1、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
2、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&
3、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 safe
4、ty 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 traditionaldrillin
5、g 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
6、 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 accu
7、racy 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
8、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
9、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
10、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
11、，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%
12、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
13、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
14、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
15、 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
16、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