關于松軟低透氣性煤層成孔工藝的研究

張盼 李恒忠 馮天祥 李飛

摘?要：近些年，很多煤礦和科研院所對松軟低透氣性煤層的成孔工藝做了相對深入的研究，也已積累了不少經驗，包括螺旋鉆桿與壓風排粉鉆進技術、三棱鉆桿打孔鉆進技術、套管鉆進技術、扒孔鉆桿結合風排粉技術;筆者對現有的一些有代表性的鉆桿、鉆進方式和排粉方式進行了深入淺出的闡釋，希望進一步加深相關領域研究者對松軟低透氣性煤層成孔工藝的認識。

關鍵詞：松軟煤層、低透氣性煤層、成孔工藝

引言

隨著我國煤礦的開采規模增大，開采深度增加，很多煤礦都面臨著地質條件復雜、煤層松軟，透氣性低、瓦斯含量高等惡劣的開采條件，而在這樣惡劣的開采條件下，瓦斯的治理成為避免瓦斯事故、保障煤礦安全必須思考的問題。

目前，公認的對瓦斯治理最為有效的方式就是采用鉆孔施工進行區域瓦斯的抽采，影響瓦斯抽采效果的主要因素是煤層透氣性和鉆孔施工的成孔狀況，因此，鉆孔施工中的成孔工藝成為松軟低透氣性煤層的瓦斯抽采治理的關鍵技術。

近些年來，很多企業及科研院所在松軟低透氣性煤層鉆孔施工中的成孔工藝方面積累了不少經驗，包括螺旋鉆桿與壓風排粉鉆進技術、三棱鉆桿打孔鉆進技術、套管鉆進技術、扒孔鉆桿結合風排粉技術。

1.螺旋鉆桿與壓風排粉鉆進技術

1.1概念

螺旋鉆桿與壓風排粉鉆進是在高瓦斯、松軟低透氣性煤層中鉆進成孔的有效施工方式。螺旋鉆桿的旋轉可以排除孔內煤屑，壓風就是采用壓縮空氣經過鉆桿進入鉆進孔底，在孔內形成高速風，將孔內煤屑吹向孔口，實現冷卻鉆頭和高效排粉。

1.2螺旋鉆進的關鍵參數選擇

螺旋鉆進的關鍵參數包括鉆孔深度、成孔直徑、鉆桿轉速、鉆進速度、螺旋鉆桿螺旋葉片的升角等。

根據瓦斯抽放的需要，鉆孔施工的鉆孔深度通常要能達到100m以上，成孔直徑在80mm上下，鉆進的速度控制在0.5-1.0m/min。

對于鉆桿轉速的高低會影響鉆進排粉效果，高轉速有利于松軟煤層煤屑快速排出，而低轉速時，螺旋鉆桿螺旋葉片上的煤屑不能自行快速排出，而是靠煤屑相互擠壓推動排出，當煤屑的水分增大時，煤屑與螺旋葉片間的摩擦力增大，容易發生阻塞而卡鉆。

由相關文獻可知，鉆桿轉速可以根據如下公式確定

是修正后的鉆桿臨界轉速;K是常數，與煤層的性質、成孔直徑、鉆進速度有關，隨著K的增大，鉆孔輸送煤屑的效率和成孔時間是下降，功耗則在上升，K值通常取0.2-0.3。是理論計算的臨界轉速。臨界轉速與螺旋葉片的升角、成孔直徑關系很大，成孔直徑越大，臨界轉速要求就越低，成孔直徑越小，則臨界轉速要求就越高。

螺旋鉆桿的螺旋葉片的升角與螺旋半徑相關，螺旋半徑越大，螺旋葉片的升角越小，靠近鉆桿桿芯處升角最大，螺旋葉片的升角必須小于等于煤屑與螺旋葉片之間的摩擦角。

鉆進速度的選值與煤的性質、成孔直徑、鉆桿轉速有關，綜合考慮，通常采用高鉆桿轉速小鉆進速度。

1.3壓風排粉的關鍵參數選擇

壓風排粉的關鍵參數包括最小風速和最佳風量，要保證高鉆進速度，就要保證鉆桿和孔壁之間的返風速度。實踐證明，返風速度最小15.5m/s，最佳25m/s。而風量可以根據鉆桿直徑和鉆孔孔徑及風速通過相應的算式計算求得，在同等地層同等供風量下，鉆孔深度和風壓大小成正比，和鉆桿的沿程阻力、局部阻力成反比。

目前壓風排粉方式通常配合有降塵除塵的密封除塵裝置，裝置包括設置于孔口的防塵擋圈、防塵擋板和孔內的防塵套管、引粉膠管以及導水管，正常鉆進時鉆頭和鉆桿通過裝置前端的防塵擋圈和防塵擋板進入鉆孔，壓風通過鉆桿到達孔底，之后攜帶煤粉返回孔口，在導水管導出的壓力水霧作用下，壓風和煤粉初步分離，在防塵擋圈和防塵擋板的作用下，煤粉沿引粉膠管至煤粉沉淀池。

壓風排粉相比常規的水力排粉，對孔壁的沖擊小，不易破壞孔壁，能有效防止水力排粉液壓過大對孔壁煤塊的劈裂而造成垮孔和噴孔，而且還可以避免水力排粉由于氣、液、固三流態的不穩定而造成的卡鉆，壓風還不會影響煤層中瓦斯的解吸，瓦斯能夠快速釋放到壓風中，并迅速將壓力傳遞到孔外，減少瓦斯的聚集和壓力增加造成的噴孔。

2.三棱鉆桿打孔鉆進技術

三棱鉆桿顧名思義鉆桿的桿體具有三個棱角，鉆進過程中鉆桿與鉆孔壁之間形成三個半圓形的空間，相比螺旋鉆桿擴大了排除煤粉和瓦斯的通道，鉆桿的三棱把多余的煤粉、煤渣持續的向孔壁旋轉膩抹，起到強化孔壁的作用，提高了鉆孔施工的效率和成孔率，大大降低了松軟煤層塌孔，鉆桿抱死卡鉆損壞的機率。

3.套管鉆進技術

3.1概念

套管鉆進是把鉆進和套管施工一次完成，在鉆進過程中，直接采用套管取代鉆桿，一邊鉆進一邊下套管，井下鉆具組合在套管內，鉆進完成后套管就留在了井內，由于套管鉆進從始至終有套管伴隨下到孔底，套管鉆進在起下鉆具時進行鉆井液的循環和套管旋轉，從而消除了施工中的煤層膨脹、孔壁坍塌、卡鉆等意外事故，提高施工鉆進速度。

3.2套管鉆進的工藝設計

套管鉆進設備的套管由頂部驅動裝置帶動旋轉，由套管傳動扭矩，帶動套管底部的鉆具鉆頭旋轉鉆進;同時在鉆具中安裝有可張開或收縮的擴孔鉆頭，鉆進時擴孔鉆頭張開，鉆出直徑大于套管外徑的井孔。鉆進液從套管內部進，從套管與孔壁之間的環形空間返回。

鉆具通過絞車控制在套管中起下，并可在套管底部松開與鎖定;鉆頭的鉆進過程也就是下套管的過程，套管打入煤層不再提起，鉆進完成后即可進行固井作業。

套管鉆進施工的設計與其他鉆進技術設計在很多方面都有相似性，明顯區別是套管鉆進時套管會承受附加應力，設計時需對彎曲、疲勞和洗井問題特別考慮。

3.3套管鉆進技術中的固井方法

套管鉆進完成后，多采用兩種固井方式，一種是采用特殊固井塞座配合常規的固井工藝進行固井，這種固井塞座座放時成套爪狀，固井塞可以座放于座放接箍內，鎖定后與套管成為一體。固井塞是可鉆的，需要繼續套管鉆進時，下入較小直徑的套管鉆進系統，鉆掉固井塞和水泥環后即可繼續鉆進。

另一種固井方式是采用柔性刮塞和頂替塞。固井時先向套管內泵入一個能刮去管壁濾餅的柔性刮塞，通過加壓，柔性刮塞可剪斷并從套管底端泵出。注入固井水泥后，再泵入頂替塞將水泥的上返壓力密封在頂替塞下。需繼續鉆進時，用較小直徑的套管鉆進系統，將刮塞、固井浮箍和水泥環鉆掉后繼續鉆進。

4.扒孔鉆桿結合風排粉技術

4.1概念

扒孔鉆桿是在壁厚加厚的光面鉆桿表面刻制螺旋槽，以實現鉆桿本身的機械排渣效果。風排粉技術已在前述中有所提及，這里不再重復贅述。

4.2扒孔鉆桿的特點

扒孔鉆桿具有較好的排渣功能，能一定程度的解決夾鉆問題，繼續在煤層鉆進，同時扒孔鉆桿具有快速穿越高應力易塌孔區的能力，鉆桿先依靠鉆桿表面加工的螺旋槽機械排渣，再結合壓風協同配合，減少出現塌孔、堵孔、卡鉆、抱鉆等現象，提高鉆孔鉆進深度和鉆進效率。

5.綜述

上述成孔工藝技術已經在松軟低透氣性煤層的長鉆孔施工中得到了較為廣泛的應用，但對于f值在0.2以下的松軟煤層，采用上述工藝技術仍然不能完全解決塌孔、夾鉆等成孔工藝技術難題，我們還需要繼續對松軟低透氣性煤層的成孔工藝進行深入研究，在改進鉆具和排粉方式的同時找到新的研究突破口，提升成孔率、降低塌孔、卡鉆風險，徹底解決松軟低頭氣性煤層的成孔工藝技術難題。

參考文獻

[1]?林府進.突出松軟煤層螺旋鉆進技術的研究

[2]?楊曉剛.螺旋鉆進鉆屑運移規律及臨界轉速的研究[j].中國礦業大學學報，1994（4）

[3]?孫景武.長螺旋鉆孔機臨界轉速的確定[j].工程機械，1992（8）