浅谈我国井下定向钻孔抽采瓦斯技术研究现状与展望_贾通平.pdf

浅谈我国井下定向钻孔抽采瓦斯技术研究现状与展望贾 通 平（中煤科工集团沈阳研究院有限公司，辽宁 抚顺 113122）摘要：钻孔抽采瓦斯是煤矿治理瓦斯灾害的根本措施。井下定向长钻孔技术可实现远距离、长时间、精准的灾害防治与瓦斯抽采，在安全生产中发挥着至关重要的作用。本文系统地介绍了定向长钻孔的技术原理及理论支撑，通过与传统钻孔抽采效果的对比，指出了定向长钻孔技术具有抽采效果好、钻孔覆盖范围广等优势。在关键技术研究方面，重点阐述了顺层定向长钻孔、穿层定向长钻孔钻进技术在现场应用中所面临的布孔间距、抽采负压、钻孔轨迹等问题。并基于上述问题，进一步展望了煤矿井下定向长钻孔技术的发展方向与趋势，认为改进更新钻进设备、优化布置钻孔参数、提高钻孔空间定位精度等将成为技术攻关的主要方向与煤矿井下提高抽采效率的重点需求。关键词：瓦斯治理；钻孔抽采；定向钻孔；优势；研究现状中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1009-0797（2023）02-0079-05Research status and prospect of underground directional drilling gasextraction technology in ChinaJIA Tongping（Shenyang Research Institute Co.,LTD.,China Coal Technology&Engineering Group,Shenyang110000，China）Abstract:Drilling gas extraction is the fundamental measure to control gas disaster in coal mine.Underground directional long drillingtechnology can realize long distance,long time,accurate disaster prevention and gas extraction,which plays a vital role in safety production.This paper systematically introduces the technical principle and theoretical support of directional long drilling,and points out that thedirectional long drilling technology has the advantages of good extraction effect and wide drilling coverage by comparing with the traditionaldrilling effect.In the aspect of key technology research,the problems such as spacing of hole distribution,negative pressure of extraction andborehole trajectory in the field application of directional long borehole along bedding and directional long borehole through bedding areemphatically expounded.Based on the above problems,the development direction and trend of directional long drilling technology inunderground coal mine are further prospected,and it is considered that improving and updating drilling equipment,optimizing the layout ofdrilling parameters,and improving the spatial positioning accuracy of drilling will become the main direction of technical research and the keydemand of improving the extraction efficiency in underground coal mine.Key words:gas control；borehole drainage；directional long borehole；drainage effect；advantage；the research status0引言作为我国的主要能源，煤炭资源对我国的经济发展十分重要 1。但随着煤矿开采规模、开采深度和开采强度不断加大，煤与瓦斯突出灾害给煤矿安全带来了很大的隐患和损失。20 世纪以来 2，我国煤矿事故造成 100 人以上死亡的有 10 起，其中有 9 起为瓦斯事故，2012 年到 2017 年的 5 年间，全国煤矿发生重特大事故 66 起，死亡人数高达 1 086 人，其中瓦斯事故 41 起，死亡人数达到 749 人，占到了68.9%。由煤矿瓦斯带来的伤害事故频繁发生，严重威胁到了井下工作业人员的生命安全，限制着我国煤炭产业的发展。瓦斯抽采是煤矿开采过程中瓦斯灾害防治的根本措施。近年来，随着定向钻进技术与长钻孔治理瓦斯能力的不断进步，定向长钻孔将成为防止井下瓦斯灾害的有效手段。然而，结合我国煤层中瓦斯的赋存条件，所具有“三低一高”的特征（低饱和度、低渗透性、低储层压力，高变质度）3，在此类瓦斯赋存条件差的地区进行瓦斯抽采属于世界性难题。此前，大多数煤矿井下普遍使用传统钻孔方法进行瓦斯治理，虽然取得一定的治理效果，但是由于钻孔浅、钻孔轨迹无法控制、工程量大等劣势，容易造成抽采空白带、矿井采掘接替紧张等困局。防止煤与瓦斯突出细则 第 64条规定了定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施的钻孔施工要求 3。定向长钻孔作为煤矿钻进工艺的新技术，主要用于在煤矿生产建设中的地质情况勘探、瓦斯抽放、水害探测与防治等领域，特别是在瓦斯抽放方面，定向长钻孔技术可以利用其技术优势对钻孔轨迹进行精准控制，确保钻孔轨迹目标层位的有效延申，增加钻孔有效抽采长度，进一步提高瓦斯抽采效率。另外，定向长钻孔技术可以进行多分支孔施工，使长钻孔能有效覆盖整个工作面，显著提高瓦斯治理效果 4，已成为我国煤矿瓦斯高2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷79DOI:10.13606/ki.37-1205/td.2023.02.008效抽采的主要技术途径并迅速取得发展与推广。但是，在现场实践应用中，随着工作面的开采，煤层及顶底板松软，常常诱发抽采钻孔坍塌、径缩以及开裂等现象，以及在钻孔钻进过程中，受岩层受力各向异性的影响，导致钻孔轨迹难以控制等问题，严重制约着实际瓦斯抽采效果。基于此，笔者在介绍了我国井下定向长钻孔的研究现状和理论支撑的基础上，展望了其未来发展趋势，以期为今后我国煤矿定向长钻孔瓦斯抽采技术的发展提供建议。1定向长钻孔相关理论介绍及技术优势1.1定向长钻孔抽采原理瓦斯抽采是一个十分复杂的渗流过程，研究瓦斯在煤层中的渗流规律以及赋存情况，可为瓦斯抽采提供理论支撑。特别是，在瓦斯抽采工程实践中，需要合理的布置孔位参数以及抽采时间，实现科学高效的抽采就必须依托于对煤层中瓦斯的渗流规律的了解。然而瓦斯渗流也是一个驳杂的运移过程，作为载体的煤，属于多孔介质并且存在着许多裂隙，煤层中瓦斯存在状态分别为吸附态与游离态，吸附态所占比例较大，约为 80%90%，剩下的 10%20%为游离态瓦斯（如图 1 所示）。一般在没有人为干预的情况下，二者处于动态平衡，由于人类采矿是从地层内部获取资源，资源的采出必然会打破吸附态瓦斯与游离态瓦斯之间动态平衡，游离态瓦斯在压力的作用下，顺着压力降低的方向流动，这样就会导致压力分布不均匀，形成流动场。从上世纪开始，国内外学者在煤层瓦斯赋存等基础理论研究方面开展了一系列研究。1-附着瓦斯；2-游离态瓦斯；3-吸着瓦斯；4-孔隙；5-煤层图 1瓦斯在煤层中的赋存情况1）提出了“O”型圈理论 5。“O”型圈（见图 2）不仅是瓦斯流动的主要通道，也是瓦斯积聚的重要场所。在瓦斯和空气密度差以及采空区漏风的综合作用下，积聚在内部的瓦斯将通过密闭墙或煤柱裂隙进入工作面或巷道，增加矿井通风负担和不安全因素 6。因此治理采空区上隅角瓦斯时，应为采空区内瓦斯提供一条流动通道。利用高位定向长钻孔在工作面裂隙带内制造负压，在压力的影响下引流采空区的瓦斯。图 2“O 型圈”平面分布示意图2）建立了“煤层瓦斯流动理论”7。基于煤矿瓦斯地质的 项基本因素，阐明了“煤层瓦斯应力场”概念；创造性提出了“煤和瓦斯突出的流变假说 8”。建立的煤层瓦斯流动理论体系，从本质上阐明了煤矿中的瓦斯来源及赋存状况，并将瓦斯流动理论推向了固-气耦合的新阶段。3）完善了采空区“竖三带”“横三区”的划分（如图 3 所示）。在开采煤层时，工作面持续向前推移，极易导致应力重新分布，由上至下依次为弯曲下沉带、裂隙带与垮落带。沿工作面走向划分为煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区“横三区”9。图 3断裂带分布示意图1.2定向长钻孔技术优势定向钻进技术是指利用钻孔自然弯曲规律或采用专用工具使钻孔轨迹按设计要求在预定层位延申钻进至预定目标的一种钻进方法 10。相比传统钻孔，定向长钻孔技术具有以下四个优势：1）瓦斯抽采效果好，抽采量大，抽采浓度高。相关研究表明 11：在相同地质条件下，定向长钻孔单孔平均流量是传统钻孔的 40 倍，百米钻孔瓦斯平均流量也是传统钻孔的 8 倍以上。此外，在瓦斯抽采浓度方面，常规钻孔大约为 40%，而定向长钻孔最大抽采浓度可达 95%，平均浓度约为 80%，与穿层钻孔的相比，抽采浓度提高了两倍。2）能够补充更准确的地质资料信息。定向长钻2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷80孔技术能够利用其分支技术探明井下煤层顶板、底板以及断层等地质情况，从而为煤矿企业补充更精确的矿区地质资料信息。3）钻孔覆盖范围大。传统的钻孔在施工过程中会受到复杂的地质条件以及机械设备的限制，导致有效的抽采区域范围非常有限，而定向长钻孔由于能够借助其钻进分支技术，从而可以将钻孔覆盖到整个抽采区域，消除抽采盲区，同时水平分支孔还能够进一步提高煤层的透气性，有助于瓦斯抽采效果的提升。2定向长钻孔发展现状定向钻进技术最早起源于石油行业，上世纪六、七十年代，西方发达国家首次将定向长钻孔技术应用于煤矿领域。近年来，随着机械、电子、液压以及信息控制等行业的不断发展，定向长钻孔技术研究重点转向更加精准可控钻进与超远距离抽采 12。我国煤矿井下定向钻进技术起步较晚，从上世纪九十年代中期开始，先后引进国外先进的定向钻进技术及配套装备，但是由于国内的煤炭赋存条件较为复杂，以至于引进国外的定向钻进设备无法因地制宜的达到理想的远距离钻进效果。自 2005 年以来，在国家有关部门关于“井下水平长钻孔钻机研制及配套工艺开发”项目的支持下，先后开发了适合的国内复杂地质条件定向钻进技术及设备。通过近年来的推广应用，国内煤矿定向钻井技术有了长足的进步，最大钻孔深度已达到 1 818 m。煤矿井下长距离定向孔钻进成套装备（图 4）获得了快速发展，钻进深度刷新了世界煤矿井下钻孔记录。图 4井下千米定向钻机定向长钻孔技术根据成孔位置的不同（如图 5所示），又分为：穿层定向长钻孔。通过对采动后采空区垂直方向上形成的三带中的裂隙带进行定向抽采，由于裂隙带距采空区一定高度，岩层裂隙的形成便于瓦斯赋存，从理论上讲，裂隙带是施工穿层定向长钻孔治理采空区瓦斯的最佳抽采位置 13；顺层定向长钻孔。在掘进工作面、回采工作面施工定向长钻孔，通过钻孔使待开采煤层或待掘进巷道产生裂隙，使吸附态瓦斯转化为游离态，从而利用孔口负压实现对本煤层卸压瓦斯的抽采。笔者将从以上两种方式展开介绍。图 5高位、顺层、穿层定向钻孔示意图2.1穿层定向长钻孔穿层定向长钻孔在治理采空区瓦斯时，通过在井下回风巷布置钻场，将穿层孔持续上仰，并以较大的上仰角度向煤层上覆岩层施工钻孔，发挥高位穿层定向长钻孔瓦斯抽采技术的轨迹可控优势，使得钻孔轨迹始终处于采空区上覆岩层的裂隙带范围以内，利用工作面采动后形成的竖向破断裂隙、横向离层裂隙抽采采空区与受采动影响区域内的瓦斯 6，实现对采空区瓦斯的高效治理。鉴于此，穿层定向长钻孔技术被广泛应用于治理采空区上隅角瓦斯与临近层卸压瓦斯，该措施能否进行高效抽采很大程度上取决于对采空覆岩裂隙发育规律的掌握，以及对采空区“三带”分布范围的精准划分 14。但是，钻孔的最终的终孔层位高效合理的确定以及钻孔轨迹的偏移问题，严重制约着穿层定向长钻孔的抽采效果。1）钻孔终孔层位的合理确定直接影响采空区以及采动影响区瓦斯的抽采效果。最理想的状态即将终孔位置确定在垮落带上方裂隙发育完全的层位，这样便使采动形成的裂隙与钻孔构建的瓦斯流动通道连接起来 15。为了提高钻孔的瓦斯抽采效率，通过对回采工作面回采期间采空区顶板裂隙场变化机理的研究，揭示采空区顶板裂隙的演化规律 16，从而在合理的裂隙带高度范围内布置钻孔，达到降低采空区上隅角的瓦斯浓度的目的。另外，针对合理确定布孔参数，提出了通过建立覆岩数值模型 17，分析采空区覆岩应力和裂隙带分布特征，从而定量化的指出采空区覆岩裂隙带的分布范围，为布置瓦斯抽采钻孔提供依据。提出了首先模拟不同布孔位置的采空区瓦斯浓度分布，然后进一步模拟出采空区的流场2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷81情况，根据采空区瓦斯浓度分布和流线轨迹变化趋势分析钻孔对上隅角瓦斯的影响，以此来确定以孔代巷瓦斯抽采布孔层位 18。2）井下穿层钻孔的施工过程中，由于岩层及煤层的各向异性和软硬互层，使钻孔轨迹由于地质因素的原因造成了偏移，使定向长钻孔无法发挥定向钻进的优势。尤其在高位穿层定向长钻孔方面，轨迹偏移研究就显得尤为重要。针对轨迹偏移问题，在定向钻进过程中，提出了提前进行重大风险分析 19，制定出一系列降低钻孔偏移风险的措施。通过研究煤矿井下定向钻进过程中螺杆钻具的造斜规律，建立工具面向角的数学模型，从而推导出工具面向角改变定向钻孔轨迹的规律 20。钻孔轨迹控制的前提是进行钻孔的轨迹预测，国内外许多学者对此展开了研究，根据纵横弯曲梁理论将三弯矩方程引入钻具的静力学分析中，形成了一个较为完善的轨迹预测理论体系。后来，针对传统钻孔轨迹预测方法中三点定圆法未考虑钻具受力变形、纵横弯曲梁法相关参数难以获取的问题,提出了一种运用纵横弯曲梁理论对三点定圆法进行改进的煤矿定向钻孔轨迹预测新方法 21。2.2顺层定向长钻孔顺层钻孔在施工时，由于钻孔的钻进导致周围的煤岩体应力状态发生变化，煤岩层发生膨胀变形，致使临近层或本煤层的煤体发生塑性形变，使钻孔的致裂范围逐渐扩大 22，从而达到瓦斯抽采的目的。根据国家瓦斯治理“先抽后采”的方针，使用顺层定向长钻孔进行预抽时，根据其目的不同可分为两类，一类是为了巷道掘进服务的预抽瓦斯沿煤层长钻孔和释放瓦斯的防突钻孔，另一类是为煤层回采服务的用于预抽瓦斯的沿煤层走向长钻孔和沿煤层倾向钻孔 23。影响本煤层顺层钻孔瓦斯预抽效果的主要因素除了煤层自身瓦斯含量、透气性系数等煤层赋存条件，而且取决于抽采方法与钻孔工艺参数，特别是钻孔布置间距的确定最为重要，另外还应考虑到顺层定向长钻孔进行预抽瓦斯时由于钻孔长度过长，在瓦斯气体流动沿孔长方向的负压衰减，从而影响抽采效率。因此对顺层定向长钻孔布孔间距的确定与长钻孔负压衰减规律的研究就显得尤为重要。1）优化顺层定向长钻孔布孔间距，对提高瓦斯抽采率具有十分重要的意义。由于在相同抽采时间条件下，不同孔深位置的抽采有效影响半径不同，当布孔间距小于有效影响半径时，会造成相邻钻孔之间的抽采范围重叠，从而使经济成本增加，当布孔间距大于有效影响半径时，又会产生抽采盲区使瓦斯抽采不充分，从而留下安全隐患。针对布孔间距问题，根据钻孔瓦斯流量衰减规律方程,以瓦斯抽采量作为判别依据，构建本煤层瓦斯预抽钻孔布置间距的理论方程式 24，现场应用效果表明，该方法对指导钻孔间距的布置具有广泛的应用价值。针对布孔半径的确定，根据煤层瓦斯流动理论与煤层体变形理论，建立钻孔抽采煤层瓦斯的气固耦合数学模型 25，利用 COMSOL 模拟 SF6 气体在渗流场的运移过程，确定抽采钻孔的有效抽采半径，进一步合理的确定布控间距 26。2）长钻孔抽采后，沿钻孔长度方向抽采效果出现明显的分区现象。距离孔口较近的区域，抽采效果好；距离孔口较远的区域，抽采效果差。随着钻孔长度增加，在瓦斯气体流动沿孔长方向的负压不断衰减，钻孔负压与瓦斯抽采量有着密切关系 27，负压升高，抽采量增加，反之则减小。为了得出抽采钻孔孔内负压沿孔长的分布规律，将瓦斯在抽采钻孔中的流动看成流体在圆管中的流动，应用有限元分析方法，得到各区段内沿程阻力的公式，并进一步得到了计算抽采钻孔内负压衰减的公式。另外，抽采负压与抽采时间也有密切联系 28，瓦斯抽采的时间越短，钻孔内的负压损失量越大，随着抽采时间的增加，钻孔内负压损失量也随之减小，且减小的速度逐渐减慢。3总结及展望1）定向长钻孔技术最大的优势在于精准的钻进至预定层位，从而使抽采效果与传统钻孔相比，有很大提升。因此随着科学技术的发展与煤矿安全高效生产的实际需求，应积极研发高精度的钻探设备，保证钻孔轨迹在煤岩层中可以准确预测与控制，并结合“三带”、“O”型圈和瓦斯流动等基础理论，确定最佳的终孔位置。2）定向长钻孔的另一大优势在于可以实现超远距离抽采，随着钻孔长度的增加，长钻孔的负压不断衰减，因此分析沿孔长方向负压衰减与孔口负压、钻孔直径、钻孔流量、钻孔长度之间的关系，阐明定向顺层长钻孔沿孔长方向负压衰减机理，对优化顺层布控间距、布控直径和布控长度有重要意义。最后，根据我国煤矿井下煤层的赋存条件，通过数值模拟、理论分析与现场实践相结合的办法，优化布孔位置，从而实现高效抽采。2023 年第 2 期煤矿现代化第 32 卷82（上接第 78 页）落柱的分布规律、地表揭露情况、井下揭露情况、陷落柱伴生构造等进行预测，对未开采区域陷落柱分布预测。井田大部分区域带压开采，推断的陷落柱多发区域应加强陷落柱的探查治理，确保安全开采。1）本井田揭露的陷落柱平面形状多为椭圆形和似圆形，长轴与短轴比值多在 1.12.0 之间，长轴方向以 SE 方向居多，与地层倾向大体一致。陷落柱在冒落过程中，柱边围岩因卸载，在重力作用下，围岩裂隙向上扩展、发育，裂隙宽度增大，个别有淋水现象，绝大部分陷落柱不导水。2）地表调查未发现有岩溶塌陷坑，另井田内陷落柱柱体充填物为上覆岩层，主要以泥岩、砂岩为主，混合少量煤屑，未发现有二叠系上统石盒子组紫色、紫红色砂岩，推测井田内陷落柱只发育至二叠系下统石盒子组层位，并未继续向上发育。3）通过对隔水层的岩性进行分析，及已揭露的陷落柱分析，本井田以锥形陷落柱的发育为主。主要集中发育在受 F2 断层和什林断层控制的地下水径流汇集区（井田中南部），其他部位分布较少且比较零散，预计五采区南部和六采区西南部集中发育（图6 中所示橙线区域）。参考文献：1 李慎举.辛置井田陷落柱发育特征分析J.山西煤炭，2015（6）：75-77.2 赵永强，刘彦俊，王春海.李雅庄井田区地下水运移规律及水质特征研究.J.山西煤炭，2015，35（2）：13-15.3 彭纪超，张渝，胡社荣.山西省煤田区陷落柱分布规律与成因模式J.科技导报，2015，33（11）：17-22.4 李学伟，陈国庆，薛晓峰，等.霍州煤电集团有限责任公司李雅庄井田生产地质报告R.太原：山西省煤炭地质 144勘查院，2017.5 张敬凯，傅耀军，岑世宏等.山西曹村井田岩溶陷落柱发育特征.J.地球科技，2014，（8）：46-50.第一作者简介：李雄（1987-），男，山西运城人，工程师，2011 年毕业于河北工程大学资源勘查工程专业，主要从事煤矿地质及水文地质技术工作。（收稿日期：2022-9-15）参考文献：1 邓军，王凯，翟小伟，等.高地温环境对煤自燃特性影响的试验研究J.煤矿安全，2014，45（3）13-15.2 王耀锋.中国煤矿瓦斯抽采技术装备现状与展望J.煤矿安全，2020，51（10）67-77.3 赵建国.煤层顶板高位定向钻孔施工技术与发展趋势J.煤炭科学技术，2017，45（6）137-141，195.4 谢和平，周宏伟，薛东杰，高峰.我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程J.煤炭学报，2014，39（8）1391-1397.5 董昌乐.煤矿井下定向钻进技术及其发展趋势J.煤炭科学技术，2015，43（5）106-110.6 李杰.定向高位长钻孔抽采位置确定及瓦斯治理效果J.煤炭科学技术，2014，42（12）51-53，57.7 徐刚，王云龙，张天军，等.厚煤层采动覆岩裂隙分布特征及卸压瓦斯抽采技术J.煤矿安全，2020，51（1）150-155.8 耿增洋.山西德通煤矿高位瓦斯抽采定向长钻孔轨迹偏移规律研究D.西安科技大学，2018.9 程志恒，卢云，苏士龙，刘彦青，陈亮.采空区顶板高位走向长钻孔高效抽采瓦斯机理研究J.煤炭科学技术，2020，48（2）136-142.10 许超，刘飞，方俊.高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及抽采效果分析J.煤炭工程，2017，49（6）78-81.11 年军，高巍，李润芝，王伟.以孔代巷瓦斯抽采布孔间距模拟及试验研究 J.中国安全科学学报，2019，29（5）117-123.12 张杰.煤矿井下定向钻孔轨迹预测技术 J.煤矿安全，2015，46（10）83-86.13 孙涛，吝伶艳，刘宗伟，宋建成，王雪.煤矿井下定向钻孔轨迹预测方法研究J.煤矿开采，2019，24（1）22-25，15.14 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