李泉新，許 超，劉建林，方 俊，張 杰，劉 飛

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

煤炭是我國能源安全穩(wěn)定供應(yīng)的基石，高瓦斯和煤與瓦斯突出礦井煤炭產(chǎn)量約占全國煤炭產(chǎn)量的1/3，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約著煤炭行業(yè)的安全可持續(xù)發(fā)展。煤礦井下定向孔可實(shí)現(xiàn)超前、區(qū)域、精準(zhǔn)瓦斯抽采，是瓦斯災(zāi)害治理的重要技術(shù)手段，對(duì)提升礦井安全保障水平具有重要意義。

“十一五”以來，依托國家發(fā)改委、科技部項(xiàng)目支持，我國隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備得到快速發(fā)展，成功研制出國產(chǎn)系列化定向鉆進(jìn)裝備，開發(fā)了滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝和復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝，在煤礦井下工作面采前瓦斯、采動(dòng)卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯治理中發(fā)揮著重要作用，取得了顯著的抽采效果，相較于常規(guī)瓦斯抽采技術(shù)裝備優(yōu)勢明顯。但我國煤礦區(qū)煤層賦存地質(zhì)條件差異性較大，且受鉆進(jìn)技術(shù)裝備制約，隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備主要適用于中硬穩(wěn)定煤巖層內(nèi)千米以淺定向孔鉆進(jìn)施工，在長距離定向鉆進(jìn)成孔和復(fù)雜煤巖層鉆進(jìn)方面存在一定的技術(shù)瓶頸，主要表現(xiàn)為：① 隨鉆孔深度增加，孔內(nèi)摩擦阻力呈指數(shù)型增大，鉆進(jìn)動(dòng)力傳遞和軌跡控制難度大，側(cè)鉆分支困難，成孔深度受限，鉆孔覆蓋面積有待進(jìn)一步提升；② 碎軟煤層鉆進(jìn)易失穩(wěn)坍塌，定向成孔困難，鉆孔深度淺、成孔率低，易存在抽采盲區(qū)和空白帶；③ 頂板巖層成孔直徑小、鉆進(jìn)效率低、復(fù)雜頂板成孔困難，鉆孔瓦斯抽采效率有待進(jìn)一步提升。

“十三五”期間，在國家科技重大專項(xiàng)支持下，針對(duì)定向鉆孔瓦斯抽采存在的技術(shù)問題，研發(fā)了適用于超長定向鉆孔施工的技術(shù)裝備，攻克了復(fù)雜地層定向鉆進(jìn)成孔技術(shù)瓶頸，推動(dòng)了井下瓦斯防治逐步向區(qū)域化、精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，即采掘前利用順煤層定向長鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，回采過程中及回采后利用大直徑頂板高位定向鉆孔抽采采動(dòng)卸壓瓦斯及采空區(qū)瓦斯。筆者以“十三五”最新科研成果為依托，開展了全域化精準(zhǔn)瓦斯抽采模式和工程實(shí)踐研究，以期為礦井瓦斯“零超限”和煤層“零突出”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供技術(shù)裝備支撐。

1 煤礦井下全域化瓦斯精準(zhǔn)抽采

針對(duì)我國不同煤層賦存地質(zhì)條件和開采階段下礦井瓦斯治理的技術(shù)需求，提出了基于定向鉆孔的煤礦井下全域化瓦斯精準(zhǔn)抽采模式，如圖1所示，主要結(jié)合礦井采掘部署進(jìn)行抽采鉆孔布置，利用定向鉆孔軌跡精確可控、可沿目標(biāo)地層長距離延伸的優(yōu)勢，在煤礦井下大區(qū)域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)“中硬煤層、碎軟煤層、頂板巖層”全區(qū)域精準(zhǔn)覆蓋、“采前-采中-采后”全時(shí)段連續(xù)抽采，最大限度實(shí)現(xiàn)全域快抽、應(yīng)抽盡抽。

圖1 煤礦井下全域化瓦斯精準(zhǔn)抽采模式示意

“全域化”抽采包括空間和時(shí)間2個(gè)概念，其中空間上與礦井含煤地層適應(yīng)，平面上既覆蓋中硬煤層，又覆蓋碎軟煤層，剖面上既覆蓋煤層，又覆蓋巖層，確保煤礦區(qū)內(nèi)含煤地層全覆蓋，避免出現(xiàn)瓦斯抽采盲區(qū)和空白帶；時(shí)間上與采煤工程協(xié)調(diào)，準(zhǔn)備區(qū)、生產(chǎn)區(qū)利用順煤層定向鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽，采動(dòng)區(qū)、采空區(qū)利用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采動(dòng)卸壓抽采，實(shí)現(xiàn)抽采時(shí)間無縫銜接、應(yīng)抽盡抽，最終在礦井生產(chǎn)空間和時(shí)間上形成協(xié)同性高、實(shí)效性強(qiáng)的瓦斯精準(zhǔn)抽采模式。

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的進(jìn)步促進(jìn)了其適用地層范圍從中硬煤層逐步拓展到碎軟煤層和頂?shù)装鍘r層，基于定向鉆孔的全域化瓦斯精準(zhǔn)抽采模式主要包含以下3種模式，即：中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采、碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采和采動(dòng)卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采。

1.1 中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采模式

1.1.1 技術(shù)需求

大型現(xiàn)代化礦井是保障我國煤炭持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)的重要基礎(chǔ)，其煤炭科學(xué)產(chǎn)能的釋放嚴(yán)重受限于瓦斯治理效率。針對(duì)大型礦井中硬煤層瓦斯抽采治理，目前常采用“遞進(jìn)銜接”的方式進(jìn)行區(qū)域瓦斯抽采，取得了較好的瓦斯抽采效果，但其仍存在鉆孔施工受采掘活動(dòng)制約、鉆孔抽采時(shí)間短、抽采不充分等問題。

中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采模式主要適用于高強(qiáng)度開采條件下結(jié)構(gòu)完整、地質(zhì)構(gòu)造簡單、堅(jiān)固性系數(shù)≥1的煤層瓦斯抽采，其原理如圖2所示，即：在盤區(qū)大巷形成后，從盤區(qū)大巷沿工作面走向施工超長定向鉆孔群覆蓋整個(gè)盤區(qū)，超前預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，再布置盤區(qū)內(nèi)巷道和工作面，超長定向鉆孔施工和抽采不依賴于盤區(qū)內(nèi)采掘工作面布置和施工，可超前開始抽采。該抽采模式既延長了瓦斯抽采時(shí)間，又提高了瓦斯抽采范圍，實(shí)現(xiàn)了盤區(qū)整體性瓦斯治理，為大型現(xiàn)代化礦井工作面布設(shè)優(yōu)化、增產(chǎn)上產(chǎn)、降本增效提供了技術(shù)支撐。

圖2 中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采與常規(guī)遞進(jìn)式瓦斯抽采模式

1.1.2 技術(shù)難點(diǎn)

中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采模式的實(shí)現(xiàn)與定向鉆孔的成孔深度密切相關(guān)。煤礦井下順煤層定向鉆進(jìn)多采用“滑動(dòng)糾偏+復(fù)合保直”的鉆進(jìn)工藝進(jìn)行鉆孔軌跡控制，采用“主動(dòng)探頂+側(cè)鉆分支”的鉆進(jìn)工藝保證鉆孔沿煤層延伸，糾偏鉆進(jìn)與側(cè)鉆分支均采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝。然而，隨孔深增加，滑動(dòng)定向鉆進(jìn)的摩擦阻力急速增加，導(dǎo)致鉆進(jìn)動(dòng)力傳遞和鉆孔軌跡控制難度增大，制約了鉆孔深度進(jìn)一步提高。超長定向鉆孔施工存在以下技術(shù)難點(diǎn)：① 超長孔定向鉆進(jìn)時(shí)所受阻力不斷增大。所受阻力主要來源于碎巖阻力、沉渣阻力和孔壁摩擦阻力，如圖3所示，由于定向鉆孔軌跡復(fù)雜、孔內(nèi)清潔度差、鉆桿彎曲變形程度加劇，鉆桿與孔壁接觸壓力增大，導(dǎo)致定向鉆進(jìn)所受阻力逐漸增加。鉆機(jī)為克服孔內(nèi)不斷增大的鉆進(jìn)阻力，需要連續(xù)提高其給進(jìn)壓力，導(dǎo)致給進(jìn)壓力近似呈指數(shù)型增長，并達(dá)到鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力極限，這成為制約滑動(dòng)定向鉆進(jìn)提速和鉆孔深度的關(guān)鍵。② 滑動(dòng)側(cè)鉆分支技術(shù)難以滿足超長孔分支孔鉆進(jìn)需要。側(cè)鉆分支孔是定向鉆孔軌跡長距離延伸的保證，然而滑動(dòng)側(cè)鉆分支時(shí)需保持孔底定向鉆具造斜方向穩(wěn)定，隨孔深增加，定向鉆具反扭角增加，鉆壓難以有效穩(wěn)定作用于鉆頭，導(dǎo)致精準(zhǔn)控制定向鉆具造斜方向困難，鉆進(jìn)鉆孔軌跡控制難度大，滑動(dòng)側(cè)鉆分支成功率大幅下降。③ 超長孔定向鉆進(jìn)測量信號(hào)傳輸穩(wěn)定性低。煤礦井下有線隨鉆測量系統(tǒng)利用中心通纜鉆作為信號(hào)傳輸通道，其信號(hào)傳輸對(duì)鉆具結(jié)構(gòu)和密封性要求高，且隨鉆孔深度增加，中心通纜鉆桿接觸點(diǎn)增多、導(dǎo)線電阻增大，電壓信號(hào)在接觸點(diǎn)被分壓嚴(yán)重，導(dǎo)致信號(hào)傳輸強(qiáng)度隨孔深不斷衰減，信號(hào)傳輸深度受限。

圖3 滑動(dòng)定向鉆進(jìn)阻力變化示意

1.1.3 中硬煤層超長孔定向鉆進(jìn)技術(shù)

(1)超長孔定向鉆進(jìn)減阻技術(shù)。水力加壓技術(shù)主要是利用水力加壓螺桿馬達(dá)，將泥漿泵提供的高壓沖洗液動(dòng)能轉(zhuǎn)化為軸向推力，直接施加在鉆頭上進(jìn)行回轉(zhuǎn)碎巖。通過孔底局部加壓，改善孔底鉆具受力狀態(tài)，降低對(duì)孔口鉆進(jìn)給進(jìn)力的需求，為孔底鉆頭碎巖提供持續(xù)動(dòng)力。正反扭轉(zhuǎn)減阻技術(shù)主要是利用復(fù)合鉆進(jìn)阻力小于滑動(dòng)鉆進(jìn)阻力的特性，采用孔口鉆機(jī)正反扭轉(zhuǎn)鉆桿，通過合理控制正反扭轉(zhuǎn)速度和角度，確保復(fù)合段鉆具復(fù)合扭轉(zhuǎn)、滑行段鉆具滑動(dòng)，降低滑動(dòng)鉆進(jìn)阻力，減緩鉆進(jìn)推力隨孔深的增長速率，從而提高滑動(dòng)鉆進(jìn)深度，如圖4所示。正反扭轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，扭轉(zhuǎn)頻率越高，減阻效果越好；在不改變螺桿鉆具工具面和不致使鉆具卸扣條件下，扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)幅度越大，扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)區(qū)范圍越大，鉆進(jìn)減阻效果越明顯。

圖4 正反扭轉(zhuǎn)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)減阻技術(shù)原理

(2)復(fù)合回轉(zhuǎn)傾角控制與側(cè)鉆分支技術(shù)。開發(fā)了復(fù)合鉆進(jìn)傾角控制技術(shù)，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整復(fù)合鉆進(jìn)鉆壓、轉(zhuǎn)速、泵量等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工況下增傾角、降傾角、穩(wěn)傾角精準(zhǔn)控制調(diào)節(jié)，其中增傾角控制采用“高鉆速、低轉(zhuǎn)速”工藝參數(shù)，降傾角控制采用“低鉆速、高轉(zhuǎn)速”工藝參數(shù)，穩(wěn)傾角控制采用中間狀態(tài)工藝參數(shù)，從而解決超長定向鉆孔的軌跡控制難題。開發(fā)了“低鉆速推進(jìn)、高轉(zhuǎn)速復(fù)合”側(cè)鉆分支工藝，采用更低的鉆進(jìn)速度和較高的旋轉(zhuǎn)速度，使鉆頭側(cè)出刃在單位時(shí)間內(nèi)連續(xù)多次切削孔壁下緣，使鉆頭在前進(jìn)的同時(shí)切入下孔壁的煤巖體中，達(dá)到鉆進(jìn)分支孔的目的，由此解決超長鉆孔側(cè)鉆分支難題，確保超長定向鉆孔沿目標(biāo)地層延伸。

(3)泥漿脈沖無線隨鉆測量技術(shù)。開發(fā)了礦用泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)，以清水作為信號(hào)傳輸載體，通過動(dòng)態(tài)控制鉆桿柱內(nèi)沖洗液過流面積產(chǎn)生正脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)無線傳輸；利用脈沖信號(hào)比例先導(dǎo)發(fā)射技術(shù)，基于沖洗液流量的電源智能控制方法，采用間歇工作模式，降低了隨鉆測量系統(tǒng)工作能耗，解決了超長時(shí)間續(xù)航難題，實(shí)現(xiàn)了超長定向鉆孔“一趟鉆”施工；采用電源隔離、信號(hào)隔離及運(yùn)動(dòng)部件隔離技術(shù)，解決了爆炸性氣體工作環(huán)境下測量系統(tǒng)防爆難題。該系統(tǒng)突破了小泵量、低泵壓和小直徑條件下測量信號(hào)無線隨鉆傳輸技術(shù)瓶頸，信號(hào)傳輸速度為1 400 m/s 左右，信號(hào)強(qiáng)度衰減速率慢、傳輸距離遠(yuǎn)，具備孔深3 000 m以上信號(hào)傳輸能力。

1.2 碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采模式

1.2.1 技術(shù)需求

碎軟煤層在我國河南焦作、安徽兩淮、貴州畢節(jié)等地區(qū)廣泛分布，且多數(shù)中硬煤層礦井中存在局部碎軟煤層或軟硬互層煤層。在碎軟煤層中施工瓦斯抽采鉆孔難度大，特別是突出礦井采取預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施時(shí)，在鉆孔類型、鉆孔深度、抽采時(shí)間等方面存在諸多限制，而以“瓦斯抽采底板巷+穿層鉆孔+順層對(duì)穿鉆孔”為主的傳統(tǒng)瓦斯治理模式周期長、成本高，嚴(yán)重制約著礦井瓦斯治理效率和安全生產(chǎn)水平的提升。

碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采模式包括煤巷條帶煤層瓦斯預(yù)抽和回采工作面瓦斯預(yù)抽，主要適用于結(jié)構(gòu)破碎、堅(jiān)固性系數(shù)0.3≤<1.0的煤層瓦斯預(yù)抽，其原理如圖5所示，即：首先沿煤巷條帶延伸方向，施工集束型定向長鉆孔群均勻覆蓋待掘巷道前方及兩側(cè)一定范圍，要求煤巷條帶掩護(hù)距離達(dá)300 m以上，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)后方可進(jìn)行安全掘進(jìn)；然后利用已掘煤巷，施工橫穿工作面定向鉆孔群或集束型定向鉆孔群，覆蓋待采工作面，并覆蓋下一工作面的待掘巷道，瓦斯預(yù)抽達(dá)標(biāo)后，進(jìn)行工作面回采和下一個(gè)工作面巷道掘進(jìn)，實(shí)現(xiàn)抽、掘、采接續(xù)交替。該抽采模式可大幅減少巖巷掘進(jìn)量、縮短碎軟煤層瓦斯抽采周期，從而提高瓦斯治理效率、降低瓦斯治理成本。2019年修訂的《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》將定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯納入?yún)^(qū)域防突措施，進(jìn)一步強(qiáng)化定向鉆孔在碎軟煤層瓦斯抽采中的應(yīng)用。

圖5 碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采示意

1.2.2 技術(shù)難點(diǎn)

目前，井下普遍應(yīng)用的隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)以清水作為動(dòng)力介質(zhì)驅(qū)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)，主要適用于堅(jiān)固性系數(shù)≥1的中硬穩(wěn)定煤層，由于清水對(duì)孔壁的沖刷擾動(dòng)大，因此不適用于碎軟煤層定向鉆進(jìn)成孔。以空氣作為動(dòng)力介質(zhì)驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)是碎軟煤層定向成孔的理想技術(shù)方案，但存在以下技術(shù)難題：① 缺乏定向鉆孔強(qiáng)排渣、精準(zhǔn)軌跡控制和長距離完孔工藝。由于碎軟煤層結(jié)構(gòu)破碎。鉆進(jìn)過程中受外力擾動(dòng)及瓦斯涌出等不利因素影響，孔內(nèi)鉆渣量較大，若不及時(shí)將鉆渣輸送出鉆孔，鉆渣堆積堵塞瓦斯運(yùn)移通道會(huì)形成噴孔等現(xiàn)象，甚至造成卡鉆等事故；瓦斯抽采階段，由于裸孔孔壁自穩(wěn)能力差，而定向鉆孔由于多分支結(jié)構(gòu)導(dǎo)致篩管難以下放至孔底，塌孔易堵塞瓦斯抽采通道。② 缺乏針對(duì)碎軟煤層氣動(dòng)定向鉆進(jìn)的礦用螺桿馬達(dá)。螺桿馬達(dá)是進(jìn)行定向造斜、實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡精準(zhǔn)控制的核心工具，現(xiàn)有礦用液動(dòng)螺桿馬達(dá)工作壓力大(≥2 MPa)、排量小(≤500 L/min)，不適用氣體鉆進(jìn)，而石油天然氣勘探開發(fā)行業(yè)普遍使用的氣動(dòng)螺桿馬達(dá)直徑大、長度大、啟動(dòng)壓力大，難以直接應(yīng)用于煤礦井下；此外，氣體對(duì)螺桿馬達(dá)的冷卻潤滑效果差，若不采取合理的工藝措施，則會(huì)加劇氣動(dòng)螺桿馬達(dá)的異常磨損。③ 缺乏隨鉆安全監(jiān)控儀器。氣動(dòng)定向鉆進(jìn)相比液動(dòng)定向鉆進(jìn)，總體工況更加復(fù)雜，而氣體減振效果差，實(shí)現(xiàn)孔底強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境下鉆孔軌跡精準(zhǔn)測量是亟待解決的難題；此外，由于礦用空壓機(jī)輸出的壓風(fēng)溫度高，壓風(fēng)冷卻效果差且富含氧氣，容易導(dǎo)致孔內(nèi)著火，因此開展氣體鉆進(jìn)安全監(jiān)測技術(shù)研究，且采取必要的安全預(yù)防措施至關(guān)重要。

1.2.3 碎軟煤層氣動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)

(1)碎軟煤層氣動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)及定向孔篩管完孔工藝。該技術(shù)利用礦用空壓機(jī)輸出的壓力氣體作為碎軟煤層定向鉆進(jìn)的動(dòng)力源和排渣介質(zhì)，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)螺桿馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭鉆進(jìn)，減少對(duì)孔壁的沖刷擾動(dòng)，同時(shí)配套隨鉆測量系統(tǒng)進(jìn)行鉆孔軌跡測控，解決碎軟煤層長距離定向成孔難題。針對(duì)碎軟煤層煤渣量大、易積聚問題，利用壓力氣體為煤渣提供軸向運(yùn)移動(dòng)力，利用異形定向鉆具為煤渣提供周向運(yùn)移動(dòng)力，提升了氣體攜渣能力，減少煤渣沉積。針對(duì)碎軟煤層易塌孔，影響后期瓦斯抽采的問題，采用定向鉆孔長距離篩管安設(shè)工藝，實(shí)現(xiàn)了定向鉆孔篩管護(hù)孔，保障了瓦斯長時(shí)間穩(wěn)定抽采。

(2)小直徑耐高溫長壽命氣動(dòng)螺桿馬達(dá)。氣動(dòng)螺桿馬達(dá)采用長導(dǎo)程轉(zhuǎn)子、高密封定子線型及多級(jí)多頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方式，實(shí)現(xiàn)了≤0.3 MPa低壓啟動(dòng)。針對(duì)氣體冷卻潤滑性能差，氣動(dòng)螺桿馬達(dá)高速回轉(zhuǎn)輸出動(dòng)力過程中，傳動(dòng)軸軸承、馬達(dá)總成受高頻交變載荷作用易生熱磨損問題，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了油密封潤滑裝置，實(shí)現(xiàn)了傳動(dòng)軸密封潤滑，提高了軸承使用壽命；采用氣控油霧潤滑裝置，定量抽吸和高壓霧化潤滑油，隨壓縮氣體進(jìn)入氣動(dòng)螺桿馬達(dá)，在馬達(dá)總成的定轉(zhuǎn)子間形成潤滑油膜，通過主動(dòng)潤滑，顯著減緩馬達(dá)總成因高速摩擦生熱而導(dǎo)致的磨損失效。

(3)壓風(fēng)定向鉆進(jìn)隨鉆測量監(jiān)控裝置。為避免壓風(fēng)定向鉆進(jìn)時(shí)孔內(nèi)異常升溫帶來的安全隱患，采用礦用有線隨鉆測溫測斜系統(tǒng)，在測量鉆孔傾角、方位角、氣動(dòng)螺桿馬達(dá)工具面向角的同時(shí)，可測量鉆桿內(nèi)溫度和鉆孔環(huán)空溫度等參數(shù)，并采用有線傳輸方式進(jìn)行快速傳輸，實(shí)現(xiàn)了鉆孔軌跡、孔內(nèi)溫度的隨鉆監(jiān)測，保障了定向孔施工安全。針對(duì)孔口氣體鉆進(jìn)安全監(jiān)測問題，開發(fā)了壓風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)，采用參數(shù)監(jiān)測模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測流量、壓力、溫度和氧氣濃度等進(jìn)風(fēng)參數(shù)和一氧化碳濃度、甲烷濃度、溫度和流量等返風(fēng)參數(shù)，且可進(jìn)行異常報(bào)警；采用風(fēng)水聯(lián)動(dòng)模塊在孔內(nèi)出現(xiàn)異常時(shí)立即向孔底注入霧化氣體，實(shí)現(xiàn)快速應(yīng)急處理；采用孔口控壓裝置防止管路壓力過高和孔內(nèi)氣體返流，實(shí)現(xiàn)安全降噪卸載；同時(shí)使壓風(fēng)定向鉆進(jìn)參數(shù)可知、狀態(tài)可控，為鉆進(jìn)施工提供了決策依據(jù)，有效避免了瓦斯異常涌出、孔內(nèi)異常高溫、管路憋壓等安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 采動(dòng)卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采模式

1.3.1 技術(shù)需求

井下定向鉆孔采前預(yù)抽可提前降低煤層瓦斯含量，使煤層達(dá)到開采條件。但煤層中仍然存在大量吸附態(tài)瓦斯氣體，當(dāng)煤層回采時(shí)，受采動(dòng)卸壓影響，本煤層和鄰近層含有的瓦斯將會(huì)大量釋放，沿采動(dòng)裂隙運(yùn)移并聚集于頂板裂隙帶及采空區(qū)中，容易造成上隅角及回風(fēng)巷瓦斯超限，特別是特厚煤層綜放開采，常發(fā)生“低瓦斯賦存、高瓦斯涌出”等異常情況，給煤礦安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重威脅。現(xiàn)有技術(shù)主要采用高抽巷、通風(fēng)、常規(guī)高位鉆孔等方式進(jìn)行采動(dòng)卸壓瓦斯抽采，但高抽巷施工效率低、成本高，通風(fēng)和常規(guī)高位鉆孔無法完全解決瓦斯抽采問題。

實(shí)踐證明頂板大直徑高位定向鉆孔是治理采動(dòng)卸壓瓦斯的有效技術(shù)手段，采動(dòng)卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采模式主要適用于煤層頂板巖層裂隙帶瓦斯抽采，其技術(shù)原理如圖6所示，即：在工作面回采之前，在回風(fēng)巷一側(cè)布置鉆場，從煤層開孔向頂板目標(biāo)地層中施工定向鉆孔，工作面回采時(shí)進(jìn)行采動(dòng)卸壓瓦斯集中抽采，具有鉆場布設(shè)靈活、軌跡精確可控、有效孔段長、施工周期短、抽采效率高等優(yōu)點(diǎn)。該抽采模式一方面能有效降低采動(dòng)卸壓瓦斯治理成本和治理周期，另一方面可減少高抽巷掘進(jìn)而增加的矸石運(yùn)輸量和處理量。

圖6 采動(dòng)卸壓瓦斯以孔代巷抽采示意

1.3.2 技術(shù)難點(diǎn)

“十二五”期間，隨著大功率定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備的研發(fā)與應(yīng)用，國內(nèi)開始開展“以孔代巷”瓦斯抽采工程實(shí)踐，驗(yàn)證了其抽采原理可行。但受頂板地層復(fù)雜賦存地質(zhì)條件、定向鉆進(jìn)裝備能力有限等因素影響，復(fù)雜頂板大直徑高位定向鉆進(jìn)成孔仍然面臨以下技術(shù)難題：① 先導(dǎo)孔硬巖層鉆進(jìn)效率低、鉆具損耗大。當(dāng)鉆遇頂板局部灰?guī)r、砂巖等堅(jiān)硬巖層時(shí)，常規(guī)螺桿馬達(dá)配套PDC鉆頭鉆具組合以回轉(zhuǎn)切削方式碎巖，深孔鉆進(jìn)條件下鉆頭磨削碎巖速度慢、且易產(chǎn)生托壓現(xiàn)象，造成先導(dǎo)孔鉆進(jìn)效率低、鉆具磨損嚴(yán)重；② 大直徑擴(kuò)孔級(jí)序多、效率低。增大鉆孔直徑可提升單孔瓦斯抽采能力、減少鉆孔數(shù)量，目前主要采用多次回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔的方式進(jìn)行施工，主要依賴于孔口鉆機(jī)輸出扭矩，擴(kuò)孔動(dòng)力單一，施工效率低、成孔周期長；由于高位定向鉆孔在穿層孔段和水平孔段軌跡變化幅度大，不利于擴(kuò)孔動(dòng)力的高效傳遞，鉆具安全性差、事故風(fēng)險(xiǎn)高。③ 復(fù)雜頂板巖層易塌孔卡鉆造成鉆進(jìn)受阻。頂板高位定向鉆孔從煤層開孔后，需穿過多個(gè)地層后才能進(jìn)入目標(biāo)地層，其鉆遇的地層類型多，水敏性地層、構(gòu)造破碎帶、軟硬交互地層等復(fù)雜巖層分布廣泛，鉆進(jìn)時(shí)易塌孔，不僅可導(dǎo)致排渣通道堵塞，還會(huì)產(chǎn)生大量鉆渣，現(xiàn)有技術(shù)缺乏恢復(fù)排渣通道的有效手段，不能滿足連續(xù)、高效排渣需要，易導(dǎo)致卡鉆事故。

1.3.3 復(fù)雜頂板巖層大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)

(1)頂板硬巖提速工具。目前煤礦井下提速工具主要有等壁厚螺桿馬達(dá)、沖擊螺桿馬達(dá)、螺桿馬達(dá)與液動(dòng)潛孔錘復(fù)合鉆具組合等。等壁厚螺桿馬達(dá)與常規(guī)螺桿馬達(dá)相比，定子橡膠層厚度均勻、相等、變形量小，增大了定子、轉(zhuǎn)子之間的過盈配合量，因而能獲得較高的機(jī)械效率和輸出扭矩，其額定輸出扭矩較常規(guī)螺桿馬達(dá)可提高1倍以上。沖擊螺桿馬達(dá)是在螺桿馬達(dá)傳動(dòng)軸上增設(shè)了沖擊機(jī)構(gòu)，提供施加軸向沖擊力，實(shí)現(xiàn)沖擊回轉(zhuǎn)復(fù)合碎巖。螺桿馬達(dá)與液動(dòng)潛孔錘復(fù)合鉆具組合，將液動(dòng)潛孔錘布置于螺桿馬達(dá)與鉆頭之間，同時(shí)發(fā)揮螺桿馬達(dá)調(diào)控軌跡和液動(dòng)潛孔錘高效碎巖的特性，并創(chuàng)新設(shè)計(jì)研制出柱片混合型鉆頭，沖擊回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)，柱齒先承擔(dān)沖擊力，然后再利用PDC片切削碎巖。

(2)多動(dòng)力分級(jí)一次性擴(kuò)孔技術(shù)。開發(fā)了礦用雙級(jí)雙速擴(kuò)孔工具、小直徑扭力沖擊器、分體式雙級(jí)擴(kuò)孔鉆頭(圖7)等孔底擴(kuò)孔動(dòng)力鉆具，利用孔口鉆機(jī)和孔底擴(kuò)孔動(dòng)力鉆具輸出的多種形式動(dòng)力聯(lián)合碎巖，可實(shí)現(xiàn)120 mm先導(dǎo)定向孔一次性鉆擴(kuò)至200 mm。該方法將泥漿泵輸出的高壓流體動(dòng)能和鉆機(jī)回轉(zhuǎn)動(dòng)力結(jié)合，增大了擴(kuò)孔鉆進(jìn)動(dòng)力，有效解決了孔底回轉(zhuǎn)動(dòng)力隨孔深增加衰減的難題。

圖7 分體式雙級(jí)擴(kuò)孔鉆頭

(3)復(fù)雜破碎地層強(qiáng)造斜鉆進(jìn)主動(dòng)防塌與復(fù)合高效排渣工藝。針對(duì)煤層與頂板目標(biāo)地層之間的穿層孔段局部復(fù)雜地層易坍塌問題，設(shè)計(jì)了強(qiáng)造斜鉆具組合，造斜能力達(dá)到了0.667(°)/m以上，通過增大鉆孔與地層間的夾角、縮短穿層孔段長度，降低鉆進(jìn)安全風(fēng)險(xiǎn)，解決強(qiáng)造斜條件下軌跡控制難題，確保順利進(jìn)入穩(wěn)定目標(biāo)地層。針對(duì)目標(biāo)地層內(nèi)易坍塌形成鉆渣積聚問題，設(shè)計(jì)了由整體式寬翼片螺旋鉆桿、螺旋無磁鋼鉆具和主體銑槽的螺旋型螺桿馬達(dá)組成的異形定向鉆具組合，利用異形定向鉆具組合回轉(zhuǎn)攪動(dòng)，輔助沖洗液攜帶、輸運(yùn)鉆渣，提高鉆渣水平運(yùn)移速度和清除能力，維持孔內(nèi)循環(huán)排渣通道通暢，降低了卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。

2 工程實(shí)踐

2.1 中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采工程實(shí)踐

2.1.1 工程概況

保德煤礦位于山西省忻州市，屬于高瓦斯礦井，其主采8號(hào)煤層為中硬煤層，平均厚度6.83 m，煤層平均傾角3.5°，瓦斯含量為0.480～7.856 m/t。保德煤礦主要采用區(qū)域遞進(jìn)式模式進(jìn)行瓦斯抽采治理，為進(jìn)一步提升瓦斯抽采效率，在保德煤礦二盤區(qū)進(jìn)行了順煤層超長孔定向鉆進(jìn)試驗(yàn)，開展了大盤區(qū)瓦斯超前抽采工程實(shí)踐。

2.1.2 成孔效果

2017年，利用ZDY12000LD型大功率定向鉆機(jī)、YHD2-1000(A)有線隨鉆測量系統(tǒng)等裝備，完成主孔深度2 311 m的超長定向鉆孔，總進(jìn)尺3 094 m，探頂開分支15次，平均日進(jìn)155 m，復(fù)合鉆進(jìn)孔段占總進(jìn)尺65%，這是我國首次完成主孔深度超過2 000 m的順煤層超長定向鉆孔。

2019年，利用ZDY15000LD型大功率定向鉆機(jī)、YHD3-3000泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)等裝備，完成了主孔深度2 570 m和3 353 m的超長定向鉆孔。其中3 353 m超長定向鉆孔總進(jìn)尺4 428 m，復(fù)合鉆進(jìn)孔段占總進(jìn)尺90%以上，平均日進(jìn)尺210 m。正反扭轉(zhuǎn)技術(shù)和水力加壓螺桿馬達(dá)的應(yīng)用使滑動(dòng)定向鉆進(jìn)阻力降低30%以上，滑動(dòng)定向鉆進(jìn)極限深度從1 800 m 提高到2 700 m以上；復(fù)合鉆進(jìn)側(cè)鉆分支點(diǎn)最大深度達(dá)到3 198 m，實(shí)現(xiàn)了鉆孔軌跡的精確控制，鉆孔中靶坐標(biāo)誤差小于0.15%；泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)信號(hào)傳輸穩(wěn)定可靠，解碼準(zhǔn)確率達(dá)到98%以上，孔內(nèi)連續(xù)工作時(shí)間超過480 h。

2.1.3 瓦斯抽采效果

如圖8所示，孔深2 311 m超長定向鉆孔已穩(wěn)定抽采超1 200 d，累計(jì)抽采瓦斯量320余萬m，日均產(chǎn)氣量約3 022 m；孔深2 570 m超長定向鉆孔已穩(wěn)定抽采超800 d，累計(jì)抽采瓦斯240余萬m，日均產(chǎn)氣量約2 980 m；3 353 m超長定向鉆孔已穩(wěn)定抽采超600 d，累計(jì)抽采瓦斯430余萬m，日均產(chǎn)氣量7 015 m。

圖8 保德煤礦超長定向鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)

瓦斯抽采實(shí)踐證明：超長定向鉆孔抽采持續(xù)時(shí)間長，抽采量穩(wěn)定、衰減不明顯，實(shí)現(xiàn)了大盤區(qū)順煤層超長定向鉆孔的長期、穩(wěn)定、高效抽采，為大盤區(qū)采掘優(yōu)化部署奠定了基礎(chǔ)。

2.2 碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采工程實(shí)踐

2.2.1 工程概況

青龍煤礦位于貴州省畢節(jié)市，屬于煤與瓦斯突出礦井，其主采的16號(hào)煤層瓦斯含量高、壓力大，煤體結(jié)構(gòu)破碎，最大瓦斯壓力1.73 MPa，平均瓦斯含量15.62 t/m，堅(jiān)固性系數(shù)0.37。傳統(tǒng)的以“底抽巷+穿層鉆孔+順層鉆孔”的瓦斯治理模式周期長、成本高，造成采掘銜接緊張；以清水為沖洗液的定向鉆進(jìn)技術(shù)對(duì)孔壁的沖刷擾動(dòng)大，難以滿足碎軟煤層定向鉆進(jìn)成孔需要，瓦斯抽采成為制約礦井安全高效生產(chǎn)的首要因素。因此，亟需突破碎軟煤層定向鉆進(jìn)技術(shù)瓶頸，通過碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采，緩解礦井采掘接續(xù)壓力。

2.2.2 成孔效果

在21608運(yùn)輸巷南段鉆場和21601運(yùn)輸巷鉆場開展了煤巷條帶瓦斯超前預(yù)抽試驗(yàn)，鉆孔設(shè)計(jì)深度300 m、孔徑108 mm、間距7 m，同時(shí)覆蓋待掘巷道兩側(cè)各20 m。2個(gè)鉆場共施工鉆孔19個(gè)，最大孔深345 m，累計(jì)進(jìn)尺7 758 m，300 m以上鉆孔成孔率達(dá)到76%。

以21606運(yùn)輸巷為鉆場，開展了工作面區(qū)域抽采試驗(yàn)，鉆孔設(shè)計(jì)深度150 m、間距6 m，共施工鉆孔253個(gè)，累計(jì)進(jìn)尺31 874 m，95%鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度，實(shí)現(xiàn)了工作面區(qū)域全覆蓋。

2.2.3 瓦斯抽采效果

21608運(yùn)輸巷南段鉆場平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)保持在70%左右，鉆場瓦斯抽采純量達(dá)到4.0 m/min，定向鉆孔單孔瓦斯抽采純量是常規(guī)鉆孔的5～10倍、抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)較常規(guī)鉆孔提升60%，已累計(jì)抽采瓦斯11.5萬m。

21601運(yùn)輸巷鉆場已完成抽采，采用分段檢驗(yàn)方法進(jìn)行了區(qū)域措施效果檢驗(yàn)，煤層剩余瓦斯含量和瓦斯壓力降低到達(dá)標(biāo)值以下，檢驗(yàn)合格區(qū)段內(nèi)已安全掘進(jìn)，未發(fā)生瓦斯超限等事故。21606運(yùn)輸巷定向鉆孔主管路瓦斯體積分?jǐn)?shù)達(dá)到62.4%，瓦斯抽采純量7.5 m/min，累計(jì)抽采瓦斯超過400萬m。

青龍煤礦已大規(guī)模采用碎軟煤層氣動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備進(jìn)行區(qū)域瓦斯預(yù)抽，解決了煤巷條帶和回采工作面瓦斯區(qū)域抽采難題，實(shí)現(xiàn)了碎軟煤層精準(zhǔn)、超前區(qū)域瓦斯抽采治理，有效緩解了礦井采掘接替矛盾。

2.3 采動(dòng)卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采工程實(shí)踐

2.3.1 工程概況

顧橋煤礦位于安徽省淮南市，屬于高瓦斯礦井，其主采13-1煤層埋深-780 m，厚度4 m左右，瓦斯含量5.3 m/t，瓦斯壓力0.2～0.5 MPa。13-1煤層回采過程中，本煤層卸壓瓦斯聚集于頂板裂隙帶，上鄰近層13-2薄煤層受采動(dòng)卸壓影響，瓦斯沿裂隙流向13-1工作面，容易造成13-1煤層回采工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯超限。此外，13-1煤層直接頂以砂質(zhì)泥巖和深灰色泥巖為主，巖層穩(wěn)定性差、裂隙發(fā)育程度高、力學(xué)強(qiáng)度低；13-1煤層直接頂與基本頂層間粘結(jié)弱，極易發(fā)生離層垮落。長期以來，顧橋煤礦頂板復(fù)雜巖層定向鉆進(jìn)成孔困難，采用高抽巷的方式進(jìn)行采動(dòng)卸壓瓦斯抽采，存在施工周期長、維護(hù)成本高等不足。因此，亟需創(chuàng)新采動(dòng)卸壓瓦斯高效抽采模式和技術(shù)。

2.3.2 成孔效果

采用復(fù)雜頂板巖層大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)，在顧橋煤礦中央?yún)^(qū)1123(3)工作面和南區(qū)1212(3)工作面等進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)和推廣應(yīng)用，共完成頂板高位定向鉆孔17個(gè)，總進(jìn)尺8 261 m，最大鉆孔深度為536 m，平均日進(jìn)尺大于130 m。實(shí)鉆表明：鉆孔穿層爬坡孔段，采用強(qiáng)造斜主動(dòng)防塌技術(shù)，提升了孔壁穩(wěn)定性；目標(biāo)地層鉆進(jìn)孔段，利用異形定向鉆具復(fù)合排渣，有利于沖洗液將鉆渣迅速排出孔外，避免了沉渣卡鉆等問題；大直徑多動(dòng)力分級(jí)一次性擴(kuò)孔技術(shù)顯著增加了頂板高位定向鉆孔孔徑，提高了擴(kuò)孔效率，提升了采動(dòng)卸壓瓦斯抽采效果。

2.3.3 瓦斯抽采效果

以顧橋煤礦中央?yún)^(qū)1123(3)工作面為例，當(dāng)回采工作面推進(jìn)過孔底一定距離后，頂板高位定向鉆孔抽采瓦斯純量和體積分?jǐn)?shù)開始增加并保持穩(wěn)定。其中2號(hào)鉆孔抽采瓦斯純量穩(wěn)定在7 m/min左右，瓦斯體積分?jǐn)?shù)為35%，并且隨著工作面周期性來壓冒落，瓦斯抽采純量表現(xiàn)出波動(dòng)性變化規(guī)律，如圖9所示。

圖9 鉆孔純瓦斯流量隨工作面過終孔點(diǎn)距離變化曲線[25]

鉆場主管路瓦斯抽采純量平均達(dá)到11.07 m/min，瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)31.39%，與鄰近高抽巷抽采水平相當(dāng)。目前，該工作面已經(jīng)安全回采，回風(fēng)和上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值為0.035%，未發(fā)生瓦斯超限事故，表明采用大直徑高位定向鉆孔代替高抽巷進(jìn)行采動(dòng)卸壓瓦斯抽采治理是可行的。

3 結(jié) 論

(1)煤礦井下隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的進(jìn)步推動(dòng)了瓦斯治理模式的轉(zhuǎn)變，瓦斯防治逐步向區(qū)域化、精準(zhǔn)化的方向發(fā)展，形成了以中硬煤層大盤區(qū)瓦斯抽采、碎軟煤層瓦斯區(qū)域抽采和采動(dòng)卸壓瓦斯“以孔代巷”抽采為內(nèi)涵的全域化瓦斯抽采模式。

(2)基于中硬煤層、碎軟煤層和采動(dòng)卸壓瓦斯全域化精準(zhǔn)抽采需求及其技術(shù)難點(diǎn)，開發(fā)了中硬煤層超長孔定向鉆進(jìn)技術(shù)、碎軟煤層氣動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)和復(fù)雜頂板巖層大直徑定向鉆進(jìn)技術(shù)，拓寬了定向鉆進(jìn)技術(shù)適用地層范圍，并有效提升了鉆孔成孔深度、成孔效率和瓦斯抽采效果。

(3)現(xiàn)場實(shí)踐表明：中硬煤層順煤層定向鉆進(jìn)成孔最大深度達(dá)3 353 m，實(shí)現(xiàn)了礦井大盤區(qū)瓦斯超前治理；碎軟煤層中孔深300 m以上定向鉆孔成孔率達(dá)76%，實(shí)現(xiàn)了煤巷條帶、采煤工作面超前區(qū)域精準(zhǔn)抽采；復(fù)雜頂板巖層中定向鉆孔深度普遍達(dá)到500 m以上，推動(dòng)實(shí)現(xiàn)了“以孔代巷”技術(shù)發(fā)展。