礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀在松軟煤層鉆進(jìn)中的應(yīng)用研究

田小超 王 博 李 淵

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西省西安市，710077)

根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)的實(shí)際需求，井下需要施工大量的瓦斯抽采鉆孔(特別是在高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井)，以實(shí)現(xiàn)煤層中瓦斯的有效治理及其利用。順煤層瓦斯抽放鉆孔具有無(wú)效進(jìn)尺少、成孔速度快等優(yōu)點(diǎn)，常作為瓦斯治理的優(yōu)選鉆孔施工方式[1-3]。我國(guó)50%以上的生產(chǎn)礦井煤層屬于松軟/碎軟煤層，最近幾年隨著煤層開(kāi)采深度的逐步加深，松軟煤層且富含高瓦斯的比例逐年升高。松軟煤層的最大特點(diǎn)是煤質(zhì)軟、破碎且透氣性差，常因坍塌而無(wú)法有效實(shí)現(xiàn)順煤層鉆進(jìn)施工瓦斯抽放鉆孔。壓風(fēng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)是目前國(guó)內(nèi)較為常用的施工工藝，但該施工工藝所鉆鉆孔軌跡無(wú)法得到有效控制，在施工時(shí)易引起見(jiàn)頂或見(jiàn)底等問(wèn)題，對(duì)于工作面煤層起伏變化多的煤礦，這種見(jiàn)頂、見(jiàn)底的無(wú)效鉆進(jìn)現(xiàn)象更為常見(jiàn)，從而導(dǎo)致煤層鉆遇率低、成孔率低。而對(duì)于采用通纜鉆桿完成數(shù)據(jù)上載的通纜隨鉆測(cè)量系統(tǒng)以及采用泥漿液完成數(shù)據(jù)上載的泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，雖然可以實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡可控鉆進(jìn)，但由于這2種隨鉆測(cè)量系統(tǒng)均采用液動(dòng)螺桿馬達(dá)(泥漿液驅(qū)動(dòng))和外平鉆桿，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)其僅適用于在煤層普氏系數(shù)f大于1.0且較為完整的煤層中施工，在松軟煤層中施工時(shí)極易因高壓泥漿液造成鉆孔坍塌現(xiàn)象或瓦斯噴孔事故而無(wú)法實(shí)現(xiàn)鉆孔成孔[4-6]。

針對(duì)以上實(shí)際問(wèn)題，提出基于無(wú)線電磁波傳輸?shù)碾S鉆測(cè)斜系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅能夠解決如上描述的2種隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在施工時(shí)存在的問(wèn)題，并且可以彌補(bǔ)如上2種隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法適用于空氣動(dòng)力鉆進(jìn)的不足。在電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，再配套相應(yīng)的以空氣為動(dòng)力的螺旋馬達(dá)、排渣較為理想的螺旋或三棱鉆桿等鉆具進(jìn)行施工，可實(shí)現(xiàn)在松軟煤層中空氣動(dòng)力的定向鉆進(jìn)，有效解決松軟煤層順層鉆進(jìn)易見(jiàn)頂、見(jiàn)底及塌孔頻繁的問(wèn)題。

1 淮河能源集團(tuán)潘三煤礦概況

本次試驗(yàn)在淮河能源集團(tuán)潘三煤礦開(kāi)展，該礦為國(guó)有煤礦，井田走向長(zhǎng)為9.6 km，南北寬為5.8 km，面積為54.3 km2。該礦于1979年上半年開(kāi)工建設(shè)，1992年底建成投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為3.0 Mt/a，核定生產(chǎn)能力為5.0 Mt/a。截至2017年底，剩余可采儲(chǔ)量為38403.7萬(wàn)t。

試驗(yàn)所在鉆場(chǎng)分別位于2121(1)運(yùn)送瓦斯綜合治理巷和17102(3)軌道巷，目標(biāo)煤層為13-1號(hào)煤層，煤層厚度范圍在3.2～6.2 m，平均煤層厚度為 4.0 m，其中以塊狀煤為主，煤內(nèi)生裂隙發(fā)育。該礦區(qū)煤層的普氏系數(shù)f為0.3～0.5，原始煤體瓦斯含量為 4.3～8.4 m3/t。煤層賦存相對(duì)穩(wěn)定，整體上呈現(xiàn)單斜狀構(gòu)造，走向?yàn)镹WW-SEE，地層傾角約為5°～10°，整體地形呈現(xiàn)深部緩、淺部陡的特征，受到斷層影響，部分地層傾角為30°～50°[7]。

2 礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)組成及工作原理

2.1 結(jié)構(gòu)組成

礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀由礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源、孔口控制器及孔中測(cè)量探管等3大部分組成。礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀可實(shí)時(shí)測(cè)量并傳輸當(dāng)前位置鉆具姿態(tài)(傾角、方位角、工具面向角)參數(shù)，從而為鉆探施工人員提供實(shí)時(shí)鉆孔軌跡信息及與設(shè)計(jì)軌跡偏差信息，為下一根鉆桿的鉆進(jìn)方向調(diào)整提供依據(jù)。礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)組成

(1)隔爆電源。礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源是孔口控制器的供電的專用設(shè)備，其輸入為井下標(biāo)準(zhǔn)的AC127V，輸出為多路本安直流電源[8]。

(2)孔口控制器。礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀的孔口控制器由本安計(jì)算機(jī)、無(wú)線電磁波傳輸單元及實(shí)時(shí)顯控軟件等幾部分組成。孔口控制器主要通過(guò)無(wú)線電磁波傳輸單元與孔中探管完成雙向通訊，即下發(fā)姿態(tài)測(cè)量指令和對(duì)孔中測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行接收、解調(diào)，經(jīng)過(guò)解調(diào)的是包含姿態(tài)信息的原始數(shù)據(jù)，后經(jīng)本安計(jì)算機(jī)依據(jù)鉆孔軌跡及偏差計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，并用實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)字化及圖形化顯示。無(wú)線電磁波傳輸單元是孔口控制器與孔中測(cè)量探管進(jìn)行指令與數(shù)據(jù)通訊的通道。

(3)孔中探管。礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀的孔中探管由測(cè)斜短節(jié)、主控電路、電磁波傳輸電路、電池組及其本安電路等幾部分組成。測(cè)斜短節(jié)用于在鉆孔施工過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)量當(dāng)前位置鉆具姿態(tài)參數(shù)(傾角、方位角、工具面向角)，為計(jì)算鉆孔軌跡及了解鉆孔空間位置提供原始數(shù)據(jù)；主控電路用于控制測(cè)量開(kāi)始的時(shí)間節(jié)點(diǎn)，在開(kāi)始測(cè)量時(shí)下發(fā)指定取數(shù)命令給測(cè)斜傳感器，并接收返回的當(dāng)前位置探管姿態(tài)信息，主控電路將收到的當(dāng)前位置測(cè)量參數(shù)打包編碼通過(guò)電磁波傳輸單元經(jīng)由地層及鉆桿傳輸至孔外；由于要實(shí)現(xiàn)礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀的無(wú)線、隨鉆測(cè)量，依據(jù)目前的技術(shù)手段只能采用電池組為孔中探管進(jìn)行供電，同時(shí)為使孔中探管在安全性上符合煤礦井下瓦斯、煤塵等爆炸危險(xiǎn)環(huán)境的使用要求，選用符合《爆炸性環(huán)境 第1部分：設(shè)備 通用要求》(GB 3836.1-2010)、《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備》(GB 3836.4-2010 )以及《礦燈用鋰離子蓄電池》(MT/T 1051-2007)限制的高性能電池組，并經(jīng)過(guò)保護(hù)板限流、降壓后澆封在電池倉(cāng)內(nèi)提供電源供應(yīng)。

2.2 工作原理

礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀的測(cè)量原理與目前市面上其他類型測(cè)斜儀器的測(cè)量原理基本一致，但在測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸方式上完全不同。目前市場(chǎng)上在用的測(cè)斜類儀器測(cè)量數(shù)據(jù)的傳輸方式包括有線傳輸(通纜鉆桿)和無(wú)線傳輸(泥漿脈沖)，而礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀是基于無(wú)線電磁波為數(shù)據(jù)傳輸載體的新型隨鉆測(cè)量?jī)x器[9]。

礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀的工作原理為：鉆探施工人員通過(guò)孔口控制器上的鉆孔軌跡實(shí)時(shí)顯控軟件輸入測(cè)量指令，孔口控制器主控電路接收到指令后進(jìn)行編碼，由無(wú)線電磁波傳輸單元經(jīng)孔口控制器專用發(fā)射/接收天線及電極將載有測(cè)量指令信息的電磁波編碼信號(hào)輻射到地層中；載有測(cè)量信息的電磁波編碼信號(hào)沿著金屬鉆桿和地層向孔底方向傳播，電磁波編碼信號(hào)在到達(dá)測(cè)量位置后，被與孔中測(cè)量探管連接的發(fā)射/接收天線(絕緣短節(jié))所接收，經(jīng)過(guò)孔中測(cè)量探管的接收單元對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行放大、信息解調(diào)得到操作指令，及時(shí)啟動(dòng)測(cè)斜短節(jié)完成當(dāng)前位置鉆具的姿態(tài)測(cè)量；載有測(cè)量數(shù)據(jù)信息(傾角、方位角、工具面向角、實(shí)時(shí)溫度)的測(cè)量結(jié)果通過(guò)主控單元及無(wú)線電磁波傳輸單元調(diào)制并經(jīng)由發(fā)射/接收天線發(fā)射輻射到地層中[10]；經(jīng)鉆桿和地層傳輸至孔外，孔外專用發(fā)射/接收天線接收到孔中回傳的電磁波信號(hào)后，由孔口控制器中的接收調(diào)理電路進(jìn)行電磁波信號(hào)的放大、濾波和解調(diào)，得到當(dāng)前位置鉆具姿態(tài)原始信息，經(jīng)主控電路解算處理后由軌跡實(shí)時(shí)顯控軟件成圖顯示。礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀工作原理如圖2所示。

圖2 礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀工作原理

3 在松軟煤層鉆進(jìn)試驗(yàn)與應(yīng)用

項(xiàng)目組采用礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀在淮河能源集團(tuán)潘三煤礦松軟煤層條件開(kāi)展了為期半年的空氣動(dòng)力定向鉆進(jìn)試驗(yàn)，項(xiàng)目開(kāi)展所配套的儀器設(shè)備包括：ZDY6000LD(F)分體式定向鉆機(jī)、Φ73/83 mm新型外螺旋空氣動(dòng)力螺桿馬達(dá)、礦用移動(dòng)空氣壓縮機(jī)、專用泡沫發(fā)生器、Φ108 mm特制鉆頭與礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀及其配套儀器外鉆桿。其中新型外螺旋空氣動(dòng)力螺桿馬達(dá)與礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀均為中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司自主研制。

本次試驗(yàn)采用在松軟煤層中定向長(zhǎng)鉆孔“一孔兩消”(施工一個(gè)有效鉆孔，解決回采工作面和待掘進(jìn)巷道瓦斯預(yù)抽采)的瓦斯治理新工藝、新理念，即采用基于電磁波無(wú)線傳輸?shù)碾S鉆測(cè)量?jī)x為基礎(chǔ)的空氣動(dòng)力定向鉆進(jìn)新技術(shù)，在煤層工作面一側(cè)已掘進(jìn)巷道順層施工瓦斯抽采長(zhǎng)鉆孔，鉆孔穿過(guò)該工作面另一側(cè)待掘進(jìn)巷道并延伸至巷道外側(cè)約15～20 m控制范圍內(nèi)。鉆孔成孔后再將大尺寸通孔鉆桿及可開(kāi)閉式導(dǎo)向鉆頭下入孔中，從鉆桿中心將護(hù)孔篩管下入孔中，實(shí)現(xiàn)有效護(hù)孔，達(dá)到長(zhǎng)效瓦斯預(yù)抽采的施工目的，有效實(shí)現(xiàn)“一孔兩消”瓦斯治理新理念。該瓦斯治理新理念能夠有效延伸松軟煤層中順層鉆孔的施工深度和順煤層鉆進(jìn)煤層鉆遇率，解決常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工工藝存在的因煤層起伏變化而引起的易見(jiàn)頂或見(jiàn)底導(dǎo)致鉆孔不到位等難題，實(shí)現(xiàn)減少無(wú)效鉆進(jìn)進(jìn)尺、松軟煤順層鉆進(jìn)施工軌跡精確可控的目的，同時(shí)也可保證施工鉆孔范圍內(nèi)無(wú)瓦斯抽采盲區(qū)，確保巷道掘進(jìn)安全和采煤工作面的開(kāi)采安全[11]。

本次基于電磁波隨鉆測(cè)斜儀的空氣動(dòng)力定向鉆進(jìn)試驗(yàn)在該礦松軟煤層環(huán)境共施工鉆孔12個(gè)，從25號(hào)鉆孔開(kāi)始試驗(yàn)，截止14號(hào)鉆孔結(jié)束試驗(yàn)，累計(jì)隨鉆測(cè)量進(jìn)尺近2700 m，其中有9個(gè)鉆孔鉆進(jìn)孔深不小于220 m，有4個(gè)鉆孔完全實(shí)現(xiàn)順煤層鉆進(jìn)，所有施工鉆孔均按照預(yù)期深度要求完成下篩管工作，實(shí)現(xiàn)了在松軟煤層中完成長(zhǎng)孔段篩管護(hù)孔的預(yù)期試驗(yàn)?zāi)康摹Ｍㄟ^(guò)長(zhǎng)達(dá)半年的瓦斯抽采效果監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明瓦斯體積分?jǐn)?shù)不低于50%，表現(xiàn)出的抽采效果是常規(guī)鉆孔抽采量的3倍以上。試驗(yàn)鉆孔施工詳情見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)鉆孔施工詳情

4 結(jié)語(yǔ)

首次將礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀配套空氣動(dòng)力螺桿馬達(dá)應(yīng)用于松軟煤層順層定向鉆進(jìn)施工，取得了良好應(yīng)用效果，填補(bǔ)了該領(lǐng)域技術(shù)空白。礦用電磁波隨鉆測(cè)斜儀在淮河能源集團(tuán)潘三煤礦瓦斯抽放鉆孔的施工應(yīng)用，驗(yàn)證了基于空氣驅(qū)動(dòng)鉆進(jìn)的施工工藝可適用于松軟煤層瓦斯抽采鉆孔的鉆進(jìn)施工，有效解決了在松軟煤層中無(wú)法施工長(zhǎng)距離鉆孔的難題，明顯提高了順煤層鉆孔施工的見(jiàn)煤率。基于在松軟煤層工作面長(zhǎng)鉆孔瓦斯預(yù)抽采的“一孔兩消”的瓦斯治理新理念，有效解決了常規(guī)施工工藝成孔率低、無(wú)效進(jìn)尺多的技術(shù)難題，為今后在全國(guó)其他松軟煤層礦井施工定向長(zhǎng)鉆孔奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，也為實(shí)現(xiàn)松軟煤層瓦斯高效治理提供了新思路。