0 引言

保德煤矿是神东煤炭集团所属的大型石炭纪 —二叠纪出口煤配煤基地，位于山西省保德县境内，属晋北大型煤炭基地河保偏矿区。地理坐标为东经 111°04′20″～111°08′30″，北纬 38°54′50″～39° 01′49″，保德煤矿目前主采煤层为 8号煤层，区域预抽钻孔沿煤层布置，煤层倾角 3°~9°，平均煤厚 6.8 m（刘学江等，2020）。

近年来，随着煤矿井下定向钻进技术的不断发展，定向钻进技术已成熟应用于煤矿井下瓦斯抽采治理、地质异常超前探测工程、地质勘查、采空区防灭火治理、卸压定向钻孔、煤矿井下防治水等方面，并取得了显著成效（刘建林和李泉新，2017；金鑫等，2017；金鑫，2018；豆旭谦等，2018；刘飞等， 2019；石浩，2019；刘忠全等，2021）。随着煤矿开采工作面的拓宽和开采深度的增加，瓦斯治理问题已经成为制约高瓦斯矿井安全开采的主要因素（唐石山等，2020）。为了满足煤矿大区域深部开采的需要，利用定向长钻孔覆盖面广、抽采效率高、轨迹精准可控等优势，逐步在高瓦斯矿井大区域瓦斯抽采中进行应用（宋金星和王正伟，2016），确保矿区安全高效回采（金鑫等，2018；石智军等，2019；王庆和金鑫，2021）。目前，保德煤矿工作面走向长度普遍超过 3000 m，随着开采工作向深部区转移，瓦斯含量及压力逐步升高，瓦斯治理问题日益突出，目前常规性的密集短钻孔抽采已经不能满足高瓦斯矿井高产高效安全开采的需要。保德煤矿煤层属中低阶煤，具有孔隙大、中孔占比高的特点，瓦斯在其内部的运移属中、高速流动，造成煤层衰减速率快，钻孔瓦斯流量衰减快，已经成为制约定向钻孔抽采效果的主要因素。此外，由于保德煤矿地面位于黄土高原，地面沟壑纵横，地形地貌决定了难以采用地面抽采的瓦斯治理模式。因此，本文在大区域瓦斯治理的理念下，采用远端水平对接钻进技术、扇形多分支定向钻进技术和超长复合定向钻进技术进行大区域瓦斯抽采，以期达到进一步提高定向长钻孔瓦斯抽采效果，确保采煤安全。

1 矿区煤层瓦斯情况

山西省忻州市保德煤矿目前主采煤层为8号煤层，属于石炭纪—二叠纪气煤。矿井井田盘区主要划分为一、二、三^上、三^下和五盘区，年生产能力大于 500万t。2014年9月由神华神东煤炭集团有限责任公司鉴定为高瓦斯矿井，其中，2021 年 9 月 16 日由神华神东煤炭集团有限责任公司重新测定矿井绝对瓦斯涌出量 94.48 m³ /min 左右，相对瓦斯涌出量 9.20 m³ /t，属于高瓦斯矿井（表1）。大量科学研究表明（李瑞锋等，2018），保德煤矿 8^# 煤层中仅有 60% 的瓦斯来自本煤层，其余均为临近层位游离瓦斯。由保德煤矿8^# 煤层瓦斯参数可知（表2），8^# 煤层瓦斯治理主要存在抽采浓度衰减快、常规钻孔见煤率低、钻孔有效预抽期短、采掘工作面抽采达标时间延长、瓦斯超限等问题。井下定向长钻孔具有轨迹可控、见煤率高、钻孔布设灵活等特点，可以满足高瓦斯矿井区域瓦斯治理的需要。

2 区域瓦斯治理技术研究

2.1 区域瓦斯治理类型研究

目前，瓦斯治理需要综合考虑瓦斯治理区域范围、区域瓦斯含量、抽采工作面达标期限等因素。一般情况下，煤矿井下采掘工作面宽度（d）为 200~260 m，根据矿区区域范围不同，采掘工作面长度（l） 一般为 800~3000 m，甚至某些矿区会＞3000 m。瓦斯治理按照区域范围划分为小区域（l＜1000 m）、中区域（1000 m≤l＜2000 m）、大区域（2000 m≤l＜3000 m）和超大区域（l≥3000 m）4类。随着钻进技术不断发展，常规钻孔、扇形定向钻孔、半扇形定向钻孔、多分支定向钻孔和超长定向钻孔等大量应用于区域瓦斯治理，具体适用情况如表3所示。

2.2 区域瓦斯治理钻探装备

随着瓦斯治理区域不同，所用的钻探装备也在不断发展。常规钻探常用钻机有 ZDY3200S、 ZDY4000L和 ZDY6000L，而定向钻探常用钻机已经从 ZDY6000LD 型全液压履带式深孔定向钻机逐步发展为ZDY15000LD型大功率全液压履带式深孔定向钻机，该钻机起拔力和给进力最大可达 250 kN，可用于顶板高位、底板注浆、疏放水和顺煤层瓦斯抽采定向长钻孔等多种超长、超深孔钻进。主要配套装备有BLY520型履带式泥浆泵车、Ф89 mm大扭矩螺杆钻具及YHD3-1500泥浆脉冲随钻测量系统。 BLY520型履带式泥浆泵车能够提供大排量液压驱动和足够的钻进压力，满足深孔的成孔钻进和辅助碎岩以及携带岩屑的需要。具体区域治理的钻探设备配套如表4所示。

2.3 区域瓦斯治理定向钻进技术研究

2.3.1 远端水平对接钻进技术

为了井上、井下联合区域抽采，采用远端水平对接技术施工，实现井下定向钻孔与地面井组直井对接。远端水平对接钻进技术就是利用超长定向钻孔与目标靶点对接技术（杨俊哲等，2020；金鑫等，2021），主要技术难点为钻进过程中的钻孔轨迹控制和目标精确中靶。钻进过程中，采用泥浆脉冲随钻测量系统实时监控钻孔孔深、钻孔倾角、钻孔方位角等轨迹参数，通过螺杆马达提供孔底动力，滑动钻进调整实钻轨迹，复合钻进保持实钻轨迹。对接过程中，借助 RMRS（旋转电磁测距法）技术不断接收强磁场接头发射的磁场作为信标指导定向钻进，达到精确中靶的目的。

2.3.2 扇形多分支定向钻进技术

在区域瓦斯治理中，扇形多分支定向钻进技术是尤为重要的一项关键技术。为了确保定向钻孔在煤层中延伸，在钻进过程中采取后退式开分支技术“主动探顶+开分支钻进+主动探底+开分支钻进” 的模式进行钻进，探查清楚煤层的大致走向（图1）。

利用扇形多分支定向钻孔区域覆盖范围广、分支孔成孔效率高、布设钻场少等特点，在待掘工作面可以布置扇形多分支定向钻孔和半扇形超长定向钻孔（图2）。在钻进过程中，采取后退式开分支技术施工定向分支钻孔，达到在平面范围内覆盖预抽区域的目的。

2.3.3 超长复合定向钻进技术

超长复合定向钻进技术是在滑动定向钻进造斜满足预期效果的基础上，通过钻机动力头输出扭矩带动孔内钻具转动，由于孔内整个钻具转动螺杆弯外角的导向作用消失，降低了钻孔轴线弯曲强度使钻孔更加平滑，有利于钻机动力头压力的传递，岩屑排出，显著提高钻孔施工深度（李泉新等， 2018；石智军等，2020）。

超长复合定向钻进轨迹控制的关键在于孔底螺杆弯外角不断转动，通过优化钻进参数使处于稳斜阶段的钻孔快速钻进，当钻孔轨迹超出可控范围之外时，再通过滑动定向钻进纠斜调整钻孔轨迹，周而复始的进行“滑动纠斜+复合稳斜”完成钻孔钻进（王鲜等，2019；金鑫等，2022），复合定向钻进技术钻进工艺流程如图3所示。

3 定向钻进技术实施及效果分析

3.1 远端水平定向钻孔与地面井对接技术应用

在保德煤矿三下盘区辅运 20 联巷施工一个水平定向钻孔，采用远端水平对接钻进技术进行钻孔轨迹控制，在定向钻孔孔深为 1452 m 时，接收到 RMRS 发射的强磁信号，并及时纠斜纠偏、指导钻进，钻至 1544 m 时，井下定向钻孔孔口返水量瞬间增大，与此同时，神华平-01V井井口出气量增大，确定对接钻孔与神华平-01V 井直井连通成功（图4）。 2019 年 7 月 2 日该钻孔开始正压排采，纯瓦斯含量超过 2.3 m³ /min，平均日产气量超过 3300 m³。截至 2021年3月3日，累计抽采瓦斯纯量超过12×10⁵ m³。该钻孔的成功贯通提高了该井组抽采效率，为区域瓦斯治理井下、地面立体式联合抽采提供了技术支持。

3.2 扇形、半扇形多分支定向钻进技术应用

在保德煤矿三下盘区81311工作面（长3000 m× 宽 240 m）已掘辅运顺槽巷道和进风顺槽巷道共设置6个定向钻场。根据掘进巷道施工次序和掘进进度，先后施工 3组扇形多分支下行定向钻孔、1组半扇形多分支顺层定向钻孔和2组扇形多分支上行加密定向钻孔覆盖整个工作面区域，累计施工钻孔工程量38360 m。其中，3组扇形多分支下行定向钻孔主要是在 81311 辅运顺槽巷道掘进初期施工，目的是预抽 81311工作面、81311进风顺槽巷道和 81312 辅运顺槽巷道的瓦斯。1组半扇形多分支顺层定向钻孔布置在 81311 辅运顺槽巷道掘进中期施工，利用半扇形多分支定向钻孔覆盖面广、钻场掘进少的轨迹特点，预抽 81311 工作面瓦斯，控制区域 1400 m×250 m。2组扇形多分支上行加密定向钻孔，根据原施工定向钻孔抽采浓度衰减情况进行布置，目的是缩短 81311 工作面瓦斯预抽时间。根据上述原则，采用后退式开分支技术在 81312 辅运顺槽巷道施工扇形、半扇形多分支定向钻孔 7 组，进行接续 81312工作面瓦斯预抽。具体定向钻孔实钻轨迹如图5所示。

81311工作面煤层瓦斯含量为 5.7 m³ /t，钻孔初始抽采纯瓦斯量为2.79 m³ /min，钻孔连接抽放管路300天共计抽采纯瓦斯量 778300 m³，平均纯瓦斯流量为 0. 011 m³ /min·hm，抽采达标周期预计 12个月，吨煤瓦斯含量降低 1 m³ /t。

3.3 超长定向钻孔应用

采用超长复合定向钻进技术施工定向钻孔，可以根据区域瓦斯治理条件和治理要求，进行超长定向钻孔布设。在保德煤矿二盘区施工了3组顺煤层超长定向钻孔，主孔深度分别为 2311 m、2570 m 和 3353 m，对二盘区工作面瓦斯实现超前治理。其中 2311 m 定向钻孔和 2570 m 定向钻孔为一般超长定向钻孔，3353 m 超长定向钻孔贯穿了整个 81210 工作面，也创造了目前井下顺煤层定向钻孔最深记录，该钻孔历时 21 天，见煤率 100%，估计偏差小于 0.15%，平均抽采纯瓦斯量为 4.67 m³ /min，平均抽采瓦斯浓度为 61.8%，钻孔瓦斯流量为 0.1392 m³ / min·hm。具体 3组顺煤层超长定向钻孔轨迹如图6 所示。

3.4 区域瓦斯治理效果预测

结合保德煤矿定向钻孔实际应用情况，以二盘区 81209、81210 和 81211 工作面为例，进行区域瓦斯治理效果预测，工作面瓦斯含量预计为 7.76~8.96 m³ /t。按照《瓦斯抽采达标暂行规定》，实现采前预抽达标，吨煤瓦斯含量降低至 5 m³ /t以下，具体信息如表5所示。

研究结果表明，瓦斯抽采量q_t与时间t成指数相关的函数f（t，q_t）。对公式（1）进行回归分析可求得q 和β。

式（1）中：q_t —钻孔平均瓦斯抽放量，m³/min· hm；q—钻孔初始瓦斯抽放量，m³/min·hm；β—衰减系数，d^-1；t—抽放时间，d。

对式（1）积分，可以得到任意时间 t内钻孔瓦斯抽放总量Q_t和钻孔极限瓦斯抽放量Q_j。

式（2）、（3）中：Q_t —时间t内钻孔抽放瓦斯总量， m³；Q_j —时间t趋近于无穷大时的钻孔极限瓦斯抽放量，m³；q₀—初始瓦斯浓度，m³/min。

根据公式（2）和（3），可以计算出 81209、81210 和 81211 工作面瓦斯抽采效果预测结果。其中，q₀ 取钻孔抽采最大值 6. 07 m³ /min，β 根据钻孔类型不同进行取值。其中，超长定向钻孔钻孔取 0. 0017，扇形定向钻孔取0. 0050，常规钻孔取0. 0353。具体计算结果如表6所示。

结果表明，二盘区 81211、81210、81209 工作面当采取常规钻孔预抽瓦斯时，采前吨煤瓦斯含量未降低至 5 m³ /t 以下；当采用扇形定向钻孔预抽瓦斯时，仅有81209工作面采前达标；当采用超长定向钻孔预抽瓦斯，可以提前实现瓦斯抽采达标。

4 结论

（1）采用远端水平对接技术实现井下定向钻孔与地面井组直井对接，对接钻孔轨迹精准可控，正压排采效果显著平均日产气量超过3300 m³，纯瓦斯含量超过2.3 m³ /min。该技术成功应用为井上井下联合区域抽采提供了技术保障，不仅提高了地面煤层气井组的抽采效率，还对实现瓦斯治理和高效利用具有示范意义。

（2）采用扇形、半扇形多分支定向钻进技术应用可以实现待采工作面瓦斯抽采钻孔区域覆盖。利用扇形、半扇形多分支定向钻孔覆盖面广、钻场掘进少的轨迹特点完成瓦斯抽采钻孔布置，进而达到快速降低区域瓦斯浓度的目的。

（3）采用超长复合定向钻进技术施工定向钻孔，可根据区域瓦斯治理条件和治理要求，进行超长定向钻孔布设。所施工的超长定向钻孔深度大于 3000 m，能够贯穿并覆盖整个待采工作面，实现瓦斯钻孔双向抽采。与传统常规钻孔和扇形、半扇形钻孔进行的区域治理相比效果明显。通过区域瓦斯治理效果预测，可以优选出适用于区域瓦斯治理中钻孔布置的最优方案，大大降低煤矿瓦斯突出等安全事故的风险，进而满足煤矿区安全高效开采需要。

参考文献