賈明群

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著煤炭供給側(cè)改革持續(xù)推進(jìn)，大型現(xiàn)代化煤礦已經(jīng)成為我國煤炭生產(chǎn)的主體，綜合機(jī)械化采煤技術(shù)普遍推廣應(yīng)用[1]。但機(jī)械化快速采煤帶來的采動(dòng)卸壓瓦斯爆涌使許多低瓦斯礦井同樣面臨瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)，成為礦井瓦斯災(zāi)害治理的新難題。

針對采動(dòng)卸壓瓦斯治理問題，國內(nèi)外開展了大量研究工作。在基礎(chǔ)理論方面，文獻(xiàn)[2-6]研究了采動(dòng)裂隙場發(fā)育和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，分析了采動(dòng)卸壓瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢通道和流動(dòng)活躍區(qū)，提出了采動(dòng)穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源評估方法、高位裂隙體識別方法，為采動(dòng)卸壓瓦斯治理工程布置提供了基礎(chǔ)依據(jù)。在瓦斯治理技術(shù)方面，目前主要有3種方法：① 增加進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷數(shù)量，優(yōu)化通風(fēng)模式，增大礦井通風(fēng)量，直接稀釋采煤工作面和采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛龋_保瓦斯不超限，但礦井通風(fēng)量提升有限，較難滿足瓦斯稀釋要求[7]。② 在采空區(qū)插管或回風(fēng)巷內(nèi)埋管進(jìn)行瓦斯抽采，降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，但?埋管抽采瓦斯?jié)舛容^低、效率差，且抽采管路易被壓破[8-9]。③ 在工作面頂板裂隙帶內(nèi)布置高抽巷、高位鉆孔、高位定向鉆孔、地面“L”形鉆孔等孔巷工程，抽采頂板裂隙帶內(nèi)積聚的瓦斯，避免高濃度瓦斯進(jìn)入回風(fēng)巷上隅角，但高抽巷、地面“L”形鉆孔瓦斯治理方式成本高，高位定向鉆孔已逐漸替代高抽巷和地面鉆孔，成為煤礦井下采動(dòng)卸壓瓦斯治理的重要手段[10-13]。

頂板高位定向鉆孔可進(jìn)行超前施工，具有抽采濃度高、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，但受鉆進(jìn)裝備限制，其成孔直徑小，需要孔群布置才能達(dá)到良好的抽采效果。本文針對頂板高位定向鉆孔對增大鉆孔直徑的需要，開發(fā)了正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)，并對其擴(kuò)孔工藝參數(shù)和裝備進(jìn)行了研究。

1 頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采原理

工作面開采時(shí)，開采煤層及鄰近煤層瓦斯卸壓釋放和采空區(qū)內(nèi)遺留煤體瓦斯釋放，采空區(qū)內(nèi)瓦斯大量積聚。由于瓦斯氣體密度遠(yuǎn)小于空氣，在工作面通風(fēng)作用下，將沿采動(dòng)裂隙進(jìn)入頂板裂隙帶；在通風(fēng)負(fù)壓作用和大氣壓力變化情況下，頂板裂隙帶內(nèi)積聚的瓦斯可能會(huì)通過密閉墻或煤柱裂隙進(jìn)入采區(qū)巷道，增加通風(fēng)負(fù)擔(dān)和不安全因素。

采用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采動(dòng)卸壓瓦斯治理的基本原理如圖1所示。在工作面回采前，在回風(fēng)巷道內(nèi)設(shè)置鉆場，大傾角上仰鉆進(jìn)至煤層頂板；然后采用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)對鉆孔軌跡進(jìn)行精確測量和控制，使鉆孔軌跡提前進(jìn)入工作面采動(dòng)離層區(qū)內(nèi)的裂隙帶并沿其延伸。煤層回采時(shí)，采動(dòng)壓力形成的裂隙與鉆孔導(dǎo)通，通過鉆孔可有效抽采采動(dòng)釋放的瓦斯，降低回風(fēng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛?，避免瓦斯超限或爆炸事故，確保工作面回采安全。

圖1 頂板高位定向鉆孔采動(dòng)卸壓瓦斯治理原理Fig.1 Mining pressure-release gas control principle of directional high-level borehole in roof

受煤礦井下定向鉆進(jìn)裝備限制，頂板高位定向鉆孔直徑一般為96，120 mm。為保證抽采效果，目前均采用集束型鉆孔群布置，根據(jù)礦井條件不同，每個(gè)孔組一般有4～7個(gè)鉆孔。

2 正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)

鉆孔直徑是影響采動(dòng)卸壓瓦斯抽采效果的重要因素。在鉆孔深度和抽采壓力相同的情況下，隨著鉆孔直徑增大，瓦斯抽采流量將顯著增大[14]。為了提高頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采效果，應(yīng)盡量增大鉆孔直徑。

正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)原理如圖2所示。先施工定向先導(dǎo)孔，然后以孔口鉆機(jī)為動(dòng)力源，利用鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆桿，帶動(dòng)孔內(nèi)擴(kuò)孔鉆頭對先導(dǎo)孔進(jìn)行分級增擴(kuò)，通過多次擴(kuò)孔，將鉆孔孔徑擴(kuò)大至設(shè)計(jì)值。

圖2 正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)原理Fig.2 Principle of forward multi-stage large-diameter reaming technology

正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)與大直徑一次擴(kuò)孔、回拉擴(kuò)孔等技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 減小了單級碎巖擴(kuò)孔需要的轉(zhuǎn)矩和孔內(nèi)鉆具受力變形，保障了鉆進(jìn)裝備施工安全，有利于實(shí)現(xiàn)大直徑鉆孔施工。

(2) 不需要研制專用的回拉擴(kuò)孔鉆具和大直徑擴(kuò)孔鉆具，減少了施工需要的鉆具種類，降低了鉆進(jìn)裝備性能參數(shù)要求和成本。

(3) 分級擴(kuò)孔時(shí)可形成多個(gè)卸荷自由面，提高了擴(kuò)孔碎巖效率；小尺寸鉆具安裝擰卸方便，減少了輔助作業(yè)時(shí)間，提高了綜合鉆進(jìn)效率。

3 正向多級大直徑擴(kuò)孔參數(shù)設(shè)計(jì)

頂板高位定向鉆孔各級擴(kuò)孔直徑級配設(shè)計(jì)是正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)的關(guān)鍵，也是正向多級大直徑擴(kuò)孔裝備研究的基礎(chǔ)。擴(kuò)孔直徑級配參數(shù)主要包括終孔直徑、擴(kuò)孔級數(shù)(次數(shù))和每級擴(kuò)孔直徑。

擴(kuò)孔方式主要有等值擴(kuò)孔、等面積擴(kuò)孔和等轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)孔3種。等值擴(kuò)孔是指每次擴(kuò)孔的厚度相同，每次擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩逐級增加，且增加速度較快。等面積擴(kuò)孔是指每級擴(kuò)孔的鉆孔截面積相同，與等值擴(kuò)孔相比，每級擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩有所降低，但隨著擴(kuò)孔直徑增大，鉆頭和鉆桿所承受的轉(zhuǎn)矩仍然增加。以上2種方式中每級擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩都會(huì)增大，對鉆機(jī)鉆進(jìn)能力和配套鉆具強(qiáng)度要求較高，不適用于煤礦井下施工。

等轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)孔基于等轉(zhuǎn)矩原理，在進(jìn)行每一級擴(kuò)孔時(shí)，鉆頭和鉆桿所承受的轉(zhuǎn)矩相等。鉆機(jī)鉆進(jìn)能力和配套鉆具強(qiáng)度如果能滿足定向先導(dǎo)孔施工需要，一般也能滿足下一級擴(kuò)孔施工需要，適用于煤礦井下頂板高位定向鉆孔擴(kuò)孔直徑級配設(shè)計(jì)。

頂板高位定向鉆孔擴(kuò)孔需要的轉(zhuǎn)矩決定了定向鉆機(jī)鉆進(jìn)能力和配套鉆具強(qiáng)度研究選配，以及擴(kuò)孔直徑級配設(shè)計(jì)。孔底鉆頭破巖時(shí)所受轉(zhuǎn)矩為[15]

T=6.07×10-3WD

(1)

式中：W為鉆頭所受鉆壓，kN；D為鉆頭直徑，mm。

當(dāng)采用等轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)孔方法進(jìn)行擴(kuò)孔級配設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)式(1)獲取的先導(dǎo)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)矩即擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩。

鉆孔擴(kuò)孔截面如圖3所示，假設(shè)切削dA面積地層所需的剪切力為P0，則鉆孔擴(kuò)孔過程中所需轉(zhuǎn)矩為

(2)

式中：r0為鉆孔原始半徑，mm；R為終孔半徑，mm；r為擴(kuò)孔半徑，mm。

假設(shè)鉆孔第1，2，…，n級擴(kuò)孔半徑分別為r1，r2，…，rn，若使各級擴(kuò)孔所需轉(zhuǎn)矩T1=T2=…=Tn，應(yīng)滿足式(3)。

圖3 鉆孔擴(kuò)孔截面Fig.3 Reaming section

(3)

由式(3)可得

(4)

用鉆孔直徑dn替代半徑rn，可得

(5)

將先導(dǎo)孔看作由0 mm擴(kuò)孔得到，即d0=0，則由式(5)可得

(6)

在先導(dǎo)孔直徑確定的基礎(chǔ)上，利用式(6)可獲取各級擴(kuò)孔施工后的鉆孔直徑。以目前煤礦井下頂板高位定向鉆孔常見直徑為例，先導(dǎo)孔直徑為96 mm時(shí)，1—5級擴(kuò)孔直徑分別為120.95，138.46，152.39，164.16，174.44 mm；先導(dǎo)孔直徑為120 mm時(shí)，1—5級擴(kuò)孔直徑分別為151.19，173.07，190.49，205.20，218.05 mm。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，結(jié)合常用鉆頭規(guī)格尺寸，直徑為96 mm的先導(dǎo)孔可采用直徑為120，153 mm的組合式擴(kuò)孔鉆頭，分兩級將鉆孔直徑擴(kuò)大至153 mm；直徑為120 mm的先導(dǎo)孔可直接采用直徑為120/153 mm擴(kuò)孔鉆頭一次擴(kuò)孔至153 mm。若需要施工更大直徑鉆孔，可按上述計(jì)算結(jié)果設(shè)計(jì)擴(kuò)孔鉆頭。

4 擴(kuò)孔裝備研制選配

為實(shí)現(xiàn)頂板高位定向鉆孔大直徑高效擴(kuò)孔，研制選配了螺旋刀翼型組合式擴(kuò)孔鉆頭、高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿、大功率定向鉆機(jī)、高壓大流量泥漿泵車等擴(kuò)孔裝備。

4.1 螺旋刀翼型組合式擴(kuò)孔鉆頭

常規(guī)擴(kuò)孔鉆頭主要用于孔口套管段施工，以便下入套管，但其用于頂板高位定向鉆孔施工時(shí)，存在以下問題：① 導(dǎo)向器較短且較重，在擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中，容易偏離先導(dǎo)孔軌跡。② 各刀翼切削齒為同軌道切削，在煤層中能夠較穩(wěn)定鉆進(jìn)，但在頂板巖層中鉆進(jìn)時(shí)，容易對孔底進(jìn)行重復(fù)切削，擴(kuò)孔效率較低。③ 導(dǎo)向器不參與切削，幾乎不產(chǎn)生磨損，但導(dǎo)向器與鉆頭間為焊接式，不能重復(fù)利用，容易造成浪費(fèi)。④ 擴(kuò)孔本體采用鋼體式結(jié)構(gòu)，耐磨性差，用于巖層擴(kuò)孔時(shí)壽命短。

針對以上問題，從鉆頭導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、冠部形狀、切削齒排布、水力系統(tǒng)等方面開展了研究，研制了螺旋刀翼型組合式擴(kuò)孔鉆頭，如圖4所示。其具有以下特點(diǎn)。

圖4 螺旋刀翼型組合式擴(kuò)孔鉆頭Fig.4 Spiral blade and combination reaming bit

(1) 整體采用組合式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向器與擴(kuò)孔本體通過螺紋連接，導(dǎo)向器可循環(huán)利用。

(2) 導(dǎo)向器采用半球形導(dǎo)向頭及螺旋型導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，且鑲焊有交錯(cuò)排布的柱狀保徑合金，一方面提高了導(dǎo)向性能，使鉆頭更容易沿鉆孔軌跡進(jìn)行擴(kuò)孔，另一方面螺旋型導(dǎo)向槽有助于排渣，避免先導(dǎo)孔內(nèi)殘留鉆渣或孔壁坍塌物導(dǎo)致導(dǎo)向器無法進(jìn)入先導(dǎo)孔，此外可顯著降低導(dǎo)向器所受阻力，提高導(dǎo)向器的輔助切削和保徑性能。

(3) 擴(kuò)孔本體的刀翼采用雙圓弧形剖面冠部設(shè)計(jì)，更有利于鉆頭切削；切削齒采用等切削錯(cuò)峰布置，且切削軌道不同，可提高鉆進(jìn)效率與鉆頭壽命，更適用于頂板巖層鉆進(jìn)；PDC(Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片)采用球面長柱型復(fù)合片，齒窩采用全包鑲結(jié)構(gòu)，本體采用胎體式結(jié)構(gòu)，既提高了切削齒使用壽命和本體耐磨性，又可有效防止復(fù)合片易掉落的問題。

4.2 高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿

與定向鉆進(jìn)工況不同，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿直徑遠(yuǎn)小于鉆孔直徑，鉆桿受力更加復(fù)雜，易發(fā)生斷裂事故，對擴(kuò)孔鉆桿的抗扭和抗彎能力提出了更高要求。研制了高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿，如圖5所示。其具有以下特點(diǎn)。

圖5 高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿Fig.5 Reaming drill pipe with high-strength and high-toughness

(1) 整體采用外平結(jié)構(gòu)，由公接頭、母接頭和管體三部分通過摩擦焊接方式焊接為一體。鉆桿長度設(shè)計(jì)為3 m，減少了鉆桿柱的連接點(diǎn)。

(2) 接頭采用雙頂結(jié)構(gòu)，即在公母接頭螺紋小端增加1個(gè)臺肩，使公母接頭連接擰緊后有主副2個(gè)臺肩。當(dāng)接頭初步擰緊時(shí)，主臺肩先接觸，公接頭小端和母接頭副臺肩處有一定間隙。之后在預(yù)緊力作用下，公母接頭螺紋發(fā)生彈性變形，使得接頭的副臺肩相互接觸。該結(jié)構(gòu)增加了接頭臺肩接觸面積，降低了接頭應(yīng)力集中程度，優(yōu)化了螺紋各牙的應(yīng)力分布，提高了鉆桿整體強(qiáng)度及密封性能。

(3) 適當(dāng)增大接頭螺紋螺距，提高了螺紋根部斷面積和螺紋連接的表面接觸面積。螺紋牙底采用平面+圓弧過渡結(jié)構(gòu)，降低了應(yīng)力集中，增強(qiáng)了螺紋聯(lián)接的定心精度及聯(lián)接剛性，提高了鉆桿強(qiáng)度和變形能力，便于施加鉆壓和轉(zhuǎn)矩。

(4) 管體選用韌性高、抗彎能力強(qiáng)的高強(qiáng)度無縫鋼管，提高了鉆桿管體性能。

利用靜扭試驗(yàn)機(jī)對高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿性能進(jìn)行測試，其中直徑73 mm鉆桿抗扭能力大于22 kN·m ，直徑89 mm鉆桿抗扭能力大于36 kN·m，抗彎能力均達(dá)到1°/m。

4.3 大功率定向鉆機(jī)

定向鉆進(jìn)時(shí)，孔底碎巖轉(zhuǎn)矩主要由造斜鉆具提供，定向鉆機(jī)提供的動(dòng)力主要用于調(diào)整造斜鉆具姿態(tài)和施加鉆壓，對鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求不高。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，定向鉆機(jī)既要施加鉆壓，又要提供鉆具回轉(zhuǎn)碎巖轉(zhuǎn)矩，對鉆機(jī)性能參數(shù)要求更高。為滿足頂板高位定向鉆孔大直徑擴(kuò)孔需要，研制了ZDY12000LD，ZDY15000LD，ZDY20000LD系列大功率定向鉆機(jī)，采用雙動(dòng)力頭驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)，最大主軸輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)12 000 N·m以上，具有整機(jī)功率大、回轉(zhuǎn)動(dòng)力充足、工藝適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，解決了大直徑擴(kuò)孔時(shí)的動(dòng)力輸出難題。

4.4 高壓大流量泥漿泵車

定向鉆進(jìn)時(shí)，泥漿泵是驅(qū)動(dòng)造斜鉆具的動(dòng)力來源，要求其具有高壓輸出特性；擴(kuò)孔鉆進(jìn)時(shí)，由于鉆孔直徑與鉆桿直徑相差較大，泵量過小無法順利排出鉆渣，易導(dǎo)致卡埋鉆事故，所以要求泥漿泵輸出沖洗液流量較大。針對以上2種工況，研制了BLY390/12，BLY460/13，BLY500/10系列高壓大流量泥漿泵車，采用液壓驅(qū)動(dòng)，泵量大且可無級調(diào)節(jié)，泵壓高且工作性能穩(wěn)定，既可為孔底造斜鉆具性能發(fā)揮提供充足水動(dòng)力，又可滿足大直徑擴(kuò)孔時(shí)環(huán)空排渣需求。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

5.1 礦井基本情況

在山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河礦W1304工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。該工作面采用3進(jìn)1回偏Y型通風(fēng)方式；走向長度為908.7 m，傾斜長度為169～183 m，采用走向長壁大采高自然垮落后退式綜合機(jī)械化采煤方法；煤層平均厚度為6.5 m，瓦斯含量達(dá)16.6 m3/t，最大瓦斯壓力達(dá)2.12 MPa，為煤與瓦斯突出煤層；煤層頂板依次為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖，時(shí)見粗粒砂巖。

5.2 鉆孔設(shè)計(jì)與施工

在W1304工作面內(nèi)W13042巷1號、3號、5號、10號橫川設(shè)立4個(gè)鉆場，每個(gè)鉆場布置4個(gè)頂板高位定向鉆孔，如圖6所示。鉆孔主抽采孔段在平面上沿工作面走向布置在W13041巷內(nèi)幫15～60 m范圍內(nèi)，剖面上布置在頂板以上30～48 m范圍內(nèi)。10號橫川鉆場鉆孔采用正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)將鉆孔直徑擴(kuò)大至153 mm，其他鉆場鉆孔直徑為96 mm。

圖6 試驗(yàn)鉆孔平面Fig.6 Test boreholes plane

5.3 瓦斯抽采效果

W1304工作面目前已完成回采，回采期間未發(fā)生任何瓦斯事故。2018-08-18—12-16工作面回采進(jìn)度及回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖7所示。可看出隨著回采速度增加，回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)增大，但最大值為0.47%，遠(yuǎn)低于允許值，證明頂板高位定向鉆孔在工作面回采期間對工作面瓦斯治理發(fā)揮了重要作用。

圖7 W1304工作面回采進(jìn)度及回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Mining speed and return-air gas volume fraction on W1304 working face

以10號鉆場1號鉆孔和5號鉆場1號鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)為例，對布孔層位和平面布置位置相近的直徑153 mm鉆孔與直徑96 mm鉆孔的抽采效果進(jìn)行對比，如圖8所示?？煽闯鲋睆?53 mm鉆孔瓦斯抽采流量為直徑96 mm鉆孔的近3倍，瓦斯抽采效果顯著。

圖8 不同直徑頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采流量對比Fig.8 Gas drainage flow comparison of directional high-level boreholes in roof with different diameters

6 結(jié)論

(1) 頂板高位定向鉆孔是工作面采動(dòng)卸壓瓦斯治理的重要技術(shù)手段，應(yīng)用效果顯著，不僅能大幅度降低回風(fēng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛?，還能提高瓦斯資源利用率，保障煤礦安全高效開采。

(2) 基于等轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)孔原理，確定了擴(kuò)孔直徑級配參數(shù)，研制選配了擴(kuò)孔裝備，并開展了工程實(shí)踐，證明采用正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)可將頂板高位定向鉆孔直徑增大至153 mm，且瓦斯抽采效率顯著提升。

(3) 正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)的擴(kuò)孔動(dòng)力完全來自于孔口定向鉆機(jī)，隨著孔深增加，鉆進(jìn)動(dòng)力傳遞效率下降?？煽紤]研制孔底輔助動(dòng)力鉆具，實(shí)現(xiàn)多動(dòng)力擴(kuò)孔，提高擴(kuò)孔效率。