張 杰，王 毅，黃寒靜

軟煤氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備

張 杰，王 毅，黃寒靜

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

針對(duì)軟煤鉆進(jìn)成孔深度淺、鉆孔軌跡不可控、易出現(xiàn)瓦斯抽采盲區(qū)等問(wèn)題，發(fā)明了氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了由氣動(dòng)螺桿鉆具、窄體定向鉆機(jī)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等組成的煤礦井下氣動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備。其中，氣動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝和完孔技術(shù)，解決了松軟煤層順層定向鉆孔長(zhǎng)距離安全成孔和可靠護(hù)孔難題。在淮南某礦進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)鉆孔30個(gè)，最大孔深300 m，平均見(jiàn)煤率92.9%，并全孔段安設(shè)篩管；鉆孔抽采瓦斯純量32萬(wàn)m3，試驗(yàn)區(qū)域煤巷平均掘進(jìn)效率9.3 m/d，實(shí)現(xiàn)覆蓋區(qū)域煤層安全高效回采。該技術(shù)的成功研發(fā)探索出軟煤橫穿工作面遞進(jìn)式瓦斯治理新模式。

軟煤；瓦斯治理；氣動(dòng)螺桿鉆具；定向鉆進(jìn)；篩管完孔；淮南

高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井占我國(guó)煤礦總數(shù)的三分之一左右，其中約60%的開(kāi)采煤層屬于松軟、低滲煤層，典型的兩淮、平煤、焦作、陽(yáng)泉等礦區(qū)以及六盤水含煤區(qū)都廣泛分布著松軟煤層。長(zhǎng)期以來(lái)，松軟低滲煤層瓦斯治理是諸多礦井安全高效生產(chǎn)面臨的最大障礙之一。

井下鉆孔抽采一直是瓦斯治理最有效的技術(shù)手段，但在松軟煤層中鉆進(jìn)存在噴孔、塌孔嚴(yán)重、卡鉆事故多、成孔難等系列問(wèn)題[1-6]。液動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)工藝由于高壓水沖刷孔壁而成孔難，中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，較水對(duì)煤層沖刷小、滲透性弱，在煤層裂隙內(nèi)“沖刷”作用不明顯，有利于松軟煤體孔壁穩(wěn)定。但井下順層鉆孔仍不能完全滿足松軟煤層瓦斯高效抽采需要，最根本的原因是常規(guī)鉆進(jìn)軌跡不可控，順煤層長(zhǎng)距離延伸難，容易進(jìn)入頂?shù)装澹瑹o(wú)法保證成孔率；此外，鉆孔軌跡不可控制且無(wú)法測(cè)量，易形成瓦斯抽采空白帶和治理盲區(qū)，存在嚴(yán)重安全隱患[7-9]。

因此，結(jié)合中風(fēng)壓鉆進(jìn)技術(shù)和液動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)[10-12]，開(kāi)發(fā)氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備，以實(shí)現(xiàn)松軟煤層鉆進(jìn)軌跡可控且能夠順煤層長(zhǎng)距離延伸，適應(yīng)薄煤層、起伏煤層鉆進(jìn)成孔，提高成孔率、消除治理盲區(qū)，實(shí)現(xiàn)松軟煤層瓦斯高效治理的目的。

1 技術(shù)原理

根據(jù)松軟煤層順層定向鉆孔施工需要，以工作面巷道為鉆場(chǎng)，利用窄體定向鉆機(jī)垂直工作面進(jìn)行施工，采用氣動(dòng)螺桿鉆具為孔底動(dòng)力鉆具，配套隨鉆測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行定向鉆進(jìn)，從而使瓦斯抽采鉆孔沿松軟煤層延伸并覆蓋工作面和待掘巷道，鉆孔成孔后采用篩管完孔，鉆具實(shí)現(xiàn)全孔段安設(shè)篩管[10]。

采用井下防爆空壓機(jī)或制氮機(jī)作為動(dòng)力源，提供壓縮空氣(氮?dú)?作為動(dòng)力介質(zhì)和排渣介質(zhì)，壓縮空氣通過(guò)供風(fēng)管路和鉆桿到達(dá)孔底后，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)螺桿鉆具回轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)孔底煤體的切削破碎；同時(shí)，壓縮氣體將運(yùn)轉(zhuǎn)和鉆進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量帶走，并將孔內(nèi)產(chǎn)生煤渣沿鉆具與孔壁之間環(huán)空間隙排出孔外[13-14]。

鉆進(jìn)完成后，提出定向鉆具，重新下入篩管完孔鉆具，然后通過(guò)鉆桿內(nèi)部安設(shè)護(hù)孔篩管，最后提出鉆具，篩管留在孔內(nèi)并封孔，最終實(shí)現(xiàn)定向順層鉆孔的可靠護(hù)孔和有效利用。

2 鉆進(jìn)裝備

2.1 氣動(dòng)螺桿鉆具

研制出適用于煤礦井下松軟煤層鉆進(jìn)用小直徑氣動(dòng)螺桿鉆具，氣動(dòng)螺桿鉆具直徑?73/82 mm，螺桿馬達(dá)外管為螺旋結(jié)構(gòu)，提高軟煤排渣效率，芯桿直徑?73 mm，螺旋結(jié)構(gòu)外徑?82 mm，轉(zhuǎn)矩256 N·m，轉(zhuǎn)速165 r/min，滿足回轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)和滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝要求，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)外空白[15]。該鉆具性能參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 氣動(dòng)螺桿鉆具實(shí)物

表1 氣動(dòng)螺桿鉆具性能參數(shù)

2.2 巷道“T”型窄體定向鉆機(jī)

適用于狹窄巷道內(nèi)垂直巷道施工的ZDY4000 LD(B)型窄體定向鉆機(jī)(圖2)，采用“T”型前掛機(jī)身、轉(zhuǎn)盤多角度調(diào)節(jié)、窄機(jī)身結(jié)構(gòu)，該鉆機(jī)體積小、能力大，其開(kāi)孔傾角、開(kāi)孔方位和開(kāi)孔高度均可根據(jù)需要調(diào)節(jié)，解決了常規(guī)定向鉆機(jī)不適合垂直巷道施工、需開(kāi)拓專用鉆場(chǎng)的難題。鉆機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 ZDY4000LD(B)型窄體定向鉆機(jī)

表2 ZDY4000LD(B)窄體定向鉆機(jī)性能參數(shù)

2.3 氣動(dòng)電磁波隨鉆測(cè)量?jī)x器

根據(jù)氣動(dòng)螺桿鉆具鉆進(jìn)施工需要，改造設(shè)計(jì)低壓氣體檢測(cè)裝置、流量開(kāi)關(guān)和減振裝置，研制出氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)用電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)由測(cè)量探管、孔口裝置和無(wú)磁鉆桿等部分組成(圖3)。測(cè)量系統(tǒng)的電池采用智能管理技術(shù)，通過(guò)壓力檢測(cè)智能控制儀器休眠或工作，降低電源電量消耗，工作時(shí)間由原來(lái)連續(xù)工作80 h延長(zhǎng)為260 h。探管內(nèi)設(shè)計(jì)主動(dòng)減振裝置，抑制振動(dòng)振幅，減小鉆進(jìn)時(shí)對(duì)儀器的振動(dòng)，保證測(cè)量精準(zhǔn)，抗振能力由一般抗振設(shè)計(jì)要求的8 g提升為24 g。測(cè)量系統(tǒng)性能參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

表3 電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)性能參數(shù)

2.4 配套軟煤鉆具

針對(duì)松軟煤層壓風(fēng)鉆進(jìn)特點(diǎn)，對(duì)氣動(dòng)螺桿定向鉆具進(jìn)行配套研制和選型。其中，外徑?82 mm大通孔整體螺旋鉆桿(圖4)滿足定向鉆進(jìn)和篩管完孔需求，外螺旋結(jié)構(gòu)有利于排渣，大通孔結(jié)構(gòu)減少風(fēng)阻，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)鉆桿內(nèi)下篩管。

圖4 ?82 mm整體螺旋鉆桿

鉆頭采用?108 mm定向鉆頭(圖5)，合理鉆具級(jí)配，有利于鉆進(jìn)排渣；通過(guò)優(yōu)化鉆頭水眼和切削齒的布置，利于鉆頭冷卻、保徑并減少孔壁擾動(dòng)，滿足定向鉆進(jìn)施工和開(kāi)分支工藝要求。

圖5 ?108 mm定向鉆頭

2.5 空壓機(jī)/制氮機(jī)

由于氣動(dòng)螺桿鉆具鉆進(jìn)要求的風(fēng)壓風(fēng)量均較高，因此，采用井下防爆空壓機(jī)或制氮機(jī)進(jìn)行供風(fēng)。為確保深孔鉆進(jìn)和排渣需要，采用礦用空壓機(jī)的額定風(fēng)壓為1.25 MPa，額定排量17 m3/min。

微課教學(xué)是指利用網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，該教學(xué)方法多選擇內(nèi)容豐富且較短的教學(xué)視頻，可以更好的擴(kuò)充學(xué)生的知識(shí)儲(chǔ)備，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。微課教學(xué)主要依賴于互聯(lián)網(wǎng)，不僅打破原有教學(xué)方法時(shí)間與空間上的限制，同時(shí)還可以加強(qiáng)教師與學(xué)生、學(xué)生與學(xué)生之間的交流和互動(dòng)。

3 軟煤定向鉆進(jìn)成孔與護(hù)孔工藝

3.1 定向成孔工藝

氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)不同于液動(dòng)馬達(dá)定向鉆孔施工，在松軟煤層鉆進(jìn)過(guò)程中，由于煤層松軟破碎、鉆渣較多，為保證排渣和成孔效率，采用復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)相結(jié)合的方式，其中以復(fù)合鉆進(jìn)方式為主、滑動(dòng)定向糾偏為輔的施工方法。

a.復(fù)合鉆進(jìn) 鉆進(jìn)時(shí)，鉆機(jī)帶動(dòng)鉆桿回轉(zhuǎn)，同時(shí)孔內(nèi)壓風(fēng)驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)螺桿鉆具運(yùn)轉(zhuǎn)，從而帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)(圖6a)。此時(shí)，在整體式螺旋鉆桿螺旋翼片攪動(dòng)作用下，提高排渣效果，確保孔內(nèi)暢通。

仿真分析表明，細(xì)顆粒煤粉，其沉渣程度主要受風(fēng)量影響；一定直徑大顆粒煤粉，沉積程度受風(fēng)量和轉(zhuǎn)速雙重影響。當(dāng)風(fēng)量為600 m3/h時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)80 r/min才沒(méi)有沉渣；當(dāng)風(fēng)量為350 m3/h時(shí)，轉(zhuǎn)速達(dá)120 r/min才沒(méi)有沉渣；當(dāng)風(fēng)量為300 m3/h時(shí)，轉(zhuǎn)速120 r/min時(shí)，底部有少量沉渣。因此，采用復(fù)合鉆進(jìn)回轉(zhuǎn)速度60~120 r/min，是液動(dòng)螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速的兩倍甚至三倍以上。為保證排渣效果，減少煤粉沉積，風(fēng)量要求達(dá)到350 m3/h以上。

復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，由于螺桿鉆具工具面隨著鉆桿回轉(zhuǎn)不斷變化，在一定給進(jìn)壓力和速度下，鉆具不起造斜作用，鉆孔大致沿原軌跡方向延伸；當(dāng)采用較快的給進(jìn)速度時(shí)，由于煤層堆積和支撐作用，會(huì)出現(xiàn)傾角上升；給進(jìn)很慢時(shí)，由于充分排渣，在自重作用下會(huì)有一定降斜效果。

b. 滑動(dòng)定向鉆進(jìn) 當(dāng)鉆孔偏離設(shè)計(jì)軌跡時(shí)，采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)施工，即通過(guò)調(diào)整氣動(dòng)螺桿鉆具工具面來(lái)進(jìn)行軌跡調(diào)整或糾偏(圖6b)。為了保證充分排渣，不造成堆積及不返風(fēng)情況出現(xiàn)，一般滑動(dòng)定向鉆進(jìn)3 m后需要回轉(zhuǎn)排渣，再進(jìn)行滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，如此依次循環(huán)鉆進(jìn)。定向糾偏完成后，則停止滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，更換復(fù)合鉆進(jìn)方式鉆進(jìn)。

滑動(dòng)定向鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿不回轉(zhuǎn)，煤粉依靠壓風(fēng)向孔外排出，要求保證大風(fēng)量減少沉積，確保一定的排渣能力，風(fēng)量應(yīng)達(dá)到600 m3/h以上，當(dāng)風(fēng)量低于350 m3/h時(shí)，應(yīng)當(dāng)充分回轉(zhuǎn)掃孔排渣，確保孔內(nèi)順暢和施工安全。

圖6 復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)工藝原理

3.2 篩管完孔工藝

針對(duì)松軟煤層篩管護(hù)孔問(wèn)題，主要存在篩管完孔鉆具在坍塌鉆孔能否沿主孔軌跡順利下入及篩管防堵塞兩方面難題。為了防止二次下入開(kāi)出新分支孔，研制設(shè)計(jì)了“子彈頭”形可開(kāi)閉式導(dǎo)向鉆頭，保障鉆具重入；針對(duì)圓篩管易堵塞難題，研究煤粉特性，開(kāi)發(fā)了縫寬2 mm×縫長(zhǎng)30 mm割縫篩管，在同等過(guò)流面積條件下，煤粉通過(guò)量?jī)H為常規(guī)圓眼篩管的1/10，解決傳統(tǒng)常規(guī)的圓形篩眼因煤粉堵塞抽采通道影響抽采效率的問(wèn)題。

下篩管鉆具組合：?89 mm可開(kāi)閉式導(dǎo)向鉆頭+ ?73/63.5 mm整體式大通孔螺旋鉆桿。定向鉆孔的篩管安設(shè)工藝：定向鉆孔成孔后，提出孔內(nèi)定向鉆具，然后下入篩管完孔鉆具至孔底，再?gòu)暮Y管完孔鉆具內(nèi)部下入篩管，篩管下到位后提出鉆具，篩管留在孔內(nèi)(圖7)。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了定向鉆孔全孔段安設(shè)篩管，提高了瓦斯抽采效果。

圖7 篩管完孔工藝原理

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在安徽淮南某礦開(kāi)展了松軟煤層氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)試驗(yàn)，施工定向鉆孔橫穿工作面，同時(shí)對(duì)待掘巷道條帶和工作面預(yù)抽消突，探索松軟煤層氣動(dòng)螺桿鉆具定向孔橫穿工作面遞進(jìn)式瓦斯抽采模式可行性。

a. 試驗(yàn)?zāi)康?試驗(yàn)點(diǎn)選擇17102(3)工作面，以工作面長(zhǎng)×寬為100 m×200 m為試驗(yàn)區(qū)域，不再施工穿層孔進(jìn)行條帶預(yù)抽，試驗(yàn)采用橫穿工作面順層鉆孔對(duì)掘進(jìn)巷道和工作面進(jìn)行瓦斯預(yù)抽以實(shí)現(xiàn)消突，通過(guò)掘進(jìn)和回采檢驗(yàn)定向孔區(qū)域瓦斯抽采效果，驗(yàn)證該瓦斯抽采模式的可行性。

試驗(yàn)煤層為13-1煤，煤層平均厚度4.0 m，硬度系數(shù)0.3~0.5，屬于突出危險(xiǎn)區(qū)，實(shí)測(cè)瓦斯壓力2.8 MPa、含量8.4 m3/t。鉆孔設(shè)計(jì)穿過(guò)工作面和另一側(cè)運(yùn)輸巷道后繼續(xù)鉆進(jìn)20 m，因而，鉆孔設(shè)計(jì)深度220 m。

b. 鉆孔瓦斯抽采 試驗(yàn)共施工22個(gè)鉆孔，18個(gè)220 m以上鉆孔，鉆孔平均見(jiàn)煤率92.9%；終孔段60 m，見(jiàn)煤率100%，鉆孔全孔段安設(shè)篩管。

鉆孔施工完成后連接管路進(jìn)行瓦斯抽采，巷道掘進(jìn)前考察其中14個(gè)鉆孔累計(jì)抽采瓦斯純量32.2萬(wàn)m3。通過(guò)施工的6個(gè)校驗(yàn)孔測(cè)得運(yùn)順巷道平均瓦斯含量由8.4 m3/t降至3.4 m3/t，瓦斯預(yù)抽率達(dá)60%，瓦斯壓力由2.8 MPa降至0.38 MPa。

c.煤巷掘進(jìn)和工作面回采 2018年5月，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)101.9 m巷道掘進(jìn)貫通，平均日進(jìn)尺9.3 m，實(shí)現(xiàn)了安全高效掘進(jìn)。巷道掘進(jìn)期間執(zhí)行循環(huán)預(yù)測(cè)，回風(fēng)瓦斯及預(yù)測(cè)指標(biāo)“兩不超”，T2探頭最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.23%(圖8)。

圖8 煤巷掘進(jìn)T2最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)和絕對(duì)瓦斯涌出量

11月，試驗(yàn)區(qū)域工作面開(kāi)始回采，平均日回采原煤產(chǎn)量8 750 t，配風(fēng)量2 320 m3/min，回風(fēng)最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.29%、風(fēng)排瓦斯6.73 m3/min，滿足安全回采需要。回采期間回采產(chǎn)量與回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)曲線如圖9所示。

結(jié)果表明，氣動(dòng)螺桿鉆具定向孔可對(duì)工作面和待掘進(jìn)巷道進(jìn)行區(qū)域瓦斯預(yù)抽消突，其橫穿工作面遞進(jìn)式瓦斯抽采模式具有可行性。

圖9 回采期間日回采進(jìn)尺與最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)

5 結(jié)論

a.針對(duì)碎軟煤層常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)瓦斯治理效率低、成本高等問(wèn)題，提出氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)，并開(kāi)發(fā)了由氣動(dòng)螺桿鉆具、窄體定向鉆機(jī)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等組成的煤礦井下氣動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備，解決了松軟煤層順層定向鉆孔長(zhǎng)距離定向成孔和可靠護(hù)孔難題。

b. 試驗(yàn)表明，松軟煤層中氣動(dòng)螺桿鉆具定向成孔和篩管護(hù)孔工藝可行，瓦斯抽采效果好，可高效掩護(hù)煤巷掘進(jìn)和工作面瓦斯預(yù)抽，滿足軟煤井下瓦斯高效治理需要。

c.氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)為松軟煤層采前瓦斯預(yù)抽治理提供了新的技術(shù)手段，對(duì)提高瓦斯抽采效果和保障煤礦安全高效生產(chǎn)起到積極推動(dòng)作用。

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Directional drilling technology and equipment of pneumatic screw motor in soft seam

ZHANG Jie, WANG Yi, HUANG Hanjing

(Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077,China)

Aiming at the drilling problems of shallow depth, uncontrollable trajectory and blind area of extraction in soft coal seam, the directional drilling technology of pneumatic screw motor was invented, and the directional drilling equipment consisting of pneumatic screw motor, narrow structure directional drilling rig and MWD system were formed. The air directional drilling technology and hole-completion technology were studied and developed. The technology of drilling and hole-completion solves the problem of long-distance safe drilling and hole protection of directional drilling along soft coal seam. The technology has been successfully tested in a coal mine, Huainan, with 30 test boreholes with a maximum depth of 300 m, an average of coal-drilling rate of 92.9%, and screen pipes installed in the whole hole section, extraction gas volume of boreholes is 320 000 m3, and the average efficiency of coal roadway excavation in the test area is 9.3 m/d, achieving efficient and safe recovery of coal seams in the covered area. A new progressive gas control model of soft coal across working face has been preliminarily explored.

soft coal seam; gas drainage; pneumatic screw motor; directional drilling;completion technology with screen pipe; Huainan

TE254.3

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.007

1001-1986(2020)02-0036-06

2019-11-13；

2020-02-06

國(guó)家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-003-002)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)

張杰，1983年生，男，湖北黃岡人，副研究員，研究方向?yàn)槊旱V井下鉆探新技術(shù)與裝備研發(fā). E-mail：zhangjie@cctegxian.com

張杰，王毅，黃寒靜. 軟煤氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：36–41.

ZHANG Jie，WANG Yi，HUANG Hanjing. Directional drilling technology and equipment of pneumatic screw motor in soft seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：36–41.

(責(zé)任編輯 聶愛(ài)蘭)