煤礦井下近水平定向鉆孔卡鉆原因分析及處理方法

趙洋洋，李 鵬，石 浩

1.長安大學地質調查研究院，陜西 西安 710054;2.長安大學地質工程與測繪學院，陜西 西安 710054;3.中煤科工集團西安研究院，陜西 西安 710077

煤礦瓦斯安全事故是威脅煤礦安全生產的最主要原因，根據歷年的統計，瓦斯事故數量占所有煤礦事故的49.8%［1］，而實施瓦斯預抽是防止瓦斯爆炸和瓦斯突出災害事故的主要手段。因此實施煤礦瓦斯預抽對于安全生產和能源持續利用有重要的意義。隨著定向鉆進技術的迅猛發展，近水平定向鉆進技術(HDD)近年來在煤礦井下瓦斯抽采領域展示出鉆進效率高、鉆孔軌跡可精確控制、瓦斯抽采效率高等優勢［2、3］。由于以上優點，隨鉆測量定向鉆進技術在煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工過程中得到廣泛應用。然而，由于煤礦坑道鉆進施工的特殊性及煤層的不穩定性等原因，在定向鉆進施工過程中常會遇到各種鉆探事故，卡鉆是定向鉆進施工過程中最常見的事故之一，大大降低煤礦生產效率，造成較大經濟損失。為此，結合定向鉆進技術推廣經驗，總結卡鉆原因及事故預防、事故處理經驗，為事故的預防與處理提供借鑒意義。

1 卡鉆事故原因分析

卡鉆指鉆具在孔內失去活動自由，既不能轉動又不能來回起下，是煤礦井下定向長鉆孔常見的鉆孔事故。卡鉆主要由地層不穩定、鉆孔結構設計不合理、工藝選擇不當及其他突發事件等原因造成的，類型主要有孔壁坍塌、鉆孔縮徑和沉渣三種。

1.1 孔壁坍塌卡鉆

孔壁坍塌卡鉆是由于孔壁失穩造成的。煤層具有強度低、節理發育、應力復雜等特點，且孔壁坍塌卡鉆預兆不明顯、突發性強，這使得煤層定向鉆進孔壁坍塌卡鉆極為普遍。(1)地質因素，地應力是影響煤層穩定性的重要因素，地應力包括原始地應力和次生地應力。鉆孔鉆穿煤層后，鉆孔孔壁產生自由面，應力重新分配，當孔壁應力超過煤層強度極限時便會發生破裂，導致鉆孔孔壁坍塌。我國大部分地區煤層具有節理發育、連續性差、煤層硬度低的特點，鉆進過程中易發生孔壁坍塌并導致卡鉆;在煤層頂底板甚至煤層中常伴有層理發育的泥頁巖層，容易發生泥頁巖層以片狀從孔壁脫落坍塌，導致卡鉆。(2)工藝因素，定向鉆進中，沖洗液排量較大，常常會形成紊流態的高速返水，以滿足排渣的需要。但是，高壓水射流會帶來對孔壁煤層嚴重沖蝕的負面影響，尤其在長鉆孔或某一孔段循環沖孔，極易造成孔壁坍塌，引起卡鉆事故。

1.2 縮徑卡鉆

縮徑卡鉆事故絕大部分是由于鉆遇水敏性地層，如泥頁巖等遇水膨脹、變形導致鉆孔縮徑造成的。而在煤層的頂底板甚至煤層中均普遍存在此類泥頁巖。鉆孔鉆穿這種巖層后，原有的應力平衡被打破，軟泥巖在地應力的作用下向孔內擠壓，導致鉆具被抱死產生卡鉆事故。

1.3 沉渣卡鉆

沉渣卡鉆是指鉆屑在鉆孔內沉積，發生埋鉆導致的卡鉆。(1)地層因素，煤礦井下定向鉆進地層大多為煤層中穿孔鉆進，由于煤炭的節理發育，部分煤屑顆粒較大，不易被返水攜帶出鉆孔，在孔內堆積，造成沉渣卡鉆。(2)工藝因素，不當的鉆進工藝選擇是造成沉渣卡鉆的主要原因，主要包括:給進速度、泥漿泵泵量選擇、沖孔作業等。定向鉆進給進速度過快會產生大量的大顆粒煤屑，這些大顆粒煤屑容易堆積導致卡鉆;較大的泥漿泵泵量可加快返水速度，提高煤屑攜帶能力，有利于避免沉渣卡鉆事故的發生;定向鉆進中，定期進行沖孔作業可以減小孔壁下側的沉渣量，有利于減少沉渣事故發生。(3)鉆孔結構，在上仰孔段，由于返水方向和煤屑重力分量相同，有利于煤屑返渣;在下斜孔段，返水需克服煤屑重力分量，大大降低了返水的排渣能力，容易造成沉渣卡鉆;水平孔段返水排渣能力介于兩者之間。(4)突發事件，在鉆孔實際施工過程中常會遇到突發事件，如停電、鉆機故障無法運行等，泥漿泵故障無法工作，鉆具也無法提出孔外，孔內鉆屑堆積造成沉渣卡鉆。

2 事故處理方法

2.1 強力回轉、起下鉆法

強力回轉、起下鉆法是處理坍塌卡鉆的首選方法。在使用該方法處理事故前應先將定向鉆機扭矩調整在安全范圍，保證鉆機即使在最大扭矩情況下也不會將鉆具安全接手扭斷。處理事故時，可采用正轉轉速快速變化和快速起下鉆迅速反復轉換結合的方法，將連續快速變化的扭矩和軸向力傳遞到孔內鉆具卡鉆處，在這種頻繁變化的扭矩及軸向力作用下，鉆具在孔內的變形也在不斷地快速變化，這種變化使卡鉆處鉆具對坍塌碎屑產生擠壓和碾壓鉆用，將煤屑壓碎，使鉆具松動;同時，鉆具變形的快速變化，在鉆具卡鉆處產生震擊效果，有利于使卡鉆處坍塌碎塊產生松動，從而達到解卡的目的。

2.2 套銑打撈

在強力回轉、起下鉆法處理無效的情況下，可考慮采用套銑打撈法。該方法使用專用的套銑打撈鉆具以及12000N·m 全液壓坑道鉆機打撈用動力頭和夾持器，采用回轉鉆進工藝套取孔內定向鉆具，打通卡鉆部位阻塞，再分別將打撈鉆具和定向鉆具依次提出，完成打撈。由于在套銑打撈過程中，套銑打撈鉆具也存在著塌孔卡鉆的危險，因此在套銑打撈鉆進過程中應時刻關注鉆進參數及孔口返水變化，一旦發現異常應及時采取處理措施，防止事故進一步惡化。

2.3 采掘打撈

如果卡鉆的位置處于待采掘區域，則可以考慮在后期的煤層開采或巷道掘進時打撈卡鉆鉆具，這種打撈方法需要準確記錄和精確計算卡鉆鉆具的空間位置，以保證在后期的開采或掘進作業中，揭露并提出卡鉆鉆具。

2.4 強力扭斷安全接手

強力扭斷安全接手的方法可以使事故損失降到最低，安全接手時連接孔底馬達和下無磁鉆桿的鈹銅接手，該接手抗扭能力為3000N·m～4000N·m，扭斷安全接手以后可以順利提出馬達以上部分鉆具。采用該方法的前提是卡鉆位置位于安全接手和鉆頭之間。

3 結論

隨著定向鉆進和隨鉆測量技術與裝備的不斷發展和完善，煤礦井下近水平定向長鉆孔施工技術也得到了廣泛推廣應用。然而，由于煤層復雜地質條件、操作失當及其他突發事件等原因造成的卡鉆事故往往會影響瓦斯抽采效率，給煤礦安全生產帶來隱患，造成較大的經濟損失。根據多年的煤礦井下定向鉆機技術與裝備的推廣服務實踐，大部分的卡鉆事故是可以提前預防避免發生的，本文總結了卡鉆事故發生的原因、事故預防及處理方法，為煤礦井下近水平定向鉆孔施工預防和處理卡鉆事故提供借鑒意義。

［1］石智軍.胡少韻.姚寧平等.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術［M］.北京:煤炭工業出版社，2008.

［2］石浩.張杰等.煤礦井下精確定向探放水技術［J］.煤礦安全，2015，46(2):64-67.

［3］姚寧平.姚亞峰.張杰等.煤礦井下梳狀定向孔鉆進技術與裝備［J］.煤炭科學技術，2012，40(10):12-16，21.