(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。
介紹了大寧煤礦順層千米樹枝狀鉆孔的成孔試驗，最長的VLD定向鉆孔達到1005米(深度)。研究了千米長分支鉆孔抽放瓦斯技術及相應的抽放效果，取得了良好的效果。大寧礦首采工作面經過1.5年的預抽，預抽率約為49%，礦井瓦斯抽采率為70.35%。
井下瓦斯抽放；定向千米鉆機；順層長支鉆孔預抽率；千米鉆孔參數；抽放效果
沿煤層地下長距離樹狀鉆孔抽采煤層氣新技術
杜子梓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)
文摘:介紹了大寧煤礦井下順層長距離樹狀鉆孔的施工經驗。最長的定向VLD井達到1005米。在此情況下，研究了千米深鉆孔工藝和瓦斯抽采效果。實踐證明，大寧煤礦井下順層長距離樹狀鉆孔抽采效果是令人滿意的。首采區經過壹年半的開采，瓦斯抽采率達到49%左右，瓦斯回收率達到70.35%。
關鍵詞:煤礦瓦斯地下開采；千米定向鉆井裝置；沿煤層進行的長距離樹狀鉆孔；預提取率；鉆井參數；提取效果
序
據統計，2001至2005年2月底，全國煤礦共發生死亡30人以上事故28起，死亡1689人。其中瓦斯事故24起，死亡1558人，瓦斯事故起數和死亡人數分別占總數的85.7438+0%和92.2%。礦井瓦斯災害已成為當前我國煤礦安全生產的壹大難題，礦井安全生產形勢亟待改變。
從“先抽後采”的國家產業政策和瓦斯治理的技術水平來看，治理礦井瓦斯災害的根本在於礦井瓦斯抽采。礦井瓦斯抽放具有促進煤礦安全生產、充分利用清潔資源、保護大氣環境等壹系列綜合效益。壹方面，瓦斯是煤礦中危害最大的氣體，加強井下瓦斯抽采可以從根本上減少煤礦瓦斯湧出，有利於保證礦井安全，解放礦井生產力；另壹方面，天然氣的開采和利用可以顯著增加清潔資源的供給，改善和優化能源結構；此外，瓦斯是壹種強溫室氣體，瓦斯抽采利用減少了煤礦開采過程中向大氣排放的瓦斯量，保護了大氣環境。
然而，過去我國許多礦井的瓦斯抽放壹直受到鉆機設備、長鉆孔和瓦斯抽放技術的制約。壹方面，我國現有鉆機雖然實現了800m長度的鉆孔施工，但鉆孔定向和測斜技術還不完善，沒有采用孔底機動鉆進技術。目前國內沒有真正的定向鉆機，長鉆孔施工缺乏相應的設備。另壹方面，我國煤層條件復雜，長鉆孔工藝難度大。目前使用國產鉆機進行順層鉆孔，煤與瓦斯突出礦井已實現250m鉆孔，在煤層條件較好(f = 1 ~ 2)的晉城寺河礦成功鉆孔深度可達500m。但總的來說，實施大規模預抽措施防治礦井瓦斯仍然受到很大限制。
因此，國家“十五”科技攻關項目“煤層氣地下開發成套技術應用研究”通過引進國外千米鉆機，自主研發千米鉆機深孔瓦斯抽采技術，開展了技術研究。實現了晉城礦區最長的定向鉆孔，達到1005m，試驗鉆孔長度大多在800m以上，在此基礎上開展了千米長支鉆孔抽放瓦斯技術研究及相應的抽放效果調查。
1試驗礦
山西亞美大寧能源有限公司(以下簡稱“大寧礦”)，原晉城大寧壹礦，是中國唯壹中外合作生產的地下煤礦。該礦的設計生產能力為400萬噸。開采的煤系地層屬於二疊系山西組、石炭系太原組和本溪組。煤系地層總厚度151m，* * *含煤地層10 ~ 22，其中3層可采，局部可采。礦井主要開采的3 #煤層屬於中等變質程度的無煙煤，近水平，厚度2.21 ~ 6.97 m，平均4.45m，煤堅固性系數f為1 ~ 2，煤層富含瓦斯，瓦斯含量為11.15 ~ 65438。
該礦於2005年7月建成投產，礦井瓦斯抽采能力由2002年的18.28m3/min提高到目前的184.8m3/min。礦井瓦斯抽采濃度在55%以上，瓦斯抽采率高達70%。瓦斯抽采取得了顯著成效。
2 km鉆機成孔試驗及地下1 km長樹枝狀鉆孔
2.1 VLD-1000定向鉆機
實驗選用澳大利亞生產的VLD-1000井底馬達定向千米鉆機，如圖1所示。鉆機由行走機構、動力系統、鉆進系統、電氣控制系統和測斜儀定向系統組成。
鉆機使用井底馬達在鉆桿不旋轉的情況下鉆孔。井底馬達由高壓水驅動，進給速度為每分鐘0 ~ 5m，而回收鉆桿的速度可達每分鐘0 ~ 20m。采用井底電機鉆進，減少了鉆桿與井眼之間的摩擦阻力，因此鉆機的鉆進能力在1000m以上，功率損耗小。
鉆機的主要技術參數是:
圖1 VLD-1000定向鉆機
鉆井長度:1000米；；
電機功率90kW(1140V，50hz)；
測斜儀定向系統的測量精度:上下偏差0.2度，水平偏差0.5度；
鉆機總重量:8500kg；
外形尺寸:4000mm(長)×2000mm(寬)×1600mm(高)。
2.2地下順層千米長樹枝狀鉆孔成孔試驗。
VLD定向鉆機於2003年4月在山西亞美大寧能源有限公司投產。如圖2所示，從開始作業到2004年4月底，全年共進尺78484米，創造了VLD單只定向鉆機定向鉆井的世界紀錄。截至9月底，VLD鉆機完成定向鉆孔160個，總進尺達到112716m。山西亞美大寧能源有限公司最長的VLD定向鉆已達到1005m(深度)，大部分鉆孔長度超過800m(深度)。
自2005年以來，千米鉆機井下鉆探已成為大寧煤礦的壹項常規工作。
在試驗中，重點試驗了順層縱向剖面上的定向和傾斜鉆孔。圖3顯示了V-P2 T22-20鉆孔測量的實際鉆井軌跡(縱剖面)。
如圖2所示，實驗中，鉆孔時還沿層理面進行了分支鉆孔，即在1孔的鉆孔過程中，利用千米鉆的傾角調節功能，實現了1孔多分支的層理分支長鉆孔。
大寧煤礦順層千米鉆機樹枝狀長鉆孔竣工圖。
圖3鉆孔V-P2T22-20實際鉆孔縱剖面軌跡圖
順層千米長樹枝狀鉆孔抽放瓦斯試驗
3.1測試工作
同時，研究了千米鉆機長鉆孔的鉆進工藝，並對不同深度鉆孔的排水效果進行了現場試驗研究。如表1所示，主要考察了不同深度鉆孔的瓦斯抽采情況(“鉆孔深度”指鉆孔開口點到鉆孔終點之間的長度，“總鉆孔長度”指鉆孔開口點到鉆孔終點之間的所有鉆孔傾角(平面和剖面)和分支鉆孔的總鉆孔長度)。
鉆孔深度為800m的該組鉆孔深度為801 ~ 852 m，總鉆孔長度為849 ~ 1548 m，勘察時間為371 ~ 833 d。
該組鉆孔深度600米，鉆孔深度513 ~ 714m，總鉆孔長度720 ~ 1062米，勘察時間379 ~ 836天。
鉆孔深度為400m的該組鉆孔深度為363 ~ 426 m，總鉆孔長度為597 ~ 966 m，勘察時間為413 ~ 598 d
表1順層千米分支長鉆孔排水效果調查匯總表
繼續的
註:表中“鉆孔深度”是指從鉆孔開口點到鉆孔終點的長度；“總鉆孔長度”是指鉆孔開口點和鉆孔最終孔點之間的所有鉆孔傾角(平面和剖面)和長支鉆孔的總鉆孔長度；表中每100米鉆孔的排水量是根據總鉆孔長度計算的。
3.2瓦斯抽放效果調查
3 . 2 . 1 800m組鉆孔排水情況。
如上所述，鉆孔深度為800m的組的鉆孔深度範圍為801 ~ 852 m，總鉆孔長度為849 ~ 1548 m，勘察時間為371 ~ 833 d。
圖4 p5t 22-11鉆孔排水效果檢查圖。
在試驗中，對表1中所列的5個800米深鉆孔的排水過程進行了監測。現將P5 T22-11鉆孔情況詳述如下。
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，鉆孔總長度1014m。調查時間為2005年6月5438+065438+10月65438+5月，瓦斯濃度和鉆孔抽采量見圖4。
如圖4所示，從鉆探P5T22-11開始，100m鉆孔抽采量為0.55 m3/min·hm，抽采瓦斯濃度達到97%左右。後來隨著抽采時間的延長，抽采濃度和抽采量隨抽采時間呈負指數規律逐漸降低，直到最後100米鉆孔的抽采量為0.02 m3/min·hm，抽采濃度約為20%。鉆孔排水負壓約為10 ~ 13 kPa。100m鉆孔的排水量與排水時間的關系如下。
q=0.5459e-0.0045t (1)
式中:q——100米鉆孔的抽采能力，m3/min·hm；T——提取時間，d
根據對該組其他鉆孔排水效果的調查，如表1所示，鉆孔深度800m的鉆孔平均排水情況為:鉆孔深度821.4m，鉆孔總長度1137m，排水時間643.8d，鉆孔平均排水量1.59m3/min，百米鉆孔平均排水量。
3.2.2鉆孔深度為600米時，分組鉆孔排水
該組鉆孔深度600米，鉆孔深度513 ~ 714m，總鉆孔長度720 ~ 1062米，勘察時間379 ~ 836天。
在試驗過程中，對表1中所列的5個600米深鉆孔的排水過程進行了監測。現將P2 T22-12鉆孔情況詳述如下。
P2T22-12鉆孔開口傾角2.63，完鉆時間2003年8月8日。鉆孔直徑94毫米，深度640米，總鉆孔長度790米..調查時間為2005年7月1日，瓦斯濃度和鉆孔抽采量見圖5。
圖5 p2t 22-12鉆孔排水效果調查圖
如圖5所示，從鉆探P2T22-12開始，100m鉆孔的泵送能力為0.42 m3/min·hm，泵送濃度達到95%左右。後來隨著抽采時間的延長，抽采濃度和抽采量隨抽采時間呈負指數規律逐漸降低，直到最後100米鉆孔的抽采量為0.03 m3/min·hm，抽采濃度約為22%。鉆孔排水負壓約為10 ~ 13 kPa。100m鉆孔的排水量與排水時間的關系如下。
q=0.5924e-0.0049t (2)
根據對該組其他鉆孔排水效果的調查，如表1所示，鉆孔深度為600m的鉆孔平均排水情況為:鉆孔深度為618.60m，鉆孔總長度為911.00m，排水時間為662.20d，鉆孔平均排水量為1.52m3/min。
3.2.3鉆孔深度為400米時，分組鉆孔排水
如上所述，鉆孔深度為400m的組的鉆孔深度範圍為363 ~ 426 m，總鉆孔長度為597 ~ 966 m，勘察時間為413 ~ 598 d。
在試驗中，對表1中所列的5組鉆孔深度為400m的排水進行了全過程監測。現將W12 S27-5鉆孔情況詳述如下。
W12S27-5井眼開度為1.38，完鉆時間為2004年7月8日。鉆孔直徑94毫米，深度363米，鉆孔總長度660米..調查時間為2005年6月10日至2005年10月21日，鉆孔抽采瓦斯濃度和抽采量見圖6。
圖6 w 12s 27-5鉆孔排水效果調查圖
如圖6所示，從W12S27-5鉆孔開始抽水時，100m鉆孔的抽水量為0.60 m3/min·hm，抽水濃度達到99%左右。後來隨著抽采時間的延長，抽采濃度和抽采量隨抽采時間呈負指數規律逐漸降低，直到最後壹個百米鉆孔的抽采量為0.65438+100 m3/min·hm，抽采濃度約為40%。鉆孔排水負壓約為10 ~ 13 kPa。100m鉆孔的排水量與排水時間的關系如下。
q=0.6998e-0.0053t (3)
根據對該組其他鉆孔排水效果的調查，如表1所示，鉆孔深度為400m的鉆孔平均排水情況為:鉆孔深度為389.80m，鉆孔總長度為720.6m，排水時間為535.40d，鉆孔平均排水量為1.90m3/min。
順層4 km長樹枝狀鉆孔排水效果評價與分析
4.1不同長度鉆孔的排水效果
分析了鉆孔深度為800m、600m和400m的典型鉆孔的抽采方式。不同鉆孔長度的提取效果如表2所示。從表中數據分析可知，鉆孔深度800米組的總鉆孔長度是鉆孔深度400米組的153%，1年、第二年和第800天的累計排水總量是鉆孔深度400米組的133% ~ 139%；鉆孔深度600米組的總鉆孔長度是鉆孔深度400米組的120%，第1年、第2年和第800天的累計排水量是鉆孔深度400米組的106% ~ 120%，可以看出，隨著鉆孔深度的增加，鉆孔的累計排水量也相應增加，說明是可行的這樣，煤礦井下實施千米鉆孔後，可以在大大減少抽放巷工程量的情況下，實現煤層大面積預抽。
表2不同千米長度分支長鉆孔排水效果分析表
通過分析表2中的數據，由於所有試驗鉆孔均位於大寧礦首采區內，因此在分支基本壹致的情況下，排水特征(相同長度鉆孔的排水量與時間的關系)應基本壹致，即可以認為長度小於660m的鉆孔的排水特征符合400m組的特征，長度為660 ~ 790 m的鉆孔的排水特征符合600m組的特征。790至1014m鉆孔的排水特征滿足800m組的特征，因此各鉆孔段(1排水年份)的排水量見表3。
表3順層千米長樹枝狀鉆孔各段瓦斯抽采量分析表(抽采年份1)
從表3可以看出，660 ~ 790 m長分支鉆孔的單位長度是0 ~ 660 m長度的33.21%，790 ~ 1014m是0 ~ 660 m長度的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減少，但減少不顯著(790 ~ 1014m的長度相比0 ~ 660m的長度僅減少20%)，也證明了在實驗條件下鉆孔長度越長，抽采的瓦斯越多。
4.2不同排水時間鉆孔的排水效果
分析了鉆孔深度為800m組、600m組和400m組的典型鉆孔的排水方式，不同排水時間的排水效果如表4所示。從表中數據分析可以得出，第二年末鉆孔累計總排水量比1年末增加了14% ~ 29%，而800 d年末累計總排水量僅比第二年末增加了1%左右。由此可以得出，鉆孔的合理排水時間為2年。
表4不同排水時間的千米支長鉆孔排水效果分析表
4.3順層千米長樹枝狀鉆孔的合理間距
4.3.1順層鉆孔預排水率
順層鉆孔預抽率是指鉆孔抽采的瓦斯占抽采範圍內煤層總瓦斯儲量的比例，順層鉆孔預抽率按下式計算:
η = QPumping/QTotal (4)
式中:η——預排水率，%;q抽采——鉆孔抽采的瓦斯總量，m3；q total——鉆井控制範圍內的總天然氣儲量，m3，q total = 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——煤層的單位重量，t/m3；w--煤層瓦斯含量，m3/t，大寧礦試驗場為14.00m3/t
4.3.2不同時間鉆孔抽采的瓦斯總量
通過分析試驗鉆孔的預排水效果，可以發現鉆孔的預排水特征如公式(1)、(2)、(3)所示。
根據公式(1)、(2)、(3)，不同時間鉆孔抽采的瓦斯總量如下:
800米組: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-draw = 690187.65(1-e-0.0053t)m3(7)。
4.3.3不同排水時間和不同鉆孔間距的預排水率
不同鉆孔抽放時間和不同鉆孔間距的預抽率由公式(4)確定。預排水時間為0.5年、1、2、3年，鉆孔間距15、20、30m的預排水率見表5。
表5不同排水時間和不同孔距的分支長鉆孔預排水率
註:煤層原始瓦斯含量為14.0m3/t，殘余瓦斯含量為4.2m3/t，煤層最終預抽率為70%。按照開采前煤層瓦斯含量低於8m3/t的要求，預抽率在42.86%以上。表中“-”表示預排水率在42.86% ~ 70%範圍之外。
4.3.4大寧煤礦不同預抽時間、不同鉆孔長度條件下的鉆孔間距，確保安全生產。
根據相關研究，首采綜放工作面原始瓦斯含量為14.0m3/t，確保首采綜放工作面安全生產的預抽率應為45%。對表5的分析表明:
如果綜放工作面預抽時間為0.5年，當選用800m或600m鉆孔組時，鉆孔間距應為15m，當選用400m鉆孔組時，鉆孔間距應為20m。
如果綜放工作面預抽時間為1年，則當選擇800m或600m組時，鉆孔間距應為20m，當選擇400m組時，鉆孔間距應為30m。
如果綜放工作面預抽時間為2年，則選擇800m、600m或400m組時，鉆孔間距應為30m。
大寧煤礦4.4 km長樹枝狀鉆孔的實際抽放效果
4.4.1首采面預抽效果
如圖1所示，大寧煤礦首采工作面長500米，寬320米。2003年開始鉆20～30m左右的樹枝狀長鉆孔，鉆孔深度約600m..預抽時間約為1.5年。
首采工作面原始瓦斯含量為14.0m3/t，開采前首采工作面直接法測得的煤層瓦斯含量為7.2m3/t，則首采工作面預抽率為48.57%。
4.4.2礦井瓦斯抽放率
2005年，大寧礦礦井瓦斯湧出量為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
通過研究和試驗，井下順層1000米長樹枝狀鉆孔在大寧煤礦瓦斯抽放中取得了成功，取得了良好的效果，為大規模預抽煤層瓦斯取得了有益的經驗和借鑒。
(1)選用澳大利亞制造的VLD-1000型井底馬達定向鉆機。在大寧煤礦煤層條件下，順層樹枝狀長鉆孔可實現千米左右。
(2)研究表明，隨著鉆孔長度的增加，大寧煤礦順層1000長樹枝狀鉆孔的瓦斯抽采量也隨之增加，說明在實驗條件下抽采瓦斯是有效的。
(3)通過研究，確定了實驗條件下達到45%預抽率的不同抽放時間的合理鉆孔間距。
(4)在大寧煤礦，通過實施井下順層長樹枝狀鉆孔抽采瓦斯。經過1.5年的預抽，預抽率達到近49%，礦井瓦斯抽采率達到70.35%。