钻杆+大通孔送风器”钻具组合，完成整个定向孔段施工作业。

4.2 施工难点

1) 钻孔轨迹精确控制。煤巷条带区域内顶底板延伸情况不明确，断层发育造成局部煤层变薄，甚至错断，局部孔段的坍塌都可能会造成钻孔轨迹参数突变，这些因素会造成顺煤层定向钻进受阻或中断。

2) 下斜孔高效排渣。试验煤巷内煤层以负角度延伸，下斜孔排渣难度更大，排渣效率相较于水平孔和上仰孔较差，且空气自身的携渣能力较弱，如何高效排渣成为制约钻孔深度延伸的关键因素。

3) 空气螺杆马达正常运转。由于空气螺杆马达运转需要比液驱螺杆马达更高的流速，且空气的散热和润滑效果也较差，钻进工艺参数选择不当会造成空气螺杆马达制动，甚至引发孔内事故。

4.3 施工情况

4.3.1 21608轨顺钻场施工情况

21608轨顺钻场于2018年6月15日开始施工，至2018年8月20结束，共完成定向钻孔主孔及主分支孔9个，其中主孔7个，主分支孔2个，总进尺3 929 m，300 m以上成孔率达到88.9%，具体孔深见表3。利用定向钻孔轨迹可控的优势覆盖整个待掘区域，确保不留瓦斯抽采空白带，实钻轨迹平面如图1所示。

表3 21608轨顺试验钻场钻孔施工统计Table 3 Construction statistics of drilling field in21608 track transportation

4#钻孔为该钻场的首个钻孔，通过开分支技术探明煤层顶底板分布情况，最大开分支个数为8个，为后续钻孔轨迹沿煤层延伸提供重要依据。利用空气作为钻进动力介质和排渣介质，发生喷孔的次数和强度显著降低，这是因为空气对孔壁煤体的扰动小，且瓦斯与空气的密度差低，孔壁解吸释放的瓦斯能迅速随压风排出孔外，避免瓦斯在孔内聚集导致喷孔的发生，有效提高了成孔效率和成孔深度。此外，通过对钻进工艺参数的调整与优化，实现了空气螺杆马达长时间稳定工作。

4.3.2 21601运顺钻场施工情况

21601运顺钻场于2018年9月6日开始施工，至2018年11月29日结束，共完成定向钻孔主孔及主分支孔11个，其中主孔8个、主分支孔3个，总进尺4 524 m，300 m以上钻孔成孔率达到75%，具体孔深见表4，实钻轨迹平面图如图2所示。在钻孔施工期间，通过对钻孔轨迹的调控成功穿越F17逆断层。

图1 21608轨顺钻场试验钻孔实钻轨迹平面图Fig.1 Plan of actual drilling track of 21608 raildrilling field test hole

表4 21601运顺试验钻场钻孔施工统计Table 4 Drilling construction statistics of 21601 transporttunnel test drilling site

由于巷道掘进方向煤层呈-3°倾角延伸，为保证下斜孔排渣顺畅，采用复合强排渣技术，通过孔内钻具回转迫使钻渣在环空悬浮，同时碾压大颗粒钻渣，降低钻渣在孔壁下缘沉积的概率，使细颗粒钻渣更容易被压风带出孔外。采用该技术实现了21061运顺钻场下斜孔高效排渣，其中2#钻孔最大孔深达到385 m，孔底距离孔口最大垂深达到-34.20 m。

4.4 瓦斯抽采效果分析

21608轨顺钻场为原始瓦斯区域，瓦斯浓度高、压力大。 2018年8月底完成钻孔施工进行集中连抽，截至2020年2月27日，已累计抽采瓦斯200万m3，平均瓦斯抽采纯量在2.74 m3/min，连续476 d瓦斯抽采量在3 000 m3/d以上。 如图3所示，抽采初期(100 d)，钻场抽采瓦斯纯量在2.6～3.6 m3/min之间波动变化，瓦斯浓度保持在75%以上。随着抽采时间的增长，抽采瓦斯纯量和浓度逐渐衰减，但衰减速率缓慢，至2020年2月27日，钻场瓦斯浓度仍为43.7%，瓦斯纯量为1.7 m3/min，实现了碎软煤层瓦斯长期稳定抽采。

图2 21601运顺钻场试验钻孔实钻轨迹平面图Fig.2 Plan of actual drilling track of 21601 transporttunnel drilling field

图3 21608轨顺钻场瓦斯抽采情况Fig.3 Gas drainage of 21608 track drilling site

21601运顺钻场区域属于卸压区域，于2018年11月底完成钻孔施工进行集中连抽，截至2019年3月21日，已累计抽采瓦斯42万m3。如图4所示，抽采初期(30 d)，钻场抽采瓦斯纯量维持在2.86～3.06 m3/min，瓦斯浓度在68%以上。随着钻孔抽采时间的增长，瓦斯抽采纯量和瓦斯抽采浓度呈下降趋势，截至2019年3月21日，钻场抽采瓦斯纯量为1.33 m3/min，浓度为38.2 %。由于部分钻孔瓦斯抽采量和浓度下降明显，其中4#钻孔瓦斯抽采纯量下降至0.1 m3/min，浓度下降至17.8%，随即撤抽进行区域措施效果检验。

图4 21601运顺钻场瓦斯抽采情况Fig.4 Gas drainage of 21601 track drilling site

4.5 区域措施效果检验

在21601运顺钻场对定向钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突效果进行检验，按照《防治煤与瓦斯突出突出细则》的规定，采用分段检验的方法，煤巷条带检验区段长度为120 m，共设计3个钻孔，7个检测点，每间隔20～30 m布置1个检测点，钻孔施工至设计取样位置后，利用定点取样装置钻取煤样，测试煤层残余瓦斯含量。通过顺煤层定向钻孔预抽煤巷条带瓦斯，极大消除了煤层的突出危险性，21601运顺钻场检验区段剩余瓦斯含量为4.27 t/min，煤层瓦斯压力为0.063 MPa，且钻孔施工过程中未发生喷孔、顶钻等瓦斯动力现象，实现了煤巷条带区域消突，监测区段已经安全掘进，未发生瓦斯超限等问题。

5 结 论

1) 将定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯作为区域防突措施，具有钻孔轨迹可控、覆盖范围广、瓦斯抽采效果好等优势，可进行突出煤层区域瓦斯超前治理，从而实现煤巷条带区域消突、降低瓦斯治理成本。

2) 空气复合定向钻进技术能实现碎软突出煤层高效成孔，利用空气作为钻进介质驱动空气螺杆马达钻进成孔，同时实现高效排渣，能显著降低钻孔喷孔和塌孔概率、提高成孔深度和成孔效率。在青龙煤矿21608轨顺钻场和21601运顺钻场实钻情况表明：孔深300 m以上钻孔成孔率分别达到88.9%和75.0%，成果效果显著。

3) 瓦斯抽采效果表明，定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯单孔瓦斯纯量大、浓度高，其中21608轨顺钻场已抽采瓦斯200万m3，实现瓦斯长期稳定抽采；21601运顺钻场累计抽采瓦斯42万m3，经区域效果检验合格后，已安全掘进。