軟煤氣動螺桿鉆具定向鉆進技術與裝備

張 杰，王 毅，黃寒靜

軟煤氣動螺桿鉆具定向鉆進技術與裝備

張 杰，王 毅，黃寒靜

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對軟煤鉆進成孔深度淺、鉆孔軌跡不可控、易出現瓦斯抽采盲區等問題，發明了氣動螺桿鉆具定向鉆進技術，開發了由氣動螺桿鉆具、窄體定向鉆機、隨鉆測量系統等組成的煤礦井下氣動定向鉆進技術裝備。其中，氣動定向鉆進工藝和完孔技術，解決了松軟煤層順層定向鉆孔長距離安全成孔和可靠護孔難題。在淮南某礦進行試驗，試驗鉆孔30個，最大孔深300 m，平均見煤率92.9%，并全孔段安設篩管；鉆孔抽采瓦斯純量32萬m3，試驗區域煤巷平均掘進效率9.3 m/d，實現覆蓋區域煤層安全高效回采。該技術的成功研發探索出軟煤橫穿工作面遞進式瓦斯治理新模式。

軟煤；瓦斯治理；氣動螺桿鉆具；定向鉆進；篩管完孔；淮南

高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井占我國煤礦總數的三分之一左右，其中約60%的開采煤層屬于松軟、低滲煤層，典型的兩淮、平煤、焦作、陽泉等礦區以及六盤水含煤區都廣泛分布著松軟煤層。長期以來，松軟低滲煤層瓦斯治理是諸多礦井安全高效生產面臨的最大障礙之一。

井下鉆孔抽采一直是瓦斯治理最有效的技術手段，但在松軟煤層中鉆進存在噴孔、塌孔嚴重、卡鉆事故多、成孔難等系列問題[1-6]。液動螺桿鉆具定向鉆進工藝由于高壓水沖刷孔壁而成孔難，中風壓空氣鉆進技術優勢明顯，較水對煤層沖刷小、滲透性弱，在煤層裂隙內“沖刷”作用不明顯，有利于松軟煤體孔壁穩定。但井下順層鉆孔仍不能完全滿足松軟煤層瓦斯高效抽采需要，最根本的原因是常規鉆進軌跡不可控，順煤層長距離延伸難，容易進入頂底板，無法保證成孔率；此外，鉆孔軌跡不可控制且無法測量，易形成瓦斯抽采空白帶和治理盲區，存在嚴重安全隱患[7-9]。

因此，結合中風壓鉆進技術和液動螺桿鉆具定向鉆進技術優點[10-12]，開發氣動螺桿鉆具定向鉆進技術與裝備，以實現松軟煤層鉆進軌跡可控且能夠順煤層長距離延伸，適應薄煤層、起伏煤層鉆進成孔，提高成孔率、消除治理盲區，實現松軟煤層瓦斯高效治理的目的。

1 技術原理

根據松軟煤層順層定向鉆孔施工需要，以工作面巷道為鉆場，利用窄體定向鉆機垂直工作面進行施工，采用氣動螺桿鉆具為孔底動力鉆具，配套隨鉆測量系統進行定向鉆進，從而使瓦斯抽采鉆孔沿松軟煤層延伸并覆蓋工作面和待掘巷道，鉆孔成孔后采用篩管完孔，鉆具實現全孔段安設篩管[10]。

采用井下防爆空壓機或制氮機作為動力源，提供壓縮空氣(氮氣)作為動力介質和排渣介質，壓縮空氣通過供風管路和鉆桿到達孔底后，驅動氣動螺桿鉆具回轉從而帶動鉆頭回轉，實現對孔底煤體的切削破碎；同時，壓縮氣體將運轉和鉆進過程中產生的熱量帶走，并將孔內產生煤渣沿鉆具與孔壁之間環空間隙排出孔外[13-14]。

鉆進完成后，提出定向鉆具，重新下入篩管完孔鉆具，然后通過鉆桿內部安設護孔篩管，最后提出鉆具，篩管留在孔內并封孔，最終實現定向順層鉆孔的可靠護孔和有效利用。

2 鉆進裝備

2.1 氣動螺桿鉆具

研制出適用于煤礦井下松軟煤層鉆進用小直徑氣動螺桿鉆具，氣動螺桿鉆具直徑?73/82 mm，螺桿馬達外管為螺旋結構，提高軟煤排渣效率，芯桿直徑?73 mm，螺旋結構外徑?82 mm，轉矩256 N·m，轉速165 r/min，滿足回轉復合鉆進和滑動定向鉆進工藝要求，填補了國內外空白[15]。該鉆具性能參數見表1。

圖1 氣動螺桿鉆具實物

表1 氣動螺桿鉆具性能參數

2.2 巷道“T”型窄體定向鉆機

適用于狹窄巷道內垂直巷道施工的ZDY4000 LD(B)型窄體定向鉆機(圖2)，采用“T”型前掛機身、轉盤多角度調節、窄機身結構，該鉆機體積小、能力大，其開孔傾角、開孔方位和開孔高度均可根據需要調節，解決了常規定向鉆機不適合垂直巷道施工、需開拓專用鉆場的難題。鉆機性能參數見表2。

圖2 ZDY4000LD(B)型窄體定向鉆機

表2 ZDY4000LD(B)窄體定向鉆機性能參數

2.3 氣動電磁波隨鉆測量儀器

根據氣動螺桿鉆具鉆進施工需要，改造設計低壓氣體檢測裝置、流量開關和減振裝置，研制出氣動螺桿鉆具定向鉆進用電磁波隨鉆測量系統。該系統由測量探管、孔口裝置和無磁鉆桿等部分組成(圖3)。測量系統的電池采用智能管理技術，通過壓力檢測智能控制儀器休眠或工作，降低電源電量消耗，工作時間由原來連續工作80 h延長為260 h。探管內設計主動減振裝置，抑制振動振幅，減小鉆進時對儀器的振動，保證測量精準，抗振能力由一般抗振設計要求的8 g提升為24 g。測量系統性能參數見表3。

圖3 電磁波隨鉆測量系統

表3 電磁波隨鉆測量系統性能參數

2.4 配套軟煤鉆具

針對松軟煤層壓風鉆進特點，對氣動螺桿定向鉆具進行配套研制和選型。其中，外徑?82 mm大通孔整體螺旋鉆桿(圖4)滿足定向鉆進和篩管完孔需求，外螺旋結構有利于排渣，大通孔結構減少風阻，同時能夠實現鉆桿內下篩管。

圖4 ?82 mm整體螺旋鉆桿

鉆頭采用?108 mm定向鉆頭(圖5)，合理鉆具級配，有利于鉆進排渣；通過優化鉆頭水眼和切削齒的布置，利于鉆頭冷卻、保徑并減少孔壁擾動，滿足定向鉆進施工和開分支工藝要求。

圖5 ?108 mm定向鉆頭

2.5 空壓機/制氮機

由于氣動螺桿鉆具鉆進要求的風壓風量均較高，因此，采用井下防爆空壓機或制氮機進行供風。為確保深孔鉆進和排渣需要，采用礦用空壓機的額定風壓為1.25 MPa，額定排量17 m3/min。

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3 軟煤定向鉆進成孔與護孔工藝

3.1 定向成孔工藝

氣動螺桿鉆具定向鉆進不同于液動馬達定向鉆孔施工，在松軟煤層鉆進過程中，由于煤層松軟破碎、鉆渣較多，為保證排渣和成孔效率，采用復合鉆進與滑動定向鉆進相結合的方式，其中以復合鉆進方式為主、滑動定向糾偏為輔的施工方法。

a.復合鉆進 鉆進時，鉆機帶動鉆桿回轉，同時孔內壓風驅動氣動螺桿鉆具運轉，從而帶動鉆頭回轉(圖6a)。此時，在整體式螺旋鉆桿螺旋翼片攪動作用下，提高排渣效果，確保孔內暢通。

仿真分析表明，細顆粒煤粉，其沉渣程度主要受風量影響；一定直徑大顆粒煤粉，沉積程度受風量和轉速雙重影響。當風量為600 m3/h時，轉速達80 r/min才沒有沉渣；當風量為350 m3/h時，轉速達120 r/min才沒有沉渣；當風量為300 m3/h時，轉速120 r/min時，底部有少量沉渣。因此，采用復合鉆進回轉速度60~120 r/min，是液動螺桿鉆具復合鉆進轉速的兩倍甚至三倍以上。為保證排渣效果，減少煤粉沉積，風量要求達到350 m3/h以上。

復合鉆進時，由于螺桿鉆具工具面隨著鉆桿回轉不斷變化，在一定給進壓力和速度下，鉆具不起造斜作用，鉆孔大致沿原軌跡方向延伸；當采用較快的給進速度時，由于煤層堆積和支撐作用，會出現傾角上升；給進很慢時，由于充分排渣，在自重作用下會有一定降斜效果。

b. 滑動定向鉆進 當鉆孔偏離設計軌跡時，采用滑動定向鉆進方式鉆進施工，即通過調整氣動螺桿鉆具工具面來進行軌跡調整或糾偏(圖6b)。為了保證充分排渣，不造成堆積及不返風情況出現，一般滑動定向鉆進3 m后需要回轉排渣，再進行滑動定向鉆進，如此依次循環鉆進。定向糾偏完成后，則停止滑動定向鉆進，更換復合鉆進方式鉆進。

滑動定向鉆進時，鉆桿不回轉，煤粉依靠壓風向孔外排出，要求保證大風量減少沉積，確保一定的排渣能力，風量應達到600 m3/h以上，當風量低于350 m3/h時，應當充分回轉掃孔排渣，確保孔內順暢和施工安全。

圖6 復合鉆進與滑動定向鉆進工藝原理

3.2 篩管完孔工藝

針對松軟煤層篩管護孔問題，主要存在篩管完孔鉆具在坍塌鉆孔能否沿主孔軌跡順利下入及篩管防堵塞兩方面難題。為了防止二次下入開出新分支孔，研制設計了“子彈頭”形可開閉式導向鉆頭，保障鉆具重入；針對圓篩管易堵塞難題，研究煤粉特性，開發了縫寬2 mm×縫長30 mm割縫篩管，在同等過流面積條件下，煤粉通過量僅為常規圓眼篩管的1/10，解決傳統常規的圓形篩眼因煤粉堵塞抽采通道影響抽采效率的問題。

下篩管鉆具組合：?89 mm可開閉式導向鉆頭+ ?73/63.5 mm整體式大通孔螺旋鉆桿。定向鉆孔的篩管安設工藝：定向鉆孔成孔后，提出孔內定向鉆具，然后下入篩管完孔鉆具至孔底，再從篩管完孔鉆具內部下入篩管，篩管下到位后提出鉆具，篩管留在孔內(圖7)。該技術實現了定向鉆孔全孔段安設篩管，提高了瓦斯抽采效果。

圖7 篩管完孔工藝原理

4 現場試驗

在安徽淮南某礦開展了松軟煤層氣動螺桿鉆具定向鉆進試驗，施工定向鉆孔橫穿工作面，同時對待掘巷道條帶和工作面預抽消突，探索松軟煤層氣動螺桿鉆具定向孔橫穿工作面遞進式瓦斯抽采模式可行性。

a. 試驗目的 試驗點選擇17102(3)工作面，以工作面長×寬為100 m×200 m為試驗區域，不再施工穿層孔進行條帶預抽，試驗采用橫穿工作面順層鉆孔對掘進巷道和工作面進行瓦斯預抽以實現消突，通過掘進和回采檢驗定向孔區域瓦斯抽采效果，驗證該瓦斯抽采模式的可行性。

試驗煤層為13-1煤，煤層平均厚度4.0 m，硬度系數0.3~0.5，屬于突出危險區，實測瓦斯壓力2.8 MPa、含量8.4 m3/t。鉆孔設計穿過工作面和另一側運輸巷道后繼續鉆進20 m，因而，鉆孔設計深度220 m。

b. 鉆孔瓦斯抽采 試驗共施工22個鉆孔，18個220 m以上鉆孔，鉆孔平均見煤率92.9%；終孔段60 m，見煤率100%，鉆孔全孔段安設篩管。

鉆孔施工完成后連接管路進行瓦斯抽采，巷道掘進前考察其中14個鉆孔累計抽采瓦斯純量32.2萬m3。通過施工的6個校驗孔測得運順巷道平均瓦斯含量由8.4 m3/t降至3.4 m3/t，瓦斯預抽率達60%，瓦斯壓力由2.8 MPa降至0.38 MPa。

c.煤巷掘進和工作面回采 2018年5月，試驗區域內101.9 m巷道掘進貫通，平均日進尺9.3 m，實現了安全高效掘進。巷道掘進期間執行循環預測，回風瓦斯及預測指標“兩不超”，T2探頭最大瓦斯體積分數0.23%(圖8)。

圖8 煤巷掘進T2最大瓦斯體積分數和絕對瓦斯涌出量

11月，試驗區域工作面開始回采，平均日回采原煤產量8 750 t，配風量2 320 m3/min，回風最大瓦斯體積分數0.29%、風排瓦斯6.73 m3/min，滿足安全回采需要。回采期間回采產量與回風瓦斯體積分數曲線如圖9所示。

結果表明，氣動螺桿鉆具定向孔可對工作面和待掘進巷道進行區域瓦斯預抽消突，其橫穿工作面遞進式瓦斯抽采模式具有可行性。

圖9 回采期間日回采進尺與最大瓦斯體積分數

5 結論

a.針對碎軟煤層常規回轉鉆進瓦斯治理效率低、成本高等問題，提出氣動螺桿鉆具定向鉆進技術，并開發了由氣動螺桿鉆具、窄體定向鉆機、隨鉆測量系統等組成的煤礦井下氣動定向鉆進技術裝備，解決了松軟煤層順層定向鉆孔長距離定向成孔和可靠護孔難題。

b. 試驗表明，松軟煤層中氣動螺桿鉆具定向成孔和篩管護孔工藝可行，瓦斯抽采效果好，可高效掩護煤巷掘進和工作面瓦斯預抽，滿足軟煤井下瓦斯高效治理需要。

c.氣動螺桿鉆具定向鉆進技術為松軟煤層采前瓦斯預抽治理提供了新的技術手段，對提高瓦斯抽采效果和保障煤礦安全高效生產起到積極推動作用。

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Directional drilling technology and equipment of pneumatic screw motor in soft seam

ZHANG Jie, WANG Yi, HUANG Hanjing

(Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077,China)

Aiming at the drilling problems of shallow depth, uncontrollable trajectory and blind area of extraction in soft coal seam, the directional drilling technology of pneumatic screw motor was invented, and the directional drilling equipment consisting of pneumatic screw motor, narrow structure directional drilling rig and MWD system were formed. The air directional drilling technology and hole-completion technology were studied and developed. The technology of drilling and hole-completion solves the problem of long-distance safe drilling and hole protection of directional drilling along soft coal seam. The technology has been successfully tested in a coal mine, Huainan, with 30 test boreholes with a maximum depth of 300 m, an average of coal-drilling rate of 92.9%, and screen pipes installed in the whole hole section, extraction gas volume of boreholes is 320 000 m3, and the average efficiency of coal roadway excavation in the test area is 9.3 m/d, achieving efficient and safe recovery of coal seams in the covered area. A new progressive gas control model of soft coal across working face has been preliminarily explored.

soft coal seam; gas drainage; pneumatic screw motor; directional drilling;completion technology with screen pipe; Huainan

TE254.3

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.007

1001-1986(2020)02-0036-06

2019-11-13；

2020-02-06

國家科技重大專項任務(2016ZX05045-003-002)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)

張杰，1983年生，男，湖北黃岡人，副研究員，研究方向為煤礦井下鉆探新技術與裝備研發. E-mail：zhangjie@cctegxian.com

張杰，王毅，黃寒靜. 軟煤氣動螺桿鉆具定向鉆進技術與裝備[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：36–41.

ZHANG Jie，WANG Yi，HUANG Hanjing. Directional drilling technology and equipment of pneumatic screw motor in soft seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：36–41.

(責任編輯 聶愛蘭)