煤礦井下孔內事故可視處理技術在青龍煤礦的應用

2020-03-16 03:37:42褚志偉楊偉鋒

煤礦安全 2020年2期

褚志偉，楊偉鋒，方俊，劉飛

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安 710077）

煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術具有鉆孔軌跡可控、施工深度大、鉆進效率高等優勢，已廣泛應用于煤礦井下瓦斯治理、水害防治和隱蔽致災因素探查等領域[1-3]。基于隨鉆測量定向鉆進技術，國內于2018 年施工了主孔深度2 311 m 順煤層超長定向鉆孔，創造了煤礦同類鉆孔孔深的世界紀錄[4-5]。

隨著隨鉆測量定向鉆進技術的廣泛應用，煤礦井下定向鉆孔施工深度逐漸加深，鉆遇復雜地層的情況越來越多，各種孔內事故發生的概率也越來越高[6-8]。其中，鉆具掉落是一種常見的孔內事故，發生的原因在于：①定向鉆孔施工所應用的定向鉆具組合接頭多，孔內振動較大或接頭絲扣損傷時，易發生鉆具掉落事故；②定向鉆孔擴孔施工時所使用的鉆具組合級配較大，鉆桿受力不均容易出現鉆具斷裂事故；③孔內發生卡鉆事故，采用強力起拔和回轉方式處理時易出現鉆具斷裂事故。

目前，煤礦井下主要采用打撈公錐、打撈母錐、螺旋式卡瓦打撈筒和藍式卡瓦打撈筒等打撈工具打撈孔內掉落鉆具，打撈過程不可視，無法準確地判斷打撈前和打撈措施實施后孔內落魚的情況，存在打撈措施盲目、打撈成功率低和易發生二次孔內事故等問題[9-10]。因此，提出了基于礦用鉆孔成像儀的孔內事故可視處理技術，可為井下鉆孔事故處理提供一種新的技術途徑。

1 孔內事故概況

1.1 事故鉆孔概況

事故鉆孔位于青龍煤礦21601 軌道巷千米鉆場，該鉆場設計施工順煤層空氣定向鉆孔7 個，設計孔深300 m，以覆蓋待掘巷道及其兩側20 m 范圍內瓦斯抽采區域。事故鉆孔為B4#孔，設計在4#孔和5#孔之間，以覆蓋2 個鉆孔之間的瓦斯抽采盲區，4#鉆孔軌跡剖面如圖1，孔內落魚位于主孔深度143 m 位置。

1.2 孔內落魚概況

B4#孔終孔提鉆過程中在孔深143 m 發生卡鉆，經強力起拔、回轉處理后鈹銅下無磁鉆桿斷裂，斷口不規則，上無磁斷裂實物圖如圖2。孔內落魚依次連接斷裂鈹銅下無磁斷頭、鈹銅變徑接頭和空氣螺桿馬達，孔內落魚示意如圖3。

圖2 上無磁斷裂實物圖Fig.2 The figure of upper drill pipe without magnetic

圖3 孔內落魚示意圖Fig.3 The diagram of borehole drop fish

2 孔內事故可視處理技術

2.1 技術原理

孔內事故可視處理技術依托孔內成像裝置，配套對應打撈工具，可以實現孔內事故處理的可視化，其技術原理為：事故處理前，利用孔內成像裝置觀察事故位置的基本情況；依據事故位置的成像分析情況，制定合理的事故處理方案；實施事故處理方案，如果不能完成事故的處理，利用孔內成像裝置觀察處理方案的實施情況，調整事故處理方案，直至成功處理孔內事故，如果完成事故的處理，則進行實施方案的總結。孔內事故可視處理技術原理圖如圖4。

圖4 孔內事故可視處理技術原理圖Fig.4 The diagram of visible technology for borehole accident

2.2 裝置配套

2.2.1 孔內成像裝置

孔內成像裝置采用CXK12 礦用鉆孔成像儀，該儀器采用先進的嵌入式技術，基于Android 系統進行軟件開發，集鉆孔圖像采集與存儲、視頻采集與存儲、鉆孔軌跡測量、深度測量、圖像展開與拼接等功能于一體，適用于煤礦井下惡劣條件下的各類鉆孔檢測，對鉆孔進行全孔壁成像、錄像，關鍵部位抓拍圖片、局部放大等。

CXK12 礦用鉆孔成像儀主要由孔內圖像探頭、彩色觸摸顯示器、數據傳輸線和推送桿組成，其技術參數為：①光照度：≥1 000 lx；②分辨率：≥700 Lines；③存儲容量：≥32 G；④視頻格式：MPEG-4；⑤連續工作時間：≥8 h。孔內成像探頭用于探測鉆孔內的圖像信息；彩色觸摸顯示器用于實時顯示孔內圖像探頭探測的圖像信息，并可對圖像進行錄像，關鍵部位抓拍圖片、局部放大處理；數據傳輸線用于將孔內圖像探頭探測的圖像信息向彩色觸摸顯示器傳輸；推送桿用于向孔內下入孔內圖像探頭。

2.2.2 打撈工具

根據孔內落魚情況，選用了公錐和母錐2 種打撈工具。

1）公錐。公錐是打撈作業中經常使用的工具，其螺紋表面硬度大于落魚的鋼材硬度，打撈原理為：公錐進入打撈落物內孔之后，加適當的鉆壓，并轉動鉆具，迫使打撈螺紋擠壓吃入落魚內壁進行造螺紋，當所造之螺紋能承受一定的拉力和扭矩時，可采取上提或倒扣的辦法將落魚全部或部分撈出[11-12]。

2）母錐。母錐打撈的原理與公錐基本一致，利用母錐可在落魚外表面造扣，不損壞落魚待打撈部位的絲扣及內部重要器件，可用于打撈通纜鉆桿、上下無磁鉆桿和探管外管，以及落魚待打撈部位內徑太小，公錐無法使用等情況[13-14]。

3 孔內事故可視處理現場試驗

3.1 事故處理鉆具組合

事故處理鉆具組合如圖5，從孔內向孔口依次連接打撈工具（公錐或母錐）、下無磁鉆桿、無磁外管、上無磁鉆桿、通纜鉆桿、大通徑風便等。其中，公錐用于處理落魚前端鈹銅斷頭，母錐用于打撈落魚；有線隨鉆測量探管配套通纜鉆桿實時測量和向孔口顯示器傳輸鉆孔軌跡數據，顯示器實時顯示鉆孔軌跡，以保證事故處理鉆具準確下入落魚所在位置；大通徑風便連接井下供風管路，向孔內鉆具通風，清除孔內沉渣，并對打撈過程進行降溫，防止孔內自燃。

3.2 事故處理流程

落魚前端鈹銅斷頭形狀不規則，會引導打撈工具偏向落魚一側，阻礙公錐進入落魚內部和母錐套住落魚，基于此種情況制定了如下的處理流程：

1）鈹銅斷頭處理。首先利用公錐將鈹銅斷頭頂斷，以保證后續打撈工具可以套住落魚。處理流程為：向孔內下入公錐打撈鉆具組合，至落魚前3 m位置，向孔內通風以清除落魚附近沉渣，之后緩慢向前送鉆直至送到落魚位置，慢速回轉并加大給進壓力直至無法向前送鉆，退鉆適當距離并多次重復上述操作，以保證鈹銅斷頭被公錐頂斷。

圖5 事故處理鉆具組合Fig.5 The diagram of accident handling drilling assembly

2）落魚可視處理。利用公錐多次處理鈹銅斷頭后，為了確認鈹銅斷頭被頂斷，計劃向孔內下入鉆孔成像儀。從孔內退出公錐打撈鉆具組合，每退出3根鉆桿沖孔1 次，清除孔內沉渣，以保證鉆孔成像儀下入的順暢。鉆孔成像儀下入流程為：在孔口調試好鉆孔成像儀，將孔內圖像探頭固定在推送桿前端；連接推送桿將孔內圖像探頭向孔內下入，每下入1根推送桿將數據傳輸線在推送桿上固定好；下入過程中，每隔10 m 確認1 次孔內圖像探頭是否工作正常；下入距落魚前端1 m 位置，緩慢下入孔內圖像探頭，觀察孔內情況，直至接近落魚前端。

3）落魚打撈處理。利用孔內成像儀確認鈹銅斷頭被頂斷后，向孔內下入母錐打撈鉆具組合。母錐打撈鉆具組合打撈流程為：將母錐下入至落魚前3 m 位置，向孔內通風以清除落魚附近沉渣，之后緩慢向前送鉆直至送到落魚位置，慢速回轉并加大給進壓力直至無法向前送鉆（給和回轉，退鉆適當距離并重復上述操作，直至回轉壓力恢復正常，向鉆具內供風，如果孔口觀察到空氣螺桿馬達振動明顯，說明打撈成功，提鉆檢查，否則重復此步驟。