劉建林，趙建國(guó)，李泉新，王傳留，王四一，劉 飛

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

頂板高位大直徑定向鉆孔是一種綜合高效的瓦斯抽采技術(shù)手段[1，2]，將其布設(shè)在回采工作面煤層頂板合理層位內(nèi)，在回采過(guò)程能有效抽采采動(dòng)影響區(qū)域的卸壓瓦斯，在采后還能抽采采空區(qū)瓦斯[3-6]；在煤層群開(kāi)采條件下，頂板高位大直徑定向鉆孔能有效攔截鄰近層瓦斯，降低上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，支撐安全生產(chǎn)，同時(shí)有利于提高礦井瓦斯抽采利用率。頂板高位大直徑定向鉆孔軌跡可控、能沿預(yù)定的層位長(zhǎng)距離延伸、有效利用率高，在煤巷中開(kāi)孔鉆進(jìn)、鉆場(chǎng)布設(shè)靈活、可超前施工；與高抽巷相比，具有綜合成本低、周期短、輔助排矸運(yùn)輸?shù)裙こ塘啃〉蕊@著技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在高位定向孔設(shè)計(jì)參數(shù)與抽采效果方面，王依磊[7]等基于采空區(qū)頂板三帶理論對(duì)高位定向鉆孔的布置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化；曹文超[8]等運(yùn)用統(tǒng)計(jì)方法研究了50余個(gè)高位定向鉆孔的布置參數(shù)和抽采數(shù)據(jù)，試驗(yàn)對(duì)比了?94mm～?153mm四種孔徑鉆孔的抽采效果，隨著鉆孔孔徑增大抽采混合量、抽采純量和總抽采量明顯增加。受現(xiàn)有煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備配套鉆具級(jí)配限制，頂板高位大直徑定向鉆孔普遍采用“先導(dǎo)孔+分級(jí)多次鉆擴(kuò)”成孔方法施工[9-13]，即先利用隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)施工d≤120mm小直徑先導(dǎo)孔，再利用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝進(jìn)行多次鉆擴(kuò)、形成大直徑孔，典型的分級(jí)擴(kuò)孔直徑系列為133mm→153mm→178mm→193mm。隨著應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，頂板定向先導(dǎo)孔常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆擴(kuò)工藝的局限性日益突顯，主要表現(xiàn)為：分級(jí)多次鉆擴(kuò)加接-擰卸鉆具頻繁、起下鉆工作量大、輔助作業(yè)周期長(zhǎng)；擴(kuò)孔碎巖動(dòng)力全部由孔口鉆機(jī)提供，隨孔深增加動(dòng)力傳遞效果變差，鉆進(jìn)效率降低；沿定向先導(dǎo)孔鉆擴(kuò)過(guò)程中，鉆桿柱彎曲回轉(zhuǎn)、交變載荷大、受力工況惡劣，鉆桿易疲勞損壞，安全性差、使用壽命短[14]。針對(duì)煤礦井下頂板高位大直徑定向孔分級(jí)多次鉆擴(kuò)成孔存在的上述問(wèn)題，提出了先導(dǎo)定向孔多動(dòng)力一次鉆擴(kuò)技術(shù)思路，研制了配套雙鉆頭螺桿馬達(dá)鉆具，利用孔口-孔底多動(dòng)力聯(lián)合碎巖，實(shí)現(xiàn)直徑120mm先導(dǎo)定向孔一次鉆擴(kuò)至200mm，為頂板高位大直徑定向鉆孔的高效成孔提供了新技術(shù)手段，對(duì)進(jìn)一步拓展其應(yīng)用范圍具有重要意義。

1 頂板高位大直徑定向孔軌跡特點(diǎn)

頂板高位大直徑定向孔的主孔段布設(shè)在工作面頂板采動(dòng)裂隙帶內(nèi)，可平行巷道或垂直延伸；鉆場(chǎng)位于煤巷內(nèi)，上仰開(kāi)孔、穿過(guò)直接頂板巖層后進(jìn)入預(yù)計(jì)裂隙帶層位，如圖1所示。頂板高位大直徑定向孔空間軌跡形狀具有類似“L”形結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，穿層段軌跡的傾角、方位角同時(shí)變化；主孔段軌跡的方位角通常保持不變、傾角隨工作面煤層起伏變化。煤礦井下頂板高位大直徑定向孔的空間展布特點(diǎn)對(duì)排渣相對(duì)有利，但對(duì)于鉆進(jìn)加壓十分不利。鉆擴(kuò)過(guò)程中，穿層段鉆具有效重力分量與給進(jìn)方向相反，抵消了部分鉆機(jī)給進(jìn)力，同時(shí)，細(xì)長(zhǎng)彈性鉆桿柱在重力的作用下幾乎全孔段都與孔壁之間頻繁或常態(tài)化接觸，接觸產(chǎn)生的摩擦扭矩和摩擦力嚴(yán)重影響孔口回轉(zhuǎn)、給進(jìn)載荷的有效傳遞，導(dǎo)致鉆效隨孔深增加而降低。

圖1 頂板高位大直徑定向孔空間形態(tài)

2 多動(dòng)力鉆擴(kuò)技術(shù)

煤礦井下多動(dòng)力鉆擴(kuò)技術(shù)是指利用鉆機(jī)和泥漿泵(車)作為直接動(dòng)力源輸出機(jī)械能和流體壓力能，以孔口動(dòng)力與孔底動(dòng)力聯(lián)合方式驅(qū)動(dòng)鉆頭碎巖鉆進(jìn)、實(shí)現(xiàn)一次性鉆擴(kuò)大直徑定向孔。如圖2所示，具體技術(shù)原理為：在擴(kuò)孔鉆頭后方增加一個(gè)孔底動(dòng)力鉆具，通過(guò)內(nèi)部定轉(zhuǎn)子能量轉(zhuǎn)化機(jī)構(gòu)將高壓循環(huán)水的壓力能轉(zhuǎn)化為鉆頭破巖所需的機(jī)械能，帶動(dòng)前置內(nèi)鉆頭切削破巖；同時(shí)鉆機(jī)動(dòng)力頭輸出的旋轉(zhuǎn)扭矩與軸向推力通過(guò)鉆桿柱、孔底動(dòng)力鉆具殼體作用于后置外鉆頭上、驅(qū)動(dòng)后置外鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖。前置內(nèi)鉆頭與后置外鉆頭采用同軸布置，其工作過(guò)程中內(nèi)鉆頭與外鉆頭在鉆孔底部形成兩個(gè)同心階梯式切削面，一方面改變了孔壁周圍巖石的應(yīng)力狀態(tài)、提高了可鉆性，有利于后端鉆頭高效擴(kuò)孔，進(jìn)而提高整體鉆擴(kuò)效率[15]；另一方面，孔口動(dòng)力以直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)兩種方式作用在內(nèi)-外分體式同軸鉆頭上，能夠充分發(fā)揮多動(dòng)力聯(lián)合碎巖的優(yōu)勢(shì)。

圖2 多動(dòng)力擴(kuò)孔技術(shù)原理

多動(dòng)力擴(kuò)孔的本質(zhì)是一趟鉆過(guò)程中同時(shí)開(kāi)展兩級(jí)擴(kuò)孔施工，前置內(nèi)鉆頭與后置外鉆頭破巖后會(huì)形成兩個(gè)同心“破碎環(huán)”，如圖3所示，圖中Rd為先導(dǎo)孔半徑，R0為終孔半徑，R為同心破碎環(huán)分界面半徑。在Rd、R0一定的情況下，確定合理的兩級(jí)破碎環(huán)分界面半徑R是實(shí)現(xiàn)多動(dòng)力高效擴(kuò)孔的關(guān)鍵?；诨剞D(zhuǎn)擴(kuò)孔工藝特點(diǎn)，合理分配前置內(nèi)鉆頭與后置外鉆頭碎巖面積使內(nèi)外分體鉆頭的破巖負(fù)載與驅(qū)動(dòng)鉆頭破巖的動(dòng)力相匹配，此時(shí)前置內(nèi)鉆頭與后置外鉆頭的破巖效率趨于平衡，即二者具有相當(dāng)?shù)臋C(jī)械鉆速，進(jìn)而獲得較高的綜合破巖效率?；诘人閹r比功理論計(jì)算得出的合理破碎環(huán)分界面半徑范圍為78～85mm。

圖3 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔破碎環(huán)

與常規(guī)分級(jí)擴(kuò)孔技術(shù)相比，多動(dòng)力擴(kuò)孔技術(shù)具有顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：①改變了煤礦井下單純依靠鉆機(jī)機(jī)械能驅(qū)動(dòng)孔底鉆頭碎巖的擴(kuò)孔方式，將泥漿泵(車)輸出的高壓流體作為擴(kuò)孔碎巖動(dòng)力介質(zhì)，在滿足攜帶鉆屑、冷卻鉆具等基本功能要求的同時(shí)，充分發(fā)揮了泥漿泵(車)潛在能力，增加孔底碎巖動(dòng)力；②孔口與孔底多動(dòng)力聯(lián)合降低了擴(kuò)孔機(jī)械鉆效對(duì)鉆桿摩阻的敏感程度，孔底回轉(zhuǎn)動(dòng)力幾乎不會(huì)隨孔深增加而顯著衰減，可保持足夠的碎巖動(dòng)力；③多動(dòng)力增強(qiáng)了孔底碎巖能力，徑向單次有效擴(kuò)孔尺寸增大、即有效碎巖面積增加，為一次分級(jí)鉆擴(kuò)出大直徑頂板高位定向孔成奠定了基礎(chǔ)。

3 配套鉆具組合設(shè)計(jì)

頂板高位大直徑定向孔多動(dòng)力鉆擴(kuò)技術(shù)配套鉆具主要由分體式擴(kuò)孔鉆頭、孔底動(dòng)力鉆具和鉆桿3部分組成，其中孔底動(dòng)力鉆具以專用螺桿馬達(dá)為核心，典型鉆具組合如圖4所示。

圖4 多動(dòng)力擴(kuò)孔配套鉆具組合

3.1 專用螺桿馬達(dá)

頂板高位大直徑定向孔多動(dòng)力鉆擴(kuò)技術(shù)配套專用螺桿馬達(dá)的輸出端帶有2個(gè)螺紋連接副，如圖5所示，一個(gè)設(shè)計(jì)在定子外殼前端——定子連接副用于連接外鉆頭，另一個(gè)設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)子輸出軸前端——轉(zhuǎn)子連接副用于連接內(nèi)鉆頭。

圖5 專用螺桿馬達(dá)輸出端結(jié)構(gòu)

鉆擴(kuò)過(guò)程中，專用螺桿馬達(dá)在高壓沖洗液驅(qū)動(dòng)下，將流體壓力能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能、經(jīng)轉(zhuǎn)子輸出軸傳給內(nèi)鉆頭，與此同時(shí)，專用螺桿馬達(dá)隨鉆桿一起回轉(zhuǎn)，進(jìn)而將孔口動(dòng)力直接傳遞給外鉆頭、間接傳遞給內(nèi)鉆頭，實(shí)現(xiàn)孔口-孔底多動(dòng)力聯(lián)合鉆擴(kuò)定向孔。針對(duì)?120mm定向先導(dǎo)孔鉆擴(kuò)需求，基于煤礦井下定向鉆機(jī)與配套泥漿泵(車)能力、鉆桿規(guī)格、目標(biāo)擴(kuò)孔直徑等，設(shè)計(jì)了?105mm專用螺桿馬達(dá)，其主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 專用螺桿馬達(dá)主要技術(shù)參數(shù)

3.2 分體式擴(kuò)孔鉆頭

分體式擴(kuò)孔鉆頭包括前置內(nèi)鉆頭(帶導(dǎo)向器)和后置外鉆頭兩部分，二者同軸階梯布置，即在軸向上內(nèi)鉆頭超前外鉆頭、在徑向上外鉆頭大于內(nèi)鉆頭。擴(kuò)孔過(guò)程中，內(nèi)鉆頭先直接鉆擴(kuò)先導(dǎo)定向孔，外鉆頭隨后鉆擴(kuò)內(nèi)鉆頭形成的鉆孔至目標(biāo)孔徑。

?105mm專用螺桿馬達(dá)配套的分體式擴(kuò)孔鉆頭理論擴(kuò)孔直徑為200mm，外鉆頭設(shè)計(jì)為六翼結(jié)構(gòu)、內(nèi)鉆頭設(shè)計(jì)為四翼結(jié)構(gòu)，刀翼均采用弧角形剖面，一方面擴(kuò)大PDC復(fù)合片排布空間、增加布齒數(shù)量；另一方面增大鉆頭與孔底接觸、切削自由面，提高碎巖效率。

4 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆應(yīng)用

4.1 試驗(yàn)礦井概況

多動(dòng)力鉆擴(kuò)技術(shù)裝備在山西某礦井下進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)鉆應(yīng)用，該礦井為瓦斯突出礦井，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量161.24m3/min，相對(duì)涌出量18.92m3/t；二氧化碳絕對(duì)涌出量11.99m3/min，相對(duì)涌出量1.41m3/t。礦井瓦斯涌出量總體呈逐年增大的趨勢(shì)，隨著采掘空間向深部延伸和產(chǎn)量的增加，礦井瓦斯涌出量將越來(lái)越大。瓦斯涌出特點(diǎn)為北低南高，即北翼是低瓦斯區(qū)域，南翼是高瓦斯區(qū)域。

目前該礦主采02、2、8號(hào)煤，直接頂、底板大都均以粉砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖為主。

4.2 試驗(yàn)區(qū)概況

結(jié)合礦井“以孔代巷”瓦斯治理思路，采用大直徑頂板走向定向長(zhǎng)鉆孔配合大直徑采空區(qū)抽采鉆孔，替代傳統(tǒng)的上隅角懸管、措施巷鉆場(chǎng)裂隙帶鉆孔與高抽巷，對(duì)工作面采動(dòng)影響區(qū)及采空區(qū)瓦斯進(jìn)行綜合治理。根據(jù)工作面采動(dòng)裂隙空間發(fā)育特征及時(shí)空演化規(guī)律，在18502輔運(yùn)巷內(nèi)布置3個(gè)鉆場(chǎng)施工大直徑頂板走向定向長(zhǎng)鉆孔，具體鉆場(chǎng)布置與鉆孔設(shè)計(jì)方案為：在18502輔運(yùn)巷里程67m、397m、720m處右?guī)透鞑贾靡粋€(gè)鉆場(chǎng)。鉆場(chǎng)規(guī)格5.0m(深)×7.0m(寬)×巷高，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)采用差異化布孔方式布置7個(gè)大直徑頂板高位走向長(zhǎng)鉆孔，在18502工作面回采過(guò)程中對(duì)裂隙帶及采空區(qū)瓦斯實(shí)施抽采，其中1號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔沿工作面水平投影孔深510m，2號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔沿工作面水平投影孔深480m，3號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔沿工作面水平投影孔深480m。

多動(dòng)力鉆擴(kuò)技術(shù)與配套鉆具在18502工作面3#鉆場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。鉆場(chǎng)內(nèi)設(shè)計(jì)了7個(gè)頂板高位大直徑定向鉆孔。其中，1#孔水平投影位于距18502輔運(yùn)巷回采幫1m，垂高(指軌跡穩(wěn)定后的垂高)為8m，(目標(biāo)層位巖性：中粒砂巖)；2#、3#孔水平投影分別位于內(nèi)錯(cuò)18502輔運(yùn)巷10m、20m，垂高為25m(目標(biāo)層位巖性：砂質(zhì)泥巖)；4#、6#孔水平投影分別位于內(nèi)錯(cuò)18502輔運(yùn)巷30m、50m，垂高為45m(目標(biāo)層位巖性：粉砂巖)；5#、7#孔水平投影分別位于內(nèi)錯(cuò)18502輔運(yùn)巷40m、60m，垂高為50m(目標(biāo)層位巖性：粉砂質(zhì)泥巖)。

4.3 試驗(yàn)概況

采用ZDY12000LD大功率定向鉆機(jī)、BLY390泥漿泵車對(duì)定向先導(dǎo)孔實(shí)施擴(kuò)孔，其中常規(guī)分級(jí)擴(kuò)孔方法在1#～4#鉆孔中進(jìn)行了應(yīng)用，多動(dòng)力擴(kuò)孔鉆具在6#、7#鉆孔中進(jìn)行了應(yīng)用，鉆孔信息與實(shí)鉆數(shù)據(jù)見(jiàn)表2，鉆孔平面軌跡如圖6所示。

表2 鉆孔信息與參數(shù)表

圖6 鉆孔平面軌跡

1#～4#鉆孔采用?120mm/?153mm→?153mm/?193mm兩次擴(kuò)孔方法施工，通過(guò)減小單級(jí)擴(kuò)孔鉆頭切削破巖量，利用孔口鉆機(jī)動(dòng)力保證擴(kuò)孔鉆進(jìn)效率，擴(kuò)孔平均機(jī)械鉆速可達(dá)15m/h；然而，兩次擴(kuò)孔的總進(jìn)尺量成倍增大，鉆擴(kuò)綜合成孔周期相對(duì)長(zhǎng)，耗費(fèi)班次平均達(dá)到17個(gè)，折算班均鉆進(jìn)進(jìn)尺27.5m左右，日均鉆進(jìn)進(jìn)尺82.5m左右。

6#鉆孔采用多動(dòng)力一次鉆擴(kuò)方法施工，擴(kuò)孔施工平均機(jī)械鉆速為12.3m/h，機(jī)械鉆速對(duì)應(yīng)孔深變化曲線如圖7所示。全孔鉆擴(kuò)累積耗時(shí)11個(gè)班次，折算班均鉆進(jìn)進(jìn)尺42.3m，日均進(jìn)尺126.9m，較常規(guī)多次擴(kuò)孔方法提升53.8%。

圖7 6#試驗(yàn)孔機(jī)械鉆速變化曲線

7#鉆孔采用多動(dòng)力一次鉆擴(kuò)方法施工，擴(kuò)孔施工平均機(jī)械鉆速為11.1m/h，機(jī)械鉆速對(duì)應(yīng)孔深變化曲線如圖8所示，鉆擴(kuò)累積耗時(shí)12個(gè)班，折算班均鉆進(jìn)進(jìn)尺為37.0m，日均鉆進(jìn)進(jìn)尺達(dá)到111.0m，較常規(guī)多次擴(kuò)孔方法提升34.5%。

圖8 7#試驗(yàn)孔機(jī)械鉆速變化曲線

經(jīng)過(guò)上述對(duì)比分析，同等地層條件下，多動(dòng)力一次鉆擴(kuò)方法機(jī)械鉆速較高，輔助工程量大幅降低，能夠?qū)崿F(xiàn)?120/?200mm大直徑定向長(zhǎng)鉆孔的安全高效鉆擴(kuò)成孔，綜合成孔效率較兩次擴(kuò)孔方法提高25%以上。

5 結(jié) 論

1)多動(dòng)力鉆孔技術(shù)利用鉆機(jī)和泥漿泵(車)兩種動(dòng)力源、以孔口機(jī)械能和孔底壓力能多動(dòng)力聯(lián)合碎巖，解決了單一孔口動(dòng)力鉆擴(kuò)頂板高位大直徑定向孔過(guò)程中孔口動(dòng)力隨孔深增加傳遞效果變差、鉆進(jìn)效率降低的難題。

2)研制的專用螺桿馬達(dá)和分體式雙鉆頭能夠?qū)崿F(xiàn)孔徑120mm到200mm一次鉆擴(kuò)成孔，大幅降低了擴(kuò)孔起下鉆具作業(yè)量。

3)多動(dòng)力鉆擴(kuò)技術(shù)裝備井下實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，在典型頂板砂巖層中平均機(jī)械鉆速可達(dá)10m/h以上，同等條件下綜合成孔效率可提高25%以上，為頂板高位大直徑定向孔高效鉆擴(kuò)成孔提供了新技術(shù)裝備支持。