长距离千米定向钻孔煤与瓦斯共采技术研究现状分析

何成亮 谢小平 杨锦 敖富贵 成雁飞 代利红

摘要：煤层群首采工作面回采时，上下邻近层产生卸压作用，卸压瓦斯大量解析，利用定向长钻孔抽采邻近层和本煤层解析出的瓦斯，达到在开采煤层的同时抽采瓦斯资源，实现煤与瓦斯共采。长距离千米定向钻孔具有钻孔孔径大、长度长、瓦斯抽采浓度高、抽采瓦斯时间长的特点，能够有效提高高瓦斯工作面的瓦斯抽出率，还可以超前回采强化抽采瓦斯，消除工作面瓦斯事故隐患、缩短预抽期，有利于缓和采掘接续紧张的矛盾，文章分析了煤与瓦斯共采的理论基础研究和长距离千米定向钻孔瓦斯抽采技术的国内外研究现状。

关键词：长距离;千米定向钻孔;煤与瓦斯共采

引言

高瓦斯矿井瓦斯事故的隐患极大，消除瓦斯事故隐患需要花费较多的时间、空间和费用，同时机械化采掘设备很难发挥效用，煤巷掘进速度通常都难以超过100m/月，回采工作面产量通常难以超过100万t/a。因此，高瓦斯隐患极大地限制了煤矿生产规模、生产效率和经济效益的提高。同时在开采高瓦斯近距离煤层群时，煤层瓦斯含量丰富，采用传统的瓦斯抽采方法不仅瓦斯抽采率不高，而且瓦斯抽采后的利用率低，瓦斯排放到空气中污染大气，浪费资源。

煤层群首采工作面回采时，上下邻近层产生卸压作用，卸压瓦斯大量解析，利用定向长钻孔抽采邻近层和本煤层解析出的瓦斯，达到在开采煤层的同时抽采瓦斯资源，实现煤与瓦斯共采。定向长钻孔具有钻孔孔径大、长度长、瓦斯抽采浓度高、抽采瓦斯时间长的特点，能够有效提高高瓦斯工作面的瓦斯抽出率，还可以超前回采强化抽采瓦斯，消除工作面瓦斯事故隐患、缩短预抽期，有利于缓和采掘接续紧张的矛盾，同时还在于实现了抽采瓦斯工艺技术的变革，即将传统的多点分散式打钻抽采变为集中布孔抽采，使抽采瓦斯的管理更为集中化、科学化，使定向长钻孔抽采瓦斯技术工艺在我国得到广泛推广应用，进一步缩短在抽采瓦斯技术工艺方面同发达国家的差距。

1煤与瓦斯共采的理论基础研究现状

我国含煤地层一般都在成煤后遭受到强烈构造运动，普遍具有低渗透率和高可塑性的特点，形成低透气性的高可塑性结构，使得沿煤层打钻孔困难，煤层采前预抽效果较差，同时也使得地面瓦斯抽采效果较差，严重限制了我国煤矿井下的瓦斯抽采。我国对煤层瓦斯资源的主要采用煤矿井下抽采，利用煤矿井下的开拓掘进和煤层的回采产生的采动影响，增加本煤层和相邻煤层的透气性，将低透气性煤层转变为较高渗透率的煤层，然后通过打钻孔和其它各种有效技术进行煤层瓦斯的抽采。因此，煤层覆岩采动裂隙产生和分布规律及瓦斯在裂隙中的流动规律的研究对我国煤层瓦斯抽采非常重要。

刘天泉院士等对采场上覆岩层移动破断与采动裂隙分布规律提出了“横三区”、“竖三区”的总体认识，即沿工作面推进方向煤层上覆煤岩层将分别经历煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区，在垂直方向上，由下往上岩层移动分为垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带，并经过实践总结得出冒落带、裂隙带高度的经验计算公式。为了掌握煤层回采后采动裂隙动态发育规律，更好地适应煤矿瓦斯抽采实践的需求，钱鸣高院士等于1996年提出了岩层控制的关键层理论，它深入分析研究了煤层回采时，工作面顶底板岩层内部移动的动态过程和岩层采动裂隙分布和演化布规律，有效指导了煤矿瓦斯抽采，成为瓦斯抽采的理论基础。

基于关键层理论，一些学者对覆岩采动裂隙的分布和演化规律开展了深入研究，得出了如下结论：1）岩层移动过程中的离层主要出现在各关键层下，覆岩离层最大发育高度止于覆岩主关键层。2）沿工作面推进方向，关键层下离层动态发育过程呈现两阶段：即关键层（基本顶）初次破断前，随着工作面推进，关键层下方的离层量不断增大，最大离层位于采空区中部。关键层（基本顶）初次破断后，基本顶垮落，垮落的岩石充填在采空区中，采空区中部首先趋于压实，而在采空区四周由于煤柱的支撑仍保持离层状态，在平面上看，在采空区四周形成一沿层面横向连通的离层发育区，称为采动裂隙“O”形圈，随着工作面开采的不断前移，顶板离层裂隙呈“O”形向前发展。3）水与瓦斯主要通过贯通的竖向破断裂隙涌入工作面，这些竖向破断裂隙起到导水、导气的作用，故也称为“导水、导气”裂隙。当工作面推进到一定距离后，“导气”裂隙的分布也同样呈“O”形特征，它是正常回采期间邻近层卸压瓦斯流向采空区的主要通道。

钱鸣高院士、缪协兴教授等提出了煤层开采后上覆岩层中会形成两类裂隙：一类是离层裂隙，是随岩层下沉在层与层间出现的岩层面裂隙，它使煤层产生膨胀变形而使瓦斯卸压，另一类裂隙为竖向裂隙，是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙，它沟通了上、下岩层间瓦斯以及水的通道。

2国内外煤与瓦斯共采應用现状

我国的煤矿瓦斯研究开始于50年代煤矿井下的瓦斯抽放，主要集中在抚顺、阳泉等高瓦斯矿区，抽采出的瓦斯大部分排放到大气中，污染大气的同时浪费了宝贵的资源。60年代到70年代，国内煤矿逐渐认识到瓦斯资源的利用价值，部分矿区抽采的煤矿瓦斯气体逐渐投入民用和小规模的工业利用。70年代末期，一些矿井进行了地面瓦斯抽采试验，将瓦斯资源从煤炭能源中独立出来，作为单独的能源开采，主要集中于抚顺龙凤矿、阳泉矿、焦作中马村矿、湖南里王庙矿，并进行了压裂实验，但是抽采效果不佳。“六五”期间，煤炭、石油以及地质等行业相互合作，通过国家重点科技攻关项目对煤矿瓦斯资源进行区域性评价和基础理论研究。“七五”期间，设立了“我国煤层甲烷的富集条件及资源评价”项目专题，对我国煤层气资源从总体上做出初步认识。1989年，在沈阳首次召开了“开发煤层气研讨会”，会议上对瓦斯的认识有了根本性的改变，由“瓦斯灾害”转变为“优质能源”。“八五”期间，设立了“有利区块煤层吸附气开发研究”国家科技攻关项目专题。此后，煤层瓦斯的研究重点转移到抽采工艺上。1992年和1993年，我国的“中国煤层气资源开发”项目和“中国深层煤层气勘探”项目得到联合国全球环境基金资助，推动了中国煤层气的勘探开发的发展。1996年以后，科技攻关项目“煤层气选区评价与配套工艺技术”和“新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究”等一批有影响的国家级研究项目和规划相继完成，对矿井瓦斯的抽采逐步深入。到目前为止，全国范围内的煤层瓦斯资源的分布、储存特征取得了基础性认识，圈定了煤层瓦斯资源开发的有利地区。但是由于我国的煤层瓦斯普遍具有瓦斯压力低，渗透率低等特点，采用地面抽采瓦斯的方法不能很好解决井下瓦斯问题。现阶段，瓦斯资源的开发利用逐渐由地面煤层气开发转向井下瓦斯抽采，并形成了一套完整的井下瓦斯抽采体系。

钱鸣高院士首次提出了“煤矿绿色开采”的概念，煤与瓦斯共采技术是绿色开采的重要组成部分之一，其研究内容和发展方向具有重要的理论意义和现实意义。

美国以地面钻孔瓦斯抽采（煤层气开发）为主，1981年开始从事煤层气商业化开采，1989年取得突破性进展，1991年产量超过90亿m3，1994年达到215 亿m3，其中，在未开采矿区抽出180亿m3，占总产量的83.7%，12个生产矿井抽出35亿m3。目前美国年抽出瓦斯量已接近400亿m3，巨大的瓦斯抽采量已成为美国一个重要的能源开发产业。美国12座矿井从事煤层气工业化开采，大大减少了矿井通风费用，改善了生产安全条件，从根本上防止了瓦斯灾害事故的发生，并向市场销售了大量的高质量气体，产生了显著的社会经济效益。

英国生产矿井的瓦斯抽采率达到45%以上，抽出的瓦斯全部被利用。英国在废弃矿井瓦斯抽采方面也取得成功，抽采废弃矿井的瓦斯用于发电，获取了新的洁净能源，同时减少废弃矿井瓦斯向大气泄露，减少了对环境的污染。

澳大利亚也是世界上主要产煤国之一，他们对瓦斯抽采也极为重视。澳大利亚立法规定，煤层瓦斯含量高于10m3/t时必须进行抽采，只有当瓦斯含量低于10 m3/t时方可在足够供风条件下布置采掘工程。澳大利亚BHP公司在鲍恩和悉尼盆地实施的煤层气开发计划中，在鲍恩盆地北部的布罗德梅多地区试验过未开采区地面钻孔煤层气开发，但由于煤层渗透性差、水力压裂成本高、效率低，使开发在经济上成为不可行，因此澳大利亚目前主要还是在煤矿井下抽瓦斯。澳大利亚悉尼和鲍恩煤田广泛采用井下水平钻孔和斜交钻孔抽采瓦斯，使煤层瓦斯含量降低到3～5 m3/t以下，基本上消灭了瓦斯灾害事故，抽出的瓦斯广泛应用于发电，也取得了显著的社会经济效益。

前苏联是世界上煤层气资源量最丰富的国家之一，前苏联抽采瓦斯仅为解决煤矿瓦斯安全问题，没能够有效利用煤矿瓦斯资源。前苏联的瓦斯抽采量在1985就超过了21亿m3，有效控制了煤矿瓦斯事故。加拿大煤层气资源量含量丰富，占世界第二位，其瓦斯的抽采主要是地下抽采，地面钻孔抽采瓦斯仍处于勘探试验阶段，据预测，随着瓦斯抽采技术的提高和对瓦斯资源的重视，加拿大煤层气工业化开发的进程将会加快发展。波兰煤层瓦斯主要赋存在下西里西亚、上西里西亚和芦布林盆地矿区，目前近上西里西亚18座煤矿井下年抽采瓦斯量就达到9.12亿m3，年利用瓦斯量2.82亿m3，有效治理了煤矿瓦斯灾害。

3长距离千米定向钻孔瓦斯抽采研究现状

在国外水平定向钻孔抽采瓦斯技术已经比较成熟。早期定向钻孔应用于石油钻采和地质勘探，至今已有六、七十年的历史，在几代科研和工程技术人员的共同努力下，已经取得了丰硕的科研成果，形成了比较完善的理论和与之配套的系列测量和控制装备。

在国外，水平长钻孔抽采瓦斯的试验起步较早，技术较为先进。英国从五十年代后期开始研制钻进水平长距离钻机设备及钻具，并成功在煤层中钻进出137m长的水平钻孔，但仅研究分析了在钻进过程中钻头位置的改变对钻进轨迹的影响。前苏联是最早利用顶板水平长钻孔抽采采空区的瓦斯的国家，在工作面回风巷向煤层顶板掘上山斜巷，当达设计层位后，在斜巷末端平行煤层迎工作面推进方向钻进水平岩石钻孔，成孔孔径在Φ90mm～100mm之间，钻孔最大长度为150m。德国最先采用三翼导向钻头钻进煤层钻孔，在鲁尔矿区一个仅厚0.75m的薄煤层中，打了4个成孔长度在200m以上的水平定向长钻孔。日本太平洋矿为抽采邻近层瓦斯，在迎工作面推进方向钻进了3个长度在1000m以上的特长水平岩石钻孔，单孔瓦斯抽采量在0.034～0.05m3/s之间，抽采瓦斯浓度均在40%以上。美国水平长钻孔抽采瓦斯的技术较为成熟，在七十年代初就已经开始在煤矿井下大规模利用水平长钻孔抽采瓦斯，如美国矿业局匹兹堡煤层钻井7个长度为152～259m的煤矿井下水平钻孔，平均单孔抽采瓦斯量为0.024m3/s，在抽采的5年多的时间里共抽采了25.9Mm3的瓦斯;在1973年美国矿业局又在匹兹堡煤层钻进了5个水平长钻孔，最长成孔长度在700m以上，在抽采期间共抽出24.4Mm3的瓦斯;随后美国研制成功了孔底动力马达钻机和定向监测设备（DDM），孔底动力马达主要配备迪纳钻具或耐维钻具，这些先进装备的研制成功使美国在煤矿井下水平钻进技术跃居世界领先地位，据有关文献报道，美国煤矿井下最长水平定向钻孔为1432.56m。煤矿井下水平长钻孔在美国的应用取得了显著的效果，抽出了大量的煤层瓦斯资源，有效在降低了回采工作面的瓦斯涌出量，保证了工作面安全高效生产，工作面回采時瓦斯涌出量降低了70%以上。从美国井下水平长钻孔抽采瓦斯的研究和应用成果可以看出：井下水平长钻孔预抽煤层瓦斯能够起到显著的瓦斯治理效果，但其大规模推广应用取决于煤层透气性、钻机设备、合理的钻进参数和精确定向技术等因数。

我国在井下水平定向长钻孔抽采瓦斯技术要晚于国外，在国家“八五”科技攻关时，煤炭科学研究总院抚顺分院使用由美国引进的“Coal Master”600m强力钻机在铁法矿务局晓南矿进行井下煤层顶板岩石水平定向长钻孔抽采瓦斯的试验研究，在煤层顶板迎工作面推进方向钻进34个钻孔，累计成孔长度达到5192.23m，共抽采瓦斯14个月，累计抽采纯瓦斯量3.1022Mm3，工作面的瓦斯抽采率达36.6%，邻近层瓦斯抽采率达73.1%，取得了显著的效果。实践证明，该技术的关键是保证钻孔打在工作面的裂隙带中。国家“九五”科技攻关期间，常村矿和南山矿试验了在煤层中钻进定向长钻孔技术，最长煤层水平定向钻孔达到252m，本煤层瓦斯抽采率达到25%以上。国家“九五”科技攻关期间，平煤集团公司从澳大利亚引进2台千米钻机，进行顶板水平长钻孔抽采瓦斯试验，成孔长度超过500m。同期，在阳泉一矿进行的岩石水平长钻孔抽采邻近层瓦斯的试验中，单孔平均抽采量达到20.3m3/min。

水平长钻孔的成孔率直接影响瓦斯的抽采效果，而决定成孔率高低的关键是钻孔的定向钻进技术，这就需要合理的钻进工艺和高效的钻具设备。由于我过水平定向长钻孔钻进技术起步较晚，尚无成熟的钻进经验，各试验矿井都是在实践中积累经验，同时我国的钻具设备也没有国外发到，经常导致钻孔成孔长度不长，钻孔轨迹无法按照设计路线钻进，成孔率不高，严重制约了井下水平长钻孔抽采瓦斯技术在我国高瓦斯矿井的推广应用。

国内外对井下长钻孔抽采瓦斯技术的大量试验表明，该技术抽采瓦斯具有显著的优点，是今后煤矿瓦斯抽采技术发展的必然趋势。由于其适用范围广，既可用于抽采采空区的瓦斯，又可用于采前预抽，还可抽采上、下邻近层的瓦斯，因此具有极大的推广价值和广阔的发展前途。

4结论

煤层群首采工作面回采时，上下邻近层产生卸压作用，卸压瓦斯大量解析，利用定向长钻孔抽采邻近层和本煤层解析出的瓦斯，达到在开采煤层的同时抽采瓦斯资源，实现煤与瓦斯共采。定向长钻孔具有钻孔孔径大、长度长、瓦斯抽采浓度高、抽采瓦斯时间长的特点，能够有效提高高瓦斯工作面的瓦斯抽出率，还可以超前回采强化抽采瓦斯，消除工作面瓦斯事故隐患、缩短预抽期，有利于缓和采掘接续紧张的矛盾，文章分析了煤与瓦斯共采的理论基础研究和长距离千米定向钻孔瓦斯抽采技术的国内外研究现状。

参考文献

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作者简介

何成亮（2001.03-），男，汉族，贵州省威宁县人，在读本科学生，主要从事采矿工程专业方面的学习研究。

国家级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202110977009）。