孤島工作面碎軟煤層跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝研究

陳超，陳天柱，張馬軍，王常委

（1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077）

0 引言

瓦斯治理一直是制約我國煤礦安全生產(chǎn)的一個(gè)難點(diǎn)。以鉆孔抽采為主要技術(shù)手段的方法是現(xiàn)階段煤層瓦斯治理的主要方法之一[1-2]，但因地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力等導(dǎo)致煤層整體膠結(jié)性差、煤層碎軟，鉆孔施工時(shí)易出現(xiàn)塌孔、卡鉆、鉆孔成孔深度小等現(xiàn)象，影響后續(xù)瓦斯抽采效果。特別是孤島工作面，隨著相鄰工作面的回采，孤島工作面礦壓重新分布，由巷道至工作面內(nèi)依次形成塑性破壞區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)[3-7]，在瓦斯預(yù)抽鉆孔施工過程中，穿過塑性破壞區(qū)和應(yīng)力集中區(qū)時(shí)塌孔、卡鉆頻繁，成孔難度極大，鉆孔深度無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求[8-11]，產(chǎn)生的抽采盲區(qū)會帶來安全隱患。

針對碎軟高應(yīng)力煤層瓦斯抽采鉆孔成孔難、成孔深度小的問題，國內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在鉆進(jìn)裝備升級改造[12]及施工工藝優(yōu)化[13-15]等方面進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了一定效果，但針對應(yīng)力集中區(qū)鉆孔排渣效果差及易卡鉆、埋鉆等問題仍未形成有效解決方法。針對該問題，本文通過分析山西天地王坡煤業(yè)有限公司（簡稱王坡煤礦）瓦斯預(yù)抽鉆孔成孔問題，提出跟管護(hù)孔過高應(yīng)力區(qū)鉆進(jìn)工藝，對干式螺旋排渣、螺旋鉆進(jìn)氮?dú)廨o助排渣工藝進(jìn)行對比分析，優(yōu)選鉆具組合，使鉆孔穿過高應(yīng)力區(qū)后繼續(xù)向深部鉆進(jìn)，從而增加鉆孔成孔深度。

1 孤島工作面鉆孔成孔問題分析

1.1 孤島工作面應(yīng)力特性

現(xiàn)有孤島工作面應(yīng)力分析研究表明，受相鄰工作面開采影響，孤島工作面內(nèi)煤體應(yīng)力重新分布，呈兩側(cè)大致對稱分布的“馬鞍形”，近巷道處煤體擠壓破碎嚴(yán)重，應(yīng)力得到一定程度釋放，出現(xiàn)應(yīng)力降低區(qū)，區(qū)域范圍為0～15 m；向工作面深入，煤體受到上部巖層擠壓，局部應(yīng)力升高，出現(xiàn)應(yīng)力集中區(qū)，區(qū)域范圍為15～50 m；繼續(xù)向工作面深入，煤體受采動影響范圍減小，應(yīng)力基本無變化，趨近原巖應(yīng)力，屬原巖應(yīng)力范圍。

工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔垂直于巷道布置，依次穿過塑性破壞區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)，如圖1所示。鉆孔施工時(shí)，開孔段（塑性破壞區(qū)）煤層破碎，煤體垮落，鉆孔無法成孔或成孔形狀不規(guī)則。卡鉆頻發(fā)段（應(yīng)力集中區(qū)）煤體應(yīng)力集中，鉆桿受煤體擠壓，出渣不暢，導(dǎo)致卡鉆、埋鉆。鉆孔穿過應(yīng)力集中區(qū)后，進(jìn)入原巖應(yīng)力區(qū)，該區(qū)段受采動擾動小，煤體結(jié)構(gòu)完整，施工主要問題是如何將煤渣運(yùn)移至孔口。

圖1 鉆孔區(qū)段分布Fig.1 Distribution of drilling sections

1.2 試驗(yàn)區(qū)問題分析

選取王坡煤礦3206 孤島工作面作為試驗(yàn)地點(diǎn)。工作面垂直于集中主運(yùn)巷向南布置，兩側(cè)為3204 和3208 工作面采空區(qū)，終采線以里走向長度為2 092 m，開切眼長度為153 m。王坡煤礦前期碎軟煤層鉆孔施工主要選用ZYW-1900R 和ZDY6000LR 鉆機(jī)，鉆具配套φ73 mm 螺旋鉆桿，采用干式螺旋排渣工藝。鉆孔施工中，鉆進(jìn)至應(yīng)力集中區(qū)時(shí)，因干式螺旋排渣工藝效率低，鉆渣不能及時(shí)排出孔外，且煤體受地應(yīng)力擠壓，卡鉆現(xiàn)象頻發(fā)，加上鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩小，導(dǎo)致鉆孔無法繼續(xù)向深度鉆進(jìn)，鉆孔成孔率低。鉆孔施工情況見表1。

表1 鉆孔施工情況Table 1 Drilling construction situation

針對王坡煤礦3206 孤島工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔成孔難問題，需要采用大轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)，以增強(qiáng)鉆具排渣效果及孔內(nèi)事故處理能力；同時(shí)需要考慮高應(yīng)力區(qū)段鉆孔護(hù)壁工藝及孔內(nèi)高效排渣工藝。

2 跟管護(hù)孔鉆進(jìn)及復(fù)合排渣工藝研究

針對王坡煤礦3206 孤島工作面高應(yīng)力、碎軟煤層成孔問題，提出采用跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝過高應(yīng)力區(qū)，以達(dá)到護(hù)壁效果。鉆孔穿過高應(yīng)力區(qū)后，通過優(yōu)化鉆具組合，進(jìn)一步提高鉆孔施工深度。鉆孔施工工藝流程如圖2 所示。

圖2 鉆孔施工流程Fig.2 Drilling construction flow

2.1 跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝

跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝是指在鉆進(jìn)過程中因地層破碎無法一次鉆進(jìn)成孔時(shí)，不需提鉆，采用多級套管鉆具組合沿一級成孔鉆具鉆進(jìn)方向支護(hù)塌孔段孔壁，使鉆孔向深部鉆進(jìn)。根據(jù)孤島工作面煤層地質(zhì)條件，一般將跟管護(hù)孔鉆進(jìn)分為二級護(hù)孔鉆進(jìn)和三級護(hù)孔鉆進(jìn)。

（1）二級護(hù)孔鉆進(jìn)。在煤層偏軟但整體穩(wěn)定性較好地層，一級成孔鉆具可直接鉆進(jìn)穿過塌孔段，但在鉆孔向深度鉆進(jìn)過程中，該孔段容易塌孔積渣，影響后續(xù)鉆孔施工效率及施工深度，故需采用二級套管鉆具跟隨一級成孔鉆具穿過塌孔段，進(jìn)行孔壁支護(hù)，當(dāng)一級成孔鉆具鉆進(jìn)至目標(biāo)孔深后，依次提出二級套管鉆具和一級成孔鉆具。二級護(hù)孔鉆進(jìn)工藝如圖3 所示。

圖3 二級護(hù)孔鉆進(jìn)工藝Fig.3 The second-stage hole protection drilling technology

（2）三級護(hù)孔鉆進(jìn)。在煤層碎軟且應(yīng)力顯現(xiàn)地層，一級成孔鉆具無法直接鉆進(jìn)穿過該區(qū)段。在一級成孔鉆具鉆進(jìn)困難時(shí)，采用二級套管鉆具鉆進(jìn)至一級成孔鉆具鉆頭位置支護(hù)孔壁，一級成孔鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)。若再次出現(xiàn)鉆進(jìn)困難，采用三級套管鉆具鉆進(jìn)至二級套管鉆具鉆頭位置進(jìn)行孔壁支護(hù)，改善二級套管鉆具鉆進(jìn)環(huán)境，使其能跟管鉆進(jìn)至一級成孔鉆具鉆頭位置支護(hù)孔壁，一級成孔鉆具繼續(xù)向深部鉆進(jìn)至目標(biāo)孔深后，依次提出三級套管鉆具、二級套管鉆具和一級成孔鉆具。三級護(hù)孔鉆進(jìn)工藝如圖4所示。

圖4 三級護(hù)孔鉆進(jìn)工藝Fig.4 The third-stage hole protection drilling technology

2.2 螺旋鉆進(jìn)氮?dú)廨o助排渣工藝

螺旋鉆進(jìn)氮?dú)廨o助排渣工藝是在原有干式螺旋鉆進(jìn)工藝的基礎(chǔ)上，對螺旋鉆桿進(jìn)行改造，使其具備傳輸水或空氣等介質(zhì)的性能，通過制氮裝置將具有一定壓力的壓縮氮?dú)庾鳛闆_洗介質(zhì)，在孔壁與鉆桿構(gòu)成的環(huán)孔間隙內(nèi)形成氮?dú)饬鳎瑪y帶鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的鉆屑返回孔口，同時(shí)降低鉆頭溫度。該工藝相較于傳統(tǒng)干式螺旋鉆進(jìn)和空氣螺旋鉆進(jìn)工藝，增強(qiáng)了排渣能力，此外，氣體還有利于鉆頭、鉆具的冷卻，降低了鉆進(jìn)過程中煤炭自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

3 配套鉆進(jìn)裝備研究

3.1 鉆機(jī)升級改造

根據(jù)跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝需要，在ZDY6500LP 鉆機(jī)基礎(chǔ)上，改變鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器齒輪箱傳動結(jié)構(gòu)，一級傳動變?yōu)樾行禽嘄X輪傳動，利用其減速比大的優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)整體傳動比的增大，同時(shí)提高電動機(jī)排量，將鉆機(jī)最大轉(zhuǎn)矩從6 500 N·m 提升至10 000 N·m，并校核配套托板和夾持器夾緊力，確保鉆機(jī)在“雙高”（高轉(zhuǎn)矩、高轉(zhuǎn)速）狀態(tài)下保持穩(wěn)定工作狀態(tài)。同時(shí)優(yōu)化鉆機(jī)動力頭，采用中心通孔結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)中間加桿和后方加桿，滿足先導(dǎo)鉆具和跟管鉆具加卸要求。增強(qiáng)鉆機(jī)的高轉(zhuǎn)速性能，提高煤渣離心力；同時(shí)，鉆孔周圍煤體來壓卡住鉆桿時(shí)，利用鉆機(jī)的大轉(zhuǎn)矩，通過強(qiáng)力回轉(zhuǎn)、高給進(jìn)力、起拔力的快速加壓和釋放，震動鉆桿，松動周圍煤渣，實(shí)現(xiàn)鉆桿解卡，使鉆孔繼續(xù)向深部鉆進(jìn)。改造后ZDY6500LP 鉆機(jī)主要參數(shù)見表2。

表2 鉆機(jī)主要參數(shù)Table 2 Main technical data of drilling rig

3.2 鉆具選型

對于碎軟煤層，鉆進(jìn)中經(jīng)常出現(xiàn)大范圍塌孔，孔內(nèi)煤渣量大，若排渣不及時(shí)，易造成卡鉆、埋鉆事故。因此，選配高效排渣鉆具組合是碎軟煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔成孔關(guān)鍵。針對王坡煤礦煤層特點(diǎn)及原有設(shè)備鉆進(jìn)情況，選取4 種鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)試驗(yàn)：φ60.3/95 mm 插接式螺旋鉆桿，φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋鉆桿，φ73/89 mm 寬翼片螺旋鉆桿，φ89 mm 三棱螺旋鉆桿。鉆具性能對比見表3。

表3 鉆具性能對比Table 3 Performance comparison of drilling tools

一級成孔鉆具直徑為89～100 mm，綜合考慮各級鉆具環(huán)空間隙排渣效果及鉆孔孔徑大小，二級套管鉆具選取 φ127 mm 套管鉆桿配套 φ146 mm 套管鉆頭，三級套管鉆具選取 φ159 mm 套管鉆桿配套φ180 mm 套管鉆頭。因鉆進(jìn)工序不同，一級成孔鉆具多為正絲結(jié)構(gòu)，故二級套管鉆具設(shè)計(jì)成反絲絲扣連接，三級套管鉆具設(shè)計(jì)成正絲絲扣連接。同時(shí)為加強(qiáng)套管鉆具與孔壁之間環(huán)空排渣效果，套管鉆桿沿周向焊接3 排肋條，套銑鉆桿結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 套銑鉆桿結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of milling drill pipe

4 現(xiàn)場試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

3206 孤島工作面共布置有3 條巷道，分別為3206運(yùn)輸巷、3206 回風(fēng)巷和3206 高抽巷。主采3 號煤層，煤層平均厚度為4.45 m，煤層穩(wěn)定，全區(qū)可采，煤層傾角為2～10°，平均傾角為6°；煤體內(nèi)部弱面極其發(fā)育，煤體發(fā)脆，導(dǎo)致整體強(qiáng)度顯著降低，自身承載能力很小，煤層頂?shù)装迩闆r見表4。

表4 煤層頂?shù)装迩闆rTable 4 The roof-floor of coal seam

4.2 鉆孔設(shè)計(jì)

試驗(yàn)鉆孔沿3206 孤島工作面回風(fēng)巷成排布置，垂直于巷道順煤層方向。根據(jù)工作面瓦斯賦存情況，為了實(shí)現(xiàn)應(yīng)抽盡抽，設(shè)計(jì)終孔間距為4 m，孔深為132 m；依據(jù)煤層賦存情況，設(shè)計(jì)鉆孔傾角為-13～2°，并根據(jù)實(shí)際煤巖鉆進(jìn)情況進(jìn)行調(diào)整；設(shè)計(jì)開孔高度為1.5 m。鉆孔設(shè)計(jì)平面布置如圖6 所示。

圖6 鉆孔設(shè)計(jì)平面布置Fig.6 Plane layout of drilling design

4.3 試驗(yàn)情況

礦方前期未采用跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝施工鉆孔4 個(gè)，均出現(xiàn)塌孔、卡鉆現(xiàn)象，最大鉆孔深度為47 m。采用跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝施工68 個(gè)鉆孔（含8 個(gè)探測孔），平均孔深為85.9 m，最大孔深為150 m。其中使用二級護(hù)孔工藝施工鉆孔47 個(gè)，總進(jìn)尺為4 217 m，平均孔深為89.7 m；二級護(hù)孔管深度為16～28 m，平均護(hù)孔深度為22 m。使用三級護(hù)孔工藝施工鉆孔21 個(gè)，總進(jìn)尺為1 621.5 m，平均孔深為77.2 m；三級護(hù)孔管深度為15～25 m，平均護(hù)孔深度為20 m；二級護(hù)孔管深度達(dá)30～52 m，平均護(hù)孔深度為41 m。鉆孔施工試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 鉆孔施工試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Drilling construction test results

對比分析可知，相比于直接采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工鉆孔，采用二級護(hù)孔鉆進(jìn)工藝施工鉆孔平均孔深提高149%，采用三級護(hù)孔鉆進(jìn)工藝施工鉆孔平均孔深提高114%，說明跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)施工工藝更適合3206 孤島工作面碎軟煤層鉆孔施工。二級護(hù)孔成孔深度大于三級護(hù)孔成孔深度，主要是因?yàn)樵诟邞?yīng)力區(qū)，當(dāng)二級護(hù)孔工藝無法滿足成孔深度時(shí)，繼續(xù)采用三級護(hù)孔工藝，此類鉆孔孔內(nèi)應(yīng)力表現(xiàn)明顯，塌孔、卡鉆現(xiàn)象較多，導(dǎo)致成孔深度較小。

鉆孔穿過高應(yīng)力區(qū)后，對比分析不同鉆具組合和鉆進(jìn)排渣工藝施工效果，鉆孔數(shù)據(jù)見表6，柱狀圖如圖7 所示。①φ60.3/95 mm 插接式鉆桿采用干式螺旋高速回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，共施工23 個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺為1 602 m，鉆進(jìn)效率為94.2 m/d，平均單孔深度為69.7 m，最大單孔深度為132 m；孔深大于100 m 的鉆孔12 個(gè)，鉆孔成孔率為60%。② φ73/89 mm 螺旋鉆桿采用氮?dú)廨o助排渣鉆進(jìn)工藝，共施工10 個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺為837.5 m，鉆進(jìn)效率為119.6 m/d，平均單孔深度為83.8 m，最大單孔深度為132 m；孔深大于100 m 的鉆孔5 個(gè)，鉆孔成孔率為55.6%。③φ89 mm三棱螺旋鉆桿采用氮?dú)廨o助排渣鉆進(jìn)工藝，共施工13 個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺為1 185 m，鉆進(jìn)效率為118.5 m/d，平均單孔深度為91.2 m，最大單孔深度為150 m；孔深大于100 m 的鉆孔6 個(gè)，鉆孔成孔率為54.5%。④ φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋鉆桿采用氮?dú)廨o助排渣鉆進(jìn)工藝，施工完成22 個(gè)鉆孔（含2 個(gè)探測孔），累計(jì)進(jìn)尺為2 214 m，鉆進(jìn)效率為123 m/d，平均單孔深度為83.8 m，最大單孔深度為132 m；孔深大于100 m 的鉆孔16 個(gè)，鉆孔成孔率為80%。

圖7 鉆孔施工效果對比Fig.7 Comparison of drilling construction effects

表6 鉆孔數(shù)據(jù)Table 6 Borehole data

通過4 種鉆具組合施工對比分析可知：插接式螺旋鉆桿施工鉆孔成孔率高于絲扣連接式螺旋鉆桿，鉆孔穿過應(yīng)力集中段時(shí)，插接式螺旋鉆桿可采用正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)強(qiáng)力回轉(zhuǎn)掃孔排渣，保證鉆孔順利通過該孔段；對比鉆孔成孔深度，螺旋鉆進(jìn)氮?dú)廨o助排渣工藝明顯優(yōu)于干式螺旋排渣工藝。綜合成孔深度及成孔率，3206 孤島工作面成孔最優(yōu)鉆具組合及工藝是選取φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋鉆桿和氮?dú)廨o助排渣工藝。

4.4 抽采效果

在王坡煤礦3206 孤島工作面施工的68 個(gè)鉆孔均采用兩堵一注封孔方式封孔12 m，將4 種不同鉆桿施工的鉆孔分組抽采，以分析不同鉆具組合施工鉆孔的抽采效果，結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)Fig.8 Gas drainage volume fraction

圖9 平均單孔瓦斯抽采純量Fig.9 Average net gas drainage volume of single hole

由圖8、圖9 可知，采用φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋鉆桿、φ89 mm 三棱螺旋鉆桿和φ73/89 mm大螺旋鉆桿結(jié)合氮?dú)廨o助排渣施工的鉆孔，其瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和平均單孔瓦斯抽采量均優(yōu)于φ60.3/95 mm 插接式螺旋鉆桿結(jié)合干式螺旋排渣施工的鉆孔；而氮?dú)廨o助排渣工藝中，φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋鉆桿的抽采效果又優(yōu)于另外2 種鉆桿，原因在于成孔深度及插接密封式螺旋鉆桿的大螺旋結(jié)構(gòu)增加了孔內(nèi)掏煤量和鉆孔直徑。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合孤島工作面應(yīng)力特征，分析了不同孔段鉆孔成孔問題，采用跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝提高鉆孔過高應(yīng)力區(qū)的成孔率。

（2）通過氮?dú)廨o助排渣，進(jìn)一步提高了鉆進(jìn)排渣效率，對比干式螺旋鉆進(jìn)工藝，鉆孔成孔深度和鉆進(jìn)效率顯著提高。

（3）對鉆機(jī)進(jìn)行升級改造，改造后的大轉(zhuǎn)矩鉆機(jī)施工搬遷方便，且在處理卡鉆、埋鉆及穿過應(yīng)力集中段時(shí)的強(qiáng)力回轉(zhuǎn)能滿足施工需要，同時(shí)滿足跟管護(hù)孔鉆進(jìn)施工工藝需要，提高鉆孔過高應(yīng)力區(qū)成孔率。

（4）現(xiàn)場試驗(yàn)效果表明，綜合考慮成孔率、成孔深度和瓦斯抽采效果，跟管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝、φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋鉆桿及氮?dú)廨o助排渣工藝最適合3206 孤島工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔施工。