定向钻进技术在煤与瓦斯突出矿井中的试验研究

张建国，陶云奇，李喜员，张 帆，高建成

(1.炼焦煤资源开发及综合利用国家重点实验室，河南 平顶山 467000；2.河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191；3.郑州慧矿智能科技有限公司，河南 郑州 451484)

平顶山天安煤业股份有限公司十一矿(以下简称“平煤股份十一矿”)为煤与瓦斯突出矿井，常规采用底板岩石巷+穿层钻孔预抽煤层瓦斯，虽然该措施能够实现煤层消突，但存在治理成本高、钻孔工程量大、钻孔利用率低、施工时间长等缺陷[1-6]。为探索高效的区域瓦斯治理新模式，平煤股份十一矿积极采用定向钻进技术开展以孔代巷现场工业性试验[7]，实施区域预测和区域防突措施进行区域消突。定向钻进技术通常用于瓦斯防治[8-12]、防治水[13-15]、地质探测[16-17]、通风除尘[18]等领域，诸多专家学者对该技术开展了大量的研究工作，并取得显著成果。孙四清等[19]提出了定向钻孔煤层瓦斯含量测试密闭取心方法，采用研制的密闭取心装置进行了现场试验；周加佳[20]分析了煤层气井间接压裂适应性、压裂裂缝扩展规律；李泉新[21]采用复合定向与排渣技术在碎软煤层施工了定向钻孔，覆盖了工作面和待掘巷道设计区域；石智军等[22]分析了煤矿井下定向钻进技术在煤矿安全领域的优势；郑凯歌[23]在碎软煤层底板施工了梳状定向长钻孔，开展了分段水力压裂现场试验，增透效果显著。

鉴于上述分析，平煤十一矿以己16-17-24070、己16-17-24090工作面为试验地点，开展定向钻机以孔代巷区域瓦斯治理技术研究，积极采用以孔代巷技术探查煤层、瓦斯赋存特征，以期为掌握煤层赋存、瓦斯参数提供可靠的技术支撑和参数依据，形成平煤股份十一矿新的瓦斯治理模式。

1 定向钻机施工方案

1.1 试验区工作面概况

己16-17-24070、己16-17-24090工作面位于二水平己四采区东翼(图1)，主采己16-17煤层，煤层结构较简单，该煤层位于山西组下部，上距二2煤15.42 m，下距L7灰岩10.84 m，煤厚1.2～6.4 m，平均厚5.8 m，属较稳定型基本全区可采的厚煤层，局部含矸1～3层，岩性为泥岩或炭质泥岩。己16-17煤层的直接顶板为深灰色砂质泥岩和泥岩，有时相变为砂岩和粉砂岩；直接底板为黑色泥岩和砂质泥岩，有时相变为粉砂岩，局部出现炭质泥岩伪顶和伪底、黄铁矿岩层，岩性特征见表1。

图1 己16-17-24070、己16-17-24090工作面位置示意

表1 己16-17-24070工作面煤层顶、底板岩性特征

1.2 定向钻进施工装备

为了更好地开展定向钻孔现场试验，前期采用目前装备水平最高的VLD-1000型千米定向钻机(图2)及其配套设备进行施工。钻机长3 850 mm、宽2 200 mm、高1 750 mm，电机输出功率为90 kW，额定电流为98 A/57 A。

图2 VLD-1000型千米定向钻机

后期定向钻孔施工装备更换为ZYWL-6000DS型煤矿用双履带式全液压定向钻机(图3)和ZYWL-13000DS型与钻机配套的泥浆泵。钻机主车长3 700 mm、宽1 450 mm、高2 100 mm，额定输出转速为0～210 r/min，电动机功率为75 kW，动力头/泥浆泵马达参数为A6V160/A6V107。

图3 ZYWL-6000DS型煤矿用双履带式全液压定向钻机

1.3 定向钻孔施工设计方案

1.3.1 沿煤层走向定向钻孔施工设计

依据定向钻孔施工地点及其施工孔长，沿煤层走向方向第1单元定向钻孔钻场位于己16-17-22221工作面切眼底板巷，分别命名为1号钻场、2号钻场。1-1钻孔(图4)设计孔深528 m，施工地点为己16-17-22220切眼下口，主孔布置在煤层顶板5～6 m的砂质泥岩层；1-2钻孔(图5)设计孔深201 m，施工地点位于己16-17-22220切眼下口，该孔呈伪倾斜布置。

图4 1-1定向钻孔设计示意

图5 1-2定向钻孔设计示意

1.3.2 沿煤层倾向定向钻孔施工设计

前期采用VLD-1000型千米定向钻机沿煤层走向钻进非常困难，然后将试验区域改为己16-17-24070工作面及其运输巷外帮30 m，定向钻孔施工装备更换为ZYWL-6000DS型煤矿用双履带式全液压定向钻机及ZYWL-13000DS型与钻机配套的泥浆泵。

通过在己16-17-24050工作面运输巷向己16-17-24070工作面施工梳状定向分支孔，在运输巷煤层中对拟施工的定向钻孔开孔，开孔位置距煤层顶板下方0.5 m处的煤层中。主孔沿煤层倾向从煤层中穿层至煤层顶板砂质泥岩中，分支孔由煤层顶板穿入煤层，施工至目标区域时，降低钻孔施工至目标位置取煤样，同孔分支孔间距200 m，邻孔分支孔垂直间距和水平间距均为100 m(图6)。

图6 沿煤层倾向定向钻孔设计示意

2 定向钻孔钻进效果及分析

2.1 沿煤层走向定向钻孔钻进效果及分析

1-1定向钻孔共施工14个定向分支孔(图7(a))，累计施工进尺1 281 m，最深定向钻进孔深为417 m。1-2定向钻孔共计开设7个分支，累计钻孔进尺为501 m，最深定向钻进孔深为183 m。打钻期间的返渣情况表明，由于定向钻孔需沿着稳定岩层钻进，但是煤层顶板的泥岩、砂质泥岩层位沿走向赋存不稳定，岩性在砂质泥岩、泥岩、砂岩之间相变，导致定向钻进非常困难，经常出现垮孔、卡钻，无法按照设计进入煤层，只能后退开分支继续钻进。定向钻孔实钻轨迹表明，定向钻孔在煤层顶板中施工难度非常大，顶板破碎、岩性变化大、埋深大、应力大，容易产生塌孔、卡钻等不利状况，施工过程非常曲折。通过沿煤层走向施工定向钻孔可知，定向主孔布置在煤层顶板约3 m的砂质泥岩、砂岩层，易于钻进，成孔率高；同下行孔相比，上行孔易于返水、返渣、取样成功率高。

图7 1-1定向钻孔实钻轨迹平、剖面

2.2 沿煤层倾向定向钻孔钻进效果及分析

2号钻场1号孔采用ZYWL-6000DS型煤矿用双履带式全液压定向钻机及配套泥浆泵施工了3个定向分支孔：2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔。定向钻孔实钻轨迹平、剖面如图8所示，定向钻孔总进尺为681 m，其中岩孔段598.7 m、煤孔段82.3 m，煤层厚度为5.8～6.0 m。

图8 2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔实钻轨迹

2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔实钻工程参数见表2，共取煤样成功3次，经过测试得出2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔3次取样点采集的煤样瓦斯含量分别为3.98、4.02、4.15 m3/t，该钻孔测得的瓦斯压力为0.18 MPa，均低于河南省规定的“双6”指标。

表2 2-1主孔、2-1-1分支孔、2-1-2分支孔实钻工程参数统计

2.3 定向钻孔现场钻进效果差异化分析

通过对比前期、后期的定向钻孔钻进效果，得出定向钻进差异化的主要原因如下。

(1)己16-17煤层地质条件复杂，不同岩性岩层、煤层和岩层的交界处及黄铁矿岩层极易出现塌孔、卡钻；岩层赋存状态不稳定，部分区域的岩性变化较大，导致沿煤层走向钻进困难，无法按照设计完成定向钻孔的钻进。

(2)己16-17煤层埋深大，顶板压力大，钻孔容易塌孔、缩孔，给定向钻进带来巨大困难。

(3)顶板中泥岩遇水膨胀，时间稍长容易发生卡钻、抱钻。

(4)ZYWL-6000DS型煤矿用双履带式全液压定向钻机和ZYWL-13000DS型钻机配套的泥浆泵施工定向钻孔的过程中，水压大、动力足，有利于返渣。

(5)无论定向钻孔主孔布置在煤层顶板还是底板，钻进下行孔时均会在孔内最低处存在积水、堆积岩(煤)渣。在高地应力下，下行孔的塌孔、钻孔变形程度远比上行孔严重。

(6)钻孔倾角、方位角变化平缓，钻孔内部的阻力相对比较小，有利于排渣、取样。

2.4 效益分析

己16-17-24070工作面区域瓦斯治理任务，按照常规的区域瓦斯治理措施，共需资金约5 819.8万元，而按照以孔代巷区域瓦斯治理技术措施，预计需资金约2 860万元，节约瓦斯治理费用2 959.8万元，预计可提前8个月准备出工作面组织煤炭生产，提前采出煤炭约120万t，经济效益显著。

定向钻机以孔代巷区域瓦斯治理技术的实施，开辟了煤矿井下区域瓦斯治理新途径，缩短了瓦斯治理工期，减少了人员和财物的投入，化解了矿井采掘接替困难，有利于促进煤炭行业的科技进步，提高矿井科技创新水平，为平顶山矿区开辟了区域瓦斯治理的新模式。

3 结论

(1)平煤股份十一矿前期采用VLD-1000型千米定向钻机，在己16-17煤层顶板沿走向施工梳状定向分支孔，1-1定向钻孔施工1 281 m，最深钻至417 m，由于煤层顶板岩性赋存不稳定，顶板破碎，应力大，导致钻孔垮孔、卡钻，钻进过程非常困难。

(2)十一矿后期采用ZYWL-6000DS型煤矿用双履带式全液压定向钻机和ZYWL-13000DS型钻机配套的泥浆泵，沿煤层倾向施工顶板定向梳状分支孔，2-1定向钻孔在不同位置成功取到3次煤样，测得原始最大瓦斯含量4.15 m3/t，最大瓦斯压力0.18 MPa。

(3)己16-17煤层埋深大、应力大，定向钻孔沿煤层走向钻进出现塌孔、卡钻，顶板岩层赋存不稳定、顶板破碎，岩性沿煤层走向变化较大，不利于沿煤层走向定向钻进；沿煤层倾向反而适宜采用定向钻进技术施工梳状定向分支孔；定向钻孔在遇到泥岩后容易遇水膨胀，发生抱钻事故。经过现场试验，初步形成了适用于平煤股份十一矿的新的瓦斯治理模式。