煤矿井下定向钻孔防治瓦斯技术研究进展

张剑钊，陶云奇

(1.河南理工大学 能源科学与工程学院，河南 焦作 454003； 2.河南工程学院 资源与安全工程学院，河南 郑州 451191)

近年来，随着煤矿采掘活动向纵深发展，煤炭开采条件日趋复杂，煤层瓦斯赋存 “四高两低”(高应力、高瓦斯、高可塑性结构、高吸附性、低渗透性和低强度煤体)特征更加明显，深部开采的煤层瓦斯含量、瓦斯涌出量急剧增大，瓦斯超限、煤与瓦斯突出等现象愈加频繁，利用定向钻孔超前治理瓦斯技术已被越来越多的煤炭企业推广应用[1-4]。基于文献调研分析，定向钻孔防治瓦斯技术可广泛应用于本煤层、邻近层、回采(掘进)工作面、采空区瓦斯治理且效果显著[5-8]。鉴于此，笔者在此对目前广泛应用的5种形式的定向钻孔防治瓦斯技术进行了梳理分析，并对该技术发展方向进行了展望。

1 煤矿井下定向钻孔防治瓦斯技术

煤矿瓦斯治理技术正逐渐由“模糊治理”到“精准治理”、“井下抽采”到“地面抽采”与“井地联合抽采”转变，由“抽得出”向“抽得早、快、省”转变。定向钻孔防治瓦斯技术凭借自身独有优势越来越受到多地各煤炭企业的青睐，根据其作用机理、施工区域以及钻孔空间布置差异主要有5种形式：本煤层顺层定向长钻孔防治瓦斯、底/顶板梳状多分支定向钻孔防治瓦斯、“以孔代巷”技术防治瓦斯、定向拦截钻孔防治瓦斯和井上下联合立体化抽采瓦斯。

1.1 本煤层顺层定向长钻孔防治瓦斯

本煤层顺层定向长钻孔防治瓦斯技术是依据煤层及瓦斯赋存条件等地质资料利用定向钻机设计施工一个或多个数量不等的本煤层顺层定向长钻孔群主要用于煤巷条带和工作面回采区域的煤层瓦斯。

利用本煤层定向长钻孔防治瓦斯，对煤层及瓦斯赋存条件要求较高，首先是目标煤层煤的坚固性系数f>0.5，其次是欲抽采瓦斯煤层为易抽采煤层，煤的透气性系数λ>0.1 m2/(MPa·d)。在此类煤层条件内，2014年在寺河煤矿创造了本煤层定向钻孔孔深1 881 m世界纪录，2017年在保德煤矿再次打破世界纪录，孔深达2 311 m。针对松软煤层(f<0.5)，张杰等[9-10]利用风动螺杆钻具在两淮矿区软煤层国内外首次成功施工12个孔深大于200 m的本煤层顺层定向长钻孔，并创造松软煤层定向顺层长钻孔372 m最深记录，实现了钻孔对工作面和待掘煤巷煤层瓦斯治理，并提出松软煤层顺层定向长钻孔“一孔两消”瓦斯治理模式。

目前，煤矿井下常采用“底板岩抽巷+底板穿层钻孔预抽”作为区域性防突措施治理煤层瓦斯。王兆丰等[11-12]认为，本煤层顺层定向长钻孔可代替底板穿层钻孔作为区域性防突措施预抽煤层瓦斯，掩护巷道掘进，取消为穿层钻孔施工专设的底板岩抽巷，降低瓦斯治理成本。此外，施工本煤层顺层定向长钻孔可减少顺层短钻孔施工、封孔材料和管道布置，降低钻机移动频次，提高抽采量的同时降低抽采成本。更重要的是，本煤层顺层定向长钻孔较穿层钻孔、专用瓦斯抽放巷施工成本低、效率高，能根据需要设计钻孔数量和抽采时间来保证抽采效果。

1.2 底(顶)板梳状多分支定向钻孔防治瓦斯

底/顶板梳状多分支定向钻孔防治瓦斯技术主要应用于煤坚固性系数低(f<0.5)、瓦斯压力大、透气性差，钻孔过程中易发生、卡钻、埋钻、喷孔事故松软煤层；利用千米定向钻机将主孔布置在煤层上覆岩层或下伏岩层，向上或向下开分支穿入不同目标层位抽采不同区域瓦斯。底/顶板梳状多分支定向钻孔原理如图1、图2所示。

根据定向钻孔主孔层位与目标煤层的距离，顶板梳状多分支定向钻孔又分为2种，其中近煤层顶板梳状多分支定向钻孔用于本煤层区域防突，巷道瓦斯超前治理等领域，若煤层成孔性好，可不开分支进行瓦斯治理；远煤层顶板梳状多分支定向钻孔能精确布置在瓦斯富集区内，实现大范围回采区域瓦斯抽采和掩护煤层巷道掘进，且钻场布置简单、钻孔数量多；底板梳状多分支定向钻孔孔深一般大于500 m，单孔控制范围达10 m左右，主要用于大区域抽采本煤层的瓦斯、掩护煤层巷道掘进和巷道超前勘探[13-14]。

图1 底板梳状多分支定向钻孔原理示意Fig.1 Schematic diagram of the principle floor comb multi branch directional drillhole

图2 顶板梳状多分支定向钻孔原理示意Fig.2 Schematic diagram of the principle of roof comb multi branch directional drillhole

姚宁平等[15-16]根据梳状定向钻孔施工特点差异，合理选择梳状孔布孔形式，研究出不同梳状钻孔类型的施工工艺；攻克了在松软煤层顶底板岩层中施工梳状定向孔面临开分支、降低钻具摩擦阻力等技术难关。马晟翔等[17-18]在前人对底板梳状定向钻井技术研究的基础上，对梳状定向长钻孔的布孔方式、分支孔间距、施工工艺、分支孔分支节点的选择以及分支孔控制轨迹分支测钻、原孔重入等关键技术进行研究形成了一套成熟施工工艺。

1.3 “以孔代巷”瓦斯抽采技术防治瓦斯

“以孔代巷”瓦斯抽采技术基于精细地质分析、钻孔轨迹精确控制并辅以可靠的区域抽采达标评价技术，以钻孔代替高抽巷、尾巷等可广泛应用于煤矿瓦斯采前、采中、采后等各个环节瓦斯防治工作。陶云奇等[19]对“以孔代巷”瓦斯抽采技术的技术涵义、特征、优势、适用条件以及治理模式进行系统分析、概括并提出现场应用“五定”技术原则，形成了相对完整的“以孔代巷”瓦斯治理模式。

针对上隅角瓦斯易积聚、采空区卸压瓦斯等瓦斯治理难题，林海飞等学者在国内多家煤矿开展“以孔代巷”治理模式研究，提出高位定向长钻孔代替高抽巷抽采工作面煤层顶板裂隙带采动卸压瓦斯工艺。高位定向长钻孔基本原理如图3所示。

图3 高位定向长钻孔基本原理示意Fig.3 Diagram of the principle of high-level directional long drillhole

董昌乐等[20]对覆岩采动裂隙发育特征进行研究，提出了裂隙带 “O”形圈、高位环形裂隙体、椭圆抛物带等理论，为高位定向长钻孔目标层位选择提供了依据。李平等[21-22]开展顶板复杂地层成孔工艺技术研究，形成了大级差扩孔工艺、整体式螺旋钻杆的复合排渣工艺技术、目标层复杂孔段定向钻进技术、完孔技术等关键工艺技术，通过试验发现，高位定向长钻孔与邻近高抽巷抽采效果相当。郝世俊等[23-26]开展钻孔深度、孔径、目标层位优化研究，采用高位定向长钻孔代替传统高抽巷对采空区上隅角瓦斯进行治理，经过抽采效果、经济对比，高位定向长钻孔具有钻孔轨迹可精确控制、抽采范围大、周期长、施工成本更低、周期更短等优点。经过现场试验结果、经济效益对比分析，“以孔代巷”瓦斯治理模式较常规治理模式在达到同等瓦斯抽采效果、保证工作面安全回采背景下钻孔施工工程量小、成本低、瓦斯治理周期短，有效促进抽、掘、采良性循环，验证了“以孔代巷”瓦斯治理模式的优越性、必要性和可行性。

1.4 定向拦截钻孔防治瓦斯

定向拦截钻孔防治瓦斯技术采用大功率定向钻机施工定向钻孔与原瓦斯运移通道(裂隙、钻孔)形成交叉，靶向拦截瓦斯，改变瓦斯流向，控制瓦斯沿运移通道涌出量，稳定抽采本煤层、邻近层、工作面、采空区瓦斯。定向拦截钻孔基本原理如图4所示。

图4 定向拦截钻孔原理示意Fig.4 A diagram of the principle of directional intercept drillhole

拦截钻孔根据钻孔布置方式主要分为高位定向拦截钻孔、底板定向拦截钻孔、下分层定向拦截钻孔等；根据布孔方位又可分为走向定向拦截钻孔、倾向定向拦截钻孔、上向定向拦截钻孔、下行定向拦截钻孔等。定向拦截钻孔常配合地面井、定向长钻孔、采空区埋管、穿层钻孔等工艺联合治理煤矿井下瓦斯。程详等[27]在芦岭矿形成了以地面采动井、拦截钻孔、穿层钻孔配合采空区埋管抽采为核心的卸压瓦斯抽采体系，实现了煤与瓦斯共采。赵学良等[28]在寺河矿设计施工底板拦截钻孔配合低、中、高位钻孔联合抽采瓦斯，各钻孔抽采效果均超出预期，形成了“四位”钻孔瓦斯抽采模式，现场应用效果良好。

1.5 井上下联合立体化抽采瓦斯

井上下联合立体化防治瓦斯技术在井下定向钻孔实现对接的基础上，采用RMRS主动测距系统精准与地面直井进行连接，实现直井与定向钻孔群形成衔接，直井与井下定向钻孔交叉区域经过压裂形成压裂区，形成联合进行瓦斯抽采的一项联合立体化瓦斯抽采系统。井上下联合立体化抽采瓦斯基本原理如图5所示。

随着煤矿区煤层气开发技术的发展，地面与井下联合抽采煤层气演化出了多种技术形式，包括开发方式的联合、抽采通道的联合、施工技术的联合等[29]。付江伟等[30]针对我国低渗高突煤层瓦斯治理难题提出了条带式井上下联动卸压开采、区域递进式井上下联动抽采、井上下联动抽采系统优化等多项关键技术。姜小强等[31]基于沙曲矿近距离煤层群开采特点，在开拓区和生产区首次实施了多分支水平井与千米钻孔定向对接高效抽采、大孔径定向长钻孔立体式抽采等关键技术，形成了沙曲三区联动瓦斯综合治理模式与配套技术体系。

图5 井上下联合立体化抽采瓦斯原理示意Fig.5 Schematic diagram of the principle of three-dimensional gas drainage combined up and down the well

2 定向钻孔防治瓦斯技术展望

(1)松软突出煤层深孔定向钻进保障技术与装备。松软突出煤层钻进过程中易发生塌孔、卡钻、顶钻现象，深孔或超深孔定向钻进更加困难，风液联动复合钻进、智能定速巡航钻进、双管护孔钻进、性价比高的风动钻进技术与装备研究将是未来定向钻孔防治瓦斯技术领域的关键环节之一。

(2)定向钻孔定位增透技术与装备。低渗突出煤层即使采用梳状多分支定向钻孔实现了超前钻进预抽瓦斯，但因煤层透气性低，瓦斯抽采效果仍然困难，利用定向钻机的精准钻探优势，在获取煤层瓦斯赋存特征后，仍需配合可控冲击波增透、分段水力压裂、水力冲孔等定位增透技术，提高煤层透气性和瓦斯抽采效果。故而定向钻孔定位增透技术与装备是未来定向钻孔防治瓦斯技术领域的又一关键。

(3)定向钻孔以孔代巷区域瓦斯治理技术。以孔代巷技术通过精细地质分析可做到精准施策，同时可通过以定向钻孔代替或减少专用岩石抽采巷，不仅可以对目标治理区域实现超前治理，缩短瓦斯治理周期，缓解矿井抽掘采紧张局面，还可降低矿井瓦斯治理成本，起到降本增效作用，其独特的优势必将成为未来定向钻孔防治瓦斯技术领域的主流技术之一。

(4)定向钻孔井上下联合抽采技术。地面垂直井、水平井、羽状井抽采瓦斯在我国很多矿区都取得了显著效果，但由于其代价高、地面工农关系协调困难等原因，使很多企业望而却步，但若充分发挥地面井可大规模增透与井下定向钻孔成本低的优势，既能实现高效抽采又能节约瓦斯治理成本。所以，定向钻孔井上下联合抽采技术作为未来定向钻孔防治瓦斯技术领域的发展方向有其不可或缺的地位。

3 结语

(1)系统梳理了本煤层顺层定向长钻孔、底/顶板梳状多分支定向钻孔、 “以孔代巷”、定向拦截钻孔和井上下联合立体化5种形式定向钻孔防治瓦斯技术基本原理、布置方式、用途以及最新研究成果。

(2)结合国内目前煤矿开采和定向钻孔防治瓦斯技术现状，对松软突出煤层深孔定向钻进保障技术与装备、定向钻孔定位增透技术与装备、定向钻孔以孔代巷区域瓦斯治理技术和定向钻孔井上下联合抽采技术进行了前景展望。