胡振陽， 張甲迪， 郝世俊， 趙永哲

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤礦瓦斯災(zāi)害是礦山生產(chǎn)過程中的主要危害之一，約束著煤礦安全高效開采[1]。目前針對(duì)瓦斯災(zāi)害主要有本煤層瓦斯治理和采空區(qū)瓦斯治理兩種方式，其中采空區(qū)瓦斯治理主要包括高抽巷和高位定向鉆孔兩種方式[2]。本次應(yīng)用主要利用中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY6000LD型鉆機(jī)及山東中探機(jī)械公司生產(chǎn)的BW600/10型往復(fù)式泥漿泵進(jìn)行施工，對(duì)比中心通纜式測(cè)量裝置與泥漿脈沖測(cè)量裝置兩種不同測(cè)量裝置施工的精度與鉆進(jìn)效率[3]。

根據(jù)德通煤業(yè)2201工作面瓦斯治理需要，在2201工作面回風(fēng)巷布設(shè)兩個(gè)鉆場(chǎng)，兩鉆場(chǎng)中心距為300 m，每個(gè)鉆場(chǎng)按設(shè)計(jì)布置4個(gè)定向鉆孔，其中1號(hào)鉆場(chǎng)使用YHD2-1000型有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)[4]，2號(hào)鉆場(chǎng)使用YHD3-1500型泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)(MWD)，鉆機(jī)均使用ZDY6000LD型鉆機(jī)和BW600/10型往復(fù)式泥漿泵，其目標(biāo)層位均為煤層頂板裂隙帶下部、冒落拱上部區(qū)域[5]。

1 測(cè)量系統(tǒng)組成及特點(diǎn)

YHD2-1000型有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要由防爆計(jì)算機(jī)、防爆鍵盤、防爆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和防爆測(cè)量探管組成[6]。YHD2-1000型測(cè)量系統(tǒng)的主要特點(diǎn)為利用中心式通纜鉆桿作為傳輸介質(zhì)，如圖1所示，工具面調(diào)整實(shí)時(shí)傳輸，校正精度準(zhǔn)，傳輸速率快，但對(duì)于復(fù)雜地層無法采用定向技術(shù)，需更換回轉(zhuǎn)鉆具進(jìn)行復(fù)合鉆進(jìn)，因此工藝繁雜，鉆進(jìn)效率低[7]。

YHD3-1500型泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要由防爆計(jì)算機(jī)、防爆鍵盤、防爆數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、防爆測(cè)量探管和防爆壓力變送器等五部分組成[8]，如圖2所示。其中防爆探管主要由測(cè)量短節(jié)、電池筒、驅(qū)動(dòng)短節(jié)及

圖1 YHD2-1000型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)連接示意圖

脈沖發(fā)生器組成[9]。泥漿脈沖儀器主要的特點(diǎn)為利用清水或者泥漿作為傳輸介質(zhì)，信號(hào)傳輸強(qiáng)度大；在鉆進(jìn)過程中可采用復(fù)合鉆進(jìn)方式通過復(fù)雜地層或平滑鉆進(jìn)；無需等待測(cè)量信號(hào)，減少鉆進(jìn)時(shí)間；無需中心式通纜鉆桿配合，節(jié)約成本，提高了鉆進(jìn)效率。

2 鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

本次高位定向鉆孔主要用于采空區(qū)上隅角瓦斯治理，鉆孔設(shè)計(jì)既要考慮鉆孔瓦斯抽放效果，同時(shí)也要考慮鉆孔成孔性[10]。在采空區(qū)上巖石層依次分布冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶[11]。其中冒落帶破斷裂隙非常發(fā)育，裂隙帶上部以離層裂隙發(fā)育為主，下部則為破碎發(fā)育為主，彎曲下沉帶則不發(fā)育[12]。根據(jù)采空區(qū)裂隙發(fā)育情況及高位鉆孔抽采原理，要求鉆孔主層位布置理想位置在裂隙帶。鉆孔的有效抽放高度要大于冒落帶的高度，但不能超越裂隙帶的最高高度[13]。綜上所述，最終鉆孔垂直方向上布置在頂板以上35～47 m，水平方向上距巷幫28～40 m。

圖2 YHD3-1500型泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)連接示意圖

Fig.2SchematicdiagramofYHD3-1500mudpulseMWDsystemassembly

1號(hào)鉆場(chǎng)采用YHD2-1000型有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，鉆孔數(shù)為4個(gè)，其孔深均為390 m，剖面層位為47、44、41、38 m，平面層位為40、36、32、28 m。設(shè)計(jì)軌跡見圖3。

2號(hào)鉆場(chǎng)采用YHD3-1500型泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)，鉆孔數(shù)為4個(gè)，其孔深均為480 m，剖面層位為47、44、41、38 m，平面層位為40、36、32、28 m。設(shè)計(jì)軌跡見圖4。

3 定向鉆孔施工

3.1 定向鉆進(jìn)工藝流程(見圖5)

本次施工鉆孔為兩級(jí)孔身結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的鉆具組合如下。

圖3 1號(hào)鉆場(chǎng)軌跡設(shè)計(jì)圖

Fig.3Drillingtrajectorydesignforthefirstsite

圖4 2號(hào)鉆場(chǎng)軌跡設(shè)計(jì)圖

(1)一級(jí)孔身結(jié)構(gòu)施工用鉆具組合。

圖5 定向鉆進(jìn)工藝流程

開孔：?98 mm PDC鉆頭+?94 mm扶正器+?73 mm定向鉆桿串；

一級(jí)擴(kuò)孔：?98/153 mm PDC鉆頭+?73 mm回轉(zhuǎn)鉆桿串；

二級(jí)擴(kuò)孔：?153/193 mm PDC鉆頭+?73 mm回轉(zhuǎn)鉆桿串；

孔口管規(guī)格及下入深度：?168 mm鋼套管，1.5 m/根，孔口管下至煤層頂板以上，進(jìn)入到穩(wěn)定巖層中，注漿、固孔。

(2)二級(jí)孔身結(jié)構(gòu)施工用鉆具組合。

定向鉆進(jìn)孔段：?98 mm PDC鉆頭+?73 mm孔底馬達(dá)+?73 mm下無磁鉆桿+隨鉆測(cè)量系統(tǒng)+?73 mm上無磁鉆桿+?73 mm通纜鉆桿串。

擴(kuò)孔孔段：?98/133 mm PDC擴(kuò)孔鉆頭+?73 mm回轉(zhuǎn)鉆桿串[14]。

在本次數(shù)據(jù)分析中不考慮擴(kuò)孔時(shí)間，只計(jì)算定向時(shí)間。

3.2 巖性

井田主要含煤地層為上石炭統(tǒng)太原組和下二疊統(tǒng)山西組。德通礦目前開采的為山西組的2號(hào)煤層，可采煤層平均總厚度6.38 m，屬厚煤層，塊度大、裂紋少、強(qiáng)度高、耐磨性好。具體地層巖性見表1。

3.3 鉆孔施工

現(xiàn)場(chǎng)施工共完成2個(gè)鉆場(chǎng)，8個(gè)鉆孔。1號(hào)鉆場(chǎng)完成4個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺1560 m；2號(hào)鉆場(chǎng)完成4個(gè)鉆孔，總進(jìn)尺1920 m。施工過程中，泥漿泵排量均為195 L/min，泵壓最高達(dá)6 MPa。施工過程均采用二開鉆進(jìn)方式，一開鉆進(jìn)后擴(kuò)孔，下入?168 mm套管，候凝結(jié)束，二開使用?98 mm鉆頭鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深。

表1 2號(hào)煤及頂板巖性

1號(hào)鉆場(chǎng)實(shí)鉆軌跡圖如圖6所示。

圖6 1號(hào)鉆場(chǎng)實(shí)鉆軌跡圖

2號(hào)鉆場(chǎng)實(shí)鉆軌跡圖如圖7所示。

圖7 2號(hào)鉆場(chǎng)實(shí)鉆軌跡圖

4 參數(shù)分析

4.1 軌跡分析

對(duì)比圖3和圖6、圖4和圖7可知，兩種定向測(cè)量系統(tǒng)在實(shí)鉆中對(duì)軌跡控制的可操作性強(qiáng)，基本可以按照預(yù)想的軌跡施工，滿足精度要求。具體參數(shù)見表2。

4.2 鉆時(shí)分析

2201工作面1號(hào)鉆場(chǎng)于2017年9月13日早開鉆，至10月25日早班終孔，歷時(shí)42 d完工。

1-1孔于2017年9月13日早班開鉆，9月20日早班終孔；1-2孔于2017年9月26日夜班開鉆，

表2 2種測(cè)量方式鉆孔精度對(duì)比

10月4日早班終孔；1-3孔于2017年10月8日中班開鉆，10月15日早班終孔；1-4孔于2017年10月18日中班開鉆，10月25日早班終孔。

2201工作面2鉆場(chǎng)于2017年11月12日早開鉆，至2018年1月24日早班終孔，歷時(shí)73 d完工。

2-1孔于2017年11月12日早班開鉆，11月25日早班終孔；2-2孔于2017年11月30日夜班開鉆，12月16日早班終孔；2-3孔于2017年12月20日中班開鉆，2018年1月5日早班終孔；2-4孔于2018年1月10日中班開鉆，2018年1月24日早班終孔。

通過在施工8個(gè)鉆孔的過程中，對(duì)每一根鉆桿的鉆進(jìn)時(shí)間進(jìn)行記錄，并且記錄相應(yīng)的鉆遇地層巖性，對(duì)同一層位、同一平距的鉆孔進(jìn)行分析，由于兩鉆孔的長度不一，截取2號(hào)鉆場(chǎng)390 m之前的鉆時(shí)進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖8～11所示。

圖8 YHD2-1000與YHD3-1500儀器1號(hào)鉆孔鉆時(shí)對(duì)比圖

根據(jù)數(shù)據(jù)分析可以得出：1號(hào)鉆場(chǎng)1號(hào)孔中心通纜式測(cè)量方式的平均鉆時(shí)為14.05 min/m，2號(hào)鉆場(chǎng)1號(hào)孔MWD測(cè)量方式的平均鉆時(shí)為9.88 min/m；1號(hào)鉆場(chǎng)2號(hào)孔中心通纜式測(cè)量方式的平均鉆時(shí)為16.11 min/m，2號(hào)鉆場(chǎng)2號(hào)孔MWD測(cè)量方式的平均鉆時(shí)為11.71 min/m；1號(hào)鉆場(chǎng)3號(hào)孔中心通纜式測(cè)量方式的平均鉆時(shí)為16.19>min/m，2號(hào)鉆場(chǎng)3號(hào)孔MWD測(cè)量方式的平均鉆時(shí)為12.63 min/m；1號(hào)鉆場(chǎng)4號(hào)孔中心通纜式測(cè)量方式的平均鉆時(shí)為16.15 min/m，2號(hào)鉆場(chǎng)4號(hào)孔MWD測(cè)量方式的平均鉆時(shí)為11.62 min/m。2種測(cè)量方式平均鉆時(shí)對(duì)比見表3。

圖9 YHD2-1000與YHD3-1500儀器2號(hào)鉆孔鉆時(shí)對(duì)比圖

圖10 YHD2-1000與YHD3-1500儀器3號(hào)鉆孔鉆時(shí)對(duì)比圖

圖11 YHD2-1000與YHD3-1500儀器4號(hào)鉆孔鉆時(shí)對(duì)比圖Fig.11 Comparison of drilling time curves of YHD2-1000 andYHD3-1500 at the forth hole

表3 2種測(cè)量方式平均鉆時(shí)對(duì)比Table 3 Average drilling time comparison ofthe two measurement methods min/m

5 結(jié)論

本次工程在德通煤業(yè)2201工作面的2個(gè)鉆場(chǎng)，從相同層位及相似巖性對(duì)中心通纜式測(cè)量系統(tǒng)與泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)的鉆進(jìn)效率進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明：

(1)從鉆孔軌跡精度上，2種儀器均滿足設(shè)計(jì)要求，可按照設(shè)計(jì)軌跡進(jìn)行施工，達(dá)到預(yù)期層位，滿足抽采瓦斯目的。

(2)從鉆時(shí)上明顯可以看出，YHD3-1500型泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)通纜式測(cè)量系統(tǒng)，主要包括以下幾個(gè)原因：①YHD3-1500型泥漿脈沖儀器以泥漿作為傳輸介質(zhì)，在測(cè)量時(shí)無需等待信號(hào)傳出，加桿后繼續(xù)鉆進(jìn)，數(shù)據(jù)隨泥漿信號(hào)傳送；②在軌跡達(dá)到平穩(wěn)段后可采用復(fù)合鉆進(jìn)，降低孔內(nèi)復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)，增加鉆進(jìn)效率[15]。

(3)本次工程應(yīng)用表明，YHD3-1500型泥漿脈沖測(cè)量系統(tǒng)不但可以滿足定向技術(shù)要求，并且加強(qiáng)了鉆具強(qiáng)度和信號(hào)傳輸強(qiáng)度，同時(shí)提高了鉆進(jìn)效率與安全性，對(duì)煤礦井下定向鉆孔技術(shù)和鉆孔裝備的發(fā)展起到顯著作用[16]。