0 引言
碎软煤层瓦斯含量高、透气性低、成孔性差，在中国广泛分布，其瓦斯抽采难题是制约矿井安全高效生产的重要因素[1-2]。
钻孔是进行碎软煤层瓦斯抽采的主要技术途径，目前以井下钻孔为主。近年来，国内外在井下钻孔钻进技术与装备方面开展了大量研究工作，研制了大功率履带式钻机、高转速钻机、跟管钻机等多种钻进装备，开发了高转速钻进、中风压空气钻进、雾化/泡沫钻进、套管跟管钻进等钻进工艺方法，但均未能解决碎软煤层顺层钻孔施工难题，因此目前主要以“底抽巷+穿层钻孔+对穿钻孔”相结合的方式解决煤层消突问题，治理成本、抽采效率和抽采效果均有待提高[3-10]。同时，煤矿加强了碎软煤层地面钻孔抽采技术的研究工作，开展了空气动力造穴、顶板定向钻孔压裂、煤层定向钻孔压裂等技术试验，但抽采效果有待进一步考察验证[11-12]。
西南地区是中国重要的能源基地，煤种齐全、煤质优良，是国家实施“西电东送”战略的火电基地。但西南地区煤层赋存条件复杂，煤层瓦斯含量高，煤与瓦斯突出灾害严重。随着煤炭开采的深入，其开采范围、深度及地质复杂程度进一步加大，矿井所面临的安全形势也越来越严峻，特别是煤与瓦斯突出事故频发，重特大煤与瓦斯突出事故每年都有发生，对煤与瓦斯突出的预测及防治一直是煤矿安全工作的重点[13-14]。青龙煤矿是中国西南地区的典型大型矿井，属于近距离煤层群开采，具有瓦斯含量高、压力大，煤层薄、松软破碎、稳定性和透气性差等特点。为解决瓦斯治理问题，矿方在西南地区率先引入了随钻测量定向钻进技术与装备，并形成了保护层开采抽采、“底抽巷+穿层钻孔+对穿钻孔”的立体抽采、底板梳状定向钻孔区域预抽采等3种瓦斯预抽采方式，但煤层瓦斯抽采治理效率和效果仍然严重影响和限制了矿井安全高效开采[15]。
针对碎软煤层瓦斯抽采钻孔成孔深度浅、轨迹控制精度低及瓦斯抽采效果差等问题，采用空气复合定向钻进技术，以青龙煤矿为试验矿井，开展了顺层定向钻孔钻进试验，取得了显著的成孔和瓦斯抽采效果，可供类似矿井参考借鉴。
1 青龙煤矿概况
1.1 矿井基本情况
青龙煤矿位于贵州省西北部的黔西县，矿井采用斜井开拓，设计生产能力为120万t/a。井田范围内含煤共15层，可采煤层为M16、M17(局部可采)、M18煤层，煤层倾角为2～14°。其中M16煤层平均可采厚度为2.88 m；M17煤层位于M16煤层与M18煤层之间，平均可采厚度为1.20 m；M18煤层平均可采厚度为3.18 m。
矿井于2004年12月正式投入生产，目前主要以M16煤层开采为主、M17煤层开采为辅，M18煤层尚未开采。
1.2 煤层瓦斯赋存情况
青龙煤矿属煤与瓦斯突出矿井，可采煤层均为高瓦斯高变质煤，同煤层的瓦斯含量随着煤层埋深的增加逐渐增大，在平面上沿煤层走向呈现不均衡性。
M16煤层为煤与瓦斯突出煤层，最大瓦斯含量为19.88 m3/t，煤层普氏系数为0.29～0.37，最大煤层瓦斯压力达1.73 MPa，平均透气性系数为7.62 m2/MPa·d。
M17煤层平均瓦斯含量为9.46 m3/t，煤层普氏系数为0.49，最大煤层瓦斯压力达0.50 MPa。
M18煤层为煤与瓦斯突出煤层，最大瓦斯含量为24.37 m3/t，煤层普氏系数为0.20～0.43，最大煤层瓦斯压力达1.20 MPa，平均透气性系数为7.05 m2/MPa·d。
1.3 矿井瓦斯预抽采方式现状
青龙煤矿主要采用以下3种方式相结合进行瓦斯预抽采。
(1) 保护层开采抽采方式。即采用下行开采设计，以M16煤层作为保护层，先开采M16煤层，然后开采M17，M18煤层，利用M16煤层的卸压效果，确保M17，M18煤层安全开采。该方式适合青龙煤矿煤层群开采的特点，有利于矿井瓦斯整体综合治理。
(2) “底抽巷+穿层钻孔+对穿钻孔”的立体抽采方式。即先在待掘煤巷下部施工底抽巷，然后在底抽巷内施工穿层钻孔，对待掘煤巷影响区内瓦斯进行抽采治理；煤巷掘进时，在掘进工作面和两帮钻场补充施工20个左右顺层钻孔进行快速预抽和抽采效果检验，确认瓦斯消突后进行煤巷掘进。煤巷掘进完成、工作面圈闭后，再施工顺煤层对穿钻孔进行工作面条带抽采，确保区域消突；工作面回采过程中，为了解决常规钻孔抽采空白带问题，当预测有煤与瓦斯突出危险时，沿工作面回采方向施工短距离抽采浅孔进行局部抽采，短距离抽采浅孔分上下两排错开布置，孔深10 m左右，抽采8 h后进行效果检验，经检验有效后进行工作面回采。该方式确保了煤巷安全掘进和工作面安全回采，但施工工程量大、治理成本高、抽采消突周期长，制约了矿井高效采煤。
(3) 底板梳状定向钻孔区域预抽采方式。即在煤巷掘进和工作面圈闭之前，利用底抽巷和底板钻场，在成孔性好的煤层底板稳定地层中施工主孔，然后根据设计要求选择合适的梳状分支孔施工工艺，利用分支孔进入待掘煤巷影响区和工作面内的煤层，从而进行超前区域预抽。该方式显著提高了钻孔深度，避免了抽采盲区，实现了超前区域瓦斯抽采治理，但梳状定向钻孔主要在岩层内延伸，钻进效率低，煤层内有效延伸距离较短，瓦斯抽采效果需进一步提高。
2 碎软煤层顺层定向钻孔钻进原理
针对碎软煤层顺层钻孔时易喷孔、塌孔、卡钻等问题，提出采用空气复合定向钻进技术施工碎软煤层顺层定向钻孔的思路，其具体原理：利用移动式螺杆型矿用空气压缩机输出的中压空气作为碎软煤层定向钻进的动力介质和排渣介质；利用随钻测量系统配套定向钻杆实时测量钻孔轨迹参数；利用定向钻机在孔口提供工具面调整与制动、回转、给进起拔动力；利用中压空气驱动空气螺杆马达进行钻孔轨迹调控、实现定向钻进过程，确保钻孔沿设计轨迹延伸；利用孔口除尘装置实现高效除尘作业和瓦斯抽采。
采用空气复合定向钻进技术进行碎软煤层顺层钻孔施工的关键技术如下。
(1) 复合定向钻进技术。复合定向钻进技术包括滑动定向钻进和复合钻进2种形式。当钻进地层稳定且需要进行钻孔轨迹调整时，采用滑动定向钻进技术施工，即钻杆不回转，仅利用孔底空气螺杆马达进行碎软煤层钻进；当钻进地层不稳定或实钻轨迹与钻孔设计轨迹偏差不大时，采用复合钻进形式，即使用钻机回转与孔底空气螺杆马达回转相结合的方式进行钻进。复合定向钻进可提高钻孔平滑性和排渣效果，确保碎软煤层内安全施工。
(2) 主动探顶与开分支技术。钻进过程中每隔一定距离主动施工上向分支孔探查煤层走向，然后开分支在煤层中延伸，以确保在青龙煤矿起伏大煤层中长距离顺层延伸。
(3) 机械-风力复合强排渣技术。在采用中压空气进行冲孔排渣的同时，利用钻机回转钻杆进一步搅动和磨碎钻屑，提高排渣效果，避免沉渣卡钻事故。
3 试验方案设计
3.1 钻场与钻孔设计
(1) 钻场设计。试验钻场位于二采区21608轨道巷迎头，考虑钻进安全，矿用空气压缩机放置在距钻场约80 m的主进风巷横川内，利用胶管将压缩空气引入钻场。
(2) 钻孔结构设计。试验钻孔由套管孔段和定向孔段组成。套管孔段直径为193 mm，最后下入长15 m的φ127 mm钢套管，并注浆固管；定向孔段直径为108 mm。
(3) 钻孔布置与轨迹设计。试验钻孔为超前掩护巷道掘进的顺煤层瓦斯抽采定向钻孔，共设计7个钻孔，孔深300 m以上，平面上平行于21608轨道巷布置，覆盖待掘巷道两侧20 m左右，剖面上沿M16煤层延伸。试验钻孔设计参数见表1，设计轨迹平面如图1所示(左位移为正)。
3.2 钻进装备
现场试验配套的钻进装备见表2。
3.3 钻具组合
(1) 套管孔段施工钻具组合。套管孔段分三开施工，首先采用φ108 mm定向钻头+钢变径+φ73 mm高韧性钻杆+…+φ73 mm高韧性钻杆+φ73 mm水便施工φ108 mm孔径的先导孔，然后换用φ96 mm/φ153 mm钻头二开扩孔至φ153 mm，再换用φ153 mm/φ193 mm钻头三开扩孔至φ193 mm。
表1 试验钻孔设计参数
Table 1 Design parameters of experimental boreholes
图1 试验钻孔设计轨迹平面
Fig.1 Design trajectory plane of experimental boreholes
表2 钻进装备
Table 2 Drilling equipments
(2) 定向孔段施工钻具组合。φ108 mm定向钻头+φ73 mm空气螺杆马达+无磁接手+φ76 mm下无磁+无磁接手+φ76 mm探管外管(内部安装有YHD2-1000(A)随钻测量系统探管)+φ76 mm上无磁+φ73 mm通缆钻杆+…+φ73 mm通缆钻杆+送风器。
3.4 钻进技术要求
3.4.1 套管孔段钻进技术要求
套管孔段采用回转钻进工艺施工，为确保套管顺利下入孔内，要求钻孔轨迹平直，孔内沉渣少；考虑碎软煤层孔口段破碎、抽采时易漏风，应加强套管注浆固孔工作，具体注意事项如下。
(1) 一开的关键是钻孔保直，孔口1 m以内孔段应以低转速、低钻压缓慢钻进，以保证孔口平顺，1 m以后应控制钻速平稳钻进，避免钻速过快导致钻孔严重弯曲。
(2) 二开扩孔深度应大于套管设计下入深度。扩孔钻进完成后，确保孔内冲洗干净，然后提钻。
(3) 三开扩孔钻进完成后，确保孔内冲洗干净，然后提钻并下入φ127 mm钢套管；套管下入到设计深度后，进行注浆固管。
(4) 注浆固管时，先从钻孔与套管环状间隙内插入注浆管，然后使用搅拌好的水泥砂浆封固孔口段(将孔口处密封，待水泥砂浆凝固后形成水泥塞)；再打开注浆截止阀，从注浆管内注入水灰质量比为1︰1.6的水泥浆，待水泥浆从套管内流出后，停止注浆，关闭截止阀。为加快水泥浆凝固速度，注浆时可添加适量水玻璃或速凝剂。
3.4.2 定向孔段钻进技术要求
定向孔段采用随钻测量定向钻进工艺进行施工，为确保钻孔轨迹控制精度，保障施工安全，应注意以下事项。
(1) 定向钻孔施工过程中，随钻测量测点间隔设计为3 m，不得超过6 m。
(2) 钻孔轨迹左右位移应严格按照设计控制。
(3) 定向钻进过程中通过探顶开分支延伸钻进，上下位移依据探测的顶板情况控制，保证钻孔在煤层中延伸。
(4) 钻进过程中及时关注设备工作压力、孔口返风及随钻测量数据情况，遇到异常及时停钻处理。
(5) 钻进过程中应定时冲孔，保证孔内清洁，避免卡钻事故发生；冲孔过程中利用钻机带动钻具回转并来回起下钻，以改善冲孔效果。
(6) 当钻进系统压力上升过快接近允许的临界值时，应及时提钻终孔，避免孔内事故。
4 现场试验
4.1 钻孔施工情况
现场试验共完成9个碎软煤层定向钻孔主孔及主分支孔，其中包括7个主孔、2个主分支孔，总进尺为3 929 m，300 m以上钻孔成孔率达88.9%，试验钻孔实钻参数见表3，实钻轨迹平面如图2所示(上位移为正)，其中2号试验钻孔实钻轨迹剖面如图3所示。可看出2号试验钻孔实钻孔深达406 m，含4个分支孔，总进尺为746 m，最低垂深为-8.65 m，钻孔落差达9 m以上，钻孔轨迹在煤层中延伸。
表3 试验钻孔实钻参数
Table 3 Drilling parameters of experimental boreholes
图2 试验钻孔实钻轨迹平面
Fig.2 Drilling trajectory plane of experimental boreholes
图3 2号试验钻孔实钻轨迹剖面
Fig.3 Drilling trajectory section-plane of
No.2 experimental borehole
4.2 瓦斯抽采效果
试验钻孔施工完成后，采用高负压抽采系统进行瓦斯抽采，并运送至地面进行发电利用。试验钻孔瓦斯抽采体积分数均超过68%，平均单孔瓦斯抽采纯量超过1 m3/min，最大单孔瓦斯抽采纯量超过2.55 m3/min，已连续抽采2个多月，瓦斯抽采纯量稳定无衰减。
青龙煤矿常规钻孔的瓦斯抽采体积分数一般为40%左右，单孔瓦斯抽采纯量不超过0.1 m3/min，可见顺层定向钻孔的瓦斯抽采纯量是常规钻孔的10倍以上，瓦斯抽采体积分数提高了50%左右，瓦斯抽采效果显著。
5 结论
(1) 针对碎软煤层顺层瓦斯抽采钻孔施工困难的问题，开发了空气复合定向钻进技术，并以青龙煤矿为试验矿井开展了现场试验。试验结果证明，空气对钻孔孔壁的冲刷小，孔壁稳定性好；空气复合定向钻进技术适用于碎软煤层顺层定向钻孔施工，既充分发挥了滑动定向钻进轨迹人工调控的优点，又有复合钻进高效快速、轨迹平滑、排渣通畅的优点，实现了钻孔轨迹的精确调控，保证了钻孔轨迹在煤层中有效延伸，煤层钻遇率高，事故发生率低。
(2) 顺层定向钻孔可沿碎软煤层长距离延伸，钻孔轨迹可控，避免了抽采盲区，提高了超前抽采距离和范围，与现有常规钻孔相比，瓦斯抽采效果明显，对于革新煤矿井下碎软煤层瓦斯治理模式、缩短碎软煤层工作面准备时间具有积极作用。
(3) 碎软煤层瓦斯抽采钻孔在瓦斯抽采过程中易发生孔内坍塌，导致抽采管道堵塞，采用筛管完孔技术可确保钻孔通畅。现场试验时，采用人工下放技术进行筛管下放，但定向钻孔深度大，人工下放筛管阻力大、下放深度有限，建议开发机械式筛管下放装置，辅助筛管下放工作，提高筛管下放深度和速度。
参考文献：
[1] 周斌,郝晋伟,张春华.松软煤层瓦斯钻孔失稳分析及动态密封技术[J].煤田地质与勘探,2016,44(4):161-166.
ZHOU Bin,HAO Jinwei,ZHANG Chunhua.Analysis on borehole instability under coupled multiple stress and dynamic sealing technology in soft coal seam[J].Coal Geology & Exploration,2016,44(4):161-166.
[2] 张英.松软破碎煤层瓦斯抽采钻孔失稳机理分析及加固技术[J].煤炭科学技术,2018,46(7):178-183.
ZHANG Ying.Instability mechanism analysis and reinforcement technology of gas drainage drilling soft-broken coal seam[J].Coal Science and Technology,2018,46(7):178-183.
[3] 方俊,李泉新,许超,等.松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术及发展趋势[J].煤炭科学技术,2018,46(5):130-137.
FANG Jun,LI Quanxin,XU Chao,et al. Construction technology and development tendency of gas drainage borehole in soft and outburst coal seam[J].Coal Science and Technology,2018,46(5):130-137.
[4] 刘新民,王力,王建利,等.韩城桑树坪二号井松软煤层钻进技术研究与实践[J].煤田地质与勘探,2017,45(3):165-169.
LIU Xinmin,WANG Li,WANG Jianli,et al. Research and practices on drilling in soft coal seams in Hancheng Sangshuping Coal Mine[J].Coal Geology & Exploration,2017,45(3):165-169.
[5] 董昌乐,吴智峰.富含FeS2结核松软突出煤层高效成孔技术与装备[J].煤田地质与勘探,2018,46(1):181-184.
DONG Changle,WU Zhifeng.Highly efficient drilling technique and matched equipment for soft and outburst-prone coal seam rich in FeS2nodules [J].Coal Geology & Exploration,2018,46(1):181-184.
[6] 殷新胜,刘建林,冀前辉.松软煤层中风压空气钻进技术与装备[J].煤矿安全,2012,43(7):63-65.
YIN Xinsheng,LIU Jianlin,JI Qianhui.Medium wind pressure air drilling technique and equipments in soft coal seam[J].Safety in Coal Mines,2012,43(7): 63-65.
[7] 刘勇,殷新胜,刘建林.松软煤层井下泡沫钻进工艺试验[J].煤田地质与勘探,2014,42(6):114-116.
LIU Yong,YIN Xinsheng,LIU Jianlin.Underground foam drilling tests in soft seam[J].Coal Geology & Exploration,2014,42(6):114-116.
[8] 余孝民,张杰,都海龙.长平矿软硬复合煤体高效钻进技术研究[J].煤炭科学技术,2018,46(4):65-70.
YU Xiaomin,ZHANG Jie,DU Hailong.Research on efficient drilling technology in hard-soft compositecoal in Changping Mine[J].Coal Science and Technology,2018,46(4):65-70.
[9] 李胜,罗明坤,周利峰,等.高瓦斯综采工作面瓦斯立体抽采技术与应用[J].辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2018,37(2):244-250.
LI Sheng,LUO Mingkun,ZHOU Lifeng,et al. Technology and application of gas stereo drainage in high gas fully mechanized working face[J].Journal of Liaoning Technical University(Natural Science),2018,37(2):244-250.
[10] 董富伟,刘巧彦.突出煤层“三岩两煤”瓦斯综合治理技术研究与应用[J].中州煤炭,2016,44(12):16-18.
DONG Fuwei,LIU Qiaoyan.Research and application of "three rock layers and two coal seams" gas comprehensive control technology in coal seam with outburst danger[J].Zhongzhou Coal, 2016, 44(12): 16-18.
[11] 赵龙.碎软突出煤层空气动力造穴工程主控因素[J].煤田地质与勘探,2017,45(6):22-27.
ZHAO Long.Main controlling factors of air-cavitation engineering in broken soft outburst-prone coal seams[J].Coal Geology & Exploration,2017,45(6):22-27.
[12] 李彬刚.芦岭煤矿碎软低渗煤层高效抽采技术[J].煤田地质与勘探,2017,45(4):81-84.
LI Bingang.Technology of CBM extraction in the crushed and soft coal seam in Luling Coal Mine[J].Coal Geology & Exploration,2017,45(4):81-84.
[13] 杨萌萌,袁梅,徐林,等.贵州高瓦斯低渗透难抽采煤层的细观特征试验研究[J].工业安全与环保,2017,43(10):30-33.
YANG Mengmeng,YUAN Mei,XU Lin,et al. Experimental research of the micro characteristics of coal seam of high gas and low permeability and hard to be extracted gas in Guizhou[J].Industrial Safety and Environmental Protection,2017,43(10):30-33.
[14] 韩真理,张书金,衡献伟,等.贵州煤矿煤与瓦斯突出防治技术体系研究[J].煤矿安全,2017,48(11):9-12.
HAN Zhenli,ZHANG Shujin,HENG Xianwei, et al.Study on technical system of coal and gas outburst prevention and control in Guizhou coal mines[J].Safety in Coal Mines,2017,48(11):9-12.
[15] 徐青伟,王兆丰,徐书荣,等.穿层钻孔各煤层瓦斯抽采比例计算方法及应用[J].煤田地质与勘探,2016,44(6):169-172.
XU Qingwei,WANG Zhaofeng,XU Shurong,et al.Calculation method of gas extraction ratio from different seams in crossing holes and its application[J].Coal Geology & Exploration,2016,44(6):169-172.