碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术

杨 旭 ，王建强 ，张宏杰 ，张 杰 ，张亚洲 ，黄寒静 ，陈天柱

（1.山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西 西安 710077）

碎软煤层在我国广泛分布，具有瓦斯含量高、压力大、透气性差、煤质破碎等特点[1-2]，钻孔预抽是碎软煤层瓦斯治理的有效技术手段，但在该类煤层中施工瓦斯抽采钻孔极易发生喷孔、塌孔、卡钻等事故，导致钻孔成孔困难[3-4]。定向钻进技术具有钻孔轨迹可控的优点[5-9]，用于碎软煤层瓦斯治理钻孔施工，但由于煤层破碎，经常发生卡钻事故，处理不当会造成严重的经济损失。套铣打捞技术是利用套铣打捞钻具，采用回转扩孔钻进工艺进行孔内卡钻事故处理[10-11]，由于事故处理成功率较高，近年来大量应用于定向钻孔孔内事故处理。针对该技术国内学者主要从套铣打捞钻具研制、套铣打捞钻具组合及级配优化、不同类型孔内事故套铣打捞工艺开发等方面进行了大量研究[12-15]，研制出了多种规格套铣打捞钻具，适用于不同类型的孔内事故处理。但对于碎软煤层由于煤质碎软，孔壁稳定性差，套铣打捞过程中易发生卡钻事故，而且该类煤层瓦斯含量大、压力高，套铣打捞过程中易发生瓦斯异常涌出。基于此，提出碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术，在现有套铣打捞技术基础上，通过优化套铣打捞钻具内抽采瓦斯管路系统，开发套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统和套铣打捞加杆防瓦斯装置，实现套铣打捞全程负压抽采、密闭排渣和密封加杆，以解决碎软煤层定向钻孔套铣打捞瓦斯异常涌出的技术难题。

1 套铣打捞瓦斯涌出原因

套铣打捞技术主要针对塌孔、缩径和沉渣等原因导致钻具在孔内处于压钻或卡钻的工况，该技术利用套铣打捞钻具组合，采用回转钻进工艺，进行全孔回转扩孔钻进，将卡点孔段积压的煤岩体通过套铣打捞钻具进行破碎并排出孔外，从而疏通卡点孔段，实现事故钻具解卡。套铣打捞原理如图1。

图1 套铣打捞原理Fig.1 Schematic diagram of sleeve milling and fishing principle

在套铣打捞过程中，孔壁煤体内瓦斯不断释放到钻孔内，当释放的瓦斯量达到一定体积时，该部分瓦斯便顺着钻孔排出孔外。因此在套铣打捞过程中，孔口始终有瓦斯的排出，但在处理碎软煤层定向钻孔孔内事故时，由于孔壁稳定性差，钻孔易发生塌孔，瓦斯释放通道被堵，导致瓦斯在孔内积聚，当孔内积聚的瓦斯量和瓦斯压力达到一定值时，封堵在孔内的煤渣被冲向孔外，瞬间孔口伴随大量煤渣和瓦斯喷出，严重者造成瓦斯超限事故。同时，停止打捞钻进时，打捞钻具内也会积聚大量瓦斯，当送水器拆掉时，该部分瓦斯便会瞬间喷出，严重者造成瓦斯超限事故。从套铣打捞技术原理及瓦斯涌出原因可知，碎软煤层套铣打捞瓦斯涌出主要有以下通道：

1）套铣打捞钻具内通孔成为孔内瓦斯积聚及涌出的天然通道，当停止打捞钻进时，钻孔孔壁煤体释放的瓦斯就会进入该通道。随着打捞钻具末端送水器拆卸，打捞钻具内瓦斯便会瞬间涌出至钻场巷道。

2）钻孔孔壁与套铣打捞钻具环空返渣通道成为瓦斯涌出的另一通道，在正常套铣打捞钻进过程中，煤层释放的瓦斯，随着钻屑一起通过该通道排出孔外。当遇到局部孔段塌孔，该通道被堵，瓦斯便积聚在该通道内。随着该通道的疏通，瓦斯便从该通道瞬间涌出。

2 套铣打捞瓦斯涌出量

随着套铣打捞钻孔的形成，钻孔孔壁围岩应力重新分布，径向方向由内向外将钻孔孔壁围岩划分为破碎区Ⅰ、塑性区Ⅱ、弹性区Ⅲ和原岩应力区Ⅳ, 套铣打捞钻孔围岩变形区分布如图2。

图2 套铣打捞钻孔围岩变形区分布Fig.2 Distribution map of surrounding rock deformation zone of borehole

打捞钻进过程中瓦斯主要来源于2 部分：①破碎区煤体内释放的瓦斯；②塑性区煤体内释放的瓦斯。其中破碎区煤体内瓦斯主要是吸附瓦斯中可解吸瓦斯，随着打捞钻头的切削全部释放；打捞钻进过程中随着钻孔的形成，塑性区煤体由于发生塑性变形，导致煤体裂隙增大，煤体透气性增加，煤体内可解吸瓦斯基本全部释放。

可见，套铣打捞涌出瓦斯主要来源于破碎区煤体和塑性区煤体内瓦斯，则打捞钻进每米钻孔瓦斯释放量可通过公式[16]进行计算：

式中：R1为原钻孔半径，m；R2为破碎区半径，m，取套铣钻头的半径；R3为塑性区半径，m；C为黏聚力，MPa； φ为内摩擦角，（°）；p1为原地应力，MPa；Q为每米钻孔瓦斯释放量，m3； ρ为煤体密度，kg/m3；T为原始煤体可解吸瓦斯含量，m3/kg；p2为煤体瓦斯压力，MPa；fn为煤体孔隙率，m3/t。

可以看出，套铣打捞瓦斯涌出量主要与煤层自身可解吸瓦斯含量、套铣打捞钻孔孔径和原地应力有关，并随之增大而增大，在满足打捞要求的前提下应降低打捞钻头直径。

3 防瓦斯套铣打捞技术

根据套铣打捞瓦斯异常涌出原因分析，套铣打捞过程中要同时防止打捞钻具与孔壁环空间隙内瓦斯、套铣打捞钻具内通孔瓦斯的积聚，并对上述通道瓦斯实行密闭抽采及卸压。防瓦斯套铣打捞技术借助于套铣打捞钻具内抽采瓦斯技术和套铣打捞孔外防瓦斯技术，一方面通过抽采管路优化实现对打捞钻具内积聚的瓦斯进行负压抽采并卸压；另一方面利用孔口密闭抽瓦斯系统和加杆防瓦斯装置实现孔口瓦斯密闭抽采和打捞钻杆密封加接。套铣打捞钻进过程中通过套铣打捞钻具内抽采瓦斯技术和套铣打捞孔外防瓦斯技术协同配合实施，最终实现整个打捞钻进过程中瓦斯的密闭抽采和卸压，防止瓦斯的异常涌出。

3.1 套铣打捞钻具内抽采瓦斯技术

为了避免加接打捞钻杆时，打捞钻具内积聚的瓦斯瞬间涌出，造成瓦斯超限事故。在加接打捞钻杆前需要对打捞钻具内瓦斯进行负压抽采。

套铣打捞钻具内抽采瓦斯技术是在套铣打捞钻具末端连接抽采管路，将抽采管路通过气水分离器与负压管路连接，通过负压对套铣打捞钻具内瓦斯进行抽采，并释放其压力。套铣打捞钻具内抽采瓦斯原理如图3，套铣打捞钻具内抽采瓦斯流程如图4。

图3 套铣打捞钻具内抽采瓦斯原理Fig.3 Schematic diagram of gas drainage principle of sleeve milling and fishing

图4 套铣打捞钻具内抽采瓦斯流程Fig.4 Flow chart of sleeve milling and fishing gas drainage

抽采管路上安装有压力表和阀门，在加接打捞钻杆前，先开启抽采管路阀门，通过负压抽采打捞钻具内积聚的瓦斯，待压力表显示压力降为0 时，关闭阀门停止抽采，拆卸送水器，最后加接打捞钻杆继续进行事故处理，如此循环直至事故钻具解卡。

3.2 套铣打捞孔外防瓦斯技术

3.2.1 套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统

为了防止孔口及排渣口处瓦斯异常涌出，设计了孔口密闭抽瓦斯系统。套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统如图5。

图5 套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统Fig.5 Schematic diagram of closed gas drainage system of sleeve milling and fishing

系统通过在孔口管上安装孔口五通，孔口五通与打捞钻杆之间采用孔口密封装置实现密封，孔口五通排渣口通过排渣管路与防喷箱连接，防喷箱和孔口五通均连有负压管路，防喷箱在打捞过程中处于密闭状态，实现边打捞边密闭负压抽采。防喷箱用于存储钻屑和瓦斯，防喷箱体积可达2～3 m3，当瓦斯瞬间涌出时，可对瓦斯进行缓冲和密闭负压抽采，从而防止瓦斯涌出至钻场巷道。

3.2.2 套铣打捞加杆防瓦斯装置

为了防止加接打捞钻杆时，打捞钻杆内部残余瓦斯从打捞钻杆末端涌出，设计了加杆防瓦斯装置，套铣打捞加杆防瓦斯装置如图6。

图6 套铣打捞加杆防瓦斯装置Fig.6 Add drill pipe gas prevention technology of sleeve milling and fishing

套铣打捞加杆防瓦斯装置主要由箱体、插板、密封橡胶、固定螺钉、定位卡槽和负压管路接口组成。插板用来挡在打捞钻杆与送水器之间，密封橡胶实现箱体与打捞钻杆及送水器之间的密封，箱体用螺钉固定在打捞钻杆上，防止箱体轴向移动，定位卡槽实现插板的轴向定位，防止插板偏移，负压管路接口用于接负压管路。装置箱体中心为圆孔结构，打捞钻杆可从中心孔穿过。当需要加接打捞钻杆时，将该装置箱体安装在打捞钻杆与送水器之间，具体位置以插板落下时刚好挡在打捞钻杆末端为准，通过固定螺钉将箱体与打捞钻杆固定，在负压管路接口上连接负压管路，打开负压，拆卸送水器，当送水器与打捞钻杆丝扣分离的瞬间，插板依靠自重自由下落，封挡在打捞钻杆末端口处，此时打捞钻杆内涌出的残余瓦斯进入该装置箱体内并通过负压抽走，从而防止瓦斯涌入钻场巷道。

4 现场应用

4.1 试验区概况

山西天地王坡煤矿开采3 号煤层为碎软煤层，平均厚度5.8 m，煤层倾角为 2°～10°。煤体内部弱面极其发育，煤体发脆，导致整体强度显著降低，煤层坚固性系数f为0.3～0.5，原始煤层瓦斯含量6～19 m3/t。煤层顶板岩性为砂质泥岩和石英砂岩，底板为泥岩和石英砂岩。3 号煤层及顶底板岩性见表1。

4.2 事故钻孔施工情况

试验钻孔采用ZDY15000LD 型定向钻进装备，施工1 号本煤层定向钻孔，治理条带瓦斯。该钻孔分支孔9 个，累计进尺1 778 m，1-2 号分支孔施工至362 m塌孔卡钻。其中，305～345 m 为砂质泥岩，其余孔段为煤。钻孔轨迹平面投影如图7，钻孔结构如图8。钻孔施工数据及瓦斯涌出统计见表2。

图7 钻孔轨迹平面投影Fig.7 Drilling trajectory plane graph

图8 钻孔结构Fig.8 Drilling hole structure

在钻孔施工的过程中，孔壁坍塌，造成瓦斯异常涌出6 次，涌出时长为51 s，累计涌出量约为7 m3。

4.3 套铣打捞处理方案

分支孔钻遇煤层顶板，由于煤岩交界区域地层破碎，导致发生塌孔卡钻事故。经过对该钻孔实钻轨迹数据分析计算[17]，该钻孔平均全弯曲强度为0.3 °/m，其中，孔深75～120 m 全弯曲强度最大为0.4 °/m，钻孔轨迹全弯曲强度小，轨迹整体相对较平滑。孔口管采用φ200 mm PVC 管，内径173 mm。最终采用φ168 mm 套铣钻头+φ127 mm套铣钻杆进行套铣打捞处理，套铣打捞钻具组合如图9。

图9 套铣打捞钻具组合Fig.9 Schematic diagram of sleeve milling and fishing drill tool combination

4.4 套铣打捞处理

1）安装孔口五通及防喷箱。在φ200 mm PVC孔口管上安装孔口五通，孔口五通出渣口通过φ180 mm 胶管与防喷箱连接，防喷箱上连接有负压管路；孔口五通与打捞钻杆之间安装盘根，实现打捞钻杆与孔口五通之间的密封。

2）安装加杆防瓦斯装置。将加杆防瓦斯装置安装在打捞钻杆与送水器丝扣连接处，并连接负压管路。

3）连接抽采管路。在送水器末端安装三通，用高压胶管分别与泥浆泵排水口和气水分离器连接，并在气水分离器上安装压力表，气水分离器与负压管路连接。

4）套铣打捞。套铣打捞前先开启孔口五通和防喷箱上连接的负压，开泵向孔内供水，待孔口返水正常后，开始打捞钻进。每打捞钻进完1 根钻杆，停止供水，先开启抽采管路阀门，孔内的瓦斯和水经过气水分离器后，水通过排水口人工排出，瓦斯则进入主负压管路，待压力表压力降至0，开启加杆防瓦斯装置上的负压，拆卸送水器，送水器拆卸掉的瞬间，加杆防瓦斯装置上插板依靠自重下落，封挡在打捞钻杆末端口处，打捞钻杆内残余瓦斯通过负压被抽走，从而防止瓦斯涌入钻场巷道。打捞过程产生的钻屑及瓦斯直接排至防喷箱内，防喷箱在打捞钻进过程中为密闭状态，瓦斯通过负压直接抽至负压管路，钻屑堆积至防喷箱内，防喷箱内堆满钻屑后，停止打捞钻进，将防喷箱内钻屑清理干净后再继续打捞钻进。

套铣打捞施工中，出煤量和卸压时间及初始压力变化曲线如图10。

图10 出煤量和卸压时间及初始压力变化曲线Fig.10 Coal output, pressure relief time, initial pressure change curves

打捞钻进过程中出煤量整体较稳定，平均出煤量约260 kg，由于孔壁稳定性差的孔段塌孔，导致局部孔段出煤量明显增大，最大出煤量达390 kg，可见出煤量受孔壁稳定性影响较大，孔壁稳定性差的孔段出煤量较大。卸压时间随孔深的增大呈明显增大的趋势，由初期的1 min 增大至40 min，由于孔深的增大，单位时间钻孔释放的瓦斯量增大，导致卸压时间延长，同时，不同孔段卸压时间随出煤量的变化波动较大，出煤量大的孔段卸压时间明显延长，可见卸压时间受钻孔深度和出煤量影响较大。初始压力由初期0.8 MPa，增大至1.5 MPa，增幅相对较平缓，但局部孔段随着出煤量增大而明显增大，可见初始压力主要受出煤量的影响较大。综上所述打捞钻进过程中出煤量大小直接影响到卸压时间和初始压力，由于孔壁稳定性差的孔段出煤量大，因此孔壁稳定性差的孔段更容易发生瓦斯异常涌出。

最终套铣打捞至孔深356 m 时，孔内事故钻具解卡，成功打捞出孔内所有事故钻具。套铣打捞过程中虽然发生多次塌孔，导致瓦斯积聚在孔内，但在孔口均未出现瓦斯异常涌出，未发生瓦斯超限。

5 结 语

1）通过碎软煤层套铣打捞孔内瓦斯异常涌出原因、涌出通道和涌出量分析，提出了碎软煤层定向钻孔防瓦斯套铣打捞技术，优化了套铣打捞钻具内抽采瓦斯管路系统，开发出了套铣打捞孔口密闭抽瓦斯系统和套铣打捞加杆防瓦斯装置。

2）套铣打捞钻具内抽采瓦斯管路系统实现了打捞钻具内瓦斯提前抽采卸压：孔口密闭抽瓦斯系统和套铣打捞加杆防瓦斯装置实现了整个套铣打捞钻进过程瓦斯的密闭抽采，有效防止瓦斯的异常涌出。

3）该技术成功应用于碎软煤层定向钻孔孔内卡钻事故处理，处理孔深362 m，不仅保障了现场作业人员的人身安全，而且对于套铣打捞技术在碎软煤层中的推广应用提供了技术保障。