大直徑定向鉆孔高效成孔鉆進技術應用

陳沁東，趙建國，楊冬冬

(1.晉能控股裝備制造集團有限公司 寺河煤礦，山西 晉城 048205；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

瓦斯災害是制約煤礦安全高效生產的重要因素之一[1]。隨著綜合機械化采煤方法的大力推廣，大采高工作面逐漸在我國推廣應用，其開采強度大、推進速度快，采空區區域大、遺煤多，容易造成礦井工作面局部瓦斯超限[2，3]。寺河礦井田分為東、西兩個井區，均屬煤與瓦斯突出礦井，目前主要開采3#煤，平均開采高度約為6m。結合寺河礦3#煤層賦存地質特點，寺河礦回采工作面采用走向長壁大采高自然冒落后退式綜合機械化采煤工藝[4]。煤層開采過程中，頂板上覆巖體在采動應力場作用下變形破壞，分別沿水平方向與豎直方向形成離層裂隙與破斷裂隙，這些裂隙相互交錯貫通，即是卸壓瓦斯運移的主要通道，也為瓦斯聚集提供了賦存空間，形成瓦斯富集區[5]。工作面推進過程中，如果對于富集區內的瓦斯管控不到位，該部分瓦斯會在瓦斯與空氣密度差以及采空區漏風的作用下通過密閉墻空隙或煤柱裂隙溢流至采區或巷道內，增加礦井通風系統壓力的同時，還會造成工作面瓦斯超限風險等不安全因素的產生。在工作面頂板上覆巖層內構建引流通道對該部分瓦斯實施抽采，是實現采動裂隙卸壓瓦斯治理的重要方法[6-8]。寺河礦經過探索總結，利用定向鉆進技術施工頂板裂隙帶定向長鉆孔開展工作面采動卸壓瓦斯抽采治理，形成了適合寺河礦煤層頂板巖性特征的大直徑巖層定向鉆孔施工方法與采動卸壓瓦斯治理技術，一定程度解決了工作面上隅角瓦斯問題，同時緩解了礦井瓦斯治理壓力。但是當鉆遇硬巖層時，大直徑高位鉆孔的成孔效率、質量受到現有技術裝備及工藝技術的限制而顯著降低，于是本文提出將輔助碎巖工具應用于大直徑高位鉆孔施工的不同階段，并在寺河礦做進一步試驗。

1 大直徑鉆孔成孔關鍵技術

1.1 技術現狀

依據工作面煤層頂板巖性特征，?200mm頂板高位定向長鉆孔常規施工技術方法為：首先采用隨鉆測量定向鉆進技術施工軌跡可控的導向孔，隨后采用大直徑分級擴孔技術逐級擴大至目標直徑[9]。此方法發展相對成熟，具有施工方法簡單、鉆具配置靈活以及對鉆機設備能力要求較低等技術優勢。隨著頂板高位大直徑定向鉆孔在國內多個礦區的快速推廣與應用，逐漸暴露出一些新問題。首先，基于現有鉆具組合形式的隨鉆測量定向鉆進技術在硬巖深孔中的鉆進效率提升空間有限，不能完全滿足采動卸壓瓦斯抽采治理對于進一步提高定向鉆孔鉆成孔效率的迫切需要，同時，隨著終孔直徑的進一步增大，一方面分級擴孔級數增加，綜合擴孔鉆進效率隨之下降，另一方面孔內擴孔鉆桿彎曲變形現象加劇，造成鉆桿柱的過早疲勞損傷，對于擴孔鉆進施工造成極大的安全隱患。針對上述問題，開展了頂板高位定向長鉆孔高效定向鉆進技術與大直徑高效擴孔鉆進技術試驗研究。

1.2 沖擊螺桿單馬達高效定向鉆進技術

沖擊螺桿馬達[10～12]是針對常規單彎螺桿馬達鉆進硬巖層效率低、鉆頭和鉆具消耗大等問題，通過在馬達萬向軸與鉆頭之間增加沖擊機構的方法，研制的一種具有沖擊和定向雙重功能的新型孔底動力定向鉆具。該馬達基于現有礦用單彎螺桿馬達研制而成，將相互嚙合的凸輪與壓縮彈簧組成的沖擊機構集成于螺桿馬達傳動軸總成，可將馬達總成輸出的部分扭矩轉換為軸向沖擊力并作用于傳動軸前端定向鉆頭，達到輔助沖擊破巖的效果，最終實現硬巖定向鉆孔提速的目的。沖擊機構結構原理如圖1所示。

圖1 沖擊機構

與常規螺桿馬達相比，沖擊螺桿馬達的技術特點主要體現在以下幾個方面：①鉆頭回轉切削目標巖層的同時，沖擊機構對鉆頭進行沖擊，通過改變常規螺桿純回轉切削的碎巖方式，獲得機械鉆速的提升；②沖擊螺桿馬達保留了原有的結構彎角，具備常規單彎螺桿馬達的造斜功能，與隨鉆測量系統配套使用能夠實現近水平定向鉆進；③具有“防空打”功能，馬達提離孔底后沖錘與砧體處于脫離狀態，空載時不產生沖擊載荷，避免造成殼體損傷；④軸向高頻沖擊作用使孔底鉆具產生良性振動，有助于減小鉆具與孔壁之間的摩阻，促進鉆壓有效傳遞，可替代“水力振蕩器+導向馬達”，提高近水平定向長鉆孔的鉆進效率。馬達技術參數見表1。

表1 ?89mm沖擊螺桿馬達技術參數

1.3 大直徑鉆擴技術

理論上分級擴孔級數與定向先導孔直徑、終孔直徑密切相關，一般而言兩者直徑相差越大，需要采取的擴孔級數越多。此外，鉆進地層巖性、鉆機設備能力、鉆具級配形式以及瓦斯抽采管路接抽需要等因素也對會擴孔級數造成影響。以定向先導孔直徑?120mm、擴孔終止直徑?200mm為例，分級擴孔鉆進成孔至少需要兩級擴孔施工，如果鉆進地層硬度大且配備鉆機設備能力不足，擴孔鉆進級數還需增加。針對分級擴孔綜合鉆進效率隨著擴孔鉆進級數增加而下降的問題，開展了扭力沖擊旋轉擴孔鉆進技術與雙級雙速擴孔鉆進技術應用研究。

1)扭力沖擊旋轉擴孔鉆進技術。該技術在常規旋轉擴孔鉆具基礎上，在鉆頭后方增加一個扭轉沖擊動力工具——扭力沖擊器[13，14]，利用泥漿泵泵送的高壓流體介質驅動沖擊器內部擺錘往復擺動沖擊殼體產生往復扭轉沖擊力，經擴孔鉆頭剛體傳遞至PDC復合片切削齒，形成“剪切-沖擊”破巖。一方面鉆頭破巖效率得到提升；另一方面擴孔鉆頭“粘滑”現象[15-17]造成的鉆桿柱扭轉震蕩現象趨于緩解，鉆桿柱扭矩傳遞效率得到改善，一定程度上有助于降低鉆桿柱疲勞損傷，延長了擴孔鉆具使用壽命。扭力沖擊器的主要技術參數見表2，形成的鉆具組合實物如圖2所示。

表2 扭力沖擊器技術參數

圖2 扭力沖擊旋轉擴孔鉆具組合

2)雙級雙速擴孔技術。雙級雙速擴孔技術是一種充分利用鉆機機械動力和泥漿泵水驅動力，實現定向鉆孔的單次雙級大直徑增擴的高效擴孔技術。其擴孔鉆具組合由一級鉆頭、二級鉆頭、直螺桿鉆具依次連接組成。具體工作原理為：孔口泥漿泵泵送高壓循環介質驅動直螺桿鉆具轉子旋轉，通過傳動軸帶動一級鉆頭旋轉破巖，實現一級擴孔；同時鉆機動力頭通過鉆桿柱、直螺桿鉆具殼體帶動二級鉆頭旋轉破巖，實現二級擴孔。理論上，一級鉆頭轉速為直螺桿鉆具轉速與鉆機轉速的疊加。一級鉆頭直徑較小，可在先導定向孔的基礎上將鉆孔直徑增擴一級，同時釋放巖石內應力使其破碎強度降低，然后二級大鉆頭跟進破碎臺階體巖石[18]，如圖3所示。

圖3 雙級雙速擴孔技術原理

2 現場試驗

2.1 試驗區概況

試驗地點位于寺河礦西區，目前主采3#煤層。該煤層位于山西組下部，煤層厚度在6.02～6.98m之間，平均6.50m。含夾矸一般為2層，煤層結構簡單，變異指數為0.09，屬于穩定可采煤層。3#煤層特征見表3。

表3 3#煤層特征

老頂為灰、深灰色細～中粒砂巖，時見粗粒砂巖，常變相為粉砂巖與細砂巖互層。厚度在0～20.75m之間，平均7.82m。直接頂一般為砂質泥巖，常含有薄層粉砂巖及細砂巖條帶，含植物化石，厚度在0～15.35m之間，平均2.79m。偽頂一般為炭質泥巖，呈灰黑色，遇水易膨脹，平均厚度為0.21m。直接底多為灰黑色泥巖，均勻層理，含大量植物化石，局部為砂質泥巖，厚度在0～4.9m之間，平均0.88m。老底為泥質砂巖，時為細粒砂巖，含菱鐵礦結核及植物化石，常見脈狀、波狀、透鏡狀層理，厚度在0～6.13m，平均4.18m。頂底板物理性質見表4。

表4 煤層頂底板巖石物理性質

2.2 高位鉆孔的布設

煤層頂板高位定向鉆孔具有典型的鉆孔軌跡形式與結構特征，總體由套管孔段、過渡孔段與主抽采孔段等組成[19]，如圖4所示。套管孔段主要用于下入孔口套管，對孔口段孔壁裂隙實施封堵后與抽采管路連接，避免后期抽采過程中漏氣導致抽采失效，根據寺河礦煤層頂板巖性特征與鉆孔施工條件，套管孔段深度以進入直接頂2m為宜。過渡孔段是高位定向鉆孔自回風巷向工作面采動裂隙發育高度的過渡孔段，其長度取決于采動影響區裂隙帶發育高度以及鉆孔開孔傾角、方位角。主抽采孔段是高位定向鉆孔介入瓦斯抽采的主孔段，其孔身軌跡一般在裂隙帶發育高度范圍內沿主設計傾角與方位角向工作面切眼方向延伸。

圖4 頂板高位大直徑定向鉆孔結構

抽采負壓、終孔直徑與布孔位置是決定頂板高位定向長鉆孔瓦斯抽采效果的三大關鍵因素，其中抽采負壓由瓦斯抽采系統決定，并受孔口套管封固效果與采動裂隙發育程度影響。終孔直徑與鉆進設備能力及鉆孔的成孔技術方法有關，布孔位置則受煤層頂板覆巖冒落帶與裂隙帶發育高度的影響，是影響采空區卸壓瓦斯抽采效果的關鍵[20-22]。實際工程中，裂隙發育高度通常采取以下經驗公式進行計算。

式中，Hm為裂隙帶發育高度，m；M為煤層開采厚度，m；Hli為冒落帶發育高度，m；Hd為改進的垮落帶、裂隙帶計算高度，m；f(h)為原本經驗公式計算的垮落帶、裂隙帶高度；h為煤層采高，m;k為修正系數，取1.3～1.5。

參考煤層頂板裂隙帶經驗公式[23，24]，根據工作面走向長度，分別在1#、5#與10#三個聯絡巷內各設計了4個頂板高位定向鉆孔，與煤層頂板垂距依次為35m、40m、45m、50m，與回風巷煤壁內錯平距依次為15m、25m、35m、45m。

2.3 現場關鍵裝備

本次試驗配套的鉆探裝備主要有大功率定向鉆機、泥漿泵、通纜鉆桿、隨鉆測量裝置、沖擊螺桿馬達、扭力沖擊器、雙極雙速擴孔鉆具、擴孔鉆頭等，具體情況見表5。

表5 取心鉆探配套裝備及機具

1)定向鉆機。定向鉆機選用ZDY12000LD大功率定向鉆機，鉆機功率132kW，額定扭矩12000N·m，最大給進起拔力25t，可滿足1000m以上巖層定向鉆孔與1500m以上煤層定向鉆孔鉆進要求。目前該鉆機主要用于煤礦井下本煤層、頂板高位以及底板低位等瓦斯抽采定向鉆孔的施工，亦可用于煤礦井下水害防治、地質探查等領域的定向鉆孔施工。詳細技術參數見表6。

表6 ZDY12000LD大功率定向鉆機技術參數

2)泥漿泵車。泥漿泵車選用BLY390/12型泥漿泵車，該泵車在履帶車體上集成了液驅式泥漿泵、液壓泵站以及饋電開關等模塊，泵車動力由一臺110kW電機提供，具備自行走能力。泵車額定排量390L/min，額定壓力12MPa。

3)隨鉆測量裝置。鉆機配套了YHD-1000(A)型隨鉆測量裝置，主要用于對鉆孔軌跡進行測量、顯示及記錄，并對鉆孔軌跡進行糾偏，為定向鉆進的關鍵裝備。探管采用孔外供電方式，避免孔內電池因電池耗盡而撤鉆；探管信號傳輸方式采用電流環，抗干擾能力強，傳輸距離遠；測量裝置及孔口顯示器性能可靠，信號傳輸穩定，測量精確；可與國內外所有型號千米定向鉆機、通纜鉆桿等配套使用。

4)扭力沖擊器擴孔鉆頭。本次試驗研制了?200/120mm扭力沖擊旋轉擴孔用鋼體鉆頭，鉆頭采用一體式結構，整體由導向頭、擴孔鉆頭體與連接接頭等組成。

2.4 鉆孔施工綜合情況

本次試驗共完成頂板高位定向鉆孔4個，最大鉆孔深度456m，終孔直徑?200mm。分別試驗了沖擊螺桿馬達定向鉆進技術以及扭力沖擊旋轉擴孔與雙級雙速旋轉擴孔方法。采用?89mm沖擊螺桿馬達完成4個鉆孔定向先導孔，累積進尺1791m，平均機械鉆速9.2m/h。1#孔全孔段與2#孔部分孔段采用雙級雙速螺桿擴孔技術鉆進施工，累積擴孔進尺427m，平均擴孔機械鉆速5.6m/h。2#孔部分孔段、3#孔部分孔段與4#孔全孔段采用了扭力沖擊旋轉擴孔技術鉆進施工，累積擴孔進尺783m，平均擴孔機械鉆速10.25m/h，試驗鉆孔數據見表7。試驗鉆孔實鉆軌跡如圖5所示。

圖5 試驗鉆孔實鉆軌跡

表7 試驗鉆孔數據

2.5 鉆進試驗效果

沖擊螺桿馬達定向鉆進技術，扭力沖擊旋轉擴孔與雙級雙速擴孔方法有效提升了頂板硬巖先導孔定向鉆進施工效率與擴孔鉆進施工效率，縮短大直徑定向鉆孔的綜合施工周期，為回采工作面采動卸壓瓦斯高效抽采大直徑高位定向長鉆孔快速成孔提供了新的技術方法，機械鉆進效率達到預期試驗效果。

1)沖擊螺桿馬達。定向先導孔鉆進過程中沖擊螺桿馬達累積進尺1791m，累積工作193h，四個試驗鉆孔機械鉆進效率平均達到8.34m/h，最高達到13.6m/h，較常規螺桿馬達提高20%～30%，提速效果顯著。排除施工管理與非鉆進干擾因素，定向先導孔綜合施工周期可由之前的6～8d縮短至5d以內。沖擊螺桿馬達機械鉆速與地層巖性、鉆進工藝參數控制(泵量、給進壓力、鉆機轉速)以及沖擊螺桿馬達沖擊結構磨損量等因素有關。首先，1#試驗鉆孔布孔層位巖性以灰色泥質砂巖以及少量粉砂巖為主，硬度相對較低，2#、3#、4#試驗鉆孔巖性以灰白色中砂巖為主，普氏硬度系數5～7；其次，沖擊螺桿馬達沖擊機構采用“彈簧+旋轉凸臺”結構形式，隨著馬達使用時間的增長，旋轉凸臺逐漸磨損，沖擊機構沖擊力逐漸降低，輔助提速效應逐漸減弱；再者，在鉆進工藝參數控制方面，2#、3#、4#所采用泥漿泵平均排量分別為290L/min、340L/min以及360L/min。在上述三種因素綜合作用下，導致1#試驗鉆孔與2#、3#、4#試驗鉆孔定向先導孔的機械鉆進效率相差較為明顯，且2#、3#與4#試驗鉆孔機械鉆進效率隨泵量增長而增加。

2)雙級雙速擴孔。1#試驗鉆孔與2#試驗鉆孔部分孔段采用雙級雙速擴孔工具實施擴孔，累積擴孔進尺474m，累積工作時間90h，平均機械鉆速5.2m/h，機械鉆進效率相對較低。分析原因有以下兩點：一級擴孔鉆頭直徑偏小，導致二級擴孔鉆頭碎巖切削面積偏大，二者機械鉆速不匹配，未能完全發揮雙級雙速擴孔工具的碎巖優勢；泥漿泵排量控制偏小，雙級雙速擴孔工具的設計工作流量在400～460L/min，實際擴孔鉆進過程中，1#鉆孔泥漿泵平均排量300L/min，2#試驗鉆孔泥漿泵平均排量350L/min。故使用雙級雙速擴孔工具進行擴孔鉆進，平均機械鉆進效率整體較低。

3)扭力沖擊擴孔。扭力沖擊旋轉擴孔方法累積擴孔進尺727m，累積工作時間79.5h，擴孔鉆進機械鉆速平均9m/h，最高11.1m/h。實現了在?120mm定向先導孔的基礎上，一次將鉆孔直徑擴大至?200mm，滿足回采工作面卸壓瓦斯大直徑鉆孔高效抽采需要的同時，節約了一級擴孔作業工作量，綜合施工效率較以往分級擴孔方法提升20%以上。

3 瓦斯抽采效果

3.1 瓦斯抽采效果分析

工作面回采階段，對施工的4個試驗鉆孔的瓦斯抽采數據進行統計，各高位鉆孔瓦斯抽采流量隨抽采時間變化曲線如圖6所示，平均單孔瓦斯抽采量達到3.36m3/min，單孔瞬時最大瓦斯抽采量在26m3/min 以上，工作面回采階段上隅角和回風流中瓦斯濃度始終控制在0.5%以內，總體瓦斯抽采效果明顯。由此可見，利用沖擊螺桿馬達定向鉆進技術與扭力沖擊旋轉擴孔鉆進技術施工完成的?200mm頂板高位大直徑定向長鉆孔軌跡可在工作面煤層頂板采動裂隙帶內長距離走向延伸，對工作面采動卸壓瓦斯實施持續穩定抽采，為有效控制工作面上隅角與回風流中的瓦斯濃度，保障煤礦工作面的安全高效回采提供了可靠的技術支持。

圖6 瓦斯抽采流量變化曲線

3.2 回風瓦斯濃度變化分析

為了驗證大直徑定向長鉆孔在工作面回采過程中對回風瓦斯濃度變化的影響，回采過程中對工作面回風巷風流、工作面上隅角、巷道口的瓦斯濃度進行統計，借此來判斷高位大直徑定向長鉆孔對工作面瓦斯的治理效果。采集工作面風流、上隅角、巷風流、巷口4組在工作面回采期間的瓦斯濃度數據，繪制成瓦斯濃度變化曲線，如圖7所示。根據采集的各個檢測點的瓦斯濃度變化并參考曲線變化趨勢可見，在高位大直徑定向鉆孔沒有介入瓦斯抽采時，各個監測點的瓦斯濃度較高，尤其是巷風流濃度最高，伴隨回采工作面的推進，使得高位大直徑定向鉆孔主抽采孔段開始處于裂隙帶內并與之有效貫通，進入鉆孔有效抽采范圍，瓦斯濃度明顯下降，其中巷風流及巷口瓦斯濃度降低得最為明顯，由0.65%降至0.4%，這充分證明大直徑高位定向鉆孔瓦斯抽采效果顯著。隨著工作面的持續推進，上隅角及工作面風流開始有明顯降低的趨勢而后接近初期的濃度，整體變化不大。從圖7中可以看出，在工作面推進至175m左右后，隨著主抽采孔段的減少而出現濃度少量回彈，但是回彈的并不明顯而后趨于平穩，這也充分體現了高位定向長鉆孔在工作面卸壓瓦斯的治理中成效顯著，有效保證了工作面的安全回采。

圖7 工作面各監測點瓦斯濃度變化曲線

4 結 論

1)根據寺河煤礦工作面頂板覆巖地質特征及開采條件，結合改進的垮落帶、裂隙帶經驗公式，確定鉆孔布置層位為35～50m左右，通過對試驗鉆孔的瓦斯抽采數據的監控，瓦斯抽采效果明顯，鉆孔層位布置相對合理。

2)為了有效解決在頂板硬巖層施工大直徑高位定向鉆孔成孔效率低、質量差的技術難題，試驗了沖擊螺桿馬達定向鉆進技術、扭力沖擊旋轉擴孔鉆進技術與雙級雙速擴孔鉆進技術，較常規螺桿馬達，定向先導孔鉆進效率提升20%～30%；較普通回轉擴孔，擴孔鉆進綜合效率提升20%以上。在進一步增大頂板高位大直徑定向鉆孔終孔直徑的同時縮短了綜合成孔周期，為工作面采動卸壓瓦斯高效抽采定向長鉆孔快速成孔提供了技術保障。

3)通過層位的合理選擇并配合輔助碎巖工具高效施工?200mm頂板高位大直徑定向鉆孔，對工作面采動卸壓瓦斯抽采效果提升明顯，在工作面回采階段可將工作面上隅角與回風流中的瓦斯濃度控制在安全標準以內，為煤礦工作面的安全高效開采保駕護航。