煤礦井下穿層鉆孔多方位極小半徑?jīng)_孔技術(shù)

龐 濤 ，姜在炳 ，杜天林 ，李浩哲 ，周加佳 ，劉 偉

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集團(tuán)）有限公司，陜西 西安 710077；3.中國(guó)石油西部鉆探工程有限公司 吐哈鉆井公司，新疆 鄯善 838200）

碎軟低滲煤層發(fā)育區(qū)的煤礦往往為高瓦斯、突出礦井，煤層層理紊亂、煤質(zhì)松軟、滲透性差，瓦斯壓力大、含量高，鉆孔抽采瓦斯是這類礦井治理瓦斯災(zāi)害的主要手段之一，但單孔抽采效率低、鉆孔工程量大、抽采周期長(zhǎng)，嚴(yán)重制約著煤炭企業(yè)安全高效生產(chǎn)[1-3]。為提高碎軟煤瓦斯抽采效率，相關(guān)學(xué)者和現(xiàn)場(chǎng)工作者研究和實(shí)踐了深孔松動(dòng)爆破[4-6]、水力割縫[7-9]、水力沖孔[10-11]、CO2松動(dòng)爆破[12]、水力擠出[13]、水力壓裂[14-15]等卸壓增透措施，其中，水力沖孔造穴技術(shù)效果顯著、工具簡(jiǎn)單可靠、便于實(shí)施，已廣泛應(yīng)用于碎軟煤瓦斯抽采工程中。水力沖孔造穴[16]是指借助鉆孔深入煤體內(nèi)部，采用高壓水射流將鉆孔周圍的煤體及瓦斯沖出，形成直徑較大的洞室，在煤中形成一定卸壓排放瓦斯區(qū)域，增加煤層滲透率，提升瓦斯抽采效率[17]。但該技術(shù)受鉆具剛性限制，噴射水流的沖擊力隨噴射距離增大而減小，單孔抽采半徑雖大于常規(guī)鉆孔抽采半徑，但范圍仍然較小，如能夠成倍增加沖孔洞穴半徑，則能夠大大增加單孔抽采范圍，提高抽采效率，減少鉆孔工程量。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出碎軟煤穿層鉆孔多方位極小半徑?jīng)_孔抽采瓦斯技術(shù)，闡述了其技術(shù)設(shè)想，進(jìn)行了工具設(shè)計(jì)和試制，通過開展地面模擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行功能設(shè)想驗(yàn)證；以期提高碎軟煤瓦斯抽采孔單孔抽采效率，為碎軟煤發(fā)育區(qū)礦井瓦斯防治提供新技術(shù)思路。

1 技術(shù)設(shè)想及原理

1.1 技術(shù)設(shè)想

根據(jù)水射流理論與技術(shù)[18]，噴嘴外射流流速區(qū)分為起始段和基本段，起始段軸心速度保持初始速度，基本段軸心速度逐漸小于初始速度，隨著射流距離的增加射流的動(dòng)能逐漸減小。提高射流動(dòng)能的方法主要有提升射流壓力和縮短射流距離2 種。多年來行業(yè)工作者一直致力于提高射流壓力[19-20]，井下高壓泵工作壓力已達(dá)100 MPa，對(duì)設(shè)備的要求越來越高，設(shè)備大型化、復(fù)雜化，施工安全風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大；對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，隨著沖孔洞穴（割縫長(zhǎng)度）的增大，射流距離也隨著增大，射流對(duì)煤壁的沖擊力減小，洞穴半徑相對(duì)有限。為了增加或者保持射流對(duì)煤壁的沖擊力，不再依靠不斷提升泵壓，而是研發(fā)一種特殊鉆具組合，沖孔（割縫）割縫的過程中可以通過持續(xù)移動(dòng)鉆具縮短或保持噴嘴與煤壁的距離，從而保持射流的沖擊力，這樣便能夠在較小的泵壓下增加沖孔造穴（割縫）范圍，同時(shí)鉆具可通過孔口進(jìn)行控制，完成1 個(gè)方位的極小半徑?jīng)_孔造穴后還可以進(jìn)行第2、第3 個(gè)方位的沖孔造穴，最終使1 個(gè)主鉆孔在煤層中能夠形成多個(gè)方位的極小半徑分支孔，解決單孔抽采范圍小的問題。多方位極小半徑?jīng)_孔技術(shù)設(shè)想如圖1。

圖1 多方位極小半徑?jīng)_孔技術(shù)設(shè)想Fig.1 Multi-azimuth minimal radius punching technology assumption

1.2 技術(shù)原理

1.2.1 固定方位極小半徑?jīng)_孔工藝原理

采用常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)穿層孔巖孔段，見煤后起出鉆具，將一定長(zhǎng)度的固定方向彎曲鉆具安裝在鉆具前端，最前端安裝水力沖擊噴頭。固定方向彎曲鉆具自然狀態(tài)下呈極小半徑彎曲狀，具有一定彈力，在受到彎曲方向反方向的力時(shí)鉆具呈直線狀，入孔時(shí)在巖孔段圓形孔壁的限制下鉆具呈直線狀，下入至孔底后，噴頭接觸到煤壁，開泵沖擊煤壁，在噴頭端煤層中形成洞穴，由于洞穴直徑會(huì)大于巖孔段孔徑，鉆具前段會(huì)在彈性力作用下恢復(fù)彎曲狀，同時(shí)鉆具受前端煤壁的阻擋和孔口鉆機(jī)的推力，鉆具在鉆孔中會(huì)產(chǎn)生彎曲的力，在鉆具前端噴頭不斷地沖擊成孔作用下形成與鉆具彎曲形態(tài)相近的極小半徑分支鉆孔，整個(gè)沖孔過程中鉆具不旋轉(zhuǎn)，依靠噴頭噴射成孔。

1.2.2 多方位極小半徑?jīng)_孔工藝原理

固定方向彎曲鉆具入孔時(shí)可在鉆具孔口端標(biāo)注鉆具的彎曲方向，連接常規(guī)鉆具時(shí)連接好后每根鉆桿都對(duì)應(yīng)標(biāo)注點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)注，這樣鉆具下入孔底后就可以從孔口標(biāo)注點(diǎn)獲取孔底鉆具的彎曲方向，也即極小半徑分支孔的方位。完成1 個(gè)極小半徑分支孔的沖孔造穴后回撤鉆具，保證鉆具進(jìn)入巖孔的直孔段，這樣即可以通過動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)調(diào)整固定方向彎曲鉆具的彎曲方向，之后再推送鉆具進(jìn)入孔底，由于第1 個(gè)分支孔為極小半徑分支孔，而再入的固定方向彎曲鉆具彎曲方向與第1個(gè)分支孔的方向不一致，不能進(jìn)入第1 個(gè)極小半徑分支孔內(nèi)，而會(huì)頂在孔壁上，與第1 個(gè)分支孔成孔類似，鉆具受彈性力和推送力作用發(fā)生向另1 個(gè)方向的彎曲，在噴頭沖擊成孔的作用下，形成第2 個(gè)方位的極小半徑分支孔，以此類推，形成多個(gè)方位的極小半徑分支孔。徑向沖孔工藝流程如圖2。

圖2 徑向沖孔工藝流程Fig.2 Radial punching process flow chart

2 鉆具結(jié)構(gòu)

常規(guī)鉆具難以實(shí)現(xiàn)極小半徑彎曲，為了實(shí)現(xiàn)固定方向的極小半徑彎曲，設(shè)計(jì)出了固定方向彎曲短節(jié)，多個(gè)固定方向彎曲短節(jié)按同一方向進(jìn)行連接，形成可固定方向彎曲的鉆具，固定彎曲短節(jié)結(jié)構(gòu)圖如圖3。

圖3 固定彎曲短節(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Fixed bending sub structure drawing

固定方向彎曲短節(jié)由座節(jié)、活動(dòng)頭、固定環(huán)、定位銷、彈簧、密封圈組裝而成?；顒?dòng)頭固定在座節(jié)內(nèi)，通過球面相切合，通過對(duì)稱的4 個(gè)銷釘固定，活動(dòng)頭能夠在2 個(gè)方向發(fā)生3°的轉(zhuǎn)動(dòng)，活動(dòng)頭上部安裝固定環(huán)，固定環(huán)內(nèi)側(cè)空間為向一側(cè)偏移的非同心柱狀圓環(huán)，套在活動(dòng)頭上部能夠限制活動(dòng)頭的旋轉(zhuǎn)方向，使活動(dòng)頭只能向一側(cè)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，同時(shí)在座節(jié)側(cè)壁活動(dòng)頭旋轉(zhuǎn)方向反方向設(shè)置彈簧，通過彈力推靠活動(dòng)頭向固定一側(cè)旋轉(zhuǎn)，固定方向彎曲短節(jié)之間通過銷釘相連接，以保證鉆具的整體彎曲方向，各部件連接處安裝有密封圈，以保證整體的耐壓性。

1）座節(jié)。座節(jié)結(jié)構(gòu)如圖4。整體為中空的結(jié)構(gòu)，具有22 mm 的過液孔，中部設(shè)置成半徑為27 mm的半圓凹球面，凹球面上部設(shè)置4 個(gè)銷釘孔，上部為柱狀內(nèi)孔空間，設(shè)置有螺紋，且有定位的銷釘孔，下部也設(shè)置成柱狀內(nèi)空空間，設(shè)置有銷釘孔，用于與其它短節(jié)的連接，座節(jié)上部留有彈簧孔，可安裝彈簧推靠活動(dòng)頭的柄部。

圖4 座節(jié)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structure drawing of seat joint

2）活動(dòng)頭?；顒?dòng)頭結(jié)構(gòu)如圖5。活動(dòng)頭一端大體為具有內(nèi)通孔的球狀體，球狀體半徑為27 mm，設(shè)置有4 個(gè)定位凹槽，其中對(duì)稱的2 個(gè)凹槽為圓柱狀內(nèi)孔，活動(dòng)頭可以以這2 個(gè)孔的軸線為轉(zhuǎn)動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，另外的對(duì)稱的2 個(gè)凹槽為長(zhǎng)條形內(nèi)孔，圓形銷釘可在長(zhǎng)條形內(nèi)孔內(nèi)活動(dòng)?；顒?dòng)頭安裝在座節(jié)上時(shí)，活動(dòng)頭下端的球面與座節(jié)內(nèi)的球面相配合，在密封圈的作用下發(fā)生密封旋轉(zhuǎn)，以對(duì)稱的2 個(gè)銷釘為軸進(jìn)行相對(duì)旋轉(zhuǎn)，另外對(duì)稱的2 個(gè)銷釘對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)角度進(jìn)行限位，使活動(dòng)頭相對(duì)于坐節(jié)能夠進(jìn)行2 個(gè)方向各3°的旋轉(zhuǎn)。

圖5 活動(dòng)頭結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Movable head structure drawing

3）固定環(huán)。固定環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6。固定環(huán)下部開口整體呈圓穹狀，圓弧面與活動(dòng)頭球頭相切合，上部一側(cè)開口較大，開口中心線向一側(cè)偏移，偏移角度為3°，下部設(shè)置為內(nèi)圓弧面，用于與坐節(jié)的半圓柱狀凹槽相配合，將活動(dòng)頭的球狀部位固定在坐節(jié)內(nèi)，上部設(shè)置有定位孔，以保證內(nèi)部空間偏移方向與活動(dòng)頭相一致。

圖6 固定環(huán)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Fixed ring structure diagram

3 鉆具參數(shù)及鉆具試驗(yàn)

為了適配已有井下鉆機(jī)，將固定彎曲方向鉆具外徑設(shè)計(jì)為73 mm，假設(shè)所需分支鉆孔彎曲半徑為3 m，固定彎曲方向鉆具單節(jié)彎曲半徑為3°，則彎曲90°需連接30 節(jié)固定彎曲方向的短節(jié)，則短節(jié)長(zhǎng)度l為157 mm。

式中：l為固定彎曲方向的短節(jié)長(zhǎng)度，m；r為固定彎曲方向鉆具的彎曲半徑，m。

根據(jù)設(shè)想思路及參數(shù)進(jìn)行工具試制，多方位沖孔鉆具沖孔時(shí)鉆具不旋轉(zhuǎn)，依靠噴頭的水力噴射鉆進(jìn)，鎖具主要承受拉力內(nèi)液體內(nèi)壓力，為了掌握鉆具性能，對(duì)鉆具進(jìn)了抗拉試驗(yàn)和耐壓試驗(yàn)。

1）工具抗拉試驗(yàn)。為了保證多個(gè)固定彎曲短節(jié)彎曲方向一致，短節(jié)之間采用銷釘連接，鉆具施工過程中不轉(zhuǎn)動(dòng)，僅承受拉力，所以需對(duì)短節(jié)的抗拉強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)試，抗拉測(cè)試曲線如圖7。由圖7 可以看出：當(dāng)拉力為65 kN 時(shí)，連接銷釘出現(xiàn)剪切破壞，也即鉆具的抗拉極限強(qiáng)度為65 kN。

圖7 鉆具抗拉測(cè)試曲線Fig.7 Tensile testing curve of drilling tools

2）耐壓試驗(yàn)。由于多方位水力沖孔鉆具不旋轉(zhuǎn)，依靠噴頭的水力沖擊煤壁成孔，對(duì)水壓有一定要求，鉆具需承受一定內(nèi)壓力，采用堵頭將連接好的鉆具一端堵住，采用高壓泵對(duì)另一端進(jìn)行打壓，當(dāng)壓力達(dá)到10 MPa 時(shí)關(guān)閉打壓閥門，觀測(cè)壓力表數(shù)據(jù)，可以看出1 h 無壓降，鉆具可承受10 MPa 的內(nèi)壓。

4 多方位沖孔地面試驗(yàn)

為驗(yàn)證多方位徑向水力沖孔技術(shù)的可行性，進(jìn)行了地面模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)采用黃土崖模擬巷道壁面，采用ZDY3200S 型全液壓坑道鉆機(jī)，常規(guī)鉆具組合為 ?73 mm 鉆具+?153 mm 鉆頭，配合使用YQG1 手持式淺孔軌跡儀測(cè)量分支孔軌跡，單向彎曲短節(jié)外徑73 mm，水力沖擊噴頭外徑85 mm。

試驗(yàn)過程：將鉆機(jī)開孔位置調(diào)水平，采用常規(guī)鉆具組合鉆進(jìn)2 m 直孔；更換單向彎曲短節(jié)+水力沖擊噴頭組合，調(diào)整彎曲方位向左，將鉆具推送到孔底，啟動(dòng)高壓泵，持續(xù)施加鉆壓，待單向彎曲短節(jié)完全進(jìn)入孔中，鉆壓增大時(shí)停泵，撤回單向彎曲短節(jié)鉆具組合至孔口，用塑料管推送軌跡測(cè)量?jī)x入孔測(cè)量軌跡；完成后通過鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)單向彎曲短節(jié)鉆具調(diào)整彎曲方位向上，再次將鉆具推送入孔進(jìn)行第2 個(gè)孔的施工；完成后撤出鉆具，下入軌跡測(cè)量裝置，通過孔口觀測(cè)，調(diào)整軌跡測(cè)量裝置在孔內(nèi)位置，使裝置進(jìn)入第2 個(gè)分支孔測(cè)量軌跡；依次完成右側(cè)孔和下側(cè)孔的施工。下側(cè)鉆孔完成施工后回撤鉆具時(shí)孔口坍塌，軌跡測(cè)量裝置難以進(jìn)入，共測(cè)得3 個(gè)分支孔的軌跡數(shù)據(jù)，孔深6～8 m。地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。極小半徑分支孔軌跡測(cè)量圖如圖8。

表1 地面試驗(yàn)數(shù)據(jù)Table 1 Ground test data

圖8 極小半徑分支孔軌跡測(cè)量圖Fig.8 Radial hole trajectory diagram

試驗(yàn)表明：?jiǎn)蜗驈澢坦?jié)鉆具組合能夠進(jìn)行鉆孔徑向多個(gè)方位的沖孔施工，形成多個(gè)不同方位的分支孔，證明了徑向沖孔工具組合在功能上的可行性。

5 結(jié) 語

1）設(shè)計(jì)的固定方向彎曲鉆具短節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)固定方向的彎曲，多個(gè)短節(jié)通過定位銷釘連接能夠形成一定長(zhǎng)度固定方向彎曲的鉆具，能夠?qū)崿F(xiàn)極小半徑成孔；通過動(dòng)力頭握持鉆具進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、固定鉆具，實(shí)現(xiàn)彎曲方位的控制，以此實(shí)現(xiàn)穿層鉆孔多個(gè)方位的極小半徑?jīng)_孔施工。

2）根據(jù)固定方向彎曲鉆具特征理論分析了鉆具短節(jié)的長(zhǎng)度和鉆具曲率半徑的相互關(guān)系，通過試驗(yàn)手段對(duì)試制的鉆具抗拉強(qiáng)度、耐壓進(jìn)行了測(cè)試，為技術(shù)試驗(yàn)提供了相關(guān)參數(shù)。

3）利用固定方向彎曲鉆具在地面進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明固定方向彎曲鉆具能夠?qū)崿F(xiàn)1 個(gè)鉆孔中4 個(gè)方位4 個(gè)分支孔的沖孔成孔，孔深6～8 m，證明該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)1 個(gè)穿層主孔多方位徑向沖孔造穴功能。