吳金剛，張長遠(yuǎn)，李 宏

(1.河南工程學(xué)院 資源與安全工程學(xué)院，河南 鄭州 451191；2.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 晉城煤炭事業(yè)部，山西 晉城 048006)

松軟破碎煤層是我國煤層埋藏深度達(dá)800m以下的主要賦存形式，隨著我國淺部煤炭資源逐漸枯竭，深部煤炭資源的開采是未來我國煤礦生產(chǎn)企業(yè)不得不面臨的選擇[1]。松軟破碎煤層與淺部煤層結(jié)構(gòu)性質(zhì)迥異，煤的賦存環(huán)境和變質(zhì)程度帶來的孔隙結(jié)構(gòu)、有機(jī)組分等性質(zhì)發(fā)生改變，導(dǎo)致煤吸附和解吸能力與淺部的煤層存在明顯區(qū)別[2]。與淺部煤層相比，深部煤層受到的構(gòu)造應(yīng)力、變形應(yīng)力增加，煤層松軟破碎導(dǎo)致瓦斯抽采鉆孔塌孔嚴(yán)重而導(dǎo)致難以成孔。煤的孔隙體積增加導(dǎo)致煤吸附瓦斯的能力增加，煤的裂隙率降低導(dǎo)致瓦斯在煤層中流動(dòng)的滲透率急劇衰減。瓦斯賦存量增加、煤的滲透率降低等因素導(dǎo)致煤層的突出危險(xiǎn)性增大，直接威脅到煤炭開采過程中的安全[3-5]。

針對(duì)松軟低透氣性煤層的瓦斯抽采問題，王廣宏[6]依據(jù)煤層和圍巖的相關(guān)參數(shù)(基于定向長鉆孔抽采瓦斯的數(shù)值模擬研究)，模擬了定向長鉆孔的孔長、間距在不同抽采時(shí)間的瓦斯抽采量，得出瓦斯抽采量與鉆孔長度、鉆孔間距之間的變化規(guī)律。賈明魁[7]、黃旭超[8]、喬鑫[9]等對(duì)定向長鉆孔的工程應(yīng)用效果進(jìn)行了跟蹤測(cè)試，得出在進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)應(yīng)優(yōu)先采用定向長鉆孔抽采技術(shù)。趙中玲[10]、張建國[11]及呂高磊[12，13]等人針對(duì)松軟煤層的定向鉆孔與普通鉆孔的抽采效果及相關(guān)抽采規(guī)律進(jìn)行了研究，認(rèn)為定向長鉆孔抽采效果更佳。李良偉[14]、王永龍[15]及黃長國[16]等通過分析鉆孔鉆進(jìn)時(shí)的受力和排渣問題，分析了順層普通鉆孔難以鉆進(jìn)的原因，并提出了應(yīng)對(duì)改進(jìn)措施。王建強(qiáng)[17]、黃旭超[18]等針對(duì)鉆孔時(shí)由于煤質(zhì)松軟而導(dǎo)致的煤層卸壓變形難以成孔原因進(jìn)行了研究，認(rèn)為鉆孔排渣困難是難以成孔和鉆長孔的主要因素。黃勇[19]、王建強(qiáng)[20]等人針對(duì)松軟低透氣性煤層難以提高瓦斯抽采效果的實(shí)際，采用穿層鉆孔、水力壓裂等措施對(duì)抽采方法進(jìn)行了改進(jìn)。常二凱[21]等針對(duì)松軟煤層的巷道掘進(jìn)變形大的問題，提出了一種全新的阻止松軟煤層變形的支護(hù)工藝。楊計(jì)先[22]、郝富昌[23]等針對(duì)松軟煤層瓦斯抽采較難封孔的實(shí)際，對(duì)順層鉆孔的封孔工藝進(jìn)行研究。以往學(xué)者雖對(duì)定向長鉆孔的施工技術(shù)及抽采應(yīng)用進(jìn)行了相關(guān)研究，但施工的煤層為淺部區(qū)域的硬質(zhì)煤體，研究的對(duì)象多以普通順層鉆孔為主，仍難以改變瓦斯治理工程量大及抽采效率有效提升的難題。本文以沁水盆地南部長平礦的松軟破碎且透氣性低為工程背景，進(jìn)行定向長鉆孔的長距離鉆進(jìn)及軌跡測(cè)量技術(shù)研究，為其他類似礦井的高效抽采提供借鑒和參考。

1 礦井煤層煤質(zhì)特征

長平礦主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組的15號(hào)煤層和二疊系下統(tǒng)山西組3號(hào)煤層。3號(hào)煤層為當(dāng)前煤炭主力開采煤層，以亮煤為主、暗煤次之，有機(jī)組分中鏡質(zhì)組含量變化在73.6%～92.8%之間，惰質(zhì)組含量6.9%～27.7%。無機(jī)組分粘土礦物含量變化在1.7%～21.8%之間，多為分散狀和浸染狀粘土，部分充填狀，少見脈狀方解石。

3號(hào)煤層經(jīng)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定，平衡水分條件下的Langmuir體積19.80～30.17m3/t，平均25.74m3/t，空氣干燥基Langmuir體積為27.12～35.34m3/t，平均32.17m3/t，Langmuir壓力為1.53～2.63MPa，平均1.81MPa。鏡質(zhì)組最大反射率在2.45%～3.04%之間，平均為2.77%，屬于高階煤范疇。煤層在多期構(gòu)造疊加應(yīng)力的破壞下，原生結(jié)構(gòu)煤演變?yōu)槔馑槊汉兔永饷?，煤體剪切變形強(qiáng)烈，煤體以破裂結(jié)構(gòu)為主。煤層埋藏深度為600～900m，煤層含氣量高，實(shí)測(cè)的空氣干燥基其含量平均在10～16m3/t，最大超過25m3/t。

實(shí)驗(yàn)室測(cè)定了0.25～1mm和1～3mm兩種粒度煤樣在不同吸附平衡壓力條件下的瓦斯解吸能力，如圖1所示，試驗(yàn)結(jié)果表明，3號(hào)煤具有初始的解吸量大，后期的解吸量小，瓦斯解吸的衰減系數(shù)大的特征。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定，該礦3號(hào)煤層屬于典型的“有氣難出”松軟低透氣性煤層，這給礦井瓦斯治理帶來了巨大挑戰(zhàn)。

圖1 長平礦3號(hào)煤層瓦斯解吸規(guī)律曲線

低透氣性煤層往往通過水力化、爆破氣態(tài)化等方法進(jìn)行增透以提高煤層中瓦斯的流動(dòng)性能，該礦自2010年以來，相繼進(jìn)行了水力壓裂、水力割縫、水力沖孔和二氧化碳相變等增透措施，但各種增透措施在現(xiàn)場(chǎng)的試驗(yàn)結(jié)果表明，增透效果并不顯著，與未增透的煤層相比，鉆孔抽采量增大的時(shí)間周期僅保持在1～3個(gè)月的時(shí)間，持續(xù)抽采3個(gè)月后鉆孔抽采量迅速衰減。

2 瓦斯治理存在的問題

1)順層鉆孔抽采效果差。長平礦在應(yīng)用大功率定向鉆機(jī)前，均使用扭矩1050～4200N·m的鉆機(jī)，難以施工長度達(dá)到150m及以上的鉆孔。由于鉆機(jī)施工能力限制，在松軟破碎煤層中鉆進(jìn)，煤渣破碎導(dǎo)致的鉆孔塌陷現(xiàn)象突出，鉆孔施工時(shí)普遍存在難以向深部煤層鉆進(jìn)的問題，在鉆進(jìn)過程中由于在80～100m范圍鉆進(jìn)速度極低，鉆孔周邊被掏出大量煤渣產(chǎn)生的凹型空洞，給鉆孔封孔帶來另一個(gè)生產(chǎn)難題。

2)工作面抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長。由于煤層松軟破碎，剛施工完畢退鉆的鉆孔就會(huì)發(fā)生塌孔問題，煤層透氣性低導(dǎo)致煤層內(nèi)瓦斯難以經(jīng)鉆孔抽出。該礦實(shí)測(cè)3號(hào)煤層的百米流量平均為0.0068m3/min，煤層透氣性系數(shù)僅為0.0021～0.0324m2/(MPa2·d)，屬較難抽放煤層。為保障礦井良性的抽采銜接，采用大量的密集順層鉆孔和底板巖巷穿層孔規(guī)?；┕?，形成了每日鉆機(jī)開機(jī)臺(tái)數(shù)達(dá)到65臺(tái)，每日為抽采鉆孔服務(wù)的人員達(dá)到420人之多。

3)瓦斯治理工程量大。由于瓦斯治理需要，該礦年度順層鉆孔抽采進(jìn)尺由110萬m增加到現(xiàn)在的190萬m，其中，穿層鉆孔進(jìn)尺占到礦井總進(jìn)尺量的40%。長平礦采面瓦斯治理工程如圖2所示。由于要施工大量穿層鉆孔，需要在3號(hào)煤層下部施工底板巖巷，相關(guān)的巷道掘進(jìn)工程、矸石排放和處理工程亦需投入大量成本。據(jù)統(tǒng)計(jì)，該礦每年需掘進(jìn)巖石巷道約4800m，每年排出的矸石量達(dá)到約62萬t。

圖2 長平礦采面瓦斯治理工程

從圖2可知，采面圈定過程共需要布置3條底板巖巷，施工工作面巷道和采面上千個(gè)穿層鉆孔同時(shí)要在工作面巷道形成后，施工大量順層鉆孔進(jìn)行強(qiáng)化抽采。大量的瓦斯治理工程除耗費(fèi)生產(chǎn)工期外，還需消耗大量的人力、物力和財(cái)力，嚴(yán)重影響礦井的生產(chǎn)銜接和經(jīng)濟(jì)效益。

3 大功率定向長鉆孔抽采

為有效解決因松軟煤層抽采效率低而導(dǎo)致的抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長、瓦斯治理工程量大及抽掘采銜接緊張等困境，提出了一種超大功率定向鉆機(jī)施工定向長鉆孔的技術(shù)方法，突破常規(guī)定向鉆機(jī)無法施工長鉆孔的局限，以期達(dá)到節(jié)省瓦斯治理工程量、提高瓦斯抽采效果的目的。

3.1 大功率定向鉆機(jī)性能參數(shù)

ZYL-17000D型鉆機(jī)額定扭矩達(dá)到6000N·m，是目前扭矩最大的鉆機(jī)之一，具有定向鉆進(jìn)技術(shù)。ZYL-17000D鉆機(jī)的設(shè)備參數(shù)與普通定向鉆機(jī)的參數(shù)對(duì)比見表1。鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿不轉(zhuǎn)動(dòng)，高壓泥漿泵驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，通過隨鉆測(cè)量裝置反饋鉆孔軌跡，鉆孔軌跡實(shí)時(shí)顯示于防爆計(jì)算機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)鉆孔軌跡在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整，達(dá)到定向鉆進(jìn)的目的。礦用隨鉆測(cè)量裝置由礦用隔爆兼本安型計(jì)算機(jī)、礦用本安型隨鉆測(cè)量探管、礦用本安型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及礦用本安型鍵盤等4部分組成。

表1 定向鉆機(jī)主要性能參數(shù)對(duì)比

3.2 定向鉆機(jī)軌跡控制

鉆孔軌跡的控制和糾偏是保證鉆孔按設(shè)計(jì)施工的前提，可有效避免抽采區(qū)域存在抽采空白區(qū)，保障了鉆孔進(jìn)尺的有效性，是提高順層鉆孔瓦斯抽采的關(guān)鍵性舉措。鉆孔軌跡的糾偏是采用連續(xù)調(diào)整工具面向角進(jìn)行控制的，通過工具面向角的調(diào)整從而改變鉆孔軌跡各點(diǎn)的傾角及方位角[13]，工具面向角對(duì)傾角的影響如圖3所示。

圖3 工具面向角對(duì)鉆進(jìn)角度的影響

當(dāng)工具面位于Ⅰ、Ⅱ象限時(shí)，其效應(yīng)是增方位；當(dāng)工具面位于Ⅲ、Ⅳ象限時(shí)，其效應(yīng)為減方位。若工具面向角Ω=90°，則為全力增方位；若Ω=-90°(即270°)，則為全力減方位。在施鉆過程中，每次調(diào)節(jié)完工具面向角后，要反復(fù)拉動(dòng)鉆具以釋放反扭力，使工具面調(diào)節(jié)值盡量接近與實(shí)際工具面值，減少反扭矩對(duì)鉆孔軌跡控制的影響。

3.3 鉆孔設(shè)計(jì)及施工

3.3.1 鉆孔設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證大功率定向鉆機(jī)ZYL-17000D的抽采效果，于2020年5月開始在該礦六盤區(qū)輔助運(yùn)輸大巷施工了4個(gè)實(shí)驗(yàn)鉆孔，每個(gè)鉆孔均施工了一個(gè)分支孔。該組鉆孔的鉆場(chǎng)主要布置在盤區(qū)大巷中，向未來3年將要開掘的6302采面服務(wù)的輔助運(yùn)輸巷和6301采面服務(wù)的6301進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行定向長鉆孔抽采覆蓋，鉆孔布置如圖4所示。

由圖4所知，鉆孔覆蓋的區(qū)域前期規(guī)劃為在6301進(jìn)風(fēng)巷和6302輔運(yùn)巷之間的保護(hù)煤柱下方施工底板巖巷，采用底板巖巷穿層鉆孔來進(jìn)行掩護(hù)掘進(jìn)。該抽采設(shè)計(jì)的主要目的是將大功率定向長鉆孔的抽采效果與底板巖巷的穿層效果進(jìn)行對(duì)比。

圖4 大功率定向長鉆孔施工布置

3.3.2 鉆孔施工

考慮到該礦松軟破碎煤層存在嚴(yán)重的塌孔問題，采用復(fù)合定向鉆進(jìn)的滑動(dòng)鉆進(jìn)工藝，配套使用BLY180履帶泥漿泵，采用抗扭力大于12000N·m的?70mm螺旋槽通纜鉆桿，在保障滑動(dòng)定向鉆進(jìn)的同時(shí)，提高復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)螺旋槽鉆桿的排渣能力，避免卡鉆和塌孔事故發(fā)生?，F(xiàn)場(chǎng)施工的4個(gè)定向鉆孔參數(shù)見表2。

表2 千米鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

ZYL-17000D定向鉆機(jī)為最大轉(zhuǎn)矩17000N·m的超大功率鉆機(jī)，起拔力250kN，配套泥漿泵額定壓力29MPa，額定流量285L/min，采用?89mm螺旋槽通纜鉆桿、?89mm螺旋槽馬達(dá)及無磁鉆具，配套有線隨鉆測(cè)量裝置和?120mm合金鉆頭。采用?120mm普鉆鉆頭施工16m，換?193mm鉆頭擴(kuò)孔，采用?160mm PVC管注漿封孔。待凝固不低于4h后采用?89mm螺旋槽通纜鉆桿、?89mm螺旋槽馬達(dá)、無磁鉆具及配套?120mm鉆頭定向鉆進(jìn)。通過軌跡儀實(shí)測(cè)得到的鉆孔軌跡如圖5所示。

4 抽采效果

為驗(yàn)證大功率定向鉆機(jī)在松軟煤層的施工效果，在6302輔運(yùn)巷巷口4個(gè)鉆孔的匯流管路上安裝GD4型瓦斯抽采流量傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)瓦斯流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在監(jiān)測(cè)的前10d，由于抽采管路連抽約250個(gè)順層鉆孔，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)流量穩(wěn)定在35m3/min，瓦斯?jié)舛染S持在20%。監(jiān)測(cè)第15d后，由于四個(gè)定向長鉆孔并入系統(tǒng)，瓦斯流量持續(xù)增大并呈較大波動(dòng)，最高瓦斯流量增長到75m3/min，瓦斯?jié)舛茸罡咴龃蟮?6%。定向長鉆孔的瓦斯抽采參數(shù)變化曲線如圖6所示。

圖5 實(shí)測(cè)得到鉆孔實(shí)鉆軌跡

圖6 監(jiān)控系統(tǒng)抽采參數(shù)變化曲線

從圖6可以看出，在持續(xù)監(jiān)測(cè)的150d內(nèi)，定向長鉆孔的流量在15～40m3/min。以盤區(qū)大巷施工的順層鉆孔單孔長度120m計(jì)算，順煤層普通鉆孔每米流量為0.0012m3/min，同一施工地點(diǎn)施工的定向長鉆孔每米流量為0.025m3/min，瓦斯流量增長近20.8倍。從鉆孔施工周期來看，施工250個(gè)長度120m的順層鉆孔共需96d，而施工4個(gè)定向長鉆孔共需18d，施工時(shí)間縮短近78d。同一施工地點(diǎn)處定向長鉆孔與普通順層鉆孔的瓦斯抽采參數(shù)對(duì)比見表3。

表3 普通鉆孔與定向長鉆孔的抽采效果對(duì)比

5 結(jié) 論

1)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐證明，長平礦松軟破碎煤層應(yīng)用ZYL-17000D型大功率定向鉆機(jī)，改變了原有施工周期長、施工效率低及抽采效率差等現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了定向鉆孔的技術(shù)突破。

2)大功率定向鉆機(jī)采用穩(wěn)定信號(hào)傳輸和軌跡糾偏技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鉆孔軌跡的實(shí)時(shí)監(jiān)控，可有效避免抽采空白區(qū)的產(chǎn)生，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)鉆孔參數(shù)施工，滿足了松軟破碎煤層機(jī)械設(shè)備的要求，提高了鉆孔抽采的有效性。

3)施工的單個(gè)定向鉆孔長度超過300m，改變了礦井原有只能施工短孔的技術(shù)現(xiàn)狀，保障了預(yù)抽鉆孔抽采效率的提高，大幅度縮減了瓦斯治理的工程量和施工工期，緩解了礦井的抽掘采銜接緊張局面。

4)同一施工地點(diǎn)的定向鉆孔與普通鉆孔的試驗(yàn)結(jié)果表明，定向長鉆孔的抽采效率是普通順層鉆孔抽采效率的20.8倍，施工周期縮短近78d，采用定向長鉆孔在抽采效率和時(shí)間成本上占據(jù)明顯優(yōu)勢(shì)。