厚煤層頂板定向大直徑長鉆孔瓦斯抽采技術研究與應用

劉 洋,王維德,張洪雨,閆保永,李艷奎

(1.河南能源鶴壁煤業有限公司第三煤礦,河南 鶴壁 458000; 2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400039; 3.太原理工大學,山西 太原 030024)

隨著我國瓦斯抽采技術的快速發展,經過區域瓦斯治理后基本上消除了突出危險,但工作面回采期間上隅角瓦斯依然制約礦井安全高效生產。針對上隅角瓦斯治理難題,現已經形成上隅角埋管、高位巷、高位鉆場等一系列較為成熟的瓦斯治理技術。雖然取得了較好的抽放效果,但均存在一定的局限性。上隅角埋管工程量小、布置方便[1],但管路易漏氣或吸進采空區注漿水,管理難度大;高位巷抽采量大[2],但巖巷工程量大且后期維護難度大;高位鉆場工程量相對較小,抽采效果好[3-4],但存在鉆孔有效利用率低,鉆場內瓦斯管理難度大、安全隱患多等諸多缺點。

近年來,隨著定向鉆進技術的快速發展,頂板裂隙定向長鉆孔代替高位鉆場進行采空區瓦斯治理成為新趨勢[5-7]。但受困于鉆進設備及鉆進技術,大埋深巖層一次性成孔直徑均在150 mm以下[8]?！岸ㄏ蛳葘Э?擴孔”施工工藝可以擴大鉆孔直徑,但需重新下鉆進行多次擴孔,不僅施工工序繁雜、成孔工期較長,而且會對鉆孔周邊巖石造成多次擾動和傷害,易造成鉆孔塌孔[9-15]。為此,筆者從影響負角度大直徑長鉆孔高效成孔因素及抽采效果出發,通過理論計算分析優化了鉆孔設計參數,并在軟巖內進行了一次性成孔直徑153 mm的千米長鉆孔工程實踐,取得了較好的抽采效果,實踐成果對今后大直徑定向長鉆孔施工具有一定的指導意義。

1 大直徑長鉆孔優化設計

1.1 鉆孔布孔層置選擇

根據具體施工地點,選擇合理的布孔層位是實現大直徑定向長鉆孔高效成孔的基礎。以鶴煤三礦4101工作面為例,該工作面開采二1煤層,煤層直接頂由砂質泥巖、粉砂巖、泥巖、細粒砂巖組成,厚度18.68 m;基本頂為中粒砂巖,厚度1.25 m,中粒砂巖灰淺灰色,以石英為主,次為暗色礦物分選中等,硅質膠結含泥質團塊裂隙充填方解石脈。4101工作面綜合柱狀如圖1所示。

圖1 4101工作面綜合柱狀Fig.1 Comprehensive histogram of No.4101 working face

隨著工作面回采,覆巖垮落下沉填充采空區,穩定后形成“豎三帶”、“橫三區”裂隙發育區域,這些裂隙為瓦斯提供了運移通道及賦存空間。由于瓦斯密度相對空氣較小,大量瓦斯聚集在離層裂隙帶內,因此離層裂隙帶是鉆孔最佳的布置區域。

在豎直方向,依據關鍵層理論[16],在相同開采條件下,關鍵層是影響上覆巖層彎曲破壞范圍的主要因素。由于關鍵層巖層強度及厚度不同,其下沉撓度值不等,最終會因變形不同步而產生動態離層裂隙。采用加權平均法計算巖層裂隙寬度[17]:

(1)

式中,Δp為巖層極限拉伸變形加權平均值;mi為所要計算巖層距開采層的垂直高度;Δi為所要計算巖層的極限拉伸變形值,煤0.002～0.003,砂巖、礫巖0.003～0.004,泥質巖0.006～0.010。

采場上覆巖層某一高度h處的垂直裂隙平均寬度用Bp表示[18],其計算公式為:

Bp=0.424 2×(480m/h-2Δp×103)

(2)

式中,m為開采煤層的厚度;其他參數意義同式(1)。

利用式(1)和式(2)可以計算工作面二1煤層覆巖各巖層垂直裂隙的平均寬度。根據垂直裂隙寬度,將裂隙寬度在42～176 mm的巖層劃分為冒落帶,13～41 mm的劃分為離層裂隙帶,小于13 mm的劃分為彎曲下沉帶。由以上分析可知,冒落破碎帶范圍為煤層直接頂砂質泥巖層至第9層的砂質泥巖,高度26.01 m;裂隙帶范圍為第10層粉砂巖至第15層砂質泥巖,高度為57.37 m。

在水平方向,隨著工作面的推進,會形成一個形狀類似“O”形的橢圓裂隙帶?！癘”形圈離層區寬度d≈0.8l,l為回采期間頂板的初次來壓步距,取34.5 m。計算得橢圓裂隙帶寬度為0～27.6 m。

為了進一步確定裂隙帶高度,采用FLAC3D進行了數值模擬,模擬采用摩爾—庫侖模型,在賦參數時采取各煤巖層各向同性且屬性均勻的簡化措施?？梢钥闯?從采空區邊緣向中心下沉幅度逐漸增大,煤層底板向上約30 m下沉量在0.045 m以上,為冒落帶。煤層底板向上約60 m下沉量在0.015 m以上,為裂隙帶。與理論計算“三帶”高度基本一致。

由瓦斯運移規律可知,裂隙帶上部的離層裂隙是瓦斯主要存儲場所,而下部的穿層裂隙是瓦斯的運移通道。由于4101工作面覆巖砂巖層與泥巖層交替存在,覆巖垮落沉降后裂隙較為發育,裂隙帶下部的裂隙寬度在40 mm以上,與采空區聯通能力較強,容易抽出采空區瓦斯。位于煤層上部第11層砂質泥巖層位合理,另外該巖層相對硬度較小,能大幅減小鉆進阻力,實現快速鉆進。綜合考慮,鉆孔層位選在沿砂質泥巖與粉砂巖交界面鉆進,層位距離煤層頂板約30 m,布孔層位如圖2所示。

圖2 大直徑定向鉆孔布孔層位示意Fig.2 Schematic diagram of hole layout layers for large diameter directional drilling

1.2 鉆孔參數設計

此次累計施工5個鉆孔,鉆孔主孔1號孔試驗長度980 m,其余4個孔長度730 m,一次性成孔孔徑153 mm以上。鉆孔水平方向距4101工作面回風巷巷幫2～36 m,垂直方向距二1煤層頂板29～31 m。受工作面煤層賦存的影響,鉆孔整體成負角度施工。為了確保鉆進期間順利排渣,降低鉆進阻力,鉆孔軌跡盡量避免大曲率變化,具體參數見表1。以3號孔為例,剖面軌跡如圖3所示。

表1 鉆孔設計參數Tab.1 Drilling design parameters

圖3 3號定向鉆孔設計軌跡剖面示意Fig.3 Schematic diagram of design track section of No.3 directional drilling

2 鉆具及配套設備選型

為了滿足在砂質泥巖中施工大直徑長鉆孔的需要,考慮施工現場環境,采用先進的ZYWL-23000DS型煤礦用雙履帶全液壓定向鉆機。該鉆機采用雙液壓馬達驅動動力頭,額定輸出扭矩達到23 kN·m。采用雙油缸—雙活塞桿大行程推進機構,最大推進/起拔力達到400 kN。配套BC800型雙液壓馬達泥漿泵,泵車輸出流量可在0～800 L/min內無級調節,最高輸出壓力達到10 MPa[19-20]。

3 鉆孔施工關鍵技術

主要施工工序包括開孔、封孔、鉆進、退鉆、開分支孔等。鉆具組合為用φ153 mmPDC鉆頭+φ103 mm無磁鉆桿+φ103 mm通纜鉆桿定向鉆進,由于為一次性成孔,不需要進行二次擴孔。

3.1 開孔參數誤差控制技術

由于大直徑鉆孔自煤體內開孔,為防止煤孔段損壞,需用封孔管將煤孔段進行注漿加固,封孔段長約40 m。由于測量探管在封孔管內無法進行方位測量,開孔傾角15°鉆進時,受鉆桿及鉆頭影響快速下垂。為保證測量精度,在長距離封孔段只取傾角,在測量探管段伸出封孔管6 m以上距離,用此處的方位角覆蓋從孔口到可測量處的方位角數值。通過記錄所有傾角值,在可定向測量的位置進行修正。

3.2 負角度鉆進防卡鉆技術

負角度大直徑長鉆孔施工期間,隨著鉆孔長度的增加,鉆桿與孔壁的接觸面積增加;隨著鉆孔孔徑的增大,鉆進期間出渣量也大幅增加。這兩方面原因都直接增大了鉆進阻力,如果處理不當,直接影響鉆進速度,甚至造成卡鉆。

針對該問題:①設計鉆孔時避免大曲率的“V”字形軌跡,減少鉆桿與孔壁接觸面積的同時,防止鉆孔液出現渦旋,導致煤粉堆積。②優選鉆進設備。大孔徑長鉆孔施工要求鉆機要有與鉆進阻力相匹配的大扭矩驅動動力頭,并具有較大推進(起拔)能力。配備800 L/min大流量可變級調節性泥漿泵,增大鉆孔液出口流速,配合深槽螺紋鉆桿,通過增加鉆孔液的回旋速度加大其對煤粉的擾動能力,使煤粉處于懸浮狀態,大幅度提高排渣能力。③鉆進期間,隨時觀察鉆進壓力,正常鉆進壓力在4～6 MPa,遇到軟分層后壓力極不穩定,壓力下降至3 MPa左右時,鉆進速度會明顯加快。若出現返渣顆粒變大、返渣量增加,必須停止鉆進、反復洗孔,直至返渣變小到無,返出清水。

3.3 精確軌跡控制技術

定向鉆孔利用隨鉆測斜儀及造斜鉆頭控制鉆孔軌跡。隨鉆測量系統采用探管孔外持續供電技術,增加探管可靠性。在施鉆過程中,必須定量控制工具面向角。①在往復鉆進過程中,鉆機必須實現轉動與制動功能聯鎖,保證退送鉆桿期間鉆桿不轉動;②為了避免停泵造成工具面向角反扭角改變,每次調節完工具面向角后,需反復拉動鉆具以釋放反扭力,使工具面調節值盡量接近實際工具面值,減少反扭矩對鉆孔軌跡控制的影響,從而保證鉆孔軌跡精確度。

3.4 綜合防塌孔技術

隨著鉆孔孔徑以及排渣水壓的增加,鉆孔越容易塌孔。為了避免大直徑定向長鉆孔出現坍塌造成鉆孔抽放效果差,主要采取了以下防治塌孔的措施。

(1)調整合理的鉆孔液壓力。鉆孔液除了帶走鉆屑、冷卻鉆探、潤滑鉆具和鉆頭外,還可以起到改變井壁壓力、緩解地層壓力的作用。由于鉆孔均在泥巖中鉆進,根據鉆孔埋深及砂質泥巖的力學特性,調整鉆進供液壓力為5 MPa左右,鉆進時使孔壁受力平衡,避免水化膨脹等破壞孔壁穩定性。

(2)下套管。在巖石破碎段下套管,由套管來承擔圍巖作用于孔壁上的外力,減小鉆孔的變形量和破壞程度。套管上打有抽放瓦斯的小孔,根據現場經驗,以射孔導致的抗壓裂強度減小20%時的射孔密度為宜,可以兼顧抽采與強度要求。

4 鉆孔成孔及抽采效果分析

4.1 鉆孔成孔參數

1號孔為本次鉆孔施工成孔中的最深孔,深度達到1 071 m,孔徑153 mm,施工鉆孔終孔距離煤層頂板29 m;2號孔孔徑153 mm,孔深730 m,施工鉆孔距離煤層頂板30 m;3號孔孔徑193 mm,鉆孔距離煤層頂板30 m,施工中500 m處遇地質鉆孔出現不返水現象退鉆;5號孔孔徑153 mm,施工鉆孔距離煤層頂板30 m,施工至490 m處遇含大塊礫石泥質軟巖,鉆孔軌跡控制困難退鉆。

4號孔施工主孔1個,主孔孔深753 m,孔徑153 mm,施工鉆孔距離煤層頂板30 m。分支孔2個,對3號、5號孔進行了補充延伸。其中,1號分支孔,鉆孔距離煤層頂板30 m,400 m處開分支,分支孔長320 m;2號分支孔,鉆孔距離煤層頂板30 m,350 m處開分支,分支孔長500 m。

4.2 抽采效果

4101工作面大直徑定向長鉆孔于2020年7月10日開始施工,至11月25日鉆孔工程全部結束,2020年12月開始正規帶抽?；夭沙跗?由于回采進度慢,頂板覆巖沉降速度慢,裂隙不發育,整體抽采量較小,具體抽采參數如圖4所示。

圖4 4101工作面大直徑定向鉆孔抽采數據Fig.4 Large diameter directional drilling extraction data of No.4101 working face

從圖4可以看出,1號鉆孔在工作面回采初期抽采純量高,抽采效果較好,單孔瓦斯日抽純量最高為1 699 m3,但因距巷道近,后期巷道受壓裂隙發育,鉆孔漏氣量增大,抽采濃度衰減快。2號鉆孔沿傾向距離巷幫18 m處,位于“O”裂隙帶中部,裂隙發育較好,鉆孔抽采純量較穩定;3號孔因鉆孔長度相對較短,前期基本無抽放量,隨著回采裂隙發育至終孔處,日抽查量快速上升,并超過2號鉆孔。4號、5號鉆孔靠近壓實區,抽采濃度高但抽采流量較小?？梢?2號、3號鉆孔層位為今后頂板定向鉆孔最優位置。

4101工作面自2020年10月開始正式回采,至2020年12月推進約65 m后,定向鉆場流量逐漸上升,日抽放量達到4 896 m3峰值后逐漸下降。生產期間,工作面配風量約1 200 m3/min,平均日推進度2.4 m,平均日產煤量4 300 t?；夭善陂g上隅角最大瓦斯濃度0.35%,平均瓦斯濃度0.28%;工作面最大瓦斯濃度0.32%,平均瓦斯濃度0.22%;回風流最大瓦斯濃度0.33%,平均瓦斯濃度0.25%,平均風排瓦斯量3.12 m3/min。未出現瓦斯超限等異?，F象,實現了安全高效回采。

5 結論

(1)通過對煤層頂板覆巖巖性、采空區覆巖垮落后裂隙發育規律以及瓦斯運移規律進行綜合理論分析,確定定向長鉆孔層位為頂板以上30 m處的砂質泥巖中。

(2)根據大直徑千米長鉆孔的鉆進需要,選用了扭矩23 kN·m、推進/起拔力達到400 kN的大功率鉆機,并配套800 L/min大流量泥漿泵,為鉆孔成功實施奠定了硬件基礎。

(3)鉆進過程中,使用了開孔參數誤差控制技術、負角度鉆進防卡鉆技術、精確軌跡控制技術以及綜合防塌孔技術,鉆進速度最高達到129 m/d,單孔成孔長度達到1 071 m,實現了直徑153 mm定向鉆孔一次性成孔,沿走向一次性覆蓋整個工作面。

(4)大直徑定向長鉆孔抽采效果顯著,實踐成果為類似突出礦井瓦斯治理提供了支撐。