李泉新，褚志偉，許 超，方 俊

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術作為坑道鉆探領域一種先進技術，通過隨鉆實時監(jiān)測和控制鉆孔軌跡，可使鉆孔軌跡沿設計方向長距離延伸，實現(xiàn)空間范圍內(nèi)精準定向鉆進，具有施工精度高、成孔深度大和鉆進效率高等顯著優(yōu)勢，是煤礦井下瓦斯抽采、水害治理和防滅火工程等領域關鍵技術裝備保障[1-2]。目前，煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術以有線隨鉆測量定向鉆進為主，鉆進過程中采用有線隨鉆測量系統(tǒng)監(jiān)測鉆孔軌跡，通過中心通纜式鉆桿形成的有線通道傳輸測量信號，鉆桿以滑動方式進行定向鉆進，存在以下幾點問題[3-5]：需配套特制的中心通纜式鉆桿，測量信號穩(wěn)定性受鉆桿接頭密封性影響較大，接頭密封性能下降時測量信號傳輸穩(wěn)定性降低，且整體使用成本較高；鉆進過程中鉆桿只滑不轉，孔眼光滑度差，深孔鉆進中托壓嚴重，影響成孔深度和鉆進效率；通纜鉆桿內(nèi)環(huán)空截面積相對較小，在深孔條件下鉆桿損耗泥漿泵泵壓較嚴重；無法配套三棱鉆桿、螺旋鉆桿和肋骨鉆桿等工藝適應性強的異性鉆桿，適用于較穩(wěn)定煤巖層定向鉆進，對于碎軟、破碎煤巖層適應性差，整體工藝適用范圍較窄。

為此，針對目前煤礦井下有線隨鉆測量定向鉆進技術存在的上述問題，提出了泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術。

1 泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術原理

泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術是基于泥漿脈沖無線隨鉆測量和復合定向鉆進發(fā)展起來的一種煤礦井下新型定向鉆進技術[6]，其以高壓沖洗液為動力和排渣介質(zhì)，驅(qū)動液動螺桿馬達回轉碎巖鉆進，并攜帶鉆進中產(chǎn)生的鉆渣；鉆進過程中泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置測量鉆孔傾角、方位角和液動螺桿馬達工具面向角等參數(shù)，以壓力脈沖為信號載體，以鉆桿內(nèi)沖洗液為信號傳輸通道，向孔口傳輸孔內(nèi)測量數(shù)據(jù)；孔口依據(jù)接收到的測量數(shù)據(jù)進行鉆孔軌跡的調(diào)整；鉆機提供鉆進給進力、回轉力和液動螺桿馬達工具面向角調(diào)整動力等[7]；泵車向孔內(nèi)提供高壓沖洗液。泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進設備組成連接圖如圖1。

圖1 設備組成連接圖Fig.1 The component connection of device

2 泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進關鍵技術

2.1 泥漿脈沖無線隨鉆測量技術

泥漿脈沖無線隨鉆測量技術以壓力脈沖為信號載體，以鉆柱內(nèi)沖洗液為信號傳輸通道，向孔口傳輸孔內(nèi)測量數(shù)據(jù)[8]，其核心技術包括：信號穩(wěn)定發(fā)生技術、低功耗工作模式控制技術和緊湊結構防爆技術。

1）信號穩(wěn)定發(fā)生技術。煤礦井下具有小泵量（90～390 L/min）、低泵壓（≤12 MPa）和儀器尺寸受限等特殊工況，為了實現(xiàn)泥漿脈沖信號穩(wěn)定發(fā)生，提出了一體式脈沖發(fā)生器結構設計方案[9]，即將脈沖信號發(fā)生組件整體安裝在外管內(nèi)部，一體式脈沖發(fā)生器結構圖如圖2。一體式脈沖發(fā)生器采用的脈沖形式為正壓力脈沖，正壓力脈沖的信號傳輸通道為孔內(nèi)儀器上部鉆桿柱的內(nèi)部空間，信號傳輸方向與沖洗液流動方向相反，為減少孔內(nèi)儀器的功率消耗，一體式脈沖發(fā)生器設置于儀器串上部，由驅(qū)動短節(jié)控制，通過驅(qū)動短節(jié)可以控制流向閥頭和外管之間流道的沖洗液流量，間歇性的產(chǎn)生正壓力脈沖，傳輸孔底的多種信息。一體式脈沖發(fā)生器外徑系列為76 mm和89 mm，可與現(xiàn)有常用的73 mm及89 mm鉆桿系列配合使用。

圖2 一體式脈沖發(fā)生器結構圖Fig.2 The structure of integrated pulse generator

2）低功耗工作模式控制技術。泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)采用孔內(nèi)充電電池筒供電的形式，為了提高充電電池筒的使用時間，提出了基于流量開關形式低功耗工作模式控制技術[10]。流量開關設置在系統(tǒng)測量短節(jié)一側，需要測量系統(tǒng)工作時，開啟泥漿泵向鉆孔內(nèi)提供高壓沖洗液，流量開關監(jiān)測到?jīng)_洗液流量變化后，控制充電電池筒向測量系統(tǒng)供電，進行數(shù)據(jù)測量和泥漿脈沖信號傳輸；當需要測量系統(tǒng)停止工作時，關閉泥漿泵，流量開關監(jiān)測到?jīng)_洗液流量為0后，控制充電電池筒停止向測量系統(tǒng)供電，測量系統(tǒng)進入低功耗待機狀態(tài)。采用流量開關控制模式的泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)性能穩(wěn)定，能夠準確和穩(wěn)定地切換系統(tǒng)測量模式，實現(xiàn)系統(tǒng)的間歇工作，用電節(jié)省70%，儀器連續(xù)孔內(nèi)工作時間可以達到20 d，滿足隨鉆測量定向鉆進需要。

3）緊湊結構防爆技術?；陔娫锤綦x、信號隔離及運動部件隔爆技術，設計了測量系統(tǒng)各組成部分的緊湊型防爆結構，解決了孔內(nèi)儀器防爆難題，可滿足煤礦井下作業(yè)環(huán)境的特殊要求；開發(fā)了礦用大尺寸本質(zhì)安全型液晶顯示屏、多路接口隔離電路板、恒壓外部供電電源、隔爆面特殊加工工藝，研制了小型化防爆型數(shù)據(jù)采集裝置，功耗低，能夠在隔爆腔體內(nèi)穩(wěn)定運行，可為泥漿脈沖壓力傳感器供電，并實時采集測量數(shù)據(jù)。

2.2 雙動力復合定向鉆進技術

雙動力復合定向鉆進是一種在滑動定向鉆進基礎上發(fā)展起來的高效定向鉆進技術[11]。滑動定向鉆進利用高壓沖洗液驅(qū)動孔底螺桿鉆具帶動鉆頭回轉破碎煤巖層，鉆進過程中只有鉆頭回轉，鉆柱“只滑不轉”，存在鉆進摩阻大、成孔軌跡光滑度差和鉆進效率低等問題。雙動力復合定向鉆進充分結合了滑動定向鉆進和回轉穩(wěn)斜鉆進的技術優(yōu)勢，在鉆孔軌跡需要調(diào)整時，進行滑動定向鉆進，快速調(diào)整鉆孔軌跡直至滿足設計要求；在鉆孔軌跡不需要調(diào)整時，進行回轉穩(wěn)斜鉆進，在螺桿鉆具帶動鉆頭回轉碎巖的同時，定向鉆機回轉鉆柱帶動螺桿鉆具回轉，螺桿鉆具和定向鉆機同時提供碎巖動力，形成了“定向鉆機+螺桿鉆具”雙動力鉆進模式，鉆進過程中螺桿鉆具工具面向角周向不固定，具有回轉穩(wěn)斜鉆進特性。與滑動定向鉆進技術相比，雙動力復合定向鉆進技術具有鉆進阻力小、成孔軌跡光滑和鉆進效率高等優(yōu)勢。

2.3 雙動力復合排渣技術

雙動力復合定向鉆進成孔深度大，鉆渣運移距離長，容易在孔底沉積，使鉆頭重復破碎，降低鉆進效率；此外，鉆渣過多在孔底沉積易引發(fā)卡鉆事故，影響鉆進安全性。雙動力復合排渣技術充分利用了水力排渣和機械攪渣的技術優(yōu)勢[12]，其技術原理為：利用沖洗液紊流水力排渣方式將較細巖屑懸浮，旋轉流場形成周向水流將沉淀巖屑床中的較粗巖屑攪動并懸浮在沖洗液中，在沖洗液正循環(huán)將懸浮的巖屑向孔外推送；利用鉆桿回轉機械排渣方式提高巖屑向孔外推送速度，利用同時鉆桿外表面異形結構對巖屑進行磨削和攪拌，使高壓沖洗液能順利將巖屑帶出孔外，防止卡、埋鉆事故的發(fā)生，實現(xiàn)高效復合排渣。

3 泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進關鍵裝備配套

1）泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)。泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)（YHD3-3000）采用正壓力脈沖方式進行隨鉆測量信號的傳輸，主要包括孔口裝置和孔內(nèi)裝置2部分?？變?nèi)裝置主要包括脈沖發(fā)生器、防爆驅(qū)動短節(jié)、防爆充電電池筒和防爆測量短節(jié)，充電電池筒分別為測量短節(jié)和驅(qū)動短節(jié)供電，測量短節(jié)用于獲取鉆孔傾角、方位角和螺桿馬達工具面向角等參數(shù)和控制孔內(nèi)裝置實現(xiàn)低功耗間歇工作模式，驅(qū)動短節(jié)基于先導控制技術驅(qū)動脈沖發(fā)生器，并將正壓力脈沖信號放大后沿鉆柱內(nèi)沖洗液通道向孔口傳輸；孔口裝置主要包括防爆壓力變送器和防爆計算機，其中防爆壓力變送器用于接收并向防爆計算機傳輸孔口泥漿脈沖信號，防爆計算機用于泥漿脈沖信號接收、處理和顯示。

2）鉆桿。因采用無線隨鉆測量系統(tǒng)，所以配套用的鉆桿在深孔鉆進時可選擇高強度大通孔鉆桿，鉆桿為無纜結構，通徑大，可以有效降低泥漿脈沖信號沿程損失；在復雜地層中可選用三棱鉆桿或整體式寬翼片螺旋鉆桿，排渣效果好，提高了復雜破碎煤－巖層定向鉆進適應性。

3）泥漿泵。泥漿泵是無線隨鉆測量信號能否穩(wěn)定傳輸?shù)闹匾h(huán)節(jié)，因此在鉆進過程中泥漿泵在提供孔底動力和攜帶鉆孔煤巖粉的同時，提供泥漿脈沖信號穩(wěn)定傳輸?shù)牧黧w介質(zhì)。盡量減少泥漿泵泵送液體時的脈沖波動，以免干擾泥漿脈沖信號的解調(diào)，因此一般推薦使用液驅(qū)泥漿泵，泵量大于96 L/min即可滿足需求。

4 現(xiàn)場應用

試驗地點分別位于神東煤炭集團保德煤礦和淮南礦業(yè)集團顧橋煤礦，試驗鉆孔類型順煤層超長定向鉆孔和頂板高位定向長鉆孔，采用泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術裝備進行鉆孔施工。

4.1 保德煤礦超長定向鉆孔成孔試驗

成孔試驗在保德煤礦五盤區(qū)一號回風大巷27聯(lián)巷進行，鉆孔區(qū)域位于規(guī)劃的二盤區(qū)81210工作面。二盤區(qū)內(nèi)主要含煤地層為8號煤，該煤層位于山西組（P1S）底部S3砂巖之上，煤厚在2.15～10.39 m，平均6.6 m；純煤厚1.7～9.01 m，平均7.8 m；為厚煤層。煤層結構復雜，含夾矸1～8層，一般3～4層，屬較穩(wěn)定煤層。

4.1.1 施工鉆具組合和鉆孔成孔情況

1）施工鉆具組合。順煤層超長定向鉆孔鉆具組合為：φ120 mm定向鉆頭+φ89 mm螺桿鉆具+φ89 mm下無磁鉆桿+φ89 mm無磁儀器外管（內(nèi)裝有YHD3-3000泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置）+φ89 mm脈沖發(fā)生器+φ89 mm過濾鉆桿+φ89 mm無纜大通孔鉆桿+…+φ89 mm無纜大通孔鉆桿+φ89 mm普通水便。

2）鉆孔成孔情況。順利完成主孔深度3 353 m的順煤層超長定向鉆孔施工，過程中探頂、探底累計開分支13次，總進尺4 428 m，孔徑φ120 mm，平均日進尺210 m，該鉆孔貫穿81210工作面，并與相鄰三下盤區(qū)二號回風大巷成功貫通，貫通點位于巷道底板上1.5 m處，貫穿巷道中靶坐標誤差小于0.15%。鉆孔施工中雙驅(qū)動復合鉆進孔段占總進尺比例達到82%，鉆進效率提高明顯，孔深達到2 500 m以上仍實現(xiàn)了單班進尺120 m的高效定向鉆進。

4.1.2 保德煤礦超長定向鉆孔成孔試驗效果

1）泥漿泵壓力損耗。隨著鉆孔深度增加，泥漿泵壓力一直處于增長狀態(tài)，并在泵量一定的情況下，近似呈線性增長模式。在孔深2 300 m之前，鉆進過程中泵量保持在300 L/min左右，泵壓自開始鉆進時3 MPa逐漸增長至孔深2 300 m時的4.2 MPa，增長幅度為0.05 MPa/hm，泥漿泵壓力保持在較低水平；在孔深2 300 m以后，為提高鉆進過程排渣效果和保證螺桿鉆具動力輸出，提高泵量至350 L/min左右，此時泵壓自4.2 MPa提高至4.9 MPa，之后隨孔深逐漸增長，至終孔時泥漿泵壓增長至5.6 MPa，增長幅度為0.08 MPa/hm，最大泥漿泵壓力僅為額定壓力的43.8%。

2）泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)應用。試驗中每6 m測量1次數(shù)據(jù)，測量時保持泵量在150 L/min或250 L/min，在泵量一定的情況下，泥漿脈沖信號幅值隨孔深增長基本保持不變，甚至還出現(xiàn)小幅增長：在孔深2 300 m以前，信號幅值基本保持在1～1.5 MPa之間，孔深2 300 m之后，信號幅值基本保持在1.7～2 MPa之間。本次順煤層超長定向孔鉆進過程中YHD3-3000泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)測量脈沖波形良好、清晰，信號傳輸穩(wěn)定可靠，連續(xù)測量超過900余次，未出現(xiàn)誤碼現(xiàn)象。

4.2 顧橋煤礦復雜頂板高位鉆孔成孔試驗

成孔試驗在顧橋煤礦1212（3）軌道巷進行，區(qū)域內(nèi)主采煤層為13-1煤，煤層厚度3.0～6.9 m，平均5.34 m，厚度變異系數(shù)22.5%，為較穩(wěn)定的厚煤層。煤層偽頂巖性為煤及泥巖，采區(qū)內(nèi)普遍缺失。直接頂巖性相變程度較高，主要由煤、炭質(zhì)泥巖、泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細砂巖及個別中粗砂巖組成，層位界限不明顯。基本頂巖性主要為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉細砂巖和中粗砂巖。試驗區(qū)域內(nèi)煤層頂板層位結構復雜，具有碎軟破碎、軟硬互層和多地質(zhì)構造等特征，現(xiàn)有鉆進技術無法高效成孔。

4.2.1 施工鉆具組合和鉆孔成孔情況

1）施工鉆具組合。鉆孔施工采用“φ120 mm定向鉆頭＋φ89 mm螺桿鉆具＋φ89 mm下無磁鉆桿＋φ89 mm無磁探管外管（安裝YHD3－3000（T）泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)探管）＋φ89脈沖發(fā)生器＋φ89 mm過濾鉆桿＋φ89 mm整體式寬翼片螺旋鉆桿＋…＋φ89 mm整體式寬翼片螺旋鉆桿＋φ89 mm普通水便”鉆具組合，定向鉆進至設計孔深。

2）鉆孔成孔情況。應用泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術裝備于2017年7月30日至2017年9月11日在顧橋煤礦南區(qū)1212（3）軌道巷進行復雜頂板高位定向鉆孔施工。累計共完成5個頂板高位定向鉆孔的先導孔施工，累積定向鉆孔進尺1 653 m，最大鉆孔深度540 m。

4.2.2 顧橋煤礦復雜頂板高位鉆孔成孔試驗效果

1）泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)應用。泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)在160～200 L/min小排量沖洗液條件下工作穩(wěn)定可靠，累積測量次數(shù)551次，其中誤碼4次，綜合誤碼率0.72%；應用低功耗工作模式控制技術，使系統(tǒng)有效工作時間在20 d以上，滿足定向鉆孔施工要求。

2）復合定向鉆進技術應用。復雜頂板高位定向鉆孔施工過程中，復合鉆進孔段占比在30%以上，與滑動定向孔段相比，復合鉆進孔段單根鉆時明顯降低，機械鉆速提高25%以上，有助于提高復雜頂板高位定向鉆孔的施工效率和成孔質(zhì)量。

3）泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術應用。泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術無需使用特制的中心通纜鉆桿，和常用鉆桿均可配套使用，提高了鉆具強度，提升了鉆進安全性；應用復合排渣和復合鉆進技術，有效改善孔內(nèi)排渣效果，提高了綜合鉆進效率；泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術不僅適用于穩(wěn)定煤巖層鉆進，更適用于復雜煤巖層高效鉆進，拓寬了煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術的應用范圍。

5 結語

1）在研究泥漿脈沖無線隨鉆測量技術、雙動力復合定向鉆進技術和雙動力復合排渣技術等關鍵技術的基礎上，提出了煤礦井下泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術，配套了關鍵裝備，在煤礦井下完成了孔深3 353 m順煤層超長定向鉆孔。

2）開發(fā)的泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，誤碼率低，綜合誤碼率僅為0.72%；應用低功耗工作模式控制技術，使系統(tǒng)有效工作時間在20 d以上，滿足定向鉆孔施工要求。

3）泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術具有使用鉆具強度高、排渣效果好和鉆進效率高的顯著優(yōu)勢，不僅適用于穩(wěn)定煤巖層鉆進，也可應用于復雜煤巖層高效鉆進，拓寬了煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術的應用范圍。

4）泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術應用正脈沖進行隨鉆測量信號的傳輸，傳輸速率較低，可開展旋轉閥式泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)、連續(xù)脈沖式泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)等先進技術的研究，以優(yōu)化完善泥漿脈沖無線隨鉆測量定向鉆進技術。