煤矿井下全域化瓦斯抽采定向钻进关键技术与工程实践

李泉新，许 超，刘建林，方 俊，张 杰，刘 飞

(中煤科工西安研究院(集团)有限公司，陕西 西安 710077)

煤炭是我国能源安全稳定供应的基石，高瓦斯和煤与瓦斯突出矿井煤炭产量约占全国煤炭产量的1/3，瓦斯灾害严重制约着煤炭行业的安全可持续发展。煤矿井下定向孔可实现超前、区域、精准瓦斯抽采，是瓦斯灾害治理的重要技术手段，对提升矿井安全保障水平具有重要意义。

“十一五”以来，依托国家发改委、科技部项目支持，我国随钻测量定向钻进技术与装备得到快速发展，成功研制出国产系列化定向钻进装备，开发了滑动定向钻进工艺和复合定向钻进工艺，在煤矿井下工作面采前瓦斯、采动卸压瓦斯及采空区瓦斯治理中发挥着重要作用，取得了显著的抽采效果，相较于常规瓦斯抽采技术装备优势明显。但我国煤矿区煤层赋存地质条件差异性较大，且受钻进技术装备制约，随钻测量定向钻进技术装备主要适用于中硬稳定煤岩层内千米以浅定向孔钻进施工，在长距离定向钻进成孔和复杂煤岩层钻进方面存在一定的技术瓶颈，主要表现为：① 随钻孔深度增加，孔内摩擦阻力呈指数型增大，钻进动力传递和轨迹控制难度大，侧钻分支困难，成孔深度受限，钻孔覆盖面积有待进一步提升；② 碎软煤层钻进易失稳坍塌，定向成孔困难，钻孔深度浅、成孔率低，易存在抽采盲区和空白带；③ 顶板岩层成孔直径小、钻进效率低、复杂顶板成孔困难，钻孔瓦斯抽采效率有待进一步提升。

“十三五”期间，在国家科技重大专项支持下，针对定向钻孔瓦斯抽采存在的技术问题，研发了适用于超长定向钻孔施工的技术装备，攻克了复杂地层定向钻进成孔技术瓶颈，推动了井下瓦斯防治逐步向区域化、精准化的方向发展，即采掘前利用顺煤层定向长钻孔预抽煤层瓦斯，回采过程中及回采后利用大直径顶板高位定向钻孔抽采采动卸压瓦斯及采空区瓦斯。笔者以“十三五”最新科研成果为依托，开展了全域化精准瓦斯抽采模式和工程实践研究，以期为矿井瓦斯“零超限”和煤层“零突出”目标的实现提供技术装备支撑。

1 煤矿井下全域化瓦斯精准抽采

针对我国不同煤层赋存地质条件和开采阶段下矿井瓦斯治理的技术需求，提出了基于定向钻孔的煤矿井下全域化瓦斯精准抽采模式，如图1所示，主要结合矿井采掘部署进行抽采钻孔布置，利用定向钻孔轨迹精确可控、可沿目标地层长距离延伸的优势，在煤矿井下大区域范围内实现“中硬煤层、碎软煤层、顶板岩层”全区域精准覆盖、“采前-采中-采后”全时段连续抽采，最大限度实现全域快抽、应抽尽抽。

图1 煤矿井下全域化瓦斯精准抽采模式示意

“全域化”抽采包括空间和时间2个概念，其中空间上与矿井含煤地层适应，平面上既覆盖中硬煤层，又覆盖碎软煤层，剖面上既覆盖煤层，又覆盖岩层，确保煤矿区内含煤地层全覆盖，避免出现瓦斯抽采盲区和空白带；时间上与采煤工程协调，准备区、生产区利用顺煤层定向钻孔进行采前预抽，采动区、采空区利用顶板高位定向钻孔进行采动卸压抽采，实现抽采时间无缝衔接、应抽尽抽，最终在矿井生产空间和时间上形成协同性高、实效性强的瓦斯精准抽采模式。

煤矿井下定向钻进技术的进步促进了其适用地层范围从中硬煤层逐步拓展到碎软煤层和顶底板岩层，基于定向钻孔的全域化瓦斯精准抽采模式主要包含以下3种模式，即：中硬煤层大盘区瓦斯抽采、碎软煤层瓦斯区域抽采和采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采。

1.1 中硬煤层大盘区瓦斯抽采模式

1.1.1 技术需求

大型现代化矿井是保障我国煤炭持续稳定供应的重要基础，其煤炭科学产能的释放严重受限于瓦斯治理效率。针对大型矿井中硬煤层瓦斯抽采治理，目前常采用“递进衔接”的方式进行区域瓦斯抽采，取得了较好的瓦斯抽采效果，但其仍存在钻孔施工受采掘活动制约、钻孔抽采时间短、抽采不充分等问题。

中硬煤层大盘区瓦斯抽采模式主要适用于高强度开采条件下结构完整、地质构造简单、坚固性系数≥1的煤层瓦斯抽采，其原理如图2所示，即：在盘区大巷形成后，从盘区大巷沿工作面走向施工超长定向钻孔群覆盖整个盘区，超前预抽达标后，再布置盘区内巷道和工作面，超长定向钻孔施工和抽采不依赖于盘区内采掘工作面布置和施工，可超前开始抽采。该抽采模式既延长了瓦斯抽采时间，又提高了瓦斯抽采范围，实现了盘区整体性瓦斯治理，为大型现代化矿井工作面布设优化、增产上产、降本增效提供了技术支撑。

图2 中硬煤层大盘区瓦斯抽采与常规递进式瓦斯抽采模式

1.1.2 技术难点

中硬煤层大盘区瓦斯抽采模式的实现与定向钻孔的成孔深度密切相关。煤矿井下顺煤层定向钻进多采用“滑动纠偏+复合保直”的钻进工艺进行钻孔轨迹控制，采用“主动探顶+侧钻分支”的钻进工艺保证钻孔沿煤层延伸，纠偏钻进与侧钻分支均采用滑动定向钻进工艺。然而，随孔深增加，滑动定向钻进的摩擦阻力急速增加，导致钻进动力传递和钻孔轨迹控制难度增大，制约了钻孔深度进一步提高。超长定向钻孔施工存在以下技术难点：① 超长孔定向钻进时所受阻力不断增大。所受阻力主要来源于碎岩阻力、沉渣阻力和孔壁摩擦阻力，如图3所示，由于定向钻孔轨迹复杂、孔内清洁度差、钻杆弯曲变形程度加剧，钻杆与孔壁接触压力增大，导致定向钻进所受阻力逐渐增加。钻机为克服孔内不断增大的钻进阻力，需要连续提高其给进压力，导致给进压力近似呈指数型增长，并达到钻进系统压力极限，这成为制约滑动定向钻进提速和钻孔深度的关键。② 滑动侧钻分支技术难以满足超长孔分支孔钻进需要。侧钻分支孔是定向钻孔轨迹长距离延伸的保证，然而滑动侧钻分支时需保持孔底定向钻具造斜方向稳定，随孔深增加，定向钻具反扭角增加，钻压难以有效稳定作用于钻头，导致精准控制定向钻具造斜方向困难，钻进钻孔轨迹控制难度大，滑动侧钻分支成功率大幅下降。③ 超长孔定向钻进测量信号传输稳定性低。煤矿井下有线随钻测量系统利用中心通缆钻作为信号传输通道，其信号传输对钻具结构和密封性要求高，且随钻孔深度增加，中心通缆钻杆接触点增多、导线电阻增大，电压信号在接触点被分压严重，导致信号传输强度随孔深不断衰减，信号传输深度受限。

图3 滑动定向钻进阻力变化示意

1.1.3 中硬煤层超长孔定向钻进技术

(1)超长孔定向钻进减阻技术。水力加压技术主要是利用水力加压螺杆马达，将泥浆泵提供的高压冲洗液动能转化为轴向推力，直接施加在钻头上进行回转碎岩。通过孔底局部加压，改善孔底钻具受力状态，降低对孔口钻进给进力的需求，为孔底钻头碎岩提供持续动力。正反扭转减阻技术主要是利用复合钻进阻力小于滑动钻进阻力的特性，采用孔口钻机正反扭转钻杆，通过合理控制正反扭转速度和角度，确保复合段钻具复合扭转、滑行段钻具滑动，降低滑动钻进阻力，减缓钻进推力随孔深的增长速率，从而提高滑动钻进深度，如图4所示。正反扭转钻进时，扭转频率越高，减阻效果越好；在不改变螺杆钻具工具面和不致使钻具卸扣条件下，扭转运动幅度越大，扭转运动区范围越大，钻进减阻效果越明显。

图4 正反扭转滑动定向钻进减阻技术原理

(2)复合回转倾角控制与侧钻分支技术。开发了复合钻进倾角控制技术，通过动态调整复合钻进钻压、转速、泵量等参数，实现回转钻进工况下增倾角、降倾角、稳倾角精准控制调节，其中增倾角控制采用“高钻速、低转速”工艺参数，降倾角控制采用“低钻速、高转速”工艺参数，稳倾角控制采用中间状态工艺参数，从而解决超长定向钻孔的轨迹控制难题。开发了“低钻速推进、高转速复合”侧钻分支工艺，采用更低的钻进速度和较高的旋转速度，使钻头侧出刃在单位时间内连续多次切削孔壁下缘，使钻头在前进的同时切入下孔壁的煤岩体中，达到钻进分支孔的目的，由此解决超长钻孔侧钻分支难题，确保超长定向钻孔沿目标地层延伸。

(3)泥浆脉冲无线随钻测量技术。开发了矿用泥浆脉冲无线随钻测量系统，以清水作为信号传输载体，通过动态控制钻杆柱内冲洗液过流面积产生正脉冲信号，实现信号无线传输；利用脉冲信号比例先导发射技术，基于冲洗液流量的电源智能控制方法，采用间歇工作模式，降低了随钻测量系统工作能耗，解决了超长时间续航难题，实现了超长定向钻孔“一趟钻”施工；采用电源隔离、信号隔离及运动部件隔离技术，解决了爆炸性气体工作环境下测量系统防爆难题。该系统突破了小泵量、低泵压和小直径条件下测量信号无线随钻传输技术瓶颈，信号传输速度为1 400 m/s 左右，信号强度衰减速率慢、传输距离远，具备孔深3 000 m以上信号传输能力。

1.2 碎软煤层瓦斯区域抽采模式

1.2.1 技术需求

碎软煤层在我国河南焦作、安徽两淮、贵州毕节等地区广泛分布，且多数中硬煤层矿井中存在局部碎软煤层或软硬互层煤层。在碎软煤层中施工瓦斯抽采钻孔难度大，特别是突出矿井采取预抽煤层瓦斯区域防突措施时，在钻孔类型、钻孔深度、抽采时间等方面存在诸多限制，而以“瓦斯抽采底板巷+穿层钻孔+顺层对穿钻孔”为主的传统瓦斯治理模式周期长、成本高，严重制约着矿井瓦斯治理效率和安全生产水平的提升。

碎软煤层瓦斯区域抽采模式包括煤巷条带煤层瓦斯预抽和回采工作面瓦斯预抽，主要适用于结构破碎、坚固性系数0.3≤<1.0的煤层瓦斯预抽，其原理如图5所示，即：首先沿煤巷条带延伸方向，施工集束型定向长钻孔群均匀覆盖待掘巷道前方及两侧一定范围，要求煤巷条带掩护距离达300 m以上，瓦斯抽采达标后方可进行安全掘进；然后利用已掘煤巷，施工横穿工作面定向钻孔群或集束型定向钻孔群，覆盖待采工作面，并覆盖下一工作面的待掘巷道，瓦斯预抽达标后，进行工作面回采和下一个工作面巷道掘进，实现抽、掘、采接续交替。该抽采模式可大幅减少岩巷掘进量、缩短碎软煤层瓦斯抽采周期，从而提高瓦斯治理效率、降低瓦斯治理成本。2019年修订的《防治煤与瓦斯突出细则》将定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯纳入区域防突措施，进一步强化定向钻孔在碎软煤层瓦斯抽采中的应用。

图5 碎软煤层瓦斯区域抽采示意

1.2.2 技术难点

目前，井下普遍应用的随钻测量定向钻进技术以清水作为动力介质驱动孔底螺杆马达，主要适用于坚固性系数≥1的中硬稳定煤层，由于清水对孔壁的冲刷扰动大，因此不适用于碎软煤层定向钻进成孔。以空气作为动力介质驱动螺杆马达旋转定向钻进是碎软煤层定向成孔的理想技术方案，但存在以下技术难题：① 缺乏定向钻孔强排渣、精准轨迹控制和长距离完孔工艺。由于碎软煤层结构破碎。钻进过程中受外力扰动及瓦斯涌出等不利因素影响，孔内钻渣量较大，若不及时将钻渣输送出钻孔，钻渣堆积堵塞瓦斯运移通道会形成喷孔等现象，甚至造成卡钻等事故；瓦斯抽采阶段，由于裸孔孔壁自稳能力差，而定向钻孔由于多分支结构导致筛管难以下放至孔底，塌孔易堵塞瓦斯抽采通道。② 缺乏针对碎软煤层气动定向钻进的矿用螺杆马达。螺杆马达是进行定向造斜、实现钻孔轨迹精准控制的核心工具，现有矿用液动螺杆马达工作压力大(≥2 MPa)、排量小(≤500 L/min)，不适用气体钻进，而石油天然气勘探开发行业普遍使用的气动螺杆马达直径大、长度大、启动压力大，难以直接应用于煤矿井下；此外，气体对螺杆马达的冷却润滑效果差，若不采取合理的工艺措施，则会加剧气动螺杆马达的异常磨损。③ 缺乏随钻安全监控仪器。气动定向钻进相比液动定向钻进，总体工况更加复杂，而气体减振效果差，实现孔底强震动环境下钻孔轨迹精准测量是亟待解决的难题；此外，由于矿用空压机输出的压风温度高，压风冷却效果差且富含氧气，容易导致孔内着火，因此开展气体钻进安全监测技术研究，且采取必要的安全预防措施至关重要。

1.2.3 碎软煤层气动定向钻进技术

(1)碎软煤层气动定向钻进技术及定向孔筛管完孔工艺。该技术利用矿用空压机输出的压力气体作为碎软煤层定向钻进的动力源和排渣介质，驱动气动螺杆马达带动钻头钻进，减少对孔壁的冲刷扰动，同时配套随钻测量系统进行钻孔轨迹测控，解决碎软煤层长距离定向成孔难题。针对碎软煤层煤渣量大、易积聚问题，利用压力气体为煤渣提供轴向运移动力，利用异形定向钻具为煤渣提供周向运移动力，提升了气体携渣能力，减少煤渣沉积。针对碎软煤层易塌孔，影响后期瓦斯抽采的问题，采用定向钻孔长距离筛管安设工艺，实现了定向钻孔筛管护孔，保障了瓦斯长时间稳定抽采。

(2)小直径耐高温长寿命气动螺杆马达。气动螺杆马达采用长导程转子、高密封定子线型及多级多头结构设计方式，实现了≤0.3 MPa低压启动。针对气体冷却润滑性能差，气动螺杆马达高速回转输出动力过程中，传动轴轴承、马达总成受高频交变载荷作用易生热磨损问题，创新设计了油密封润滑装置，实现了传动轴密封润滑，提高了轴承使用寿命；采用气控油雾润滑装置，定量抽吸和高压雾化润滑油，随压缩气体进入气动螺杆马达，在马达总成的定转子间形成润滑油膜，通过主动润滑，显著减缓马达总成因高速摩擦生热而导致的磨损失效。

(3)压风定向钻进随钻测量监控装置。为避免压风定向钻进时孔内异常升温带来的安全隐患，采用矿用有线随钻测温测斜系统，在测量钻孔倾角、方位角、气动螺杆马达工具面向角的同时，可测量钻杆内温度和钻孔环空温度等参数，并采用有线传输方式进行快速传输，实现了钻孔轨迹、孔内温度的随钻监测，保障了定向孔施工安全。针对孔口气体钻进安全监测问题，开发了压风监控系统，采用参数监测模块实时监测流量、压力、温度和氧气浓度等进风参数和一氧化碳浓度、甲烷浓度、温度和流量等返风参数，且可进行异常报警；采用风水联动模块在孔内出现异常时立即向孔底注入雾化气体，实现快速应急处理；采用孔口控压装置防止管路压力过高和孔内气体返流，实现安全降噪卸载；同时使压风定向钻进参数可知、状态可控，为钻进施工提供了决策依据，有效避免了瓦斯异常涌出、孔内异常高温、管路憋压等安全风险。

1.3 采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采模式

1.3.1 技术需求

井下定向钻孔采前预抽可提前降低煤层瓦斯含量，使煤层达到开采条件。但煤层中仍然存在大量吸附态瓦斯气体，当煤层回采时，受采动卸压影响，本煤层和邻近层含有的瓦斯将会大量释放，沿采动裂隙运移并聚集于顶板裂隙带及采空区中，容易造成上隅角及回风巷瓦斯超限，特别是特厚煤层综放开采，常发生“低瓦斯赋存、高瓦斯涌出”等异常情况，给煤矿安全生产带来严重威胁。现有技术主要采用高抽巷、通风、常规高位钻孔等方式进行采动卸压瓦斯抽采，但高抽巷施工效率低、成本高，通风和常规高位钻孔无法完全解决瓦斯抽采问题。

实践证明顶板大直径高位定向钻孔是治理采动卸压瓦斯的有效技术手段，采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采模式主要适用于煤层顶板岩层裂隙带瓦斯抽采，其技术原理如图6所示，即：在工作面回采之前，在回风巷一侧布置钻场，从煤层开孔向顶板目标地层中施工定向钻孔，工作面回采时进行采动卸压瓦斯集中抽采，具有钻场布设灵活、轨迹精确可控、有效孔段长、施工周期短、抽采效率高等优点。该抽采模式一方面能有效降低采动卸压瓦斯治理成本和治理周期，另一方面可减少高抽巷掘进而增加的矸石运输量和处理量。

图6 采动卸压瓦斯以孔代巷抽采示意

1.3.2 技术难点

“十二五”期间，随着大功率定向钻进技术装备的研发与应用，国内开始开展“以孔代巷”瓦斯抽采工程实践，验证了其抽采原理可行。但受顶板地层复杂赋存地质条件、定向钻进装备能力有限等因素影响，复杂顶板大直径高位定向钻进成孔仍然面临以下技术难题：① 先导孔硬岩层钻进效率低、钻具损耗大。当钻遇顶板局部灰岩、砂岩等坚硬岩层时，常规螺杆马达配套PDC钻头钻具组合以回转切削方式碎岩，深孔钻进条件下钻头磨削碎岩速度慢、且易产生托压现象，造成先导孔钻进效率低、钻具磨损严重；② 大直径扩孔级序多、效率低。增大钻孔直径可提升单孔瓦斯抽采能力、减少钻孔数量，目前主要采用多次回转扩孔的方式进行施工，主要依赖于孔口钻机输出扭矩，扩孔动力单一，施工效率低、成孔周期长；由于高位定向钻孔在穿层孔段和水平孔段轨迹变化幅度大，不利于扩孔动力的高效传递，钻具安全性差、事故风险高。③ 复杂顶板岩层易塌孔卡钻造成钻进受阻。顶板高位定向钻孔从煤层开孔后，需穿过多个地层后才能进入目标地层，其钻遇的地层类型多，水敏性地层、构造破碎带、软硬交互地层等复杂岩层分布广泛，钻进时易塌孔，不仅可导致排渣通道堵塞，还会产生大量钻渣，现有技术缺乏恢复排渣通道的有效手段，不能满足连续、高效排渣需要，易导致卡钻事故。

1.3.3 复杂顶板岩层大直径定向钻进技术

(1)顶板硬岩提速工具。目前煤矿井下提速工具主要有等壁厚螺杆马达、冲击螺杆马达、螺杆马达与液动潜孔锤复合钻具组合等。等壁厚螺杆马达与常规螺杆马达相比，定子橡胶层厚度均匀、相等、变形量小，增大了定子、转子之间的过盈配合量，因而能获得较高的机械效率和输出扭矩，其额定输出扭矩较常规螺杆马达可提高1倍以上。冲击螺杆马达是在螺杆马达传动轴上增设了冲击机构，提供施加轴向冲击力，实现冲击回转复合碎岩。螺杆马达与液动潜孔锤复合钻具组合，将液动潜孔锤布置于螺杆马达与钻头之间，同时发挥螺杆马达调控轨迹和液动潜孔锤高效碎岩的特性，并创新设计研制出柱片混合型钻头，冲击回转钻进时，柱齿先承担冲击力，然后再利用PDC片切削碎岩。

(2)多动力分级一次性扩孔技术。开发了矿用双级双速扩孔工具、小直径扭力冲击器、分体式双级扩孔钻头(图7)等孔底扩孔动力钻具，利用孔口钻机和孔底扩孔动力钻具输出的多种形式动力联合碎岩，可实现120 mm先导定向孔一次性钻扩至200 mm。该方法将泥浆泵输出的高压流体动能和钻机回转动力结合，增大了扩孔钻进动力，有效解决了孔底回转动力随孔深增加衰减的难题。

图7 分体式双级扩孔钻头

(3)复杂破碎地层强造斜钻进主动防塌与复合高效排渣工艺。针对煤层与顶板目标地层之间的穿层孔段局部复杂地层易坍塌问题，设计了强造斜钻具组合，造斜能力达到了0.667(°)/m以上，通过增大钻孔与地层间的夹角、缩短穿层孔段长度，降低钻进安全风险，解决强造斜条件下轨迹控制难题，确保顺利进入稳定目标地层。针对目标地层内易坍塌形成钻渣积聚问题，设计了由整体式宽翼片螺旋钻杆、螺旋无磁钢钻具和主体铣槽的螺旋型螺杆马达组成的异形定向钻具组合，利用异形定向钻具组合回转搅动，辅助冲洗液携带、输运钻渣，提高钻渣水平运移速度和清除能力，维持孔内循环排渣通道通畅，降低了卡钻风险。

2 工程实践

2.1 中硬煤层大盘区瓦斯抽采工程实践

2.1.1 工程概况

保德煤矿位于山西省忻州市，属于高瓦斯矿井，其主采8号煤层为中硬煤层，平均厚度6.83 m，煤层平均倾角3.5°，瓦斯含量为0.480～7.856 m/t。保德煤矿主要采用区域递进式模式进行瓦斯抽采治理，为进一步提升瓦斯抽采效率，在保德煤矿二盘区进行了顺煤层超长孔定向钻进试验，开展了大盘区瓦斯超前抽采工程实践。

2.1.2 成孔效果

2017年，利用ZDY12000LD型大功率定向钻机、YHD2-1000(A)有线随钻测量系统等装备，完成主孔深度2 311 m的超长定向钻孔，总进尺3 094 m，探顶开分支15次，平均日进155 m，复合钻进孔段占总进尺65%，这是我国首次完成主孔深度超过2 000 m的顺煤层超长定向钻孔。

2019年，利用ZDY15000LD型大功率定向钻机、YHD3-3000泥浆脉冲无线随钻测量系统等装备，完成了主孔深度2 570 m和3 353 m的超长定向钻孔。其中3 353 m超长定向钻孔总进尺4 428 m，复合钻进孔段占总进尺90%以上，平均日进尺210 m。正反扭转技术和水力加压螺杆马达的应用使滑动定向钻进阻力降低30%以上，滑动定向钻进极限深度从1 800 m 提高到2 700 m以上；复合钻进侧钻分支点最大深度达到3 198 m，实现了钻孔轨迹的精确控制，钻孔中靶坐标误差小于0.15%；泥浆脉冲无线随钻测量系统信号传输稳定可靠，解码准确率达到98%以上，孔内连续工作时间超过480 h。

2.1.3 瓦斯抽采效果

如图8所示，孔深2 311 m超长定向钻孔已稳定抽采超1 200 d，累计抽采瓦斯量320余万m，日均产气量约3 022 m；孔深2 570 m超长定向钻孔已稳定抽采超800 d，累计抽采瓦斯240余万m，日均产气量约2 980 m；3 353 m超长定向钻孔已稳定抽采超600 d，累计抽采瓦斯430余万m，日均产气量7 015 m。

图8 保德煤矿超长定向钻孔瓦斯抽采数据

瓦斯抽采实践证明：超长定向钻孔抽采持续时间长，抽采量稳定、衰减不明显，实现了大盘区顺煤层超长定向钻孔的长期、稳定、高效抽采，为大盘区采掘优化部署奠定了基础。

2.2 碎软煤层瓦斯区域抽采工程实践

2.2.1 工程概况

青龙煤矿位于贵州省毕节市，属于煤与瓦斯突出矿井，其主采的16号煤层瓦斯含量高、压力大，煤体结构破碎，最大瓦斯压力1.73 MPa，平均瓦斯含量15.62 t/m，坚固性系数0.37。传统的以“底抽巷+穿层钻孔+顺层钻孔”的瓦斯治理模式周期长、成本高，造成采掘衔接紧张；以清水为冲洗液的定向钻进技术对孔壁的冲刷扰动大，难以满足碎软煤层定向钻进成孔需要，瓦斯抽采成为制约矿井安全高效生产的首要因素。因此，亟需突破碎软煤层定向钻进技术瓶颈，通过碎软煤层瓦斯区域抽采，缓解矿井采掘接续压力。

2.2.2 成孔效果

在21608运输巷南段钻场和21601运输巷钻场开展了煤巷条带瓦斯超前预抽试验，钻孔设计深度300 m、孔径108 mm、间距7 m，同时覆盖待掘巷道两侧各20 m。2个钻场共施工钻孔19个，最大孔深345 m，累计进尺7 758 m，300 m以上钻孔成孔率达到76%。

以21606运输巷为钻场，开展了工作面区域抽采试验，钻孔设计深度150 m、间距6 m，共施工钻孔253个，累计进尺31 874 m，95%钻孔达到设计深度，实现了工作面区域全覆盖。

2.2.3 瓦斯抽采效果

21608运输巷南段钻场平均瓦斯体积分数保持在70%左右，钻场瓦斯抽采纯量达到4.0 m/min，定向钻孔单孔瓦斯抽采纯量是常规钻孔的5～10倍、抽采瓦斯体积分数较常规钻孔提升60%，已累计抽采瓦斯11.5万m。

21601运输巷钻场已完成抽采，采用分段检验方法进行了区域措施效果检验，煤层剩余瓦斯含量和瓦斯压力降低到达标值以下，检验合格区段内已安全掘进，未发生瓦斯超限等事故。21606运输巷定向钻孔主管路瓦斯体积分数达到62.4%，瓦斯抽采纯量7.5 m/min，累计抽采瓦斯超过400万m。

青龙煤矿已大规模采用碎软煤层气动定向钻进技术装备进行区域瓦斯预抽，解决了煤巷条带和回采工作面瓦斯区域抽采难题，实现了碎软煤层精准、超前区域瓦斯抽采治理，有效缓解了矿井采掘接替矛盾。

2.3 采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采工程实践

2.3.1 工程概况

顾桥煤矿位于安徽省淮南市，属于高瓦斯矿井，其主采13-1煤层埋深-780 m，厚度4 m左右，瓦斯含量5.3 m/t，瓦斯压力0.2～0.5 MPa。13-1煤层回采过程中，本煤层卸压瓦斯聚集于顶板裂隙带，上邻近层13-2薄煤层受采动卸压影响，瓦斯沿裂隙流向13-1工作面，容易造成13-1煤层回采工作面上隅角及回风巷瓦斯超限。此外，13-1煤层直接顶以砂质泥岩和深灰色泥岩为主，岩层稳定性差、裂隙发育程度高、力学强度低；13-1煤层直接顶与基本顶层间粘结弱，极易发生离层垮落。长期以来，顾桥煤矿顶板复杂岩层定向钻进成孔困难，采用高抽巷的方式进行采动卸压瓦斯抽采，存在施工周期长、维护成本高等不足。因此，亟需创新采动卸压瓦斯高效抽采模式和技术。

2.3.2 成孔效果

采用复杂顶板岩层大直径定向钻进技术，在顾桥煤矿中央区1123(3)工作面和南区1212(3)工作面等进行了现场试验和推广应用，共完成顶板高位定向钻孔17个，总进尺8 261 m，最大钻孔深度为536 m，平均日进尺大于130 m。实钻表明：钻孔穿层爬坡孔段，采用强造斜主动防塌技术，提升了孔壁稳定性；目标地层钻进孔段，利用异形定向钻具复合排渣，有利于冲洗液将钻渣迅速排出孔外，避免了沉渣卡钻等问题；大直径多动力分级一次性扩孔技术显著增加了顶板高位定向钻孔孔径，提高了扩孔效率，提升了采动卸压瓦斯抽采效果。

2.3.3 瓦斯抽采效果

以顾桥煤矿中央区1123(3)工作面为例，当回采工作面推进过孔底一定距离后，顶板高位定向钻孔抽采瓦斯纯量和体积分数开始增加并保持稳定。其中2号钻孔抽采瓦斯纯量稳定在7 m/min左右，瓦斯体积分数为35%，并且随着工作面周期性来压冒落，瓦斯抽采纯量表现出波动性变化规律，如图9所示。

图9 钻孔纯瓦斯流量随工作面过终孔点距离变化曲线[25]

钻场主管路瓦斯抽采纯量平均达到11.07 m/min，瓦斯抽采体积分数31.39%，与邻近高抽巷抽采水平相当。目前，该工作面已经安全回采，回风和上隅角瓦斯体积分数最大值为0.035%，未发生瓦斯超限事故，表明采用大直径高位定向钻孔代替高抽巷进行采动卸压瓦斯抽采治理是可行的。

3 结 论

(1)煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备的进步推动了瓦斯治理模式的转变，瓦斯防治逐步向区域化、精准化的方向发展，形成了以中硬煤层大盘区瓦斯抽采、碎软煤层瓦斯区域抽采和采动卸压瓦斯“以孔代巷”抽采为内涵的全域化瓦斯抽采模式。

(2)基于中硬煤层、碎软煤层和采动卸压瓦斯全域化精准抽采需求及其技术难点，开发了中硬煤层超长孔定向钻进技术、碎软煤层气动定向钻进技术和复杂顶板岩层大直径定向钻进技术，拓宽了定向钻进技术适用地层范围，并有效提升了钻孔成孔深度、成孔效率和瓦斯抽采效果。

(3)现场实践表明：中硬煤层顺煤层定向钻进成孔最大深度达3 353 m，实现了矿井大盘区瓦斯超前治理；碎软煤层中孔深300 m以上定向钻孔成孔率达76%，实现了煤巷条带、采煤工作面超前区域精准抽采；复杂顶板岩层中定向钻孔深度普遍达到500 m以上，推动实现了“以孔代巷”技术发展。