基于梳状定向钻孔的碎软煤层瓦斯含量测定取样技术

柴建禄

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

钻孔抽采是矿井瓦斯治理的重要技术手段，瓦斯含量测定是钻孔工程设计和抽采效果评价的重要依据[1]。煤矿井下瓦斯含量测定方法主要可分为间接法和直接法2 类，其中间接法通过测定钻孔内瓦斯气体压力变化情况，利用公式间接计算出瓦斯含量，其应用时间悠久，但测试流程繁琐、测试周期较长；直接法利用钻孔采取煤样或煤渣，然后采用解吸法直接测定煤层瓦斯含量，具有测定结果准确、测试速度快等优点，逐渐取代间接法，推广应用广泛[2-3]。煤样采取是瓦斯含量直接测定的核心，采样地点准确性、采样过程的瓦斯损失量等是瓦斯含量测定准确性的重要影响因素[4-5]。煤样采取方法主要有钻屑取样、套管取样、绳索取心、负压气动取样、正负压联合栓流定点取样、密闭取心、低温冷冻取样等方式，但其取样深度一般不超过120 m，存在取样深度浅、取样位置无法精确控制等不足，需要与矿井采掘工程衔接，重复开展多次测试[6-12]。近年来，开发了顺煤层定向钻孔密闭取心技术，将定向钻孔与密闭取心技术结合，既提高了井下近水平煤样的采取深度，又可精确控制采样精度，实现单孔多次定点取样，最大取样深度超过500 m，为定向钻孔区域递进式瓦斯抽采工程设计和效果评价提供了保障[13-15]。但该技术定向钻孔需沿煤层延伸，主要适用于中硬煤层，碎软煤层中钻进成孔困难，尤其是当煤层赋存较薄时，无法确保沿煤层延伸，采样成功率极低。碎软煤层在高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井发育广泛，针对其瓦斯抽采治理工程设计与效果评价需要，开发了基于梳状定向钻孔的碎软薄煤层瓦斯含量测定取样技术，并在安徽祁东煤矿进行了现场试验，应用效果显著。

1 技术原理

1.1 工艺原理

基于梳状定向钻孔的碎软煤层瓦斯含量测定取样技术原理如图1。

图1 基于梳状定向钻孔的碎软煤层瓦斯含量测定取样技术原理Fig.1 Technical principle of sampling technology for measuring gas content in broken soft coal seam based on comb-shaped directional borehole

取样梳状定向钻孔由主孔、探查分支孔和取样分支孔组成。首先在赋存稳定的煤层顶板或底板中布置定向钻孔主孔；然后在主孔中侧钻探查分支孔，查明碎软煤层的起伏变化情况，得到钻孔延伸方向的煤层顶底板标高；再在主孔中施工取样分支孔，进入煤层后，退钻重新下入密闭取心装置，在取样分支孔中进行密闭采样；最后采用解吸法对采取的煤样进行解吸测试，获得煤层瓦斯含量。

1.2 工艺流程

基于梳状定向钻孔的碎软煤层瓦斯含量测定取样工艺流程如图2。首先依据矿井地质资料和区域瓦斯治理需要，确定取样点数量与位置，完成取样定向钻孔设计；然后施工套管孔段、主孔段和探查分支孔段，做好取样准备；再利用探查分支孔进行多次密闭取心，测试气密性合格后，进行瓦斯解吸，获得煤层瓦斯含量值。

图2 基于梳状定向钻孔的碎软煤层瓦斯含量测定取样工艺流程Fig.2 Process flow of sampling technology for measuring gas content in broken soft coal seam based on comb-shaped directional borehole

1.3 技术优势

1）取样距离远。通过稳定岩层布置主孔，分支孔进入煤层取样的方式，解决了碎软煤层顺层钻进难题，显著提高钻孔取样深度。

2）取样点位置控制精度高。采用随钻测量定向钻进技术施工梳状定向钻孔，可实时测量和控制钻孔轨迹，准确掌握取样点的位置信息。

3）取样成功率高。采用探查分支孔查明煤层赋存情况，取样分支孔进行取样的方式，提升了地层适应性，减少了因煤层赋存情况变化大、煤层厚度薄或局部变薄等导致的取样失败。

4）单孔多次取样。可在主孔上施工多个取样分支孔，从而进行多次取样，提高了钻孔利用率。

5）测试结果精准。在取样分支孔内利用密闭取心装置进行煤样采取，煤样进入密闭取心装置后，进行切断封闭，避免瓦斯气体泄漏，煤样暴露时间短，瓦斯气体逸散少。

2 配套钻进与取样装备

1）矿用密闭取心装置。装置主要由外筒总成、取样内筒、球座、液压总成、取心钻头等组成。矿用密闭取心装置工作原理如图3。在取心钻进时，外筒总成传递钻进动力，带动取心钻头钻进；取样内筒与液压总成不随外筒总成一起转动，煤样沿剪切密闭球阀进入取样内筒，冲洗液沿解吸阀门排出，达到取样长度后停止钻进；在孔口向钻杆内投入橡胶球，泥浆泵加压将橡胶球送至球座的球座中，球座底部的导水孔被堵塞，泵压急剧升高，推动液压总成剪断销钉并向前运动，带动推杆关闭取样内筒的解吸阀门和剪切密闭球阀，将煤心密闭在取样内筒中；退钻取出取样内筒，即可得到采取的煤样。

图3 矿用密闭取心装置工作原理Fig.3 Working principle of mine-used closed coring device

2）定向钻机。定向钻机主要用于梳状定向钻孔施工，为满足梳状定向钻孔大角度开孔、深孔钻进、受限巷道空间施工的需求，优选调角范围宽、额定扭矩大、可垂直巷道施工的定向钻机。

3）泥浆泵。泥浆泵主要用于提供螺杆马达孔底碎岩动力和煤样切断密封动力，要求额定输出压力≥8 MPa，且输出泵量可调节。

4）液驱螺杆马达。液驱螺杆马达用于梳状定向钻孔轨迹控制，可根据矿用密闭取心装置大小进行选型。当采用φ100 mm 矿用密闭取心装置时，选用φ89 mm 液驱螺杆马达；当采用φ89 mm 矿用密闭取心装置时，选用φ73 mm 液驱螺杆马达。

5）随钻测量装置。随钻测量装置主要用于梳状定向钻孔轨迹随钻测量，指导钻孔轨迹控制，考虑复杂破碎地层高效排渣钻进需要，优选采用矿用泥浆脉冲无线随钻测量装置，当地层条件较好时，也可采用矿用有线随钻测量装置。

6）钻杆。钻杆主要用于传递钻进动力，输送密闭取心用橡胶球，可分为定向钻杆和取样钻杆2 种。其中定向钻杆优选采用宽翼片螺旋、三棱、三棱螺旋等异形结构钻杆，辅助冲洗液进行强化排渣，确保复杂破碎地层钻进安全性；取样钻杆优选采用大通孔的常规钻杆，钻杆内径应大于橡胶球直径。

7）钻头。可分为定向钻头和取心钻头，其中定向钻头采用窄翼片平底型PDC 全面钻头，镶焊有反向切斜齿和侧向耐磨合金，侧向切斜能力和事故处理能力强；取心钻头采用底喷式PD 环状钻头，降低对煤样的扰动和破坏，钻头内径应小于取样内筒内径，钻头外径应小于定向钻头外径。

3 关键技术

3.1 主孔双动力复合排渣定向钻进技术

梳状定向钻孔的主孔虽然布置在相对稳定的顶板、底板中，但其定向钻进效率相对于煤层较低，且复杂破碎地层仍较为常见，孔内事故易发。

为提高主孔钻进效率和安全性，采用双动力复合排渣定向钻进技术进行施工，其“双动力复合”包含2 层含义：①孔底螺杆马达回转动力和孔口定向钻机回转动力的复合，提高了钻进碎岩动力，从而提高了岩层定向钻进效率；②大流量冲洗液紊流排渣动力和异形定向钻具搅动排渣动力的复合，提高了钻孔排渣效率，保障了主孔施工安全性。

3.2 探查分支孔随钻煤层探查技术

矿井地质资料主要来源于前期地勘阶段，其精细度相对较低，与碎软煤层实际赋存情况存在差异，为确保主孔沿煤层顶板、底板长距离延伸，保障取样分支孔成功采取煤样，需要先利用探查分支孔提前查明煤层变化情况。

探查分支孔采用前进式开分支工艺施工，其流程是：在主孔施工过程中间隔预留分支点，每隔一定距离（50～60 m 左右）主动调整钻孔倾角，施工探查分支孔使其进入煤层，根据多个探查分支孔的见煤点标高，计算出煤层的实际赋存情况，调整煤层起伏预测和钻孔轨迹设计；然后退钻至分支点处，侧钻分支回到主孔中，根据调整后的钻孔设计继续向前施工。

探查分支孔施工时，应增大钻孔倾角，降低钻孔在不稳定层位中的长度，提高钻进安全性；同时，考虑孔底钻渣外返存在滞后性，探查分支孔接近目标煤层时，应适当降低钻进速度，以及时观察孔口返渣是否出现煤粉，防止钻孔穿过煤层。

3.3 取样分支孔密闭取心技术

常规取样方法采取煤样后无法快速截取和保存煤样，煤样暴露时间长，影响瓦斯参数测量精度。为减少瓦斯逸散，采用密闭取心技术实现煤样采取，其操作技术要领如下：

1）缓倾角进入煤层。根据探查分支孔查明的煤层起伏情况，进行取样分支孔钻进，接近煤层时，逐渐将钻孔倾角调整至与煤层倾角一致，缓倾角确认进入煤层后，将钻孔冲洗干净，退出定向钻具，提高煤层中的延伸距离，避免取样分支孔穿出薄煤层。

2）小泵量低泵压下钻防堵。依次连接取心钻头、矿用密闭取心装置和取样钻杆，连接时注意清理钻杆内孔的杂物，避免密闭取心装置堵塞；下入取样钻具时若阻力较大，进行水力冲孔和回转扫孔，直至钻具到达孔底后，通过取样钻杆向钻孔供水至从孔口返出，确保密闭取心装置未堵塞；以上供水过程中水压应控制在2 MPa 以下，宜采用矿井静压水管路供水。

3）小泵量低泵压取心钻进。先将取心钻头推送至贴靠孔底，然后以转速50～80 r/min、给进速度0.2～0.3 m/min 向前钻进1.2～1.5 m 后，停止钻进；取心钻进时水压应控制在2 MPa 以下，供水量≤100 L/min，宜采用矿井静压水管路供水。

4）大泵量高泵压煤样切断密闭。向取样钻杆内放入1 个橡胶球，然后开启泥浆泵以200 L/min 以上泵量向取样钻杆供水，至泵压突增至8 MPa 以上，煤样被剪断且被密封在取样内筒内，泵压恢复正常。

5）取样过程中，应详细记录取样钻具下放时间、取样孔段钻进时间和煤样封闭时间。

4 现场试验

4.1 试验设计

试验矿井祁东煤矿为煤与瓦斯突出矿井，试验区内煤层群发育，含煤9 层，主要可采煤层有61、71、82、9，其他煤层赋存不稳定，整体上煤层普氏硬度系数小、瓦斯压力大、瓦斯含量高，均属于碎软煤层。其中63平均厚度0.94 m，属极不稳定煤层，其底板为浅灰色～灰白色细粒石英砂岩，泥、硅质胶结；81煤平均厚度0.88 m，属局部可采煤层；82煤层平均厚度2.23 m，属较稳定煤层，其顶板以灰白色细砂岩为主，夹薄层灰色泥岩或砂泥互层。

现场试验在2 个钻场进行：①第1 个钻场：设计底板梳状定向钻孔1 个，深度≥600 m，自63煤底板开孔，主孔沿63煤底板延伸，设计分支孔5 个，用于探查63煤赋存情况，并利用分支孔进行2 次密闭取心；②第2 个钻场：设计顶板梳状定向钻孔1 个，深度≥500 m，自72煤与81煤之间的岩层开孔，沿81煤顶板施工，设计分支孔5 个，用于探查81煤、82煤赋存情况，并利用分支孔进行1 次密闭取心。

现场试验装备主要有ZDY6000LD（B）型定向钻机、BLY390/12 型泥浆泵车、YHD2-1000（A）型矿用随钻测量装置、φ89 mm 液驱螺杆马达、φ89 mm 整体式螺旋随钻测量钻杆、φ89 mm 大通径三棱螺旋钻杆、矿用密闭取心装置、φ120 mm 定向钻头、φ108 mm 取心钻头等。

4.2 试验情况

63煤底板梳状定向钻孔实钻孔深608 m，施工分支孔6 个，总进尺948 m，63煤底板梳状定向钻孔实钻轨迹如图4。

图4 63 煤底板梳状定向钻孔实钻轨迹Fig.4 Actual drilling track of 63 coal floor comb-shaped directional borehole

63煤底板钻孔完成密闭取心2 次，其中第1 次取样深度452 m，取出破碎状泥岩岩心约10 cm，综合分析认为该区域63煤煤层厚度变薄，未能正常取样；第2 次取样深度484 m，顺利取得煤样，经室内脱气法测定，煤层瓦斯含量为9.26 m3/t。

82煤顶板梳状定向钻孔实钻孔深500 m，施工分支孔5 个，总进尺1 075 m，82煤顶板梳状定向钻孔实钻轨迹如图5。

图5 82 煤顶板梳状定向钻孔实钻轨迹Fig.5 Actual drilling track of 82 coal floor comb-shaped directional borehole

82煤顶板钻孔完成密闭取心1 次，取样深度为405 m，顺利取得煤样，经室内脱气法测定，煤层的瓦斯含量为13.65 m3/t。

5 结 语

1）将定向钻进技术和密闭取心技术结合，开发了基于梳状定向钻孔的碎软煤层瓦斯含量测定取样技术，在祁东煤矿进行了现场试验，取样成功率67%，最大取样深度达到484 m，解决了碎软煤层长距离精准瓦斯含量测定取样难题，为碎软煤层区域瓦斯抽采治理工程设计与效果评价提供了参数依据。

2）研究选配了梳状定向钻孔钻进与取样装备，总结形成了“主孔稳定地层长距离延伸、探查分支孔大倾角探煤、取样分支孔缓倾角取样，小泵量、低泵压取样钻进，大泵量、高泵压煤样切断密闭”的工艺措施，为梳状定向钻孔顺利钻进和取样提供了保障。

3）可进一步开发碎软煤层顺层定向取样技术，减少取样工程量，提高取样效率。