王小龍，劉京科

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤與瓦斯突出是影響煤礦安全的重大隱患之一[1-2]。為消除及減輕煤與瓦斯突出的風(fēng)險(xiǎn)，煤礦井下普遍采用鉆機(jī)施工瓦斯抽放鉆孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，通過預(yù)抽采瓦斯降低煤層中的瓦斯壓力，以有效預(yù)防煤與瓦斯突出安全事故的發(fā)生。

目前，常用的施工方法有2 種：①采用隨鉆軌跡儀在鉆孔施工的同時(shí)進(jìn)行鉆孔軌跡的測(cè)量，終孔后起出鉆桿及測(cè)量?jī)x器，再下入篩管封孔后進(jìn)行瓦斯預(yù)抽；②在鉆孔施工完成后起出鉆桿，再采用鉆機(jī)推送式軌跡儀進(jìn)行軌跡測(cè)量，最后下入篩管封孔后進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。這2 種鉆孔施工技術(shù)對(duì)于瓦斯含量高、煤體結(jié)構(gòu)碎軟、透氣性差的碎軟煤層（硬度系數(shù)）有很大的局限[3-4]。對(duì)于高瓦斯、低透氣性的碎軟煤層，提鉆后極易出現(xiàn)噴孔、塌孔的孔內(nèi)事故，常導(dǎo)致軌跡測(cè)量不到位、篩管護(hù)孔不到位，降低了鉆孔成孔率，產(chǎn)生了瓦斯抽采空白帶。

針對(duì)高瓦斯碎軟煤層鉆孔護(hù)孔及測(cè)孔的實(shí)際需求，為提高鉆孔瓦斯抽采效果，消除或減小瓦斯抽采盲區(qū)，提出了針對(duì)高瓦斯碎軟煤層鉆孔施工的新技術(shù)，即鉆孔護(hù)孔測(cè)孔一體化的方法，并開發(fā)了配套的裝置。該技術(shù)從施工工藝上將鉆孔、護(hù)孔及測(cè)孔3 個(gè)獨(dú)立的工作作為一個(gè)整體考慮：首選采用大通徑螺旋鉆桿配合可開閉式鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，鉆進(jìn)結(jié)束提鉆前從鉆桿尾部中心送入前端帶有懸掛器的篩管，當(dāng)懸掛器的前端頂開可開閉式鉆頭的中心刀頭伸出鉆頭時(shí)懸掛器自動(dòng)打開傘狀固定翼，固定翼卡在鉆孔孔壁上使得懸掛器及篩管固定在孔內(nèi)；隨后起出鉆桿及鉆頭，利用手推桿將手推式軌跡儀探管送入篩管尾部中心，每送進(jìn)1 根手推桿，進(jìn)行1 個(gè)點(diǎn)的軌跡測(cè)量，測(cè)量完成后起出手推式軌跡儀探管，將測(cè)量數(shù)據(jù)導(dǎo)入防爆手機(jī)進(jìn)行軌跡計(jì)算及成圖；最后完成封孔進(jìn)行瓦斯預(yù)抽。采用該技術(shù)保證了鉆孔有多深，護(hù)孔及測(cè)孔就有多深，實(shí)現(xiàn)了鉆孔、護(hù)孔及測(cè)孔的一體化及最大效能。

1 “鉆-護(hù)-測(cè)”一體化技術(shù)方案

瓦斯抽采鉆孔施工一直是制約高瓦斯、低滲透碎軟煤層瓦斯高效治理和安全生產(chǎn)的關(guān)鍵[5-6]。受現(xiàn)有技術(shù)與裝備的限制，我國(guó)煤礦主要采用底抽巷穿層鉆孔和順煤層對(duì)穿鉆孔進(jìn)行碎軟煤層瓦斯抽采[7-8]。通常先在待掘進(jìn)煤巷下部施工底抽巷，然后在底抽巷側(cè)幫或頂板向上施工穿層鉆孔，對(duì)待掘煤巷影響區(qū)內(nèi)瓦斯進(jìn)行抽采治理；在煤巷掘進(jìn)完成且采煤工作面圈閉后，再施工順煤層對(duì)穿孔，進(jìn)行工作面內(nèi)瓦斯抽采。

針對(duì)現(xiàn)有2 種鉆孔施工方法在碎軟煤層鉆孔成孔率及瓦斯抽采效率方面存在的局限性，提出鉆孔護(hù)孔及測(cè)孔一體化技術(shù)方案，即采用大通徑三棱螺旋鉆桿配合可開閉式鉆頭進(jìn)行鉆孔施工，在施工過程中采用井下管道系統(tǒng)壓風(fēng)排渣和螺旋鉆桿機(jī)械排渣，在鉆進(jìn)結(jié)束時(shí)從鉆桿尾部中心送入前端帶有懸掛器的PVC 篩管，隨著PVC 篩管的送入，懸掛器前進(jìn)到可開閉式鉆頭位置，在推力作用下懸掛器端頭頂開可開閉式鉆頭中心刀頭伸出到鉆頭前方，在自身彈簧張力的作用下，懸掛器2 個(gè)固定翼呈傘狀打開，使得2 個(gè)固定翼卡在孔底孔壁之上，從而實(shí)現(xiàn)懸掛器及篩管在孔內(nèi)的固定，提鉆起出鉆桿及鉆頭，再借助炭纖維手推桿將手推式軌跡儀探管送入篩管進(jìn)行軌跡測(cè)量，測(cè)量完成后起出軌跡儀探管進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及軌跡成圖，最后封孔完成瓦斯預(yù)抽采?！般@-護(hù)-測(cè)”一體化施工工藝流程圖如圖1。

圖1 “鉆-護(hù)-測(cè)”一體化施工工藝流程圖Fig.1 Integrated construction process flow chart of drilling, protection and measurement

2 “鉆-護(hù)-測(cè)”一體化所用裝置

2.1 大通徑三棱螺旋鉆桿及可開閉式鉆頭

1）大通徑三棱螺旋鉆桿。碎軟煤層塌孔或噴孔后會(huì)產(chǎn)生大量煤渣，超過正常鉆進(jìn)排渣量的數(shù)十倍，采用普通外平鉆桿無法實(shí)現(xiàn)及時(shí)排渣，經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐，采用三棱螺旋鉆桿配合高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)可以較好的解決排渣問題。三棱螺旋鉆桿的優(yōu)點(diǎn)明顯[9-10]：①鉆桿體采用摩擦焊接工藝焊接而成，鉆桿整體力學(xué)性能好，使用壽命長(zhǎng)；②鉆桿三角截面設(shè)計(jì)增大了鉆桿與孔壁間的環(huán)隙，排粉更加通暢；③鉆桿接頭采用雙頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，抗扭能力較常規(guī)接頭提高約30%；④高強(qiáng)度三棱螺旋鉆桿圓周上均布大導(dǎo)程螺旋槽，攪粉、排粉能力強(qiáng)。常用三棱螺旋鉆桿外徑φ73 mm，內(nèi)徑φ25 mm，為滿足“鉆-護(hù)-測(cè)”一體化所要求的下篩管要求，對(duì)普通三棱螺旋鉆桿做了改進(jìn)，三棱螺旋鉆桿外徑保持不變，其內(nèi)徑擴(kuò)大為φ36 mm，稱為大通徑三棱螺旋鉆桿，使得直徑φ32 mm的PVC 篩管可以送入三棱螺旋鉆桿內(nèi)。φ73/φ36 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿適配扭矩不大于3 200 的鉆機(jī),適配φ103 mm 可開閉式鉆頭，完全滿足普通回轉(zhuǎn)鉆機(jī)鉆孔施工的要求。大通徑三棱螺旋鉆桿實(shí)物如圖2。

圖2 大通徑三棱螺旋鉆桿Fig.2 Large diameter triangulated spiral drill pipe

2）可開閉式鉆頭?？砷_閉式鉆頭包括呈管狀的空心鉆頭體，鉆頭體后端設(shè)置有用于與鉆桿連接的內(nèi)螺紋，鉆頭體前端設(shè)置有活動(dòng)閥片和3 個(gè)切削齒，3 個(gè)切削齒沿空心鉆頭體圓周方向等間隔設(shè)置，活動(dòng)閥片一端通過銷軸與空心鉆頭體鉸接，另一端通過卡合機(jī)構(gòu)與設(shè)置在空心鉆頭體上的卡槽相卡合?？ê蠙C(jī)構(gòu)包括沿活動(dòng)閥片厚度方向穿設(shè)在活動(dòng)閥片上的彈簧和設(shè)置在彈簧兩端的鋼球，鋼球與彈簧固定連接，通過使鋼球脫離或卡入卡槽從而實(shí)現(xiàn)活動(dòng)閥片的開閉?？砷_閉式鉆頭的優(yōu)點(diǎn)有：①整個(gè)鉆頭為等直徑設(shè)計(jì)，無需采用旋轉(zhuǎn)退鉆方式退出鉆頭，避免了旋轉(zhuǎn)過程中對(duì)篩管造成的損壞；②半開放式凹槽結(jié)構(gòu)和中心翼片的設(shè)計(jì)，使得鉆頭體整體強(qiáng)度高，同時(shí)起到了輔助碎巖的作用；③鉆頭中心翼片在鉆頭內(nèi)孔外推力作用下呈90°打開，既實(shí)現(xiàn)了不退鉆下放篩管工藝，又保證了篩管的下放深度。可開閉式鉆頭實(shí)物如圖3。

圖3 可開閉式鉆頭Fig.3 Open/close optional bit

可開閉式鉆頭配套大通徑三棱螺旋鉆桿，當(dāng)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深后，可通過鉆桿內(nèi)孔下入相應(yīng)規(guī)格的篩管，實(shí)現(xiàn)“鉆到位，管到底”，從而有效提高松軟突出煤層護(hù)孔篩管下入深度，避免提鉆后鉆孔坍塌，保證瓦斯抽放效果[11]。

2.2 懸掛器及篩管

懸掛器是可將篩管固定于鉆孔孔壁的裝置，其帶有2 個(gè)可伸縮式固定金屬翼，懸掛器后端帶有螺紋絲扣，可與篩管對(duì)接。在自然狀態(tài)時(shí)，由于支撐固定金屬翼的彈簧張力的作用，2 個(gè)固定金屬翼向懸掛器前端呈傘狀打開。當(dāng)鉆進(jìn)施工結(jié)束后，懸掛器與篩管連接送入大通徑鉆桿內(nèi)部，由于鉆桿內(nèi)徑的約束，固定翼自動(dòng)收縮在懸掛器的空腔部分，當(dāng)懸掛器下至可開閉式鉆頭處，篩管后端推力使得懸掛器前端頂開可開閉式鉆頭的中心鉆頭，懸掛器伸出鉆頭，由于自身彈簧力的作用2 個(gè)固定金屬翼自動(dòng)呈傘狀打開，固定翼就會(huì)卡緊在鉆孔內(nèi)壁之上，從而保證在鉆桿及鉆頭退出時(shí)篩管保持不動(dòng)。懸掛器及篩管實(shí)物如圖4。

圖4 懸掛器及篩管Fig.4 Hanger and sieve tube

護(hù)孔篩管是在煤礦原有的篩管上進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化而成。增大篩眼直徑和密度，這樣更利于后期瓦斯抽采，從而提高瓦斯抽采效果。通過篩管材料力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行PP 管、PE 管、PVC 管的軸向形變性能、拉伸形變性能及壓縮形變性能測(cè)試，驗(yàn)證了PVC 管無論從軸向剛度和經(jīng)濟(jì)角度都是最合適的篩管材料。篩管之間聯(lián)接方式為絲扣連接。選取φ32 mm PVC 篩管和φ73/φ36 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿配套使用。

2.3 手推式軌跡儀

手推式軌跡儀主要包括軌跡測(cè)量探管、手持式控制終端及碳纖維手推桿。具體測(cè)量方法是鉆孔鉆進(jìn)施工完成，篩管下放到位并退出鉆桿及鉆頭后，將測(cè)量探管通過螺紋絲扣安裝在手推桿前端送入篩管內(nèi)進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量。由于篩管的護(hù)孔作用，即便是在碎軟煤層條件下，軌跡測(cè)量探管不存在埋鉆或送不進(jìn)去的風(fēng)險(xiǎn)與問題。

由于受篩管空間尺寸的限制，所開發(fā)的軌跡測(cè)量探管外徑為φ31 mm，測(cè)量探管長(zhǎng)度450 mm，可以適用于大多數(shù)下放過篩管的鉆孔軌跡測(cè)量。為滿足防水和抗振要求，測(cè)量探管設(shè)計(jì)了注塑減振套件和抗壓耐磨外管，測(cè)量探管耐水壓力達(dá)12 MPa。

鉆孔軌跡由3 個(gè)參數(shù)確定，即：鉆孔深度、鉆孔方位角、鉆孔傾角。鉆孔深度由手推桿個(gè)數(shù)確定（1根手推桿長(zhǎng)度為1 m），鉆孔方位角和傾角由軌跡測(cè)量探管測(cè)量獲得。軌跡測(cè)量探管原理框圖如圖5。

圖5 軌跡測(cè)量探管原理框圖Fig.5 Principle block diagram of track measuring probe tube

三軸一體的MEMS 加速度計(jì)敏感地球重力場(chǎng)的投影分量，相互正交的三軸磁感傳感器敏感地球磁場(chǎng)的投影分量，磁感傳感器和MEMS 加速度計(jì)的輸出經(jīng)采集模塊及A/D 模塊變換成數(shù)字信號(hào)送入STM32 單片機(jī)進(jìn)行處理解算，由三軸MEMS 加速度計(jì)測(cè)量值獲得鉆孔傾角，由三軸磁感傳感器測(cè)量值結(jié)合三軸MEMS 加速度計(jì)測(cè)量值獲得鉆孔方位角，可將測(cè)量的鉆孔傾角、方位角存儲(chǔ)在測(cè)量探管內(nèi)，也可以通過wifi 模塊傳輸?shù)绞殖质娇刂平K端，手持式控制終端結(jié)合記錄的鉆孔深度等數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡計(jì)算及軌跡成圖顯示。

手持式控制終端選用具有MA 認(rèn)證標(biāo)志的礦用防爆兼本安型手機(jī)，其搭載Android 系統(tǒng)，配套鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理專用APP 軟件，其主要功能有：①wifi連接：實(shí)現(xiàn)控制終端與測(cè)量探管之間的通訊，如指令傳輸，數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋虎诙〞r(shí)同步：通過定時(shí)同步讓測(cè)量探管和控制終端保持時(shí)間上精確一致，使控制終端記錄的深度數(shù)據(jù)和測(cè)量探管測(cè)量的方位角和傾角數(shù)據(jù)借助時(shí)間標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)匹配對(duì)準(zhǔn)；③數(shù)據(jù)傳輸：鉆孔軌跡測(cè)量完成后，通過wifi 建立通訊鏈接，將軌跡測(cè)量探管的數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞殖挚刂平K端以便后續(xù)數(shù)據(jù)處理；④鉆孔軌跡計(jì)算與顯示：手持式控制終端的鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理專用軟件利用鉆孔深度、方位角和傾角計(jì)算鉆孔軌跡及上下、左右偏差值并成圖顯示。

3 鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理

鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理主要包括：數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)校正、磁偏角配置、計(jì)算軌跡、軌跡成圖及數(shù)據(jù)輸出等。借助手持式控制終端上的鉆孔數(shù)據(jù)處理軟件可完成鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理。鉆孔軌跡數(shù)據(jù)處理軟件采用模塊化設(shè)計(jì)方法，鉆孔數(shù)據(jù)處理軟件主界面如圖6。

圖6 鉆孔數(shù)據(jù)處理軟件主界面Fig.6 Main interface of drilling data processing software

鉆孔方位角、傾角及深度數(shù)據(jù)經(jīng)均角全距法可獲得鉆孔軌跡數(shù)據(jù)。當(dāng)已知孔深L，傾角β 及方位角α，可以通過式（1）～式（3）計(jì)算出各測(cè)點(diǎn)的水平位移x，左右位移y 及上下位移z。

式中：βi為第i 個(gè)測(cè)點(diǎn)的傾角；αi為第i 個(gè)測(cè)點(diǎn)的方位角；α0為鉆孔主設(shè)計(jì)方位角；△Li為第i 個(gè)測(cè)段的長(zhǎng)度。

在獲得水平位移x，左右位移y 及上下位移z后，可繪制出基于鉆孔坐標(biāo)系的“水平位移-左右位移”圖和“水平位移-上下位移”圖?！八轿灰?左右位移”圖即鉆孔軌跡在鉆孔坐標(biāo)系下x－y 水平面上的投影圖，該圖反映了鉆孔軌跡在水平面的展布形態(tài)；“水平位移－上下位移”圖即鉆孔軌跡在鉆孔坐標(biāo)系下x－z 剖面上的投影圖，該圖反映了鉆孔軌跡在垂直剖面上的展布形態(tài)。正是這2 個(gè)平面圖清楚描繪了鉆孔軸線在三維空間的軌跡。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

瓦斯含量高、透氣性差的碎軟煤層在我國(guó)淮南、淮北、貴州等地區(qū)分布廣泛[12-13]。碎軟煤層“鉆-護(hù)-測(cè)”一體化技術(shù)在淮北礦業(yè)集團(tuán)所屬礦井進(jìn)行了推廣應(yīng)用，取得了良好的效果?；幢钡V業(yè)某煤礦為治理瓦斯災(zāi)害，在該礦866 底抽巷采用“鉆-護(hù)-測(cè)”一體化技術(shù)施工了大量穿層鉆孔。由于采用了“鉆-護(hù)-測(cè)”一體化施工技術(shù)，各個(gè)鉆孔的鉆進(jìn)、下篩管及測(cè)量均達(dá)到了鉆孔的設(shè)計(jì)深度，實(shí)現(xiàn)了鉆孔、護(hù)孔及測(cè)孔的最大一致，為改善鉆孔瓦斯抽采效果提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。鑒于“鉆-護(hù)-測(cè)”一體化技術(shù)對(duì)高瓦斯碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工的有效性及便捷性，目前淮北礦業(yè)集團(tuán)已在其所屬各礦進(jìn)行推廣應(yīng)用。

866 底抽巷位于8 煤層底板下方27～40 m，煤層底板下方為灰?guī)r層，各鉆場(chǎng)瓦斯抽采穿層鉆孔軸向間距為5 m，各鉆孔列間距也為5 m，鉆孔終孔穿過8 煤層頂板約3 m。根據(jù)“鉆-護(hù)-測(cè)”一體化施工對(duì)866 底抽巷14 號(hào)、16 號(hào)、18 號(hào)、20 號(hào)、22 號(hào)、24號(hào)鉆場(chǎng)共6 個(gè)連續(xù)鉆場(chǎng)共257 個(gè)鉆孔的軌跡測(cè)量數(shù)據(jù)，進(jìn)行了鉆孔軌跡計(jì)算及三維成圖，通過實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡的對(duì)比，可以對(duì)鉆孔抽采覆蓋區(qū)域及覆蓋盲區(qū)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，通過后續(xù)有針對(duì)性的補(bǔ)充鉆孔施工有效控制或消除鉆孔瓦斯抽采盲區(qū)，保障鉆孔瓦斯抽采全覆蓋。各鉆場(chǎng)鉆孔群軌跡及煤層頂?shù)装迦S顯示如圖7。

圖7 鉆孔軌跡與煤層頂?shù)装迦S顯示Fig.7 3D display of borehole track and coal seam roof and floor

5 結(jié) 語

針對(duì)高瓦斯、低滲透碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工現(xiàn)存的問題，提出鉆孔、護(hù)孔及測(cè)孔一體化技術(shù)方案，開發(fā)了配套的施工及測(cè)量裝置。“鉆-護(hù)-測(cè)”一體化技術(shù)在鉆進(jìn)施工結(jié)束時(shí)通過在鉆桿內(nèi)下入篩管并借助懸掛器將篩管固定于鉆孔底部孔壁上，提鉆后再利用手推式軌跡儀在篩管內(nèi)進(jìn)行鉆孔軌跡測(cè)量，通過這種施工技術(shù)，保證了鉆孔施工有多深，篩管護(hù)孔及鉆孔測(cè)量就有多深，實(shí)現(xiàn)了鉆孔、護(hù)孔及測(cè)孔的最大效能，為改善高瓦斯碎軟煤層鉆孔瓦斯抽采效果，消除或減小瓦斯抽采盲區(qū)提供了簡(jiǎn)單、有效的技術(shù)手段。