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煤礦井下順層千米枝狀長鉆孔抽采煤層氣新技術
杜子健1 劉子龍2
（1.煤炭科學研究總院重慶分院；2.山西亞美大寧能源有限公司）
摘要 介紹了使用引進千米鉆機在大寧煤礦井下實現(xiàn)順層千米枝狀長鉆孔的成孔試驗，最長的VLD定向鉆孔達到了1005m（深度）。進行了千米枝狀長鉆孔抽采瓦斯的工藝技術研究及相應的抽采效果考察，并取得了良好的效果。大寧礦首采面經(jīng)過1.5年的預抽，預抽率約達到49%，礦井的瓦斯抽采率達到70.35%。
關鍵詞 井下瓦斯抽采 定向千米鉆機 順層千米枝狀長鉆孔 預抽率 鉆孔參數(shù) 抽采效果
New Technology of Extracting CBM by Underground Long-reach Treelike Drilling Along Coal Seams
Du Zijian1，Liu Zilong2
（1.Chongqing Branch of Research Institute of Coal Science；2.Shanxi Asia-American Da'ning Energy Company，Ltd）
Abstract：This article introduced the drilling experience of using underground long reach treelike drilling along coal seams in Daning coalmine.The longest directional VLD hole reached 1005meters.The drilling technology for one thousand meter reach and extraction effects of gas were studied in this case.It was proved that the extraction effects by using the underground long reach treelike drilling along coal seams in Daning coalmine are satisfactory.The rate of extraction was about 49 percent after extraction of one and half year at the first mining areas and the recovery of coal gas will reach 70.35 percent.
Keywords：Underground extraction of coal gas；one thousand meter directional drilling unit；long reach treelike drilling along seams；pre-extraction rate；drilling parameters；extraction effects
前言
據(jù)統(tǒng)計，自2001年至2005年2月底，全國煤礦共發(fā)生一次死亡30入以上的事故28起，死亡1689入。其中瓦斯事故24起，死亡1558人，瓦斯事故起數(shù)和死亡入數(shù)分別占總數(shù)的85.71%和92.2%。礦井瓦斯災害已成為當前我國煤礦安全生產(chǎn)的重大問題，礦井安全生產(chǎn)形勢亟待改變。
從國家“先抽后采”的產(chǎn)業(yè)政策以及瓦斯治理的技術層面來看，治理礦井瓦斯災害的根本在于礦井瓦斯抽采。礦井瓦斯抽采具有促進煤礦安全生產(chǎn)、充分利用潔凈資源、保護大氣環(huán)境等一系列綜合效益。一方面，瓦斯作為煤礦井下最主要的有害氣體，加強井下瓦斯抽采能從根本上減少煤礦的瓦斯涌出量，有利于確保礦井安全、解放礦井生產(chǎn)力；另一方面，抽采并利用瓦斯能夠顯著增加潔凈資源供給、改善和優(yōu)化能源結構；此外，瓦斯還是一種很強的溫室氣體，抽采和利用瓦斯減少了煤炭開采過程中排入大氣的瓦斯量，保護了大氣環(huán)境。
然而，我國許多礦井的瓦斯抽采過去一直受到鉆機裝備及長鉆孔成孔、抽采瓦斯技術等因素制約。一方面，雖然國內(nèi)已有的鉆機實現(xiàn)了800m 長度的鉆孔施工，但在鉆孔定向、測斜技術方面尚不完善，且采用的不是孔底馬達鉆進工藝，目前國內(nèi)尚無真正意義上的定向千米鉆機，長鉆孔施工缺少相應裝備。另一方面，我國煤層條件復雜，長鉆孔成孔工藝難度較大，目前利用國內(nèi)鉆機進行順層鉆孔施工，在煤與瓦斯突出礦井實現(xiàn)了250m的鉆孔，在煤層條件較好（f=1～2）的晉城寺河礦較成功的鉆進深度可達500m（無定向、測斜功能）。但總的說來，大面積預抽防治瓦斯的措施在礦井中實施仍然受到很大限制。
為此，國家“十五”科技攻關《煤層氣井下開發(fā)成套工藝技術應用研究》項目以引進國外千米鉆機、自主研發(fā)千米鉆機長鉆孔抽采瓦斯工藝技術的方式進行了技術攻關，實現(xiàn)了位于晉城礦區(qū)的最長的定向鉆孔，達到了1005m，試驗鉆孔的長度多數(shù)在800m 以上，在此基礎上進行了千米枝狀長鉆孔抽采瓦斯的工藝技術研究及相應的抽采效果考察，并取得了良好的效果。
1 試驗礦井
山西亞美大寧能源有限公司（以下簡稱“大寧礦”）即原晉城市大寧一號礦井，是目前中國唯一的中外合作生產(chǎn)的井工煤礦。礦井設計生產(chǎn)能力400萬噸。開采煤系地層屬下二疊系山西組、石炭系太原組、本溪組。煤系地層總厚度151m，共含煤10～22層，其中可采和局部可采有3層。礦井主要開采的3＃煤層屬中等變質(zhì)程度的無煙煤，近水平賦存，厚度2.21～6.97m，平均4.45m，煤的堅固性系數(shù)f為1～2，該煤層富含瓦斯，煤層瓦斯含量 11.15～16.53m3/t，煤層瓦斯壓力 0.69～1.16MPa，煤層透氣性系數(shù)1.3～1.95mD。
礦井于2005年7月建成投產(chǎn)，礦井瓦斯抽采量從2002年的18.28m3/min上升到目前的184.8m3/min。礦井抽采瓦斯?jié)舛冗_到55%以上，礦井瓦斯抽采率高達70%，瓦斯抽采取得了明顯效果。
2 千米鉆機及井下順層千米枝狀長鉆孔成孔試驗
2.1 VLD-1000 定向千米鉆機
試驗選用澳大利亞生產(chǎn)的VLD-1000型孔底馬達式定向千米鉆機，如圖1所示。鉆機由行走機構、動力系統(tǒng)、鉆進系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及測斜定向系統(tǒng)組成。
鉆機采用孔底馬達進行鉆進，不需要鉆桿的旋轉，孔底馬達是靠高壓水進行驅動，進給速度是每分鐘0～5m，而回收鉆桿時的速度可以達每分鐘0～20m的高速度。采用孔底馬達鉆進，減少了鉆桿與鉆孔的摩擦阻力，因而該鉆機在較小動力損失的情況下具有超過1000m的鉆進能力。
鉆機主要技術參數(shù)為：
圖1 VLD-1000定向千米鉆機
鉆進長度：1000m；
電機功率90kW（1140V、50Hz）；
測斜定向系統(tǒng)測量精度：上下偏差±0.2度，水平偏差±0.5度；
鉆機總重：8500kg；
外形尺寸：4000mm（長）×2000mm（寬）×1600mm（高）。
2.2 井下順層千米枝狀長鉆孔成孔試驗
VLD定向鉆機從2003年4月開始在山西亞美大寧能源有限公司調(diào)試、運行。如圖2所示，從開始運行到2004年4月末的整一年中，總共鉆進進尺為78484m，創(chuàng)下了 VLD單臺定向鉆機在井下定向鉆進的世界紀錄。到9月底，VLD鉆機已經(jīng)完成了定向鉆孔160個，總進尺達到了112716m。在山西亞美大寧能源有限公司最長的VLD定向鉆孔達到了1005m（深度），多數(shù)鉆孔的長度在800m（深度）以上。
2005年以來，千米鉆機井下施工抽采鉆孔已在大寧礦成為礦井的常規(guī)工作。
在試驗中重點試驗了順層縱剖面上的定向、調(diào)斜鉆進，圖3為V-P2 T22-20號鉆孔測定的實際鉆孔軌跡圖（縱剖面）。
如圖2所示，在試驗中，還進行了鉆孔在鉆進過程中順層平面進行的分枝鉆進，即在1個開孔位鉆進過程中，利用千米鉆機的調(diào)斜功能，實現(xiàn)1個開孔段、多個分支段的順層分枝狀長鉆孔（即順層千米枝狀長鉆孔）成孔。
圖2 大寧礦順層千米鉆機枝狀長鉆孔施工竣工圖
圖3 V-P2T22-20號鉆孔實際鉆孔縱剖面軌跡圖
3 順層千米枝狀長鉆孔抽采瓦斯試驗
3.1 試驗工作情況
在進行千米鉆機長鉆孔成孔工藝研究的同時，還對不同深度的鉆孔的抽采效果進行了現(xiàn)場試驗和考察。如表1所示，重點考察了鉆孔深度為800m組、600m組、400m 組等不同深度〔“鉆孔深度”是指鉆孔開孔點距鉆孔終孔點的長度，“鉆進總長度”為鉆孔開孔點與鉆孔終孔點間的所有鉆孔調(diào)斜（平面上及剖面上）、分支鉆孔的總的鉆進長度〕鉆孔的抽采瓦斯情況。
鉆孔深度為800m組的鉆孔深度范圍為801～852m、鉆進總長度為849～1548m，考察時間為371～833 d。
鉆孔深度為600m組的鉆孔深度范圍為513～714m、鉆進總長度為720～1062m，考察時間為379～836 d。
鉆孔深度為400m組的鉆孔深度范圍為363～426m、鉆進總長度為597～966m，考察時間為413～598 d。
表1 順層千米鉆機枝狀長鉆孔抽采效果考察匯總表
續(xù)表
注：表中“鉆孔深度”是指鉆孔開孔點距鉆孔終孔點的長度；“鉆進總長度”為鉆孔開孔點與鉆孔終孔點間的所有鉆孔調(diào)斜（平面上及剖面上）、枝狀長鉆孔的總的鉆進長度；表中每百米鉆孔的抽采量均以鉆進總長度為基礎而計算。
3.2 抽采瓦斯效果考察
3.2.1 鉆孔深度800m 組鉆孔抽采情況
如前所述，鉆孔深度為800m組別的鉆孔深度范圍為801～852m、鉆進總長度為849～1548m，考察時間為371～833 d。
圖4 P5T22-11鉆孔抽采效果考察圖
在試驗中對表1所列的5個鉆孔深度為800m的鉆孔的抽采情況進行了全過程監(jiān)測，現(xiàn)對P5 T22-11鉆孔的情況詳述如下。
P5T22-11鉆孔開口傾角2.46°，完鉆時間2003年8月5日，鉆孔直徑94mm、深度801m，鉆進總長度1014m?？疾鞎r間至2005年11月15日，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛燃俺椴闪壳闆r如圖4所示。
如圖4所示，P5T22-11 鉆孔從開始接抽起，百米鉆孔抽采量為0.55m3/min·hm，抽采瓦斯?jié)舛冗_到97%左右。以后隨著抽采時間的延續(xù)，抽采濃度、抽采量隨抽采時間呈負指數(shù)規(guī)律逐漸下降，直到最后百米鉆孔抽采量為0.02m3/min·hm，抽采濃度為20%左右。鉆孔抽采負壓為10～13kPa左右。百米鉆孔抽采量與抽采時間的關系如下式。
q=0.5459e-0.0045t （1）
式中：q——百米鉆孔抽采量，m3/min·hm；t——抽采時間，d。
綜合本組其他鉆孔的抽采效果考察，如表1所示，鉆孔深度800m 組的鉆孔抽采情況平均為：鉆孔深度821.4m，鉆進總長度1137m，抽采時間643.8d，鉆孔平均抽采量為1.59m3/min，百米鉆孔平均抽采量為0.14m3/min·hm。
3.2.2 鉆孔深度600m 組鉆孔抽采情況
鉆孔深度為600m組別的鉆孔深度范圍為513～714m、鉆進總長度為720～1062m，考察時間為379～836 d。
在試驗中對表1所列的5個鉆孔深度為600m的鉆孔的抽采情況進行了全過程監(jiān)測，現(xiàn)對P2 T22-12鉆孔的情況詳述如下。
P2T22-12鉆孔開口傾角2.63°，完鉆時間2003年8月8日，鉆孔直徑94mm、深度640m，鉆進總長度790m?？疾鞎r間至2005年7月1日，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛燃俺椴闪壳闆r如圖5所示。
圖5 P2T22-12鉆孔抽采效果考察圖
如圖5所示，P2T22-12 鉆孔從開始接抽起，百米鉆孔抽采量為0.42m3/min·hm，抽采濃度達到95%左右。以后隨著抽采時間的延續(xù)，抽采濃度、抽采量隨抽采時間呈負指數(shù)規(guī)律逐漸下降，直到最后百米鉆孔抽采量為0.03m3/min·hm，抽采濃度為22%左右。鉆孔抽采負壓為10～13kPa左右。百米鉆孔鉆孔抽采量與抽采時間的關系如下式。
q=0.5924e-0.0049t （2）
綜合本組其他鉆孔的抽采效果考察，如表1所示，鉆孔深度600m 組鉆孔抽采情況平均為：鉆孔深度618.60m，鉆進總長度911.00m，抽采時間662.20d，鉆孔平均抽采量為1.52m3/min。
3.2.3 鉆孔深度400m 組鉆孔抽采情況
如前述，鉆孔深度為400m 組的鉆孔深度范圍為363～426m、鉆進總長度為597～966m，考察時間為413～598 d。
在試驗中對表1所列的5個鉆孔深度為400m 組別的鉆孔的抽采情況進行了全過程監(jiān)測，現(xiàn)對W12 S27-5鉆孔的情況詳述如下。
W12S27-5鉆孔開口傾角1.38°，完鉆時間2004年7月8日，鉆孔直徑94mm、深度363m，鉆進總長度660m?？疾鞎r間至2005年10月21日，鉆孔抽采瓦斯?jié)舛燃俺椴闪壳闆r如圖6所示。
圖6 W12S27-5鉆孔抽采效果考察圖
如圖6所示，W12S27-5 鉆孔從開始接抽起，百米鉆孔抽采量為0.60m3/min·hm，抽采濃度達到99%左右。以后隨著抽采時間的延續(xù)，抽采濃度、抽采量隨抽采時間呈負指數(shù)規(guī)律逐漸下降，直到最后百米鉆孔抽采量為0.10m3/min·hm，抽采濃度為40%左右。鉆孔抽采負壓為10～13kPa左右。百米鉆孔鉆孔抽采量與抽采時間的關系如下式。
q=0.6998e-0.0053t （3）
綜合本組其他鉆孔的抽采效果考察，如表1所示，鉆孔深度400m 組鉆孔抽采情況平均為：鉆孔深度389.80m，鉆進總長度720.6m，抽采時間535.40d，鉆孔平均抽采量為1.90m3/min。
4 順層千米枝狀長鉆孔抽采效果評價分析
4.1 不同長度鉆孔抽采效果
對鉆孔深度為800m組、600m組、400m組的典型鉆孔的抽采模式分析不同鉆孔長度的抽采效果如表2所示。從表中數(shù)據(jù)分析得出，鉆孔深度為800m 組的鉆孔總鉆進長度是鉆孔深度400m組的153%，其抽采第1年、第2年及800 d的總累計抽采量是鉆孔深度400m組的133%～139%；鉆孔深度為600m 組的鉆孔總鉆進長度是鉆孔深度400m 組的120%，其抽采第1年、第2年及800 d的總累計抽采量是鉆孔深度400m 組的106%～120%。由此可見，隨著鉆孔深度的增加，鉆孔的累計抽采總量也相應增加，說明增加鉆孔長度對提高抽采效果是可行的。這樣，在煤礦井下實施千米鉆孔后，可在大幅度減少抽采巷道工程量的情況下，實現(xiàn)煤層大面積預抽。
表2 不同長度千米枝狀長鉆孔抽采效果分析表
分析表2中的數(shù)據(jù)，由于試驗鉆孔均在大寧礦的首采各盤區(qū)，在分枝基本一致的條件下，其抽采特性（相同長度鉆孔的抽采量與時間的關系）應基本一致，即可以認為鉆孔長度為660m以內(nèi)的鉆孔抽采特性符合400m 組的特性，660～790m的鉆孔抽采特性符合600m組的特性，790～1014m的鉆孔抽采特性符合800m 組的特性，如此以來，各鉆孔段的抽采量（抽采第1年）如表3所示。
表3 順層千米枝狀長鉆孔各段瓦斯抽抽采量（抽采第1年）分析表
從表3可得，千米枝狀長鉆孔的單位長度抽采量660～790m長度段為0～660m長度段的33.21%，790～1014m長度段的為0～660m 長度段的79.86%。這說明隨著抽采鉆孔長度的增加，單位鉆孔長度的抽采量有所下降，但下降不大（790～1014m長度段與0～660m長度段相比僅下降20%），這也證明了在試驗條件下鉆孔長度越長，鉆孔抽采瓦斯量越多。
4.2 鉆孔不同抽采時間的抽采效果
對鉆孔深度為800m組、600m組、400m組的典型鉆孔的抽采模式分析不同抽采時間的抽采效果如表4所示。從表中數(shù)據(jù)可分析得出，鉆孔在第2年末的總累計抽采量與第1年末相比增加了14%～29%，而在800 d時的總累計抽采量與第2年末的相比僅增加了1%左右。由此可得出，鉆孔的合理抽采時間以2年為宜。
表4 不同抽采時間的千米枝狀長鉆孔抽采效果分析表
4.3 順層千米枝狀長鉆孔的合理間距
4.3.1 順層鉆孔預抽率
順層鉆孔的預抽率是指鉆孔抽采的瓦斯量占抽采范圍內(nèi)煤層瓦斯總儲量的比例，順層鉆孔預抽率由下式計算：
η=Q抽/Q總（4）
式中：η——預抽率，%；Q抽——鉆孔抽采瓦斯總量，m3；Q總——鉆孔控制范圍總的瓦斯儲量，m3，Q總=L*D*M*r*W；L——鉆孔深度，m；D——鉆孔間距，m；M——煤層厚度，m，大寧礦為4.45m；r——煤層容重，t/m3；W——煤層瓦斯含量，m3/t，大寧礦試驗地點為14.00m3/t。
4.3.2 不同時間鉆孔抽采瓦斯總量
分析試驗鉆孔預抽效果考察可得，鉆孔的預抽特性如式（1）、（2）、（3）所示。
由式（1）、（2）、（3）可得，不同時間鉆孔抽采瓦斯總量如下：
800m組：Q抽=1399250.88（1-e-0.0045t）m3 （5）
600m組：Q抽=1114195.59（1-e-0.0049t）m3 （6）
400m組：Q抽=690187.65（1-e-0.0053t）m3 （7）
4.3.3 不同抽采時間、不同鉆孔間距的預抽率
鉆孔不同抽采時間、不同鉆孔間距的預抽率由式（4）確定。預抽時間0.5、1、2、3年，鉆孔間距15、20、30m的預抽率如表5所示。
表5 千米枝狀長鉆孔不同抽采時間、不同鉆孔間距的預抽率
注：煤層原始瓦斯含量14.0m3/t、殘余瓦斯含量4.2m3/t，煤層極限預抽率為70%。按開采前要求煤層瓦斯含量8m3/t以下計、預抽率為42.86%以上。表中“——”表示預抽率在42.86%～70%范圍之外。
4.3.4 大寧礦保證安全生產(chǎn)的不同預抽時間、不同鉆孔長度條件下的鉆孔間距
根據(jù)相關研究，首采綜放面煤層原始瓦斯含量14.0m3/t，確保首采綜放面安全生產(chǎn)的預抽率應為45%。分析表5可得：
綜放面如有0.5年預抽時間、選用800m 或600m 組鉆孔時其鉆孔間距以15m 為宜，選用400m組鉆孔時其鉆孔間距以20m為宜；
綜放面如有1年預抽時間、選用800m或600m 組鉆孔時其鉆孔間距以20m 為宜，選用400m組鉆孔時其鉆孔間距以30m為宜；
綜放面如有2年預抽時間、選用800m，600m 或400m 組鉆孔時其鉆孔間距以30m為宜。
4.4 千米枝狀長鉆孔在大寧礦的實際抽采效果
4.4.1 首采面預抽效果
如圖1所示，大寧礦首采面長500m、寬320m，于2003年開始實施千米枝狀長鉆孔，鉆孔間距20～30m左右（共計10個孔、28個水平分支），鉆孔深度為600m左右。預抽時間約1.5年。
首采面的原始瓦斯含量為14.0m3/t，開采前在首采面通過直接法測定煤層瓦斯含量為7.2m3/t，由此計算首采面的預抽率為48.57%。
4.4.2 礦井瓦斯抽采率
大寧礦2005年礦井瓦斯涌出量為184.8m3/min，其中抽采量為130m3/min，礦井瓦斯抽采率達到70.35%。
5 結論
通過研究試驗，井下順層千米枝狀長鉆孔在大寧礦的抽采瓦斯中取得了成功，并取得了良好的效果，為大面積預抽煤層瓦斯取得了有益的經(jīng)驗和借鑒。
（1）選用澳大利亞生產(chǎn)的VLD-1000型孔底馬達式定向千米鉆機，在大寧礦的煤層條件下，可以實現(xiàn)千米左右的順層枝狀長鉆孔施工。
（2）研究表明，在大寧礦實施的順層千米枝狀長鉆孔隨著鉆孔長度的增加，其抽采瓦斯量也相應增加，表明在試驗條件下實施長鉆孔對抽采瓦斯是有效的。
（3）通過研究，確定了在試驗條件下不同抽采時間達到45%預抽率的鉆孔合理間距。
（4）大寧礦通過實施井下順層千米枝狀長鉆孔抽采瓦斯，首采面經(jīng)過1.5年的預抽，預抽率達到近49%，礦井的瓦斯抽采率達到70.35%。
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