强突出碎软煤层定向长钻孔区域瓦斯治理技术研究

赵中玲

（山西煤炭运销集团 阳泉有限公司，山西 阳泉 045000）

0 引 言

近年来，随着定向钻探设备的不断创新，千米定向钻机技术在我国的应用基本成熟，利用定向钻机施工长距离钻孔进行采掘工作面区域瓦斯治理以及防突在许多矿井得到了有效的应用[1-6]，但大都是在煤层顶底板以及坚硬煤层中使用。在进行一系列松软煤层试验后发现，定向钻进新技术的引入和应用在一定程度上提高了塌孔等相关事故的发生率，另外，该技术在长距离定向钻进中成孔率不高。针对碎软煤层钻进过程中容易出现埋钻、卡钻等情形，使得钻进成孔难度明显增大，某些学者通过对钻头、钻杆及施工工艺进行改造，解决了松软煤层钻进难的问题[7-10]，施工的钻孔长度基本上在120 m以内。对于在掘进工作面正前施工长距离定向钻孔、钻孔深度350 m以上、钻孔轨迹始终在煤层中的研究较少。本文针对上社煤矿复杂地质条件下松软破碎低透气性强突出煤层，利用定向钻机能够控制钻进轨迹的特点，对钻机设备和钻机施工工艺进行升级和改造，对掘进工作面施工定向长距离钻孔进行区域瓦斯治理，该技术可以为阳泉矿区突出矿井治理瓦斯以及突出提供一种新的方法。

1 矿井概况

上社煤矿井田位置位于沁水煤田北部边界，井田面积12.38 km2，核定生产能力210万t/a，地质储量14 813.5万t，可采储量8 255.3万t，为煤与瓦斯突出煤层。现开采9号、15号煤层，其中15号煤层为突出煤层。15号煤层埋深为40～620 m，煤层厚度4.35～7.01 m，平均5.67 m，煤层原始瓦斯含量12.97 m3/t，原始瓦斯压力1.21 MPa，瓦斯放散初速度为29.4 mmHg，煤的破坏类型为Ⅲ类，煤层透气性系数为0.351 3 m2/（MPa2·d）。

2 定向钻孔设备

此次采用的是陕西太合智能钻探有限公司生产的ZYL-60000D履带式全液压定向钻机，钻杆使用的是无线高强度三棱螺旋槽钻杆，钻头为反切削塔式钻头，其优势特征主要表现为耐磨性优良，碎岩速度快，钻头保径效果比较理想，并且通水排渣比较顺畅，很少出现的堵塞的情况。随钻测量系统主要由下无磁钻杆、测量探管等组成，该系统和定向钻机、高强度无线三棱螺旋槽钻杆等相关装置配套使用，共同负责水平定向钻进的测量以及控制等工作。详细技术参数如下：

3 现场试验

3.1 试验工作面基本情况

此次定向钻孔施工试验选择井田最南端西部的15202工作面，工作面埋藏深度为625～580 m，为矿井埋深最深处，除与之垂直相交的15号皮带巷已开采外，其他相邻的煤体均处于原始状态。15202工作面共设计布置4条巷道，分别为15202第一进风顺槽、15202第二进风顺槽、15202第一回风顺槽和15202第一回风顺槽，均为待掘巷道。2条进（回）风顺槽之间联络巷间距为20 m。

3.2 钻孔施工情况

从6月4日～9月11日，15202进风顺槽口定向钻孔按设计共开孔5个，施工7个主孔，41个分支孔，钻孔总进尺4 287 m，钻孔日进尺50 m。其中1号钻孔总进尺1 353 m，主孔深351 m，开分支15个；2号钻孔总进尺927 m，2-1号孔主孔深度315 m，2-2号孔主孔深度348 m，开分支孔8个；3号定向钻孔总进尺516 m，主孔深351 m，开分支3个；4号钻孔总进尺975 m，其中4-1号主孔深度354 m，4-2号主孔深度354 m，开分支9个；5号钻孔总进尺516 m，主孔深348 m，开分支6个，钻孔竣工示意如图1所示。

图1 定向钻孔竣工示意Fig.1 Completion drawing of directional drilling

4 钻孔瓦斯抽采效果分析

15202进风顺槽口定向钻孔施工完毕后立即连接抽放管路进行抽采，对15202进风顺槽口钻场内1号、2号（2-1号、2-2号）、3号、4号、5号共5个钻孔瓦斯抽采浓度与钻孔瓦斯抽采纯量数据进行整理，其变化规律如图2～图6所示。

图2 1号定向钻孔瓦斯抽采浓度与抽采纯量Fig.2 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.1 directional borehole

图6 5号定向钻孔瓦斯抽采浓度与抽采纯量Fig.6 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.5 directional borehole

由于受到施工顺序以及钻孔有效抽采长度的影响，5个钻孔的瓦斯抽采浓度和抽采纯量不相同。其中1号钻孔最高瓦斯抽采浓度为57.1%，最高瓦斯抽采纯量为0.594 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.043 9 m3/min；2号钻孔最高瓦斯抽采浓度为86.6%，最高瓦斯抽采纯量为1.997 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.215 4 m3/min；3号钻孔最高瓦斯抽采浓度为90.5%（最早开始施工），最高瓦斯抽采纯量为0.911 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.176 m3/min；4号钻孔最高瓦斯抽采浓度为49.5%，最高瓦斯抽采纯量为0.633 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.065 m3/min；5号钻孔最高瓦斯抽采浓度为63.2%，最高瓦斯抽采纯量为0.445 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.086 m3/min。

抽采90 d后，1号钻孔的瓦斯抽采浓度为55%，瓦斯抽采纯量为0.301 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.022 2 m3/min，降幅49.89%；2号钻孔的瓦斯抽采浓度为63%，瓦斯抽采纯量为0.411 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.044 m3/min，降幅79.57%；3号钻孔的瓦斯抽采浓度为82%，瓦斯抽采纯量为0.511 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.099 m3/min，降幅43.75%；4号钻孔的瓦斯抽采浓度为37%，瓦斯抽采纯量为0.213 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.022 m3/min，降幅66.15%；5号钻孔的瓦斯抽采浓度为15%，瓦斯抽采纯量为0.063 m3/min，百米钻孔瓦斯抽采量为0.012 m3/min，降幅86.04%。5号孔瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量较其他钻孔明显偏低，原因可能是因为在施工5号钻孔时与4-2号钻孔的分支连通，导致5号钻孔瓦斯抽采效果较差。

此前，上社煤矿采用ZDY3000S液压钻机施工本煤层瓦斯预抽时，钻孔长度平均为100 m左右，开始进行预抽时，单孔瓦斯抽采浓度在35%左右，百米钻孔的瓦斯抽采纯量为0.03 m3/min。通过比较发现，定向长钻孔的百米瓦斯抽采量是一般瓦斯抽采钻孔的3.5倍。

图3 2号定向钻孔瓦斯抽采浓度与抽采纯量Fig.3 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.2 directional borehole

图4 3号定向钻孔瓦斯抽采浓度与抽采纯量Fig.4 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.3 directional borehole

图5 4号定向钻孔瓦斯抽采浓度与抽采纯量Fig.5 Gas extraction concentration and extraction purity gauge for No.2 directional borehole

5 结 论

（1）根据煤层瓦斯运移规律、钻孔周围煤体的应力分布规律，建立了定向长钻孔松软破碎煤层瓦斯抽采流固热耦合模型，为钻孔抽采瓦斯数值模拟提供了理论基础。

（2）与普通钻孔相比，长距离钻孔的瓦斯抽采浓度以及瓦斯抽采纯量均有了较大幅度的提高。在定向钻孔深度不断增大、分支钻孔数量日益增多时，长距离钻孔的瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯量有所降低。抽采90 d后，钻孔平均瓦斯抽采浓度稳定在35%左右，平均瓦斯抽采纯量0.29 m3/min，平均百米钻孔瓦斯抽采量为0.039 8 m3/min。

（3）采用定向长距离钻孔后，提高了钻孔百米瓦斯抽采量，降低了工作面瓦斯含量。