复杂岩层底板钻孔施工工艺探索与应用

仵胜利

(陕西黄陵二号煤矿有限公司，陕西 延安 727032)

0 引言

黄陵二号煤矿属高瓦斯矿井，同时又伴有全行业极为罕见的油型气灾害，油型气与煤层瓦斯不同，其储集层是煤层顶底板的砂岩层，赋存状态以游离态为主，揭露后快速逸散。通过2#煤层顶底板泥岩层及深部延长组烃源岩分析和油源对比，初步认为油型气以深部来源为主。煤层下部富县组下部砂岩含气层、瓦窑堡组顶部砂岩含气层，分别距2#煤间距0～23.28 m、2.2～101.67 m。工作面在回采期间，2#煤层下部的3#煤层及其围岩受2#煤层采动影响，致使大量瓦斯(油型气)解吸并向采空区逸散，进而造成采空区瓦斯涌出量大幅增加[1-3]，对工作面的回采造成很大影响，为了消除这一影响，需施工大量的底板钻孔抽采3#煤层及其围岩瓦斯(油型气)，为此，以二号煤矿207工作面为例进行详细说明。

1 工程概况

207工作面位于二盘区的东北部，北至二、四盘区分界，南至北一一号辅运大巷，西部紧邻205工作面采空区，东部紧邻209工作面，工作面可采长度为4 366 m，煤层为一单斜构造，倾向西北，地层倾角0°～1°。

207工作面属于典型的煤、油、气共生工作面，根据工作面顺槽在掘进期间所施工的底板探孔瓦斯及压力情况，得出了207工作面底板瓦斯(油型气)富集区为胶带巷1 686～2 954 m，回风巷1 763～2 600 m，工作面油型气富集区长度达到1 268 m。胶带巷每隔60 m、回风巷每隔50 m施工4～9个底板钻孔，设计底板钻孔总量达到10.6万m。钻孔垂深15 m，钻孔穿过粉砂岩、泥岩、3#煤层。

根据207工作面底板岩性情况(见表1)得知，2#煤层底板岩性复杂，有遇水易膨胀易卡钻的泥岩、多层夹矸容易破碎的3#煤层及粉砂岩，钻孔施工期间经常出现卡钻、夹钻、堵钻等现象，钻孔的施工效率及成孔率极低，严重威胁着工作面的安全回采。

表1 207工作面底板岩性情况

2 复杂岩层底板钻孔施工工艺

为了解决复杂岩层底板钻孔施工过程中存在的问题，在207工作面通过长时间的摸索、实践，形成了以低螺旋钻杆配合外平钻杆、压风排渣除尘技术、孔口湿式除尘技术、底板钻孔护孔技术各类措施综合使用的施工工艺，取得了良好的效果。

2.1 低螺旋钻杆

常规钻孔施工时，普遍采用外平钻杆，因外平钻杆外壳光滑，钻孔施工过程中阻力较低、出渣量小[4-6]。但当孔内泥岩遇水膨胀、3#煤层破碎后，极易造成孔内卡钻、夹钻。

为了解决卡钻、夹钻现象，通过现场多次试验探索，确定了低螺旋钻杆施工底板钻孔。低螺旋钻杆外壳是螺旋状凹槽，在钻孔施工过程中，螺旋钻杆在钻孔中转动，螺旋钻杆和孔壁构成了一个小型输送器，孔底岩渣被钻杆上的螺旋叶片逐步向后输送，直至排出孔外，形成钻头不断破岩，钻杆连续排渣的情况，因此底板钻孔施工为钻头+φ73低螺旋钻杆+φ73外平钻杆，采用φ73低螺旋钻杆穿过泥岩及3#煤层。

2.2 风力排渣施工工艺

传统的排渣工艺是使用旋转阻力小的外平钻杆以水作为冲洗介质，钻杆与孔壁作为运输通道将钻渣排出钻孔，水冷却钻头[7-9]。但由于水的密度大，对煤壁的冲刷力大，在底板钻孔施工过程中水渗入3#煤层裂隙，加速了煤的解体及塌孔现象，且在泥岩段遇水极易膨胀，经常出现塌孔、卡钻、夹钻等现象，降低了钻孔的成孔率。

为了解决底板钻孔水的问题，将冲洗介质由水改为风施工底板钻孔。风力排渣技术是利用压风，将0.8 MPa的压缩空气通过压风管路、高压风管、注水器压入钻杆内部，通过钻头进入钻孔孔底，在孔内形成高速风流，将钻屑悬浮在风流中被吹向孔口，从而实现排渣并冷却钻头。

相较于水力排渣，风力排渣的优点是克服了水力排渣困难、穿不过泥岩层和成孔时间长的问题，对孔壁破坏小，不易产生塌孔，钻头能够轻松的穿过泥岩层，钻屑能够快速排出，钻孔施工完后孔内无积水、积尘，钻孔的抽采效率大幅度提高。因此选用低螺旋钻杆和风力排渣工艺优点相结合，形成了风力螺旋排渣工艺。

2.3 孔口湿式除尘技术

由于风力螺旋排渣工艺在底板钻孔施工过程中粉尘大，且底板钻孔偶有动力现象，为了降低施工过程中的粉尘及钻孔的安全施工，提高现场安全生产环境水平，设计了一种防尘防喷孔装置。孔口湿式除尘技术是在孔口通过防尘防喷孔装置进行降尘的技术，防尘装置采用喷雾引射流形成的负压直接将钻孔中粉尘由集尘器吸入出水出渣管道内通过喷雾头将粉尘沉降管道内壁，而后被水冲出从而达到除尘的目的；钻孔施工期间在应急抽采系统接口处采用3吋软管对接在抽采管路上，当施工过程中孔内甲烷浓度增大或者有动力现象时，开启阀门在钻孔施工过程中进行抽采。采用孔口湿式除尘技术后，风力排渣技术施工的底板钻孔除尘效果达到95%以上。

2.4 护孔技术

底板钻孔施工完后，采用风力排渣施工的底板钻孔均不同程度存在积水现象，分析来源为底板砂岩裂隙水及巷道积水渗入底板，导致底板泥岩层膨胀，钻孔出现收缩、塌孔现象，降低了底板钻孔的抽采效率，因此底板钻孔施工完后，需对钻孔抽采空间进行保护即护孔，提高钻孔的抽采效果。

底板钻孔护孔技术是将单纯封孔管封孔调整为全孔安设钻孔护孔管和封孔管。封孔时先往孔内运送护孔管，每根护孔管长度2 m，采用丝扣连接，护孔管是1.5吋PE管路上施工直径为20 mm的小孔20个，作为抽采通道；当护孔管运送至孔底后，按照正常钻孔封孔流程进行封孔。通过底板钻孔护孔技术，钻孔未出现塌孔现象，底板油型气的抽采效果明显提升。

3 应用实例

根据207工作面回风巷施工底板钻孔参数(表2)及207工作面底板岩性情况，看出钻孔施工需经过细粒砂岩、中粒砂岩、细粒砂岩、泥岩、3#煤层、泥岩、粉砂岩、细粒砂岩等8层，岩性变化复杂，且在3#煤层顶底板位置均有极易遇水膨胀的泥岩。

根据柱状图显示底板泥岩区域及钻孔施工参数计算出所有钻孔泥岩段斜长在19～44 m之间，见表3。

207回风巷底板钻孔采用45 m低螺旋钻孔+127 m外平钻杆，实现钻孔过泥岩段期间全部采用低螺旋钻杆，钻孔在施工过程中孔壁与钻杆之间形成小型输送器，利用压风排渣技术将粉尘从小型输送器中排除，形成了风力螺旋排渣工艺；采用孔口湿式除尘技术将孔内排除的粉尘与除尘器内水雾混合，使粉尘沉降在除尘管的内壁，被水冲出后进行除尘；当钻孔施工完后，采用钻孔护孔技术杜绝了钻孔塌孔现象，使钻孔成孔率达到了100%，确保了207工作面的安全生产。

表2 207回风底板钻孔参数

表3 207回风底板钻孔泥岩段钻孔参数

4 结论

(1)采用风力螺旋排渣工艺底板钻孔，有利于钻孔的排渣效果及钻孔质量，底板钻孔的成孔率得到了100%。

(2)采用孔口湿式除尘技术解决了底板钻孔施工过程中粉尘浓度高的问题，并将孔内的高浓度瓦斯进行抽采，消除了孔内动压现象造成的停机问题，保证了钻孔的安全、高效施工。

(3)采用钻孔护孔技术消除了因水造成的塌孔问题，保证了钻孔的质量，提高了钻孔抽采效果。