煤矿井下大盘区瓦斯抽采定向钻进技术与装备

许 超，姜 磊，陈 盼，张 迪

(1.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077；2.神东煤炭集团保德煤矿，山西 保德 036600)

瓦斯灾害是煤矿五大自然灾害之一，严重威胁着煤矿企业的安全生产及井下人员的生命安全[1]，随着煤炭行业科技水平的提高及煤矿企业的管理规范，安全生产形势逐年好转，但与瓦斯相关的灾害事故仍然时有发生，并且瓦斯灾害事故仍然是煤矿企业危害最大、死亡比例最高的重大事故之一[2]。同时，瓦斯作为一种清洁能源，其合理开发利用，不仅能减少矿井瓦斯涌出，预防瓦斯事故，还能提供清洁高效的能源，降低对环境的污染[3]。对矿井瓦斯治理的主要技术手段就是通过钻孔形成瓦斯流动通道进行抽采，我国从20 世纪50 年代开始进行煤层瓦斯抽采，经过多年的技术实践，形成了煤层气地面开发、煤矿井下抽采和地面-井下联合综合抽采3 种方式[4-6]。其中煤矿井下抽采又以顺煤层瓦斯抽采技术为主流应用，尤其是对于矿井未开采区域的瓦斯治理。

大盘区瓦斯抽采是近年来随着煤矿井下定向钻进技术与装备的进步，而逐渐形成的瓦斯综合治理新工艺。大盘区瓦斯治理的内涵是：以矿井盘区作为瓦斯综合治理对象，尤其是盘区工作面巷道未形成之前，通过在盘区一侧施工贯通整个规划工作面的长钻孔，提前数年甚至数十年对整个盘区进行充分预抽，从而降低煤层瓦斯含量及瓦斯涌出，避免瓦斯超限事故。大盘区瓦斯抽采的主要优点是，可以在盘区内规划工作面巷道未形成之前对大区域进行瓦斯抽采，既减少了常规顺煤层瓦斯钻孔施工数量和进尺，又减少了矿井瓦斯抽采管路成本，还能避免工作面“抽-掘”和“抽-采”失调。

大盘区瓦斯抽采要求所施工的长钻孔要覆盖整个工作面的走向，以保德矿二盘区为例，规划工作面超过3 000 m，盘区两侧巷道之间超过3 300 m，因此要求单次施工顺煤层贯通钻孔长度超过3 300 m，这对顺煤层钻孔的长度提出了较高的要求[7-8]。国内煤矿井下顺煤层定向钻进深度记录随技术与装备的进步不断被刷新，2008 年在陕西亭南煤矿达到1 046 m，2010 年在山西寺河煤矿达到1 059 m，2011 年分别在山西神东保德煤矿和陕西大佛寺煤矿达到1 111.6 m 和1 212 m，2014 年在山西寺河煤矿达到1 881 m[9]。国外煤矿井下定向钻进技术成效以澳大利亚最为显著，分别于2002 年和2017 年完成钻孔深度1 761 m 和2 151 m顺煤层定向钻孔。2017、2019 年度国内煤矿井下顺煤层钻孔深度记录被刷新至2 311 m[10]和2 570 m[11]，以顺煤层长钻孔为基础的矿井大区域瓦斯治理已经成为研究的热点，但距离大盘区瓦斯抽采所需求的3 300 m仍存在较大差距，因此，在钻机设备能力提升有限的情况下急需从钻进工艺方面进行改进，以提高顺煤层钻孔施工长度及施工效率。

1 钻进工艺技术

顺煤层超长定向钻孔施工的主要技术难点是：随着孔深增加，孔内钻具摩阻逐渐增大，直至达到设备能力极限，导致无法继续进行滑动定向钻进，无法保证钻孔轨迹沿煤层延伸。目前，煤矿井下大功率定向钻进技术与装备施工顺煤层长钻孔，孔深达到1 900 m 左右时，推进力即达到设备能力极限，限制了超长定向钻孔的施工，因此需要从定向钻进减摩阻[12-13]方面开展研究。经过技术攻关及现场工程实践，针对大盘区顺煤层超长定向钻孔施工，主要形成了以下几大关键技术。

1.1 递进式轨迹延伸技术

顺煤层超长钻孔瓦斯抽采要求钻孔全煤层钻进，另外由于钻孔施工过程中顶底板岩石对钻具的摩擦阻力远大于煤层对钻具的摩擦阻力，因此结合定向钻进向下开分支的特点，开发出“主动探顶+开分支+主动探顶+……”的递进式延伸钻进技术[10]，如图1 所示。

图1 递进式轨迹延伸钻进技术Fig.1 Schematic diagram of progressive trajectory extension drilling technique

该技术的特点是在钻进过程中，每钻进一定距离进行一次主动探顶，探测顶板起伏情况，再提钻至一定距离开分支孔，使钻孔从顶板下的煤层中向前延伸钻进，这样不断重复施工，直至钻进到设计孔深。退钻时，可进行一定距离探测底板，以此来释放下分层煤层瓦斯。利用该方法可以实现全煤层钻进，避免钻孔穿越岩层导致摩阻快速增大。

1.2 复合钻进轨迹控制技术

复合定向钻进技术较传统滑动定向钻进技术具有钻进效率高、钻孔轨迹平滑、钻进系统压力低等优势，对于超长定向钻孔施工至关重要。实践中发现，控制钻进参数，可以实现复合钻进稳定方位的同时对钻孔倾角控制在一定范围内[8]。主要依靠图2 中设计有外出刃的定向钻头及弯角外侧带衬垫的螺杆马达来实现。

图2 复合钻进轨迹控制钻具Fig.2 Composite drill path control tool

复合钻进轨迹控制的基本原理是，依靠“快给进、低转速”时螺杆钻具下方钻屑楔进行增倾角钻进，依靠“慢给进、高转速”时钻头外出刃重复切削进行降倾角钻进，及给进与转速的“匹配”实现稳倾角钻进。通过提高超长定向钻孔施工中复合钻进比例，降低摩阻，延缓推进力，达到设备极限的目的。

1.3 滑动钻进减阻技术

顺煤层超长定向钻孔施工过程中，钻进阻力随着钻孔深度增加呈快速上升趋势。其中钻进阻力主要来自钻具与孔壁之间的摩擦阻力，而摩擦阻力上升原因是，随着钻孔深度增加，钻具在孔内处于屈曲状态。因此，从改善孔底钻具和孔口钻具受力状态两方面，分别形成了两大减阻钻进技术。

1.3.1 水力加压减阻钻进技术

基本原理如图3 所示，水力加压螺杆钻具的转子总成在水力驱动下旋转的同时，可在轴向产生一定位移，带动钻头旋转的同时产生轴向推力，将转子总成连同钻头沿轴向推出一定距离，进而在钻进过程中借助水压为钻头施加额外钻压[14]。在冲洗液压降1 MPa情况下，可以产生约6 kN 推进力，避免由于存在孔壁托压造成钻头碎岩所需钻压不足。

图3 水力加压螺杆原理Fig.3 Schematic diagram of hydraulic pressure screw

1.3.2 正反扭转减阻钻进技术

基本原理如图4 所示，利用超长定向钻孔(孔深超过2 000 m)钻具转矩传递的滞后性，通过钻机动力头的正反扭转，把孔口至平衡点之前的钻具与孔壁间的滑动摩擦转变为滚动摩擦，达到降低钻进阻力的目的[15]。

图4 正反扭转钻进原理Fig.4 Forward and reverse torsional drilling schematic

1.4 复合侧钻分支工艺技术

利用递进式轨迹延伸技术进行顺煤层钻进时需要不断开分支，但当钻孔较深，孔内发生托压的情况下滑动钻进开分支成功率较低，基于复合钻进降倾角原理，开发出顺煤层超长孔复合侧钻分支技术[8]。其技术要领是，控制均匀缓慢的给进速度，并以合适的转速反复磨削孔壁下缘。复合侧钻分支工艺技术不受孔深限制，是顺煤层超长定向钻孔全煤层钻进的关键技术。

2 配套装备

大盘区瓦斯抽采顺煤层超长定向钻孔的实施需要配套装备满足以下要求：

①由于孔内钻具自重及摩阻较高，因此对钻机设备的给进起拔力要求较高。

② 在钻孔长度较大时仍然保持孔底螺杆马达的碎岩动力，因此需要配置大排量高压泥浆泵。

③随钻测量系统的测量深度大于3 000 m 且工作稳定性较好。

④ 配套钻具的沿程水头损失较低。

基于上述要求，大盘区瓦斯抽采配套钻具主要包含以下几个方面。

2.1 ZDY15000LD 钻机

ZDY15000LD 型煤矿用履带式全液压坑道钻机是一款大转矩、低转速，适用于钻进大直径近水平长钻孔及超长钻孔的履带自行式全液压动力头式坑道钻机，其主要技术参数见表1。

表1 ZDY15000LD 钻机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of ZDY15000LD drilling rig

2.2 BLY460/13 泥浆泵车

BLY460/13 型煤矿井下定向钻进用全液压履带泵车用于全液压动力头式钻机定向钻进时，为其提供高压水以驱动螺杆钻具实现定向钻进，具有可自主行走、集成性好、性能先进、排量大、压力高、操作简便及作业安全等特点。其主要技术参数见表2。

表2 BLY460/13 泥浆泵车主要技术参数Table 2 Main technical parameters of BLY460/13 mud pump truck

2.3 YHD3-3000T 测量系统

系统由YHD2-1000J 矿用隔爆兼本安型计算机、YHD2-1000P 矿用本安型键盘、YHD2-1000C 数据存储器、GPD60(A)矿用本质安全型压力变送器和YHD3-3000T 矿用隔爆兼本安型泥浆脉冲随钻测量装置探管组成。其中YHD3-3000T 探管主要技术参数见表3。

表3 YHD3-3000T 探管主要技术参数Table 3 Main technical parameters of YHD3-3000T probe tube

2.4 ø89 mm 无缆大通孔钻杆

ø89 mm 无缆大通孔钻杆长度为3 m，采用内外平结构设计，由于采用无线随钻测量系统传输，省去了钻杆的中心通缆结构，故冲洗液压耗损失下降。经实测冲洗液压耗损失降低71%。其主要技术参数见表4。

表4 ø89 mm 无缆大通孔钻杆主要技术参数Table 4 Main technical parameters of ø89 mm unwired large hole drill pipe

2.5 ø89 mm 水力加压螺杆马达

水力加压螺杆马达是在常规螺杆马达的基础上进行的改进，螺杆马达的转子长度小于定子长度，使转子在定子内部可以上下活动。ø89 mm 水力加压螺杆马达主要技术参数见表5。

表5 ø89 mm 水力加压螺杆马达主要技术参数Table 5 Main technical parameters of 89 mm hydraulic pressure screw motor

3 工程示范

3.1 工程概况

结合保德煤矿超长工作面大区域瓦斯治理需要，顺煤层超长定向钻孔施工地点选择在保德煤矿五盘区一号回风大巷27 联巷，钻孔区域位于规划的二盘区81210 工作面，目标是贯通整个工作面，钻场位置如图5 所示。

图5 钻场位置Fig.5 Drilling field location

二盘区内主要含煤地层为8 号煤，该煤层位于山西组(P1s)底部S3 砂岩之上，煤层厚度2.15～10.39 m，平均6.60 m；纯煤厚度1.70～9.01 m，平均7.8 m，为厚煤层。煤层结构复杂，含夹矸1～8 层，平均3～4 层，属较稳定煤层。当8 号煤层下部夹矸大于或等于0.7 m时，将上部煤层编号为8-1，下部煤层编号为8-2。8-1号煤层直接顶板多为砂质泥岩与泥岩，局部为粗粒砂岩，底板以泥岩为主，次为粉砂岩；8-2号煤层分布于盘区南部，煤层厚度0.37～4.46 m，平均1.76 m，纯煤厚0.37～3.69 m，平均1.73 m，属中厚煤层，属不稳定煤层。

3.2 施工情况

大盘区瓦斯抽采示范工程分3 步进行，经过科技攻关及试验总结，最终形成大盘区瓦斯抽采定向钻进技术与装备。试验分别于2017 年11 月至2018 年1 月，2019 年1 月，2019 年8 月至9 月先后在山西保德矿二盘区完成主孔深度2 311、2 570 和3 353 m 的顺煤层超长定向钻孔，其中3 353 m 超长定向钻孔成功贯通邻近三下盘区二号回风大巷，并3 次刷新煤矿井下顺煤层钻孔深度世界纪录[9-11]。钻孔信息见表6，钻孔平面轨迹如图6 所示。

表6 顺煤层超长定向钻孔信息Table 6 Demonstration of ultra-long directional drilling along coal seam

图6 大盘区瓦斯抽采钻孔实钻轨迹Fig.6 The actual drilling track of gas extraction drilling in large panel

4 抽采效果分析

保德矿大盘区瓦斯抽采示范工程2 311、2 570、3 353 m 钻孔分别于2018 年1 月22 日、2019 年1 月13 日和2019 年9 月15 日开始抽采，其中2 311 m 和2 570 m 钻孔为单向抽采，3 353 m 贯通二盘区钻孔为双向同时抽采，截止到2021 年5 月24 日，三个钻孔分别累计抽采1 219 d、862 d、618 d，分别累计抽采标况下瓦斯纯量达3.68×106m3、2.57×106m3和4.34×106m3，日均抽采量达3 022 m3、2 980 m3和7 015 m3。3 个钻孔的日抽采量随抽采天数的变化曲线如图7所示。

图7 日抽采量与抽采天数变化情况Fig.7 Variation of daily extraction amount and days of extraction

从图中可以看出，大盘区瓦斯抽采超长定向钻孔抽采效果稳定，随抽采时间延长衰减很小，且贯通钻孔从两侧同时抽采效果明显高于单侧抽采钻孔，3 353 m抽采钻孔抽采时间达618 d 后，日均抽采量仍呈现上升趋势。表明大盘区瓦斯抽采超长定向钻孔对于提升瓦斯抽采效率效果显著。

5 结 论

a.大盘区瓦斯抽采对于矿井未生产工作面，尤其是规划工作面巷道未掘进的大区域瓦斯综合超前治理，防止瓦斯超限具有重要意义。

b.大盘区瓦斯抽采顺煤层超长定向钻孔主要解决孔内摩阻过大导致滑动定向钻进困难问题，通过钻孔递进式轨迹延伸技术、复合钻进轨迹控制技术、水力加压减阻钻进技术、正反扭转减阻钻进技术及复合侧钻分支技术可以有效控制钻孔轨迹沿煤层延伸，降低孔内摩阻，提升钻孔长度。

c.大盘区瓦斯抽采顺煤层超长定向钻孔抽采周期长，抽采量高，尤其以顺煤层对穿钻孔双向抽采效果最为显著，可以对大盘区瓦斯进行超前综合治理。