负角度定向长钻孔瓦斯抽采完孔工艺研究

任鹏飞

摘要：定向长钻孔预抽煤层瓦斯是实现煤矿瓦斯区域超前治理的有效技术手段，受采掘部署影响，负角度钻孔（下向孔）在生产中应用广泛。中硬煤层成孔性好、通常无需护孔，但针对负角度长钻孔积水问题，现有常规方法均无法有效解决。在抽采前期，采取护孔工艺的负角度定向长钻孔平均瓦斯抽采量为2.09m3/min，未采取护孔工艺的为1.87m3/min，二者差别不大;但护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采量衰减系数是未护孔的61.54%，以抽采400d为例，护孔工艺定向长钻孔瓦斯抽采总量是未护孔的1.40倍。从长期抽采效果来看，在缺乏有效排水措施的前提下，采取护孔工艺能够有效提高负角度定向长钻孔的瓦斯抽采效果。

關键词：负角度;瓦斯抽采;完孔工艺

引言

煤矿瓦斯抽采是防治瓦斯灾害事故、实现瓦斯综合利用的有效措施。定向钻进工艺可跨盘（采）区、4502工作面进行钻孔施工，实现大区域、超长距离、递进式煤层瓦斯精准高效抽采，可大幅增加钻孔抽采范围，解决了高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井瓦斯灾害治理的时空矛盾。同时，受矿井采掘部署影响，负角度钻孔（下向孔）在煤矿生产中有着较为广泛的应用。但下向孔积水可能造成钻孔孔壁失稳变形甚至坍塌，导致孔内瓦斯抽采通道堵塞等问题，将致使钻孔瓦斯抽采量降低，影响瓦斯抽采效果，对于定向长钻孔更是如此，若局部出现塌孔问题，将导致大量钻孔失效，造成瓦斯抽采盲区，严重影响定向长钻孔瓦斯抽采技术的高效性、经济性和实用性。

1负角度定向长钻孔筛管护孔工艺技术

1.1失稳分析

定向长钻孔抽采瓦斯工艺作为防治煤与瓦斯突出灾害事故的重要措施，已被广泛应用，与普通钻孔相比，定向钻孔具有钻孔轨迹精确可控、成孔性较好、钻孔深度大、覆盖范围广、瓦斯抽采效率高等优点。负角度定向长钻孔成孔后造成孔内失稳具有以下特征：

①在突出煤层中，煤层破碎、强度低、黏聚力小、吸附能力强、易膨胀，为塑性围岩，不利于钻孔孔壁的稳定，极易造成钻孔失稳、坍塌。

②积水对煤层可以产生软化、泥化作用，导致钻孔发生体积膨胀、崩解等明显变化;在负角度定向长钻孔中，钻孔孔壁周围的煤体吸附大量的水分，会发生近似整体向内平移的失稳塌孔现象。

③长钻孔失稳塌孔，煤体自身因素起着决定性的作用，但是外部因素的作用也很重要，在煤矿开采过程中，煤巷掘进、临近层开采、爆破等都会造成钻孔失稳变形;此外，附近钻孔施工也是造成其变形的原因，而且，由于煤层具有流变及蠕变特性，时间因素也是考虑钻孔失稳变形的重要因素之一。

1.2筛管护孔工艺

如何解决已形成钻孔坍塌失效成为亟待解决问题。筛管护孔工艺既解决了钻孔缩径、坍塌失效的问题，又不影响瓦斯抽采，有效保证了钻孔抽采瓦斯的可靠性和有效性。在顺层或穿层短距离钻孔中，常规下护孔筛管技术需借助人工助推方式下入护孔筛管，但人工助推能力有限，无法实现远距离或全孔下筛管。随着技术的不断革新与进步，随钻下护孔筛管技术日趋成熟，使用可开闭式钻头利用机械助推方式配合大通孔螺旋钻杆实现远距离下入护孔筛管，其工艺流程为：首先利用定向回转钻进工艺施工定向长钻孔，待达到设计孔深之后，提钻终孔。从钻杆中心利用机械方式下入护孔筛管，下至设计孔深后，退出孔内钻具，护孔筛管留在孔内作为钻孔内瓦斯抽采通道。

1.3不同完孔工艺效果分析

在已成形负角度定向钻孔中，由于打钻积水和地层水的存在，钻孔内存在积水，且对于长距离、大垂深钻孔而言，孔内积水不能被负压抽采和涌出瓦斯有效携带，致使其在钻孔中始终聚积。钻孔揭露的煤体长期浸泡在水中，煤体的含水饱和度增高，煤体颗粒之间充满水，导致表面张力消失，剪切强度减小，煤体强度变低，造成钻孔力学失稳，表现为缩径、掉渣、掉块甚至坍塌。对于中硬煤层而言，含水钻孔的孔壁煤体力学失稳不一定会造成坍塌堵塞。因此，初步分析认为，中硬煤层负角度定向长钻孔积水导致的负压损失、孔壁变形、渣块沉积等使得钻孔有效抽采面积减少，这是造成未护孔条件下瓦斯长期抽采效果差的主要原因。

2不同完孔工艺定向长钻孔设计与施工

2.1未护孔工艺

开孔点位于回风斜井9号煤层揭煤钻场，向1903运输巷道掘进区域实施负角度定向长钻孔，最外侧钻孔终孔点位于巷道轮廓线外15m，共设计7个钻孔，钻孔孔径96mm，设计钻孔沿煤层钻进深度不小于200m，实钻轨迹如图1所示。采用ZDY4000LD定向钻机施工完成7个9号煤定向钻孔施工，钻孔平面间距6m、平均倾角–8°，累计进尺2799m，见煤段总长2467m，最大主孔孔深330m，孔口至孔底落差平均为40m。

2.2护孔工艺

在轨道1号联里程30m处，分别在左右两帮布置钻场，向1903工作面回风巷道掘进区域实施负角度定向长钻孔，最外侧钻孔终孔点位于巷道轮廓线外15m，共设计7个钻孔，钻孔孔径96mm。采用ZDY4000LD定向钻机施工完成7个9号煤定向钻孔，钻孔间距6m、平均倾角–8°，孔口至孔底落差平均为40.3m，累计进尺2886m，见煤段总长2440m，最大主孔孔深363m。为了对比考察，采用钻孔下筛管工艺进行护孔，选用的可开闭式钻头配合大通孔螺旋钻杆下筛管工艺，最大下深可达360m，实钻平面轨迹如图1所示。

结语

负角度定向钻孔长期抽采过程中，钻孔积水引起的负压损失、孔壁变形、渣块沉积等导致的钻孔有效抽采面积减少是造成采取护孔工艺钻孔抽采效果优于未采取钻孔的主要原因。下入护孔筛管后，筛管的支撑作用缓解和防止孔壁的进一步变形，维持钻孔抽采有效截面积，从而保障了负角度定向钻孔长期高效抽采。

参考文献

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