趙宇杰,陳峰真,姚理忠

(山西潞安集團 郭莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100)

松軟煤層鉆孔施工過程中易塌孔，鉆孔成孔率低。另外鉆孔施工是深度驗收時礦井瓦斯治理過程中的重要環(huán)節(jié)，是保證瓦斯治理效果的基本前提。目前鉆孔驗收手段主要是：一鉆一視頻、現(xiàn)場人員驗收、鉆孔軌跡儀器、探桿探孔等。一鉆一視頻能夠?qū)崿F(xiàn)施工全過程的監(jiān)控、驗收；人工對視頻鉆桿清點時存在不可靠性；鉆孔軌跡儀器、探桿探孔驗收鉆孔受鉆孔塌孔影響，存在驗收誤差較大、人力物力消耗大等問題[1-3]。

因此在松軟煤層施工鉆孔時，考慮采用螺旋鉆桿鉆進，并研究鉆進過程中起拔壓力的變化。提取壓力曲線監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析退鉆過程壓力特征，從而確定退鉆桿數(shù)量，確定鉆孔進尺。

1 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)特征

螺旋鉆進是一種干式回轉(zhuǎn)鉆進方法，螺旋鉆桿與鉆孔組成一個螺旋輸送帶，螺旋鉆桿連續(xù)不斷地將鉆頭破碎的巖渣輸送至孔外。螺旋鉆進有效地解決了排渣問題，但對鉆孔擾動較大。

螺旋鉆桿如圖1所示。結(jié)構(gòu)增加了鉆桿外壁與孔壁之間的環(huán)空過流面積，鉆桿在松軟突出煤層中旋轉(zhuǎn)能夠引起漩渦流動，依靠鉆桿的棱邊將沉積在鉆孔底部的煤粉揚起，使得孔內(nèi)煤粉一直處于運動狀態(tài)，避免煤粉在鉆孔內(nèi)出現(xiàn)堆積堵塞。

圖1 螺旋鉆桿

螺旋鉆桿在解決松軟煤層鉆進成孔問題中具有相當大的優(yōu)勢，能夠避免松軟煤層鉆進成孔過程中所發(fā)生的鉆孔事故。螺旋鉆桿施工工藝能夠滿足松軟煤層成孔要求，施工過程中應(yīng)該用不同的鉆桿施工工藝來解決不同煤體條件下的鉆孔施工問題。

2 螺旋鉆桿退鉆壓力特征

根據(jù)現(xiàn)場跟班寫實及地面監(jiān)測曲線值，得出退鉆過程特征主要表現(xiàn)為單根鉆桿退鉆時間、單根鉆桿退鉆監(jiān)測曲線波形和單根鉆桿退鉆壓力極值。

2.1 單根鉆桿退鉆時間

根據(jù)監(jiān)測曲線變化、井下跟班寫實，在正常退鉆情況下每根鉆桿退鉆時間為1.3～1.8 min。

2.2 單根鉆桿壓力曲線波形

采用的鉆桿為1.5 m、鉆機跑道為0.5 m，完成1根鉆桿的退鉆過程需要回旋器3個進退循環(huán)，壓力監(jiān)測曲線呈現(xiàn)3個極值拐點，圖2為單根鉆桿壓力曲線波形圖。

圖2 單根鉆桿壓力曲線波形

2.3 單根鉆桿退鉆壓力拐點極值

根據(jù)現(xiàn)場寫實與壓力曲線分析，3個壓力監(jiān)測拐點極值為1個大極值點(大于10 MPa)、2個較小大極值點(5～8 MPa)。具體退鉆壓力拐點極值如圖2所示。

同時滿足上述3個條件就完成1根鉆桿的退鉆過程，也就是在1.5 min壓力監(jiān)測曲線時間段內(nèi)，出現(xiàn)3個極值拐點波形，極值壓力點滿足1個大于10 MPa、2個在5～8 MPa之間。

3 螺旋鉆桿現(xiàn)場應(yīng)用實踐

3.1 郭莊礦螺旋鉆桿應(yīng)用及數(shù)據(jù)提取

試驗地點為3309膠順工作面，現(xiàn)場選用的鉆機型號為ZDY4200LP，選用KGY8-2型壓力傳感器，輸出信號顯示分辨率為0.1 MPa，線路布置為工作面巷道至采區(qū)變電所，該傳感器輸出信號后，通過監(jiān)控線路傳輸至KJ73X安全監(jiān)控系統(tǒng)分站上，分站把采集的信號通過光纖上傳至地面監(jiān)控系統(tǒng)終端，終端把接收的信號顯示為數(shù)字和曲線，進行自動存儲，打開監(jiān)控系統(tǒng)頁面，地面人員可以隨時查看和調(diào)用。

礦方聯(lián)合煤安森公司制作監(jiān)控退鉆數(shù)據(jù)軟件，在鉆孔深度測算一欄內(nèi)輸入開始退鉆時間和結(jié)束時間、鉆桿長度，軟件會自動提取有效數(shù)據(jù)，自動計算出測算的鉆桿深度，與實際值對比，進行誤差測算。圖3為GPD100壓力傳感器和壓力變送器。

圖3 GPD100壓力傳感器和壓力變送器

郭莊使用鉆機為履帶式手動液壓鉆機，鉆桿長度為150 cm，鉆機行程為50 cm。每個鉆孔打鉆分為進鉆和退鉆，鉆機行程機構(gòu)前后動作產(chǎn)生液壓變化。對鉆機壓力變化實時監(jiān)測曲線、結(jié)合井下實際情況，鉆孔鉆進監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)由于受施工過程中頂鉆、塌孔的影響，監(jiān)測曲線值(每根鉆桿數(shù)據(jù))極值差別較大、監(jiān)測曲線值(每根鉆桿數(shù)據(jù))施工時間差別也較大。退鉆過程監(jiān)測曲線值(每根鉆桿數(shù)據(jù))極值差別不大、監(jiān)測曲線值(每根鉆桿數(shù)據(jù))退鉆時間差別也不大。

1) 進鉆。圖4為進鉆過程形態(tài)模型示意。

圖4 進鉆過程形態(tài)模型示意

進鉆的典型特征是每根桿3次進程行程壓力尖峰，但實際獲取到的數(shù)據(jù)壓力尖峰值較小，且多段幅值相差較大，不太便于進行形態(tài)辨識。圖5為進鉆過程壓力隨時間變化曲線。

圖5 進鉆過程壓力峰值曲線

2) 退鉆。圖6為退鉆過程形態(tài)模型示意。退鉆的典型特征是每次退鉆有周期性較大的峰值壓力，具體如圖7所示。

圖6 退鉆過程形態(tài)模型示意圖

圖7 退鉆過程壓力峰值曲線圖

收集一個鉆孔壓力值，形成柱狀圖，柱狀圖連接起來，把最大值和最小值連接起來，形成帶狀圖，利用包絡(luò)均值算法，取有效值。

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析是線性規(guī)劃模型的應(yīng)用之一，是將輸入量(或輸出量)的加權(quán)平均值作為最終數(shù)據(jù)的合成。具體做法可參照圖7中的數(shù)據(jù)，其中有最大值和最小值，取中間值作為有效數(shù)據(jù)值。

3) 包絡(luò)均值算法。①截取退鉆時的數(shù)據(jù)段，根據(jù)原始曲線計算包絡(luò)峰值；②根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)規(guī)律，所有小于等于10的值均認為非有效值；③根據(jù)包絡(luò)線計算當前值上下范圍均值，比對當前值與均值的偏差，偏差相近則暫存當前值為有效值；④有效值下一個值也為有效值的取下一值，當前值取0；⑤最終剩下的有效值必須有間隔，有效值個數(shù)即為鉆桿數(shù)。

對于郭家莊礦松軟煤層螺旋鉆桿鉆進技術(shù)，首先收集鉆孔壓力值，形成壓力柱狀圖，把柱狀圖連接起來，包括最大值和最小值，最終形成帶狀圖，利用包絡(luò)均值算法，取其有效值即可。

3.2 螺旋鉆桿的改進及展望

1) 規(guī)范鉆機操作人員的操作流程、標準，均衡退鉆、鉆機退鉆壓力曲線，減少異常點的出現(xiàn)，更有利于數(shù)據(jù)的分析、提取。

2) 當前還是人工對曲線進行分析、提取數(shù)值，后期可采用軟件實現(xiàn)實時從監(jiān)控系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)到根據(jù)曲線特征進行分析，從而實現(xiàn)監(jiān)測壓力數(shù)據(jù)及鉆桿的自動計量。

4 結(jié) 語

1) 闡述了螺旋鉆桿在松軟煤層中鉆進的工藝及過程，對比分析了光面鉆桿施工工藝，得出螺旋鉆桿在松軟煤層施工過程中優(yōu)勢顯著的結(jié)論，能夠避免松軟煤層鉆進成孔過程中發(fā)生鉆孔事故。

2) 對退鉆過程中鉆桿的壓力特征進行了研究，退鉆過程特征主要表現(xiàn)為單根鉆退鉆時間、單根鉆桿退鉆監(jiān)測曲線波形、單根鉆桿退鉆壓力極值。

3) 根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)律總結(jié)，所有小于等于10的值認為非有效值；根據(jù)包絡(luò)線計算當前值上下范圍均值，比對當前值與均值的偏差，偏差相近則暫存當前值為有效值；按照每次退鉆執(zhí)行9個有效值，總有效值與9的商值即鉆桿數(shù)量。

4) 螺旋鉆桿鉆進在郭莊礦進行了現(xiàn)場應(yīng)用，及對進鉆和退鉆的壓力峰值曲線的提取，闡述和應(yīng)用了用于計算鉆桿根數(shù)的包絡(luò)均值算法。

總之，通過對郭莊礦松軟煤層實行螺旋鉆桿鉆進技術(shù)，對鉆桿鉆進和退鉆過程中的壓力進行監(jiān)控，從而利用軟件自動計算鉆桿深度，進行誤差測算，實時監(jiān)控鉆桿所受的壓力曲線特征。解決了工作面煤層鉆孔打鉆過程中易塌孔、驗收誤差大等問題，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。