松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究_牛心刚.pdf

松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究*牛心刚1，徐瑞2，孙东玲1，张永将1，曹建军1，李健2（1.中煤科工集团重庆研究院有限公司 瓦斯研究分院，重庆400037；2.淮北矿业股份有限公司，安徽 淮北235000）摘要：针对松软煤层顺煤层定向瓦斯治理钻孔打不深、打不准、成孔率低的难题，详细分析了现有顺层定向钻进的技术瓶颈，创新尝试使用了底板定向梳状条带消突钻孔，突破了主孔快速开分支、分支孔水力下筛管护孔等技术难题，并选取杨柳煤矿1077中段机巷进行现场试验，在煤层坚固性系数为0.46的松软层中，共完成总进尺8 494 m，实验效果达到设计要求。现场试验表明，底板定向梳状条带消突钻孔有效缓解了采掘接替紧张局面，提高了矿井钻孔施工及瓦斯治理技术水平，为松软煤层定向瓦斯治理钻孔施工提供了新的技术思路。关键词：松软煤层；顺层定向钻进；瓦斯治理；筛管护孔中图分类号：TD712文献标志码：A文章编号：1008 8725（2023）02 047 04Application Test Research of Bedding Directional Drilling Technologyin Soft Coal Seam in Yangliu MineNIU Xingang1,XU Rui2,SUN Dongling1,ZHANG Yongjiang1,CAO Jianjun1,LI Jian2(1.Gas Research Branch,China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute,Chongqing400037,China;2.Huaibei Mining Co.,Ltd.,Huaibei 235000,China)Abstract：Aiming at the problems of inadequate drilling,inaccurate drilling,and low hole formationrate for directional gas control in soft coal seams,the technical bottleneck of the existing beddingdirectional drilling was analyzed in detail,and an innovative attempt was made to use the floordirectional comb strip to eliminate bursting holes broke through the technical problems such as rapidbranching of the main hole and hydraulic screen protection of the branch holes.The mechanicalroadway in the middle section of Yangliu coal mine 1077 was selected for on-site testing.The resultswere completed in a soft layer with a coal seam firmness coefficient of 0.46.The total footage is 8 494 m,and the experimental results meet the design requirements.Field tests have shown that the directionalcomb-shaped strip outburst-eliminating drilling on the floor effectively alleviates the tension of miningreplacement,improves the technical level of mine drilling and gas control,and provides a new technicalidea for the drilling of directional gas control in soft coal seams.Key words:soft coal seam;bedding directional drilling;gas treatment;screen pipe protection第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0110引言众所周知，煤炭在我国一次能源生产和消费中的比重一直占据主导地位，近年来虽然瓦斯灾害事故起数和死亡人数一直呈下降趋势，但较大以上煤矿事故中瓦斯灾害的事故起数和死亡人数所占比例仍较高。防治瓦斯事故最根本的方法就是将瓦斯从煤层中抽采出来，但由于我国煤矿区煤层赋存条件差距较大，尤其在两淮、贵州、豫西、阳泉等地煤层赋存普遍具有松软、低透、含量高等特征，对该类煤层的瓦斯抽采钻孔施工技术一直是亟待攻克的关键技术难题，严重制约该类煤层的瓦斯安全高效治理，顺层钻孔施工长度短、成孔维护难，而穿层钻孔抽采成本高、效率低，均难以适应当前煤矿安全高产高效的技术要求。随着近年来定向钻进技术的不断成熟，已成为当前瓦斯高效抽采的重要技术方向，多家科研单位相继试验了异形钻杆排渣钻进、气动钻进、泡沫钻进等多种施工工艺，但受困于松软煤层易出现喷孔、塌孔、卡钻等孔内事故均未取得成功。综合以上存在的问题，本文将结合气动定向钻进技术和液动定向钻进技术的优点，采用定向钻孔进行瓦斯抽采，并以杨柳煤矿为试验矿井开展了相关现场实验研究，实现了松软煤层钻进轨迹可控无盲区、顺煤层段分支孔成孔率高、护孔效果好、延伸距离长的目的，进而达到了松软煤层瓦斯高效治理的目的，本技术可为同类条件矿井提供重要的参考*天地科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目（2021-2-TD-ZD008）；国家重点实验室开放基金项目（SKLMRDPC20KF01）47借鉴作用。1杨柳煤矿概况1.1试验矿井基本情况杨柳煤矿位于安徽省濉溪县境内，采用立井水平大巷开拓方式，一水平标高为-569 m，井田地表为平原，标高在+27m左右，矿井设计生产能力为1.8Mt/a，矿井可采煤层自上而下分别为31、32、51、72、81、82、10煤层，其中82、10煤层为主采煤层。10煤层赋存稳定，储量丰富，煤厚一般在24.2 m，平均煤厚3.05 m；82煤层结构较简单，煤厚03.99 m，平均1.63 m。矿井于2011年12月底投产以来，一直仅开采10煤层。本次试验选择位于井田北部的107采区1077工作面机巷中段条带区域，在107采区实测10煤层最大瓦斯压力为2.65 MPa，最大瓦斯含量9.99 m3/t。该区域煤厚1.45.74 m，平均3.5 m，属中厚-厚煤层，以中厚煤层为主，在机巷方向上整体呈上山趋势，倾角011，平均7。煤层顶板以砂岩、泥岩为主，底板以粉砂岩、细砂岩为主。1.2杨柳煤矿当前瓦斯预抽方式矿井选取10煤层作为8煤层下保护层开采，在保护层10煤层的非突出危险区和突出危险区执行的煤巷掘进、回采工作面的抽采措施均不相同。非突出危险区煤巷掘进采用超前探查排放钻孔掩护，同时执行工作面突出危险性循环预测措施，当预测指标超限时采取超前排放钻孔等局部防突措施。突出危险区煤巷掘进采用底板穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯防突措施，掘进时采取工作面突出危险性循环预测措施，当预测指标超限采取超前排放钻孔等局部防突措施；突出危险区揭煤巷道在距10煤层法距7 m位置前施工穿层预抽钻孔，钻孔网格控制到揭煤巷道轮廓线两侧12 m、法距5 m内的10煤层，经预抽效果评判合格后，方可进行揭煤作业程序。非突出危险区采煤工作面采用由机巷、风巷向工作面施工顺层钻孔预抽，同时执行工作面突出危险性循环预测措施，当预测指标超限时采取排放钻孔等局部防突措施。突出危险区采煤工作面采用由机巷、风巷向工作面施工顺层钻孔，顺层孔未施工到的盲区利用底板穿层孔补充的预抽方式。区域措施效果检验有效后，工作面回采过程中仍执行工作面突出危险性循环预测措施，当预测指标超限时采取排放钻孔等局部防突措施。以上突出危险区煤巷条带和采煤工作面的预抽手段虽然能够确保煤巷掘进和工作面回采安全，但是瓦斯治理工程量太大、全流程治理成本太高、抽采周期太久，严重制约了矿井高产高效生产。2试验区钻孔设计及施工情况2.1钻孔设计情况试验区域利用1077里段机抽巷钻场（距煤层法距20 m）施工1077机巷中段条带顺层定向钻孔，钻孔分2段施工，第1段（即上部孔组）设计7个钻孔，中间孔沿巷道中线布置，两侧各布置3个钻孔，孔间距6 m，控制巷道两帮轮廓线外15 m，钻孔设计100 m左右进入煤层后顺煤层施工，设计终孔深度200 m；第2段（即上部孔组）亦设计7个钻孔，中间孔沿巷道中线布置，两侧各布置3个钻孔，孔间距6 m，控制巷道两帮轮廓线外15 m，钻孔设计190200 m（与第1段钻孔压茬）进入煤层后顺煤层施工，设计终孔深度520 m左右（无法1次施工到位时在岩石段开分支继续压茬顺层施工）。钻孔设计平、剖面图如图1、图2所示。图1钻孔设计平面图图2钻孔设计剖面图2.2钻孔施工情况1077机巷中段条带顺层定向钻孔工程于2020年3月上旬开钻，到2020年10月下旬工程竣工，共施工14个定向钻孔，最大孔深561 m，总进尺8 494 m。第1段（即上部孔组）共施工钻孔7个，总进尺1 400 m，钻孔100 m左右见煤，顺煤层施工至200 m左右终孔，岩孔段采用液动定向钻进，见煤后换用气动定向钻进沿煤层施工，穿煤后提钻。第2段（即下部孔组）共计施工钻孔7个，总进尺7 094 m，最大孔深561 m，钻孔主要采用底板梳状钻孔的方式进行定向钻进施工，即通过在成孔性好的底板岩层采用液动定向钻进，见煤后换用气动定向钻进沿煤层施工，穿煤后提钻再利用定向开分支技术，每间隔一定距离，从岩孔段向煤层中分段施工梳状分支孔顺煤层施工。钻孔竣工平、剖面图如图3、图4所示。图3钻孔竣工平面图松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究牛心刚，等第42卷第02期Vol.42 No.021077里段机抽巷-550-540-530-520-510-500-4901077风巷1077设计机巷上部孔组设计孔深200 m下部孔组设计孔深400 m上部孔组设计见煤点96 m下部孔组设计见煤点180 m下部孔组设计分支点1077里段机抽巷-480-500-520-540-560-580标高/m1077里段机抽巷-550-540-530-520-510-500-4901077风巷1077设计机巷48图4钻孔竣工剖面图（以其中1组上部孔、下部孔为例）2.3存在的问题及解决方法经本次试验发现顺层钻进技术存在的工艺技术难题：(1)首先本次试验尝试了液动马达钻进和气动马达钻进的工艺技术，结果表明：如果全孔段均采用液动马达定向钻进，在岩孔段效果较好，在煤孔段由于煤层较软，而液动马达震动大、用水量大对煤层破坏严重，钻进过程中产渣量太大，导致钻孔返渣困难容易抱死钻杆导致严重的孔内事故；如果全孔段均采用风动马达定向钻进，在煤孔段钻进效果较好，但由于风动马达螺杆强度低、稳定性差，在岩孔段钻进效率低、风动马达和钻杆事故率高。(2)顺煤层施工定向困难，钻孔见煤后倾角抬升快，分支孔顺煤层施工长度短，为达到设计深度大幅增加了分支孔数量，考虑到每次开分支需多次提续钻工序，极大增加了工人劳动强度、严重影响工期。(3)分支孔施工完成后，如不及时采取护孔措施，煤孔段易塌孔，严重影响后期瓦斯抽采效果。最终经反复试验摸索，总结出了适用杨柳煤矿1077中段机巷定向顺层钻进的工艺方法。在岩孔段使用液动螺杆马达施工，并控制见煤夹角（尽可能地减小见煤时钻孔与煤层的夹角，以增加每个分支孔的顺层段长度），见煤后采用气动马达顺煤层施工。同时，探索了该条件下的定向钻进快速开分支技术、分支孔水力下筛管技术，均取得了良好的应用效果。3关键技术创新突破3.1定向钻孔快速开分支技术由于通过在岩性相对较好的岩孔段定向开分支进入煤层钻进，能够显著提高主孔利用率、大幅减少穿层钻孔工程量，该技术应用前景非常广阔，前人也做了大量研究。本次采用“前进式”开分支方式施工，先钻进主孔ad段，连续施工第1个分支孔dbc段，达到预定深度后退钻至合适位置，继续施工第2个分支孔def段，重复以上工序进行施工，直至达到终孔深度提钻完成钻进工作。开分支示意图如图5所示。图5钻孔定向开分支示意图通过本次试验形成如下关键工艺技术：(1)主动预留分支点工具面从0连续上调倾角（至少12 m），保证钻孔曲率大于1/(3 m)，对预留分支点前后各15 m进行复测，选取最佳分支点。(2)快速开分支施工首先对分支点后200 mm孔段进行复合回转扫孔，时间不低于1 h；接着调整工具面至180，泵量控制在260300 L/min，开分支第1 m施工结束后进行定向扫孔12次，给进速度控制在1 cm/min，第2 m施工结束后进行定向扫孔1次，给进速度控制在1.5 cm/min，第39 m控制给进速度在1.52 cm/min；最后在工具面180开分支施工9 m后，根据实钻轨迹调整工具面至90或270继续开分支施工36 m，给进速度控制在23 cm/min。(3)开分支成败判据通过对比分支孔实测数据与主孔复测数据的变化大小（0.5以上）；注意观察开分支过程中返水是否变浑，相同给进速度情况下给进压力是否变大。(4)对于弯曲强度低，开分支难度大的分支点可采用在钻头与马达之间加增斜螺旋短接来增加螺杆马达的造斜能力的办法来增减开分支的成功率。孔底马达增斜螺旋短接如图6所示。图6孔底马达增斜螺旋短接示意图1.73 mm螺旋钻杆2.绝缘短节3.螺旋探管外管（81 mm）4.下无磁钻杆（81 mm）5外螺旋空气螺杆马达6.钻头（108 mm）7.螺旋短节3.2分支孔水力下筛管技术当前国内对松软煤层顺层孔下筛管技术进行了大量的研究探索，既有待钻孔施工完成后退钻重新下筛管方式，亦有随钻全孔段下筛管方式，但目前已有技术仅限于对常规钻孔或者定向钻孔主孔段下筛管方面，对于定向钻孔分支孔下套管技术却鲜有报道。本次试验主要考察了定向顺层分支孔下筛管工艺，并取得了较好的应用效果。本试验研究的定向顺层分支孔下筛管技术原理是使用高压水通过大通孔钻杆将一定长度的筛管输送至孔底固定，从而实现仅对分支孔的煤孔段下筛管护孔的目的，其施工工艺如下：首先待主孔和分支孔施工完成后，提钻更换三翼可开闭式钻头和大通径钻杆二次钻进至距孔底5 m左右位置；接着在PVC筛管前端安装筛管悬挂固定装置，如图7所示，之后将筛管直接下入大通径钻杆内，且所下放筛管长度应与煤孔段长度相当（筛管宜比煤孔段略长松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究牛心刚，等第42卷第02期Vol.42 No.02上部孔组终孔位置下部孔组终孔位置上部孔组见煤点下部孔组见煤点1077里段机抽巷-480-500-520-540-560-580标高/m下部孔组分支点gifchebda76543214910 m左右，且筛管前端安装堵头）；开启泥浆泵用高压水将筛管输送至孔底后提钻即可。图7PVC筛管悬挂固定装置现场实物图4结语(1)通过在杨柳煤矿1077机巷条带中段施工顺层定向钻孔，探索了松软煤层顺层定向钻孔施工工艺技术，共施工14个定向钻孔，最大孔深561 m，合计进尺8 494 m，钻孔施工速度、单孔进尺等均达到设计要求。(2)本次分支孔施工过程中形成了一整套岩孔段快速定向开分支技术，通过主孔段开分支施工顺层定向钻孔预抽煤巷条带瓦斯技术，节省了底板岩巷，取得经济效益和时间效益双丰收，同时大幅减少了瓦斯治理钻孔工程量、缩短了工期。(3)创新形成了煤孔段分支孔下放筛管护孔技术，对松软煤层定向钻进技术具有较高的参考价值。参考文献：1张群,葛春贵,李伟,等.碎软低渗煤层顶板水平井分段压裂煤层气高效抽采模式J.煤炭学报,2018,43(1):150-159.2孙四清,张群,闫志铭,等.碎软低渗高突煤层井下长钻孔整体水力压裂增透工程实践J.煤炭学报,2017,42(9):2337-2344.3王永龙,孙玉宁,王振锋,等.松软突出煤层钻进钻孔堵塞力学特征J.煤炭学报,2015,40(S1):119-125.4李胜,罗明坤,周利峰,等.高瓦斯综采工作面瓦斯立体抽采技术与应用J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2018,37(2):244-250.5石智军,刘建林,李泉新.我国煤矿区钻进技术装备发展与应用J.煤炭科学技术,2018,46(4):1-6.6董昌乐,董萌萌,赵建国,等.整体式螺旋钻杆的研制及应用J.煤田地质与勘探,2016,44(5):164-167.7董昌乐,田东庄,赵建国,等.煤矿井下大直径定向长钻孔扩孔用钻杆研制J.煤炭科学技术,2018,46(9):196-201.8殷新胜,刘建林,冀前辉.松软煤层中风压空气钻进技术与装备J.煤矿安全,2012,43(7):63-65.9张杰,王毅,黄寒静.软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备J.煤田地质与勘探,2020,48(2):36-41.10方俊,刘飞,李泉新,等.煤矿井下碎软煤层空气复合定向钻进技术与装备J.煤炭科学技术,2019,47(2):224-229.11殷新胜,刘建林,刘勇.松软煤层瓦斯抽采长钻孔泡沫钻进工艺J.煤矿安全,2014,45(11):5-8.12王超杰,杨胜强,蒋承林,等.煤巷工作面突出预测钻孔动力现象演化机制及关联性探讨J.煤炭学报,2017,42(9):2327-2336.13姚宁平,张杰,张国亮,等.晋城矿区井下梳状钻孔瓦斯抽采技术体系J.煤炭科学技术,2015,43(2):88-91,95.14管强盛.底板梳状定向钻孔技术理论与实践J.煤矿安全,2019,50(2):72-75.15孙荣军.新型三翼可开闭式PDC钻头的设计与应用J.煤炭工程,2017,49(6):132-134,138.16孙荣军,童碧,侯超,等.一种铰接型内心可开闭式钻头:陕西,CN202767888UP.2013-03-06.17陈功胜,高艳忠.松软煤层瓦斯抽采钻孔不提钻下入筛管技术J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2014,33(5):592-596.18肖丽辉,李克松,徐树斌.下筛管专用钻头的研制及其应用J.煤炭技术,2014,33(5):197-199.19李强,叶嗣暄,金新.松软煤层顺层孔筛管护孔工艺及装备应用J.煤炭科学技术,2017,45(6):147-151.20孟战成.顺层瓦斯抽采钻孔全程下筛管技术和装置的研究与应用J.煤炭工程,2019,51(3):54-59.作者简介：牛心刚（1990-），安徽淮北人，副研究员，博士研究生，研究方向：煤岩瓦斯动力灾害防治，电子信箱：.责任编辑：王泽兰收稿日期：20220321松软煤层顺层定向钻进技术在杨柳矿的应用试验研究牛心刚，等第42卷第02期Vol.42 No.0250