碎軟煤層定向鉆孔防瓦斯套銑打撈技術

楊 旭 ，王建強 ，張宏杰 ，張 杰 ，張亞洲 ，黃寒靜 ，陳天柱

（1.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西 西安 710077）

碎軟煤層在我國廣泛分布，具有瓦斯含量高、壓力大、透氣性差、煤質破碎等特點[1-2]，鉆孔預抽是碎軟煤層瓦斯治理的有效技術手段，但在該類煤層中施工瓦斯抽采鉆孔極易發生噴孔、塌孔、卡鉆等事故，導致鉆孔成孔困難[3-4]。定向鉆進技術具有鉆孔軌跡可控的優點[5-9]，用于碎軟煤層瓦斯治理鉆孔施工，但由于煤層破碎，經常發生卡鉆事故，處理不當會造成嚴重的經濟損失。套銑打撈技術是利用套銑打撈鉆具，采用回轉擴孔鉆進工藝進行孔內卡鉆事故處理[10-11]，由于事故處理成功率較高，近年來大量應用于定向鉆孔孔內事故處理。針對該技術國內學者主要從套銑打撈鉆具研制、套銑打撈鉆具組合及級配優化、不同類型孔內事故套銑打撈工藝開發等方面進行了大量研究[12-15]，研制出了多種規格套銑打撈鉆具，適用于不同類型的孔內事故處理。但對于碎軟煤層由于煤質碎軟，孔壁穩定性差，套銑打撈過程中易發生卡鉆事故，而且該類煤層瓦斯含量大、壓力高，套銑打撈過程中易發生瓦斯異常涌出?；诖?，提出碎軟煤層定向鉆孔防瓦斯套銑打撈技術，在現有套銑打撈技術基礎上，通過優化套銑打撈鉆具內抽采瓦斯管路系統，開發套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統和套銑打撈加桿防瓦斯裝置，實現套銑打撈全程負壓抽采、密閉排渣和密封加桿，以解決碎軟煤層定向鉆孔套銑打撈瓦斯異常涌出的技術難題。

1 套銑打撈瓦斯涌出原因

套銑打撈技術主要針對塌孔、縮徑和沉渣等原因導致鉆具在孔內處于壓鉆或卡鉆的工況，該技術利用套銑打撈鉆具組合，采用回轉鉆進工藝，進行全孔回轉擴孔鉆進，將卡點孔段積壓的煤巖體通過套銑打撈鉆具進行破碎并排出孔外，從而疏通卡點孔段，實現事故鉆具解卡。套銑打撈原理如圖1。

圖1 套銑打撈原理Fig.1 Schematic diagram of sleeve milling and fishing principle

在套銑打撈過程中，孔壁煤體內瓦斯不斷釋放到鉆孔內，當釋放的瓦斯量達到一定體積時，該部分瓦斯便順著鉆孔排出孔外。因此在套銑打撈過程中，孔口始終有瓦斯的排出，但在處理碎軟煤層定向鉆孔孔內事故時，由于孔壁穩定性差，鉆孔易發生塌孔，瓦斯釋放通道被堵，導致瓦斯在孔內積聚，當孔內積聚的瓦斯量和瓦斯壓力達到一定值時，封堵在孔內的煤渣被沖向孔外，瞬間孔口伴隨大量煤渣和瓦斯噴出，嚴重者造成瓦斯超限事故。同時，停止打撈鉆進時，打撈鉆具內也會積聚大量瓦斯，當送水器拆掉時，該部分瓦斯便會瞬間噴出，嚴重者造成瓦斯超限事故。從套銑打撈技術原理及瓦斯涌出原因可知，碎軟煤層套銑打撈瓦斯涌出主要有以下通道：

1）套銑打撈鉆具內通孔成為孔內瓦斯積聚及涌出的天然通道，當停止打撈鉆進時，鉆孔孔壁煤體釋放的瓦斯就會進入該通道。隨著打撈鉆具末端送水器拆卸，打撈鉆具內瓦斯便會瞬間涌出至鉆場巷道。

2）鉆孔孔壁與套銑打撈鉆具環空返渣通道成為瓦斯涌出的另一通道，在正常套銑打撈鉆進過程中，煤層釋放的瓦斯，隨著鉆屑一起通過該通道排出孔外。當遇到局部孔段塌孔，該通道被堵，瓦斯便積聚在該通道內。隨著該通道的疏通，瓦斯便從該通道瞬間涌出。

2 套銑打撈瓦斯涌出量

隨著套銑打撈鉆孔的形成，鉆孔孔壁圍巖應力重新分布，徑向方向由內向外將鉆孔孔壁圍巖劃分為破碎區Ⅰ、塑性區Ⅱ、彈性區Ⅲ和原巖應力區Ⅳ, 套銑打撈鉆孔圍巖變形區分布如圖2。

圖2 套銑打撈鉆孔圍巖變形區分布Fig.2 Distribution map of surrounding rock deformation zone of borehole

打撈鉆進過程中瓦斯主要來源于2 部分：①破碎區煤體內釋放的瓦斯；②塑性區煤體內釋放的瓦斯。其中破碎區煤體內瓦斯主要是吸附瓦斯中可解吸瓦斯，隨著打撈鉆頭的切削全部釋放；打撈鉆進過程中隨著鉆孔的形成，塑性區煤體由于發生塑性變形，導致煤體裂隙增大，煤體透氣性增加，煤體內可解吸瓦斯基本全部釋放。

可見，套銑打撈涌出瓦斯主要來源于破碎區煤體和塑性區煤體內瓦斯，則打撈鉆進每米鉆孔瓦斯釋放量可通過公式[16]進行計算：

式中：R1為原鉆孔半徑，m；R2為破碎區半徑，m，取套銑鉆頭的半徑；R3為塑性區半徑，m；C為黏聚力，MPa； φ為內摩擦角，（°）；p1為原地應力，MPa；Q為每米鉆孔瓦斯釋放量，m3； ρ為煤體密度，kg/m3；T為原始煤體可解吸瓦斯含量，m3/kg；p2為煤體瓦斯壓力，MPa；fn為煤體孔隙率，m3/t。

可以看出，套銑打撈瓦斯涌出量主要與煤層自身可解吸瓦斯含量、套銑打撈鉆孔孔徑和原地應力有關，并隨之增大而增大，在滿足打撈要求的前提下應降低打撈鉆頭直徑。

3 防瓦斯套銑打撈技術

根據套銑打撈瓦斯異常涌出原因分析，套銑打撈過程中要同時防止打撈鉆具與孔壁環空間隙內瓦斯、套銑打撈鉆具內通孔瓦斯的積聚，并對上述通道瓦斯實行密閉抽采及卸壓。防瓦斯套銑打撈技術借助于套銑打撈鉆具內抽采瓦斯技術和套銑打撈孔外防瓦斯技術，一方面通過抽采管路優化實現對打撈鉆具內積聚的瓦斯進行負壓抽采并卸壓；另一方面利用孔口密閉抽瓦斯系統和加桿防瓦斯裝置實現孔口瓦斯密閉抽采和打撈鉆桿密封加接。套銑打撈鉆進過程中通過套銑打撈鉆具內抽采瓦斯技術和套銑打撈孔外防瓦斯技術協同配合實施，最終實現整個打撈鉆進過程中瓦斯的密閉抽采和卸壓，防止瓦斯的異常涌出。

3.1 套銑打撈鉆具內抽采瓦斯技術

為了避免加接打撈鉆桿時，打撈鉆具內積聚的瓦斯瞬間涌出，造成瓦斯超限事故。在加接打撈鉆桿前需要對打撈鉆具內瓦斯進行負壓抽采。

套銑打撈鉆具內抽采瓦斯技術是在套銑打撈鉆具末端連接抽采管路，將抽采管路通過氣水分離器與負壓管路連接，通過負壓對套銑打撈鉆具內瓦斯進行抽采，并釋放其壓力。套銑打撈鉆具內抽采瓦斯原理如圖3，套銑打撈鉆具內抽采瓦斯流程如圖4。

圖3 套銑打撈鉆具內抽采瓦斯原理Fig.3 Schematic diagram of gas drainage principle of sleeve milling and fishing

圖4 套銑打撈鉆具內抽采瓦斯流程Fig.4 Flow chart of sleeve milling and fishing gas drainage

抽采管路上安裝有壓力表和閥門，在加接打撈鉆桿前，先開啟抽采管路閥門，通過負壓抽采打撈鉆具內積聚的瓦斯，待壓力表顯示壓力降為0 時，關閉閥門停止抽采，拆卸送水器，最后加接打撈鉆桿繼續進行事故處理，如此循環直至事故鉆具解卡。

3.2 套銑打撈孔外防瓦斯技術

3.2.1 套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統

為了防止孔口及排渣口處瓦斯異常涌出，設計了孔口密閉抽瓦斯系統。套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統如圖5。

圖5 套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統Fig.5 Schematic diagram of closed gas drainage system of sleeve milling and fishing

系統通過在孔口管上安裝孔口五通，孔口五通與打撈鉆桿之間采用孔口密封裝置實現密封，孔口五通排渣口通過排渣管路與防噴箱連接，防噴箱和孔口五通均連有負壓管路，防噴箱在打撈過程中處于密閉狀態，實現邊打撈邊密閉負壓抽采。防噴箱用于存儲鉆屑和瓦斯，防噴箱體積可達2～3 m3，當瓦斯瞬間涌出時，可對瓦斯進行緩沖和密閉負壓抽采，從而防止瓦斯涌出至鉆場巷道。

3.2.2 套銑打撈加桿防瓦斯裝置

為了防止加接打撈鉆桿時，打撈鉆桿內部殘余瓦斯從打撈鉆桿末端涌出，設計了加桿防瓦斯裝置，套銑打撈加桿防瓦斯裝置如圖6。

圖6 套銑打撈加桿防瓦斯裝置Fig.6 Add drill pipe gas prevention technology of sleeve milling and fishing

套銑打撈加桿防瓦斯裝置主要由箱體、插板、密封橡膠、固定螺釘、定位卡槽和負壓管路接口組成。插板用來擋在打撈鉆桿與送水器之間，密封橡膠實現箱體與打撈鉆桿及送水器之間的密封，箱體用螺釘固定在打撈鉆桿上，防止箱體軸向移動，定位卡槽實現插板的軸向定位，防止插板偏移，負壓管路接口用于接負壓管路。裝置箱體中心為圓孔結構，打撈鉆桿可從中心孔穿過。當需要加接打撈鉆桿時，將該裝置箱體安裝在打撈鉆桿與送水器之間，具體位置以插板落下時剛好擋在打撈鉆桿末端為準，通過固定螺釘將箱體與打撈鉆桿固定，在負壓管路接口上連接負壓管路，打開負壓，拆卸送水器，當送水器與打撈鉆桿絲扣分離的瞬間，插板依靠自重自由下落，封擋在打撈鉆桿末端口處，此時打撈鉆桿內涌出的殘余瓦斯進入該裝置箱體內并通過負壓抽走，從而防止瓦斯涌入鉆場巷道。

4 現場應用

4.1 試驗區概況

山西天地王坡煤礦開采3 號煤層為碎軟煤層，平均厚度5.8 m，煤層傾角為 2°～10°。煤體內部弱面極其發育，煤體發脆，導致整體強度顯著降低，煤層堅固性系數f為0.3～0.5，原始煤層瓦斯含量6～19 m3/t。煤層頂板巖性為砂質泥巖和石英砂巖，底板為泥巖和石英砂巖。3 號煤層及頂底板巖性見表1。

4.2 事故鉆孔施工情況

試驗鉆孔采用ZDY15000LD 型定向鉆進裝備，施工1 號本煤層定向鉆孔，治理條帶瓦斯。該鉆孔分支孔9 個，累計進尺1 778 m，1-2 號分支孔施工至362 m塌孔卡鉆。其中，305～345 m 為砂質泥巖，其余孔段為煤。鉆孔軌跡平面投影如圖7，鉆孔結構如圖8。鉆孔施工數據及瓦斯涌出統計見表2。

圖7 鉆孔軌跡平面投影Fig.7 Drilling trajectory plane graph

圖8 鉆孔結構Fig.8 Drilling hole structure

在鉆孔施工的過程中，孔壁坍塌，造成瓦斯異常涌出6 次，涌出時長為51 s，累計涌出量約為7 m3。

4.3 套銑打撈處理方案

分支孔鉆遇煤層頂板，由于煤巖交界區域地層破碎，導致發生塌孔卡鉆事故。經過對該鉆孔實鉆軌跡數據分析計算[17]，該鉆孔平均全彎曲強度為0.3 °/m，其中，孔深75～120 m 全彎曲強度最大為0.4 °/m，鉆孔軌跡全彎曲強度小，軌跡整體相對較平滑?？卓诠懿捎忙?00 mm PVC 管，內徑173 mm。最終采用φ168 mm 套銑鉆頭+φ127 mm套銑鉆桿進行套銑打撈處理，套銑打撈鉆具組合如圖9。

圖9 套銑打撈鉆具組合Fig.9 Schematic diagram of sleeve milling and fishing drill tool combination

4.4 套銑打撈處理

1）安裝孔口五通及防噴箱。在φ200 mm PVC孔口管上安裝孔口五通，孔口五通出渣口通過φ180 mm 膠管與防噴箱連接，防噴箱上連接有負壓管路；孔口五通與打撈鉆桿之間安裝盤根，實現打撈鉆桿與孔口五通之間的密封。

2）安裝加桿防瓦斯裝置。將加桿防瓦斯裝置安裝在打撈鉆桿與送水器絲扣連接處，并連接負壓管路。

3）連接抽采管路。在送水器末端安裝三通，用高壓膠管分別與泥漿泵排水口和氣水分離器連接，并在氣水分離器上安裝壓力表，氣水分離器與負壓管路連接。

4）套銑打撈。套銑打撈前先開啟孔口五通和防噴箱上連接的負壓，開泵向孔內供水，待孔口返水正常后，開始打撈鉆進。每打撈鉆進完1 根鉆桿，停止供水，先開啟抽采管路閥門，孔內的瓦斯和水經過氣水分離器后，水通過排水口人工排出，瓦斯則進入主負壓管路，待壓力表壓力降至0，開啟加桿防瓦斯裝置上的負壓，拆卸送水器，送水器拆卸掉的瞬間，加桿防瓦斯裝置上插板依靠自重下落，封擋在打撈鉆桿末端口處，打撈鉆桿內殘余瓦斯通過負壓被抽走，從而防止瓦斯涌入鉆場巷道。打撈過程產生的鉆屑及瓦斯直接排至防噴箱內，防噴箱在打撈鉆進過程中為密閉狀態，瓦斯通過負壓直接抽至負壓管路，鉆屑堆積至防噴箱內，防噴箱內堆滿鉆屑后，停止打撈鉆進，將防噴箱內鉆屑清理干凈后再繼續打撈鉆進。

套銑打撈施工中，出煤量和卸壓時間及初始壓力變化曲線如圖10。

圖10 出煤量和卸壓時間及初始壓力變化曲線Fig.10 Coal output, pressure relief time, initial pressure change curves

打撈鉆進過程中出煤量整體較穩定，平均出煤量約260 kg，由于孔壁穩定性差的孔段塌孔，導致局部孔段出煤量明顯增大，最大出煤量達390 kg，可見出煤量受孔壁穩定性影響較大，孔壁穩定性差的孔段出煤量較大。卸壓時間隨孔深的增大呈明顯增大的趨勢，由初期的1 min 增大至40 min，由于孔深的增大，單位時間鉆孔釋放的瓦斯量增大，導致卸壓時間延長，同時，不同孔段卸壓時間隨出煤量的變化波動較大，出煤量大的孔段卸壓時間明顯延長，可見卸壓時間受鉆孔深度和出煤量影響較大。初始壓力由初期0.8 MPa，增大至1.5 MPa，增幅相對較平緩，但局部孔段隨著出煤量增大而明顯增大，可見初始壓力主要受出煤量的影響較大。綜上所述打撈鉆進過程中出煤量大小直接影響到卸壓時間和初始壓力，由于孔壁穩定性差的孔段出煤量大，因此孔壁穩定性差的孔段更容易發生瓦斯異常涌出。

最終套銑打撈至孔深356 m 時，孔內事故鉆具解卡，成功打撈出孔內所有事故鉆具。套銑打撈過程中雖然發生多次塌孔，導致瓦斯積聚在孔內，但在孔口均未出現瓦斯異常涌出，未發生瓦斯超限。

5 結 語

1）通過碎軟煤層套銑打撈孔內瓦斯異常涌出原因、涌出通道和涌出量分析，提出了碎軟煤層定向鉆孔防瓦斯套銑打撈技術，優化了套銑打撈鉆具內抽采瓦斯管路系統，開發出了套銑打撈孔口密閉抽瓦斯系統和套銑打撈加桿防瓦斯裝置。

2）套銑打撈鉆具內抽采瓦斯管路系統實現了打撈鉆具內瓦斯提前抽采卸壓：孔口密閉抽瓦斯系統和套銑打撈加桿防瓦斯裝置實現了整個套銑打撈鉆進過程瓦斯的密閉抽采，有效防止瓦斯的異常涌出。

3）該技術成功應用于碎軟煤層定向鉆孔孔內卡鉆事故處理，處理孔深362 m，不僅保障了現場作業人員的人身安全，而且對于套銑打撈技術在碎軟煤層中的推廣應用提供了技術保障。