王建強(qiáng) ，張 杰，杜學(xué)明

(1.中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2.山西汾西礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 曙光煤礦，山西 孝義 032300)

0 引 言

瓦斯災(zāi)害是煤礦重大自然災(zāi)害之一，嚴(yán)重威脅、制約著礦井安全生產(chǎn)[1-2]。隨著礦井生產(chǎn)強(qiáng)度的提高和開采深度的增大，礦井瓦斯涌出量隨之增大，采空區(qū)瓦斯涌出現(xiàn)象加劇，制約著煤礦安全高效開采。目前采空區(qū)瓦斯治理主要采用高抽巷和頂板高位鉆孔，高抽巷要求在開采煤層頂板采動裂縫帶內(nèi)布置1條用于采空區(qū)瓦斯抽采的專用巷道，但巷道掘進(jìn)成本高，而且施工周期長[3]；頂板高位鉆孔分為普通高位鉆孔和定向高位鉆孔，根據(jù)采空區(qū)“三帶”理論，將鉆孔布置在煤層頂板裂縫帶內(nèi)。普通高位鉆孔主要采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆孔軌跡不可控，一般要求每間隔50～70 m布置1個頂板高位鉆場，鉆孔施工深度80～180 m，有效孔段比例較低，不足40%。定向高位鉆孔主要采用定向鉆進(jìn)工藝，鉆孔軌跡可精確控制，一般要求每間隔400～500 m布置1個煤層鉆場，鉆孔施工深度不小于500 m，有效孔段比例不小于80%。定向高位鉆孔在治理采空區(qū)瓦斯具有顯著優(yōu)勢，不僅大幅降低鉆場數(shù)量和鉆孔進(jìn)尺量，而且降低了瓦斯治理成本。近年來，相關(guān)學(xué)者在煤礦井下高位定向鉆孔在采空區(qū)瓦斯治理方面開展了大量的研究工作：針對頂板高位定向鉆孔在淮南礦區(qū)頂板復(fù)雜地層中成孔難的問題，采用注漿加固破碎地層、擴(kuò)孔技術(shù)疏通鉆孔、增大鉆孔開孔傾角和破碎地層孔段傾角快速通過破碎地層等技術(shù)措施有效解決成孔難題[4-6]。文獻(xiàn)[7-8]基于采空區(qū)頂板豎“三帶”與橫“三區(qū)”理論，分析了頂板高位定向長鉆孔技術(shù)瓦斯抽采基本原理與優(yōu)勢，總結(jié)歸納了“定向先導(dǎo)孔+擴(kuò)孔”施工工藝的技術(shù)特點，實現(xiàn)了孔徑?150 mm 以上頂板走向高位定向長鉆孔的高效成孔。煤礦井下大直徑高位定向長鉆孔可有效解決采空區(qū)瓦斯超限問題，瓦斯抽采效果遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)高位鉆孔，可大量節(jié)約瓦斯治理成本，具有重要推廣意義[9-10]。目前，全國多個礦區(qū)推廣采用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯治理，并取得了顯著效果。曙光煤礦目前主要采用普通高位鉆孔治理采空區(qū)瓦斯，存在鉆場數(shù)量多、鉆孔軌跡不可控、鉆孔深度淺和有效孔段比例低等不足，導(dǎo)致瓦斯治理效果差且治理成本高。由于曙光煤礦煤層頂板地質(zhì)條件復(fù)雜，存在不穩(wěn)定泥巖及斷層，采用高位定向鉆孔治理采空區(qū)瓦斯主要面臨成孔困難的技術(shù)難題。基于此，在曙光煤礦開展了復(fù)雜地層高位定向長鉆孔成孔工藝研究，以期形成適用于曙光煤礦及類似地質(zhì)條件礦區(qū)的高位定向鉆孔施工技術(shù)。

1 礦區(qū)概況

1.1 工作面概況

曙光煤礦1226工作面可采走向長度約1 300 m，傾向長度約180 m，根據(jù)相鄰工作面瓦斯抽采情況，預(yù)計該工作面正?；夭善陂g最大瓦斯涌出量為8 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量約占工作面瓦斯總涌出量的60%。根據(jù)1226工作面可采長度，在1226工作面運輸巷等間距布置3個高位定向鉆場。1226工作面2號煤層平均厚度2.85 m，煤層傾角1°～4°，最大瓦斯壓力0.28 MPa，已有地質(zhì)資料顯示2號煤層頂板地層主要為泥巖、砂巖和1號煤層。

1.2 鉆孔布孔層位設(shè)計

根據(jù)“三帶”分布理論，隨著工作面的回采，在煤層頂板上方形成垮落帶、斷裂帶和彎曲下沉帶，為提高高位定向鉆孔瓦斯抽采效果，應(yīng)將鉆孔布置在頂板裂縫帶內(nèi)。同時，為保證鉆孔成孔和后期瓦斯抽采的連續(xù)性，鉆孔層位盡可能布置在相對穩(wěn)定的地層中，避免布置在軟弱、破碎地層中。

根據(jù)曙光煤礦高位鉆孔布孔經(jīng)驗數(shù)據(jù)，確定布孔層位為上中下3層，分別距離2號煤層頂板22.8、20.0、17.1 m，目標(biāo)層為中砂巖和砂質(zhì)泥巖。

根據(jù)采動裂縫“O” 型圈理論[11-13]，一般選擇在靠近回風(fēng)巷一側(cè)的“O”型裂縫圈內(nèi)平行布置鉆孔。鉆孔平面間距的選擇應(yīng)以單孔有效抽采范圍為依據(jù)，避免鉆孔間距過大或過小造成的瓦斯抽采效果不佳或鉆孔工程量增加。結(jié)合經(jīng)驗數(shù)據(jù)設(shè)計鉆孔間距為10 m，分別距離回風(fēng)巷35、25、15 m，鉆孔布孔示意如圖1所示。

圖1 鉆孔布孔示意

1.3 定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備

近年來隨著煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的不斷發(fā)展，我國已形成了多種不同規(guī)格型號的定向鉆進(jìn)裝備。針對試驗工作面復(fù)雜的地層條件，為提高設(shè)備對地層的適應(yīng)性，選配了ZDY12000LD大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備[14-16]，主要配套裝備見表1。該套裝備具有鉆進(jìn)能力強(qiáng)、適用多種鉆進(jìn)工藝和事故處理能力大等優(yōu)點。

表1 主要配套裝備

1.4 定向鉆進(jìn)工藝

頂板高位定向鉆孔施工采用近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)，利用該技術(shù)可實現(xiàn)鉆孔軌跡人為控制，精確鉆遇目標(biāo)層位，并沿著目標(biāo)層位近水平沿伸。后期隨著工作面的回采，在采空區(qū)頂板內(nèi)形成采動裂縫，隨著工作面的不斷向前推移，采動裂縫不斷向上延伸并與高位定向鉆孔導(dǎo)通。高位定向鉆孔根據(jù)鉆孔軌跡變化可分為造斜孔段和穩(wěn)斜孔段。其中，造斜孔段由開孔點進(jìn)行造斜并進(jìn)入到目標(biāo)層，穩(wěn)斜孔段是沿著目標(biāo)層位近水平沿伸段，為鉆孔瓦斯抽采有效孔段。因此，造斜孔段一般采取滑動定向鉆進(jìn)工藝施工，每鉆進(jìn)3 m需調(diào)整1次工具面，實現(xiàn)鉆孔軌跡參數(shù)傾角和方位角的精確控制，穩(wěn)斜孔段一般采取滑動定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)工藝施工，一方面考慮到該孔段鉆孔軌跡參數(shù)變化小或者保持不變，造斜需求小甚至無需造斜，穩(wěn)斜即可;另一方面采用復(fù)合鉆進(jìn)工藝可提高施工效率和鉆孔排渣效率。

頂板高位定向鉆孔施工采用定向先導(dǎo)孔和大孔徑螺旋擴(kuò)孔的施工工藝，先導(dǎo)孔施工采用滑動定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)工藝[17-18]，定向鉆具組合如圖2所示。通過人為控制鉆孔軌跡，使先導(dǎo)孔精確沿著設(shè)計軌跡鉆進(jìn)；回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔采用大孔徑螺旋回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔，通過回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔將先導(dǎo)孔孔徑擴(kuò)大至153 mm，大孔徑螺旋擴(kuò)孔鉆具組合如圖3所示。

圖2 定向鉆具組合

圖3 大孔徑螺旋擴(kuò)孔鉆具組合

2 復(fù)雜地層條件下高位定向鉆孔成孔工藝

在復(fù)雜地層中鉆進(jìn)面臨的主要技術(shù)難題是塌孔，輕者導(dǎo)致鉆孔深度無法達(dá)到設(shè)計要求，重者發(fā)生卡鉆事故，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。因此，解決復(fù)雜地層條件下鉆孔塌孔問題具有重要意義。曙光煤礦2號煤層頂板存在不穩(wěn)定泥巖，先導(dǎo)鉆孔在穿越或沿著該巖層鉆進(jìn)時，在先導(dǎo)孔局部孔段孔壁四周出現(xiàn)裸露的泥巖，在鉆進(jìn)用沖洗介質(zhì)清水的沖刷和浸泡作用下，泥巖吸水發(fā)生水化，導(dǎo)致強(qiáng)度降低，在孔壁四周形成不利于孔壁穩(wěn)定的水化區(qū)，如圖4所示。研究發(fā)現(xiàn)水化區(qū)范圍隨著裸露時間的延長呈逐漸擴(kuò)大的趨勢，最終趨于穩(wěn)定[19-20]。先導(dǎo)孔鉆進(jìn)過程中，在鉆桿柱的擾動下孔壁四周水化區(qū)出現(xiàn)掉塊現(xiàn)象，導(dǎo)致大量大顆粒巖塊的堆積，若排渣不暢極易引起鉆孔排渣通道堵塞，嚴(yán)重者導(dǎo)致無法正常鉆進(jìn)。隨著鉆孔施工時間的不斷延長，已成型孔段在水中浸泡時間越來越長，水化越來越嚴(yán)重，而靠近孔底孔段由于成孔時間短，水化相對較弱，因此經(jīng)常出現(xiàn)孔底不塌孔，孔底后部塌孔的現(xiàn)象。

圖4 先導(dǎo)鉆孔孔壁示意

通常先導(dǎo)孔施工所采用的鉆具組合中通纜鉆桿和螺桿馬達(dá)均為普通外平面結(jié)構(gòu)，當(dāng)先導(dǎo)孔施工中出現(xiàn)由于水化導(dǎo)致的塌孔時，沖洗介質(zhì)流通通道遇阻，嚴(yán)重者導(dǎo)致沖洗介質(zhì)無法流通，如圖5所示，此時螺桿馬達(dá)出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，導(dǎo)致無法正常鉆進(jìn)。只有將沖洗介質(zhì)流通通道打通才可繼續(xù)鉆進(jìn)，通常采取復(fù)合鉆進(jìn)工藝進(jìn)行沖孔以疏通沖洗介質(zhì)流通通道，但由于外平結(jié)構(gòu)的鉆具不具備輔助排渣作用，相反隨著鉆桿柱的回轉(zhuǎn)會引起鉆孔局部孔段大量鉆屑的聚集形成嚴(yán)重“栓塞”，發(fā)生更加嚴(yán)重的憋泵現(xiàn)象，甚至出現(xiàn)卡鉆事故。

圖5 先導(dǎo)鉆孔塌孔孔壁示意

根據(jù)上述先導(dǎo)孔塌孔機(jī)理及施工鉆具的不足，采用大孔徑螺旋擴(kuò)孔工藝，通過回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔將先導(dǎo)孔孔壁四周水化區(qū)切削掉，使得孔壁四周裸露出未水化或水化較輕的巖層，從而提高鉆孔孔壁的穩(wěn)定性，如圖6所示。為提高擴(kuò)孔過程中排渣效率采用外表面帶螺旋槽的螺旋鉆桿，該類型鉆桿不僅具有傳遞鉆進(jìn)用轉(zhuǎn)矩和給進(jìn)壓力的作用，而且回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔過程中螺旋槽形成一條“螺旋形輸送帶”，具備輔助排渣的能力。此外，可將大顆粒巖屑重復(fù)破碎為小顆粒，有助于排出孔外。通過擴(kuò)孔鉆孔孔徑增大，排渣環(huán)空間隙增大，不僅有助于擴(kuò)孔過程中鉆屑的排出，而且有助于后續(xù)先導(dǎo)孔施工過程中鉆屑的排出。

圖6 擴(kuò)孔鉆孔孔壁示意

具體施工流程為定向先導(dǎo)孔施工，鉆遇塌孔提鉆換用大孔徑螺旋擴(kuò)孔鉆具擴(kuò)孔至孔底，再提鉆換用定向鉆具施工先導(dǎo)孔，如此往復(fù)施工至設(shè)計孔深，具體工藝流程如圖7所示。一方面通過擴(kuò)孔可以將孔壁四周水化區(qū)切削掉，裸露出未水化區(qū)，從而提高孔壁的穩(wěn)定性；另一方面通過擴(kuò)孔增大鉆孔孔徑，顯著提高大顆粒巖塊的通過性，同時，在螺旋鉆桿螺旋翼片的回轉(zhuǎn)作用下，可將大顆粒巖塊重復(fù)破碎為小顆粒，提高鉆進(jìn)過程中的排渣效率。

圖7 鉆孔施工流程

3 現(xiàn)場應(yīng)用情況

在曙光煤礦1226工作面運輸巷，自2019年1月至11月成功施工3個鉆場9個頂板高位定向鉆孔，鉆孔深度最小528 m，最大801 m，終孔孔徑153 mm，均達(dá)到設(shè)計要求，總進(jìn)尺5 568 m。鉆孔布孔層位垂直距離分別為17.1、20.0、22.8 m，水平距離分別為15、25、35 m，具體施工數(shù)據(jù)見表2，鉆孔實鉆軌跡剖面/平面投影如圖8—圖13所示。

圖13 3號鉆場各鉆孔實鉆軌跡平面投影

表2 各鉆孔施工數(shù)據(jù)

圖8 1號鉆場各鉆孔實鉆軌跡剖面投影

圖9 1號鉆場各鉆孔實鉆軌跡平面投影

1-1、2-1和3-1鉆孔布孔層位距2號煤層頂板22.8 m，該層位根據(jù)已知地質(zhì)資料顯示為砂質(zhì)泥巖，鉆進(jìn)過程中3個鉆孔分別發(fā)生3、2、2次塌孔。其中1-1鉆孔分別在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至75、270、387 m時發(fā)生塌孔，第1次塌孔孔段為造斜孔段，該孔段以正傾角向上穿層，先后穿過泥巖、粉砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和1號煤層，鉆進(jìn)至75 m時出現(xiàn)憋泵，伴隨大顆粒鉆屑排出，返水逐漸減小并變渾濁，向后退鉆仍出現(xiàn)憋泵，經(jīng)過分析泥巖和粉砂質(zhì)泥巖段出現(xiàn)水化掉塊塌孔、1號煤層段出現(xiàn)破碎塌孔；第2、3次塌孔孔段為穩(wěn)斜孔段，該孔段處于目標(biāo)層砂質(zhì)泥巖，隨著鉆孔施工時間的延長，該地層逐漸發(fā)生水化，強(qiáng)度降低，發(fā)生掉塊塌孔。2-1鉆孔分別在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至279、390 m時發(fā)生塌孔，3-1鉆孔分別在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至281、411 m時發(fā)生塌孔，上述該孔段均為穩(wěn)斜孔段，砂質(zhì)泥巖水化塌孔。上述各鉆孔塌孔均采用大孔徑螺旋擴(kuò)孔成功解決。

圖10 2號鉆場各鉆孔實鉆軌跡剖面投影

圖11 2號鉆場各鉆孔實鉆軌跡平面投影

圖12 3號鉆場各鉆孔實鉆軌跡剖面投影

1-2、2-2、3-2鉆孔布孔層位距2號煤層頂板20 m，該層位根據(jù)已知地質(zhì)資料顯示為砂質(zhì)泥巖，鉆進(jìn)過程中3個鉆孔分別發(fā)生2、1、1次塌孔。其中1-2鉆孔分別在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至66、399 m時發(fā)生塌孔，第1次塌孔孔段為造斜孔段，由于所穿過的泥巖和粉砂質(zhì)泥巖段出現(xiàn)水化掉塊塌孔、1號煤層段出現(xiàn)破碎塌孔；第2次塌孔孔段為穩(wěn)斜孔段，該孔段處于目標(biāo)層砂質(zhì)泥巖，發(fā)生水化，強(qiáng)度降低，發(fā)生掉塊塌孔。2-2鉆孔在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至381 m發(fā)生塌孔，3-2鉆孔在先導(dǎo)孔鉆進(jìn)至410 m發(fā)生塌孔，上述該孔段均為穩(wěn)斜孔段，砂質(zhì)泥巖水化塌孔。上述各鉆孔塌孔均采用大孔徑螺旋擴(kuò)孔成功解決。

1-3、2-3、3-3鉆孔布孔層位距煤層頂板17.1 m，目標(biāo)層為中砂巖，3鉆孔鉆進(jìn)過程未發(fā)生水化引起的塌孔。

4 結(jié) 論

1)提出采用大孔徑螺旋擴(kuò)孔工藝，在曙光煤礦成功施工9個孔深超520 m，孔徑153 mm的頂板高位定向長鉆孔，形成了適用于曙光煤礦復(fù)雜地層的頂板高位定向長鉆孔成孔技術(shù)，解決了曙光煤礦復(fù)雜地層條件下頂板高位定向長鉆孔成孔困難的技術(shù)難題。

2)采用定向先導(dǎo)孔和大孔徑螺旋擴(kuò)孔施工工藝能夠有效提高易水化泥巖地層定向鉆孔的成孔率，通過大孔徑螺旋擴(kuò)孔不僅能將孔壁四周泥巖水化區(qū)切削，提高鉆孔孔壁的穩(wěn)定性，而且通過擴(kuò)孔形成更大的排渣通道，有效提高鉆孔排渣效率。

3)為避免泥巖層水化引起的鉆孔塌孔現(xiàn)象，建議盡量避免在易水化泥巖層布置鉆孔。同時，研發(fā)適用于易水化泥巖地層條件的定向鉆進(jìn)用沖洗介質(zhì)，是解決泥巖水化的有效途徑。