祁东煤矿近距离煤层群瓦斯治理顶板拦截定向钻孔试验

张朝举， 方俊， 杨亚黎， 王鲜， 杨小继

(1.恒源煤电集团有限公司祁东煤矿，安徽 宿州 234000；2.中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

0 引言

近距离煤层群广泛分布于我国两淮、贵州六盘水、山西大同、河南平顶山等矿区，其赋存地层条件复杂、瓦斯来源多、范围广，瓦斯抽采治理和煤层开采难度大[1]。

针对近距离煤层群瓦斯治理问题，许多学者开展了大量研究。李家卓等[2]研究了近距离煤层气开采时上赋岩层破坏及裂隙发育变化规律。程志恒等[3]提出地面井与井下钻孔相结合的井上下联合防突技术体系。丁勇等[4]分析了二次卸压瓦斯运移与富集区分布规律。薛彦平[5]提出了顺层预抽+高抽巷+采空区埋管的治理方法。邓成均[6]提出了穿层钻孔+顺层钻孔+高抽巷+反井钻孔的立体抽采方法。刘雪莉等[7]提出了弱突出煤层保护层开采与钻孔立体抽采上下递进保护的治理方法。以上理论技术在不同矿井取得了良好应用效果，但均需要联合使用地面井、井下岩石巷道、井下常规孔等多种手段，瓦斯治理工程量大、成本高、周期长。

安徽恒源煤电股份有限公司祁东煤矿为皖北煤电集团下属的煤与瓦斯突出矿井，其94采区近距离煤层群发育，采区内煤层数量多、赋存不稳定、间距小、煤体结构松软易碎、瓦斯含量高、瓦斯压力大、断层等地质构造发育，采用底抽巷+穿层钻孔+顺层钻孔的方式进行瓦斯治理，未取得理想效果[8]。针对祁东煤矿94采区近距离煤层群瓦斯治理需要，提出采用顶板拦截定向钻孔进行瓦斯治理的方法。首先在开采煤层顶板施工带有多个上向分支孔的顶板拦截定向钻孔，然后利用上向分支孔提前对上邻近煤层瓦斯进行预抽，最后利用主孔在煤层回采过程中对上邻近煤层卸压瓦斯和开采煤层回采工作面及采空区瓦斯进行抽采, 解决了瓦斯赋存参数测量、复杂破碎地层定向成孔与护孔等难题。

1 顶板拦截定向钻孔抽采瓦斯方法

1.1 方法原理

近距离煤层群开采过程中，邻近层卸压瓦斯易沿穿层裂隙涌入回采工作面或采空区，可能导致回采工作面或采空区瓦斯超限、管理困难，存在重大安全隐患。

顶板拦截定向钻孔是在开采煤层顶板施工定向钻孔，既可利用上向分支孔提前对上部煤层瓦斯进行预抽，又可利用主孔在煤层回采过程中拦截抽采上邻近煤层卸压瓦斯，还可作为开采层的顶板高位钻孔抽采回采工作面和采空区瓦斯[9-10]，提高近距离煤层群瓦斯治理效果。

顶板拦截定向钻孔抽采瓦斯原理如图1所示，在待采煤层上部顶板岩层中施工定向钻孔，并尽可能将钻孔高度布置于待采煤层顶板裂隙带内，钻孔走向沿待采煤层工作面延伸，并间隔一定距离施工分支钻孔进入上邻近煤层中，钻孔成孔后在孔内下入筛管护孔并在孔口连接瓦斯抽采管路。煤层回采前，利用进入煤层的分支钻孔进行瓦斯预抽，提前降低临近煤层瓦斯含量，减少后期采动卸压瓦斯涌出量；待采煤层开始回采后，顶板岩层破坏形成穿层裂隙，同时上邻近煤层卸压后透气性增加、瓦斯快速解吸释放，此时利用顶板拦截定向钻孔既可拦截抽采上邻近煤层卸压瓦斯，防止其通过穿层裂隙涌入回采工作面或采空区，又可抽采回采工作面和采空区内瓦斯，从而解决近距离煤层群卸压瓦斯抽采问题。

图1 顶板拦截定向钻孔抽采瓦斯技术原理

1.2 工艺流程

顶板拦截定向钻孔施工时，先采用回转钻进施工孔口套管段，目的是固定孔口管以封固孔口不稳定地层、提供瓦斯抽采管路连接接口。套管孔段长度一般为9～12 m，施工时先钻进小直径先导孔，再采用回转扩孔钻进扩大孔径，以满足孔口管下放要求，注浆固管合格后即可施工定向孔段。定向孔段采用前进式开分支定向钻进工艺施工，按照设计要求间隔一定距离施工分支孔使其进入上邻近煤层。首先根据需要进行保压密闭取芯，测定煤层瓦斯含量；然后退钻至预留分支点处，侧钻分支回到主孔中继续沿设计轨迹钻进，直至达到设计深度；最后退出孔内所有定向钻具，下入护孔筛管，连接抽采管路进行瓦斯抽采。施工工艺流程如图2所示。

图2 顶板拦截定向钻孔施工工艺流程

1.3 技术难点

顶板拦截定向钻孔设计与施工是实现近距离煤层群瓦斯抽采治理的基础与关键，其主要技术难点如下：

(1)煤层瓦斯参数和赋存情况是进行定向钻孔设计的基础，而近距离煤层群经常出现邻近煤层厚度薄、煤体碎软、赋存不稳定等情况，常规的钻屑取样、套管取样、绳索取芯、负压气动取样等方法无法准确测定煤层瓦斯含量，获取煤层赋存参数，导致定向钻孔设计缺乏依据，且难以确保沿目标地层延伸。

(2)近距离煤层群受形成过程中遭遇的多期次地质构造作用，煤层之间的地层一般机械强度低、结构劣化，易坍塌破坏，钻进安全风险大，成孔深度受限。

(3)定向钻孔瓦斯拦截抽采功能主要通过采前预抽和采动卸压抽采实现，其在目标地层中的延伸距离长，预抽阶段抽采时间长；近距离煤层开采时，受采动影响，地层变形破坏量大，钻孔孔壁易坍塌堵塞抽采通道，导致定向钻孔报废失效。

2 顶板拦截定向钻孔施工关键技术

根据顶板拦截定向钻孔设计与施工难题，研究采用定向钻孔煤层探查与保压密闭取芯技术、复合定向钻进与复合排渣技术、钢筛管完孔技术，实现近距离煤层群中顶板拦截定向钻孔高效成孔和长距离精准瓦斯测定。

2.1 定向钻孔煤层探查与保压密闭取芯技术

采用定向钻孔进行煤层探查与保压密闭取芯的技术原理：采用前进式开分支技术，通过施工多个上向分支孔获取煤层的变化情况；在探煤后的上向分支孔内，利用保压密闭取芯装置(图3)进行煤样采取，减少煤层瓦斯逸出量，保证采样质量，实现单孔多次定点取样[11]。

图3 保压密闭取芯装置

定向钻孔煤层探查工艺流程：钻孔施工过程中，每隔一定距离(50 m左右)，人为控制钻孔轨迹，增大钻孔倾角，使钻孔向上靠近上邻近煤层，根据探查到煤层时的钻孔轨迹坐标，计算出煤层倾角；后退一定距离，从岩层孔段侧钻出分支孔，保持与上邻近煤层的距离并向前钻进延伸。

采用定向钻孔进行保压密闭取芯的工艺流程：当上向分支孔进入煤层后，将钻孔冲洗干净，退出定向钻具，下入保压密闭取样钻具，下钻至孔底后开启泥浆泵，保持排量≤100 L/min，以50～80 r/min、0.2～0.3 m/min的速度回转钻进，钻进1.2～1.5 m后停止，向钻具内投入特制橡胶球，再开启泥浆泵，以200 L/min以上排量向钻具内供水至泥浆泵压力突然明显增大，说明密闭取芯装置已剪断煤样并将其密封在取样内筒中，随后快速退出取样钻具，取出取样内筒进行气密性测试，合格后即可按常规流程测试煤层瓦斯含量。

利用定向钻孔进行煤层探查和瓦斯测试，充分发挥了定向钻孔轨迹控制精度高、延伸距离长、多分支的技术优势，可准确获取区域煤层赋存变化情况，并可有效提高取样距离、取样成功率和煤层瓦斯含量测试准确度。

2.2 复合定向钻进与复合排渣技术

复杂破碎地层钻进产生的钻渣数量巨大，现有滑动定向钻进工艺施工时钻杆不转动，且钻具多为外平结构，仅依靠冲洗液动力进行排渣，其排渣效率低，极易发生沉渣卡钻事故。同时，顶板拦截定向钻孔为近水平布置，钻孔排渣方向与钻渣重力方向不一致，加大了钻孔排渣难度。

针对顶板拦截定向钻孔钻渣清除难题，采用复合定向钻进与复合排渣技术提高排渣效率[12-13]。复合定向钻进技术采用“滑动造斜+复合稳斜”的钻进模式，当实钻轨迹与设计轨迹偏离较大时，钻机不回转，孔内造斜钻具滑动定向钻进进行轨迹纠偏，使其回到可控范围内；当实钻轨迹与设计轨迹偏离不大时，利用钻机低速回转，使孔内造斜钻具处于稳斜状态，保持钻孔向前稳定施工。

复合排渣技术原理如图4所示，利用螺旋、三棱、三棱螺旋等异形结构钻具回转机械排渣和冲洗液水力循环排渣协同作用，提高排渣效果[9-11]。施工过程中，当采用滑动定向钻进纠偏时，钻具不旋转，此时仅冲孔液正循环进行排渣，回次钻进结束后，旋转钻具进行复合排渣，高效清除孔内沉渣；当采用复合钻进时，钻具处于不断旋转状态，钻进过程中冲洗液循环排渣的同时，钻具旋转搅动，实现复合排渣。此外，异形钻具旋转过程中可二次破碎大颗粒钻渣，降低钻渣颗粒粒径，且有利于维持不稳定地层段孔壁稳定性，降低泥岩缩径抱钻风险。

2.3 钢筛管完孔技术

采用筛管完孔技术可确保钻孔作为瓦斯抽采通道长期保持。现有筛管完孔技术主要应用于常规钻孔，其筛管下入直径小、距离短，而定向钻孔深度大、多分支，筛管下入阻力大，且易下入分支孔内。针对定向钻孔筛管完孔难题，为避免顶板采动卸压作用切断筛管，选用钢筛管(图5)进行完孔；为提高瓦斯抽采通道面积，钢筛管直径设计为73 mm；为避免筛管下入分支孔，开发了专用筛管导向头，通过前端引导，确保沿主孔下入至孔底；利用钻机提供下管动力，降低下管劳动强度，实现“钻到位、管到底”。

(a)钢筛管

3 现场试验

3.1 试验区概况

祁东煤矿94采区位于井田西部，为矿井规划的下一个采区，其面积约为2.66 km2。采区地层平均倾角约为14°，含煤层9层，其中主要可采煤层有61，71，82，9，部分不可采煤层在采区内赋存不稳定，煤层厚度与间距见表1。经测定61，71，82，9煤层最大瓦斯压力分别为2.71，2.90，2.82，3.30 MPa，对应最大瓦斯含量分别为12.67，12.21，14.75，11.5 m3/t。

表1 94采区煤层厚度与煤层间距

现场试验选定在63煤层与71煤层之间施工顶板拦截定向钻孔。63煤层厚度为0～1.61 m，平均厚度为0.94 m，在采区部分区域内缺失，属极不稳定煤层；71煤层厚度为0.96～2.32 m，平均厚度为1.90 m，坚固性系数f=0.30～0.52，煤层厚度变化较大，煤层结构复杂；71煤层上距63煤层16.13～28.85 m，平均为19.95 m，71煤层基本顶为浅灰色-灰白色细粒石英砂岩，石英为主，次为长石，断续波状层理，分选中等，泥、硅质胶结，中下部楔形层理、斜层理，含菱铁质结核，底部可见泥质包体。

3.2 钻孔设计

设计71煤层顶板拦截定向钻孔1个，钻孔自63煤层底板开孔后沿63煤层以下2～3 m的底板岩层延伸，设计主孔长度≥600 m，分支孔数≥5个，分支孔进入63煤层后停止钻进，设计利用分支孔进行2次定点保压密闭取芯，钻孔完成后下入φ73 mm钢筛管完孔。顶板拦截定向钻孔主要设计参数见表2。

表2 71煤层顶板拦截定向钻孔主要设计参数

3.3 试验装备组成

针对顶板拦截定向钻孔施工需要，选用ZDY6000LD(B)型煤矿用坑道钻机进行钻进，该钻机具有低转速、大转矩、工艺适应性强、工作效率高等优点，适合进行大直径近水平定向深孔钻进[14]。选用BLY390/12型全液压泥浆泵车提供高压冲洗液，其额定输出压力为12 MPa，可实现泵量0～390 L/min无级调节[15]。同时，配套选用了矿用有线随钻测量系统、液动螺杆马达、保压密闭取芯装置和护孔钢筛管等[16]。试验主要装备见表3。

表3 试验主要装备

3.4 钻孔施工

71煤层顶板拦截定向钻孔自开始钻进至下入护孔筛管后完孔，历时15 d，完成钻孔1个，主孔深度为608 m，施工分支孔6个，钻孔总进尺为948 m，完成定点保压密闭取芯2次，最大取芯深度为484 m，下入护孔筛管为485 m，钻孔各项指标均达到设计要求。钻孔实钻轨迹如图6所示。

图6 71煤层顶板拦截定向钻孔实钻轨迹

3.5 试验效果分析

3.5.1 钻进效果分析

顶板拦截定向钻孔施工时，孔口返渣量大，在孔深404 m和588 m处发生2次塌孔卡钻事故，均采用震击解卡和高速旋转复合排渣的方式成功解卡，说明复合定向钻进与复合排渣技术改善了孔内清洁程度，对于预防和处理孔内事故具有积极作用。钻孔成孔后，利用筛管完孔钻具，顺利下入筛管485 m，有效保障了钻孔稳定性和后期瓦斯抽采效果。

3.5.2 煤层探查与瓦斯含量测试效果

试验区域整体未开发，现场试验中利用施工的6个分支孔查清了71煤层上邻近煤层63煤层、62煤层的赋存情况，如图6所示，为后期钻孔轨迹设计提供了依据。

经测定瓦斯含量为9.26 m3/t，为瓦斯抽采效果分析评价提供了参考。

3.5.3 瓦斯抽采效果

钻孔施工完成后，利用71煤层顶板拦截定向钻孔对邻近的63煤层、62煤层及煤线的瓦斯进行预抽，抽采时间共207 d，抽采数据如图7所示，初始瓦斯抽采纯量达到0.35 m3/min，抽采30 d后瓦斯抽采纯量逐渐下降至0.1 m3/min以下，抽采65 d后虽然局部有波动，但瓦斯抽采纯量整体稳定在0.05 m3/min左右。

图7 71煤层顶板拦截定向钻孔瓦斯抽采情况

试验结果表明，顶板拦截定向钻孔可有效预抽邻近煤层瓦斯，提前降低煤层瓦斯含量，从源头上减少后期工作面回采时的采动卸压瓦斯涌出量，对避免工作面回采时瓦斯超限具有重要作用。

现场试验充分验证了顶板拦截定向钻孔的成孔效果，为近距离煤层群瓦斯抽采治理提供了基础条件。为进一步提高瓦斯抽采效果，应结合后期煤层回采时采动卸压瓦斯抽采情况，综合分析定向钻孔抽采效果，调整钻孔布置位置，实现高效拦截抽采；应考虑地层整体含水，优化钻孔设计，尽量采用上仰结构，避免钻孔积水导致抽采不畅；缩短分支孔间距，增加邻近煤层中的延伸长度，提高瓦斯预抽效果。

4 结论

(1)针对近距离煤层群地层条件复杂、瓦斯来源多、范围广的问题，提出采用顶板拦截定向钻孔进行瓦斯抽采治理的方法，利用定向主孔及其分支孔，从采前预抽和采动卸压抽采2个方面，提高了近距离煤层群瓦斯抽采效果。

(2)试验形成了适用于顶板拦截定向钻孔施工的技术装备，实现了顶板拦截定向钻孔精准高效成孔、可靠护孔和长距离定点保压密闭取芯，为近距离煤层群的煤层赋存情况探测、瓦斯参数获取、瓦斯预抽和采动卸压拦截抽采提供了方法。

(3)在祁东煤矿94采区近距离煤层群中完成顶板拦截定向钻孔1个，查明了上邻近煤层的赋存情况和瓦斯含量，并对上邻近煤层瓦斯进行了预抽，初始瓦斯抽采纯量达到0.35 m3/min，抽采30 d后逐渐下降至0.1 m3/min以下，抽采65 d后稳定在0.05 m3/min左右，有效降低了上邻近煤层瓦斯含量，为祁东煤矿94采区煤层开采提供了技术保障。

(4)为进一步提高顶板拦截定向钻孔的瓦斯抽采效果，可缩短分支孔间距，增加分支孔在邻近煤层中的延伸长度；在邻近煤层赋存条件稳定的情况下，尝试分支孔沿煤层进行定向钻进。