郭樹東

（同煤集團 煤炭運銷總公司，山西 大同 037003）

目前，煤礦井下使用的普通定向鉆桿均為外平鉆桿，當(dāng)遇到松軟、破碎、瓦斯壓力大的煤層時，很易發(fā)生卡鉆等事故，導(dǎo)致成孔率低，鉆孔成本高，影響煤礦瓦斯抽采、安全生產(chǎn)工作。因此松軟破碎煤層定向鉆孔急需探索新工藝。

1 螺旋定向鉆桿的研制

1）鑒于普通鉆機螺旋鉆進工藝在松軟煤層鉆進中的廣泛應(yīng)用，對定向鉆桿的材料、結(jié)構(gòu)、螺紋、加工工藝進行了優(yōu)化設(shè)計，研制了一種新型的螺旋定向鉆桿。新型鉆桿具有特殊的高強度螺紋結(jié)構(gòu)，并在鉆桿外壁增加螺旋槽結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)卡鉆埋鉆事故時，可通過鉆桿的轉(zhuǎn)攪煤渣處理孔內(nèi)事故。新型鉆桿選用優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，并用適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に?，具有很高的抗扭、抗拉、抗彎性能?/p>

2）螺旋定向鉆桿表面車有一條螺旋槽，要對鉆桿外徑、內(nèi)徑、壁厚等參數(shù)進行設(shè)計計算，保證其結(jié)構(gòu)強度。設(shè)計的螺旋定向鉆桿，在螺旋槽最低處截面的扭矩達(dá)23 163.9 N·m，遠(yuǎn)超鉆機最大扭矩6 000 N·m（以ZYWL-6000D定向鉆機為例）。螺旋定向鉆桿采用階梯型螺紋，并對牙頂、牙底進行倒角，減少應(yīng)力集中，螺紋基面處的扭矩可達(dá)8 399 N·m。為了驗證抗扭強度，對鉆桿試樣進行了上卸扣扭矩試驗，共進行了4次破壞性試驗，破壞扭矩平均7 126 N·m，大于目前定向鉆機最大扭矩，達(dá)到設(shè)計要求。

3）由于鉆進過程中需實時定向，信號傳輸?shù)姆€(wěn)定準(zhǔn)確也很重要。信號傳輸結(jié)構(gòu)方面主要是對塑料公母接頭進行改進，增加了其壁厚，并優(yōu)化其注塑工藝，大大提高了塑料接頭的尺寸穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)強度，保證了測量信號的穩(wěn)定傳輸。

2 試驗地點及試驗情況

1）在寺河煤礦西井區(qū)W23014巷施工定向鉆孔以來，鉆在130 m后煤層均較松軟破碎，瓦斯壓力較大，鉆孔過程很易發(fā)生塌孔。連續(xù)出現(xiàn)了多次壓桿事故，造成較大經(jīng)濟損失。后來，采用普通回轉(zhuǎn)式鉆進工藝施工，主孔深度較淺（一般在90～150 m），且無法定向，很易發(fā)生鉆遇頂板或不返水的現(xiàn)象。2012年10月開始，在寺河煤礦W23014巷12號橫川，采用螺旋定向鉆桿進行松軟破碎煤層定向鉆探工藝的試驗。試驗共完成定向鉆孔2個，主孔深度最深366 m，達(dá)到該區(qū)域目前平均鉆孔深度的3倍以上，且鉆孔水壓等參數(shù)均顯正常，可繼續(xù)向前施工，試驗取得圓滿成功。

2）試驗1號孔設(shè)計目標(biāo)方位角345°，設(shè)計孔深330 m，終孔主孔最深達(dá)366 m，總進尺達(dá)1 296 m，鉆孔軌跡見圖1和圖2。鉆孔過程中130～175 m、192～231 m的煤層很破碎松軟，出現(xiàn)了塌孔、瓦斯壓力變大等現(xiàn)象，水壓最高達(dá)9 MPa，其波動幅度達(dá)3 MPa，返渣呈顆粒狀，質(zhì)軟較松散，出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象時，煤屑返渣急速增多，出現(xiàn)多次壓桿前兆。在采用螺旋定向鉆桿進行來回旋轉(zhuǎn)排渣后，鉆孔異?，F(xiàn)象得到明顯改善，水壓返回正常值，返水正常，并順利鉆過了地質(zhì)異常區(qū)域，到366 m后退鉆開分支。

圖1 W23014巷12號橫川1號鉆孔軌跡上下偏差圖

圖2 W23014巷12號橫川1號鉆孔軌跡左右偏差圖

3）2號孔目標(biāo)方位角 355°，孔深 330 m，終孔主孔最深達(dá)336 m，總進尺達(dá)1 134 m，鉆孔軌跡偏差，見圖3和圖4。鉆孔過程中仍伴隨有破碎松軟煤層的垮孔、噴孔現(xiàn)象，但對采用螺旋定向鉆桿的鉆探工藝影響不大。在200 m處遇地質(zhì)構(gòu)造帶，進行多次探頂、探底；探明地質(zhì)情況后，沿煤層順利鉆進至設(shè)計孔深330 m。

4 結(jié)論

圖3 W23014巷12號橫川2號鉆孔軌跡上下偏差圖

圖4 W23014巷12號橫川2號鉆孔軌跡左右偏差圖

1）通過理論計算及鉆桿樣品的上卸扣扭矩試驗證明，螺旋定向鉆桿的抗扭強度遠(yuǎn)超了定向鉆機最大扭矩。2）根據(jù)試驗情況，該區(qū)域破碎煤層鉆孔造成的壓桿現(xiàn)象較頻繁，如果不能及時處理，很易造成無法解卡或鉆具斷裂等事故。當(dāng)采用高強度螺旋定向鉆桿后，鉆進效果明顯好轉(zhuǎn)，若發(fā)生垮孔后，通過加大旋轉(zhuǎn)壓力可及時將煤渣排出孔外，減少了鉆孔事故幾率。3）采用螺旋定向鉆桿工藝后，主孔鉆孔深度達(dá)366 m，達(dá)到松軟破碎煤層區(qū)域目前平均鉆孔深度的3倍以上，且鉆孔水壓、推進壓力等參數(shù)均顯正常，達(dá)到了設(shè)計要求的效果。目前，寺河礦有多臺鉆機，配套使用螺旋定向鉆桿，井下使用效果良好。