張 俞

（1.瓦斯災害監(jiān)控與應急技術國家重點實驗室，重慶 400039；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400039）

目前，我國抽采瓦斯最普遍的方法是利用鉆孔對開采工作面煤層瓦斯提前預抽[1-3]。井下瓦斯抽采鉆孔的形式主要有水平定向鉆孔、常規(guī)穿層孔以及本煤層鉆孔[4-6]。然而我國松軟煤層遭受了地質構造運動，導致煤體原生裂隙被破壞，煤體變軟，結構復雜，透氣性減小[7-11]，且煤體強度比巖層小，井下鉆孔液柱壓力遠遠小于地層壓力，孔內支撐壓力非常小，另外受地應力、煤層瓦斯含量和煤體強度等因素影響，松軟煤層瓦斯抽采孔鉆進時極易變形甚至坍塌，造成卡鉆。此外，由于開采活動引起的鉆孔周圍應力的二次分布，會造成煤體位移形變，更易引起鉆孔坍塌[12-14]。隨著定向鉆孔在煤礦井下的大面積推廣，近水平定向長鉆孔逐漸成為煤礦瓦斯治理的主要方式之一，長距離定向鉆孔遭受塌孔的危害更容易發(fā)生卡鉆失效[15]。為了減少卡鉆事故的發(fā)生，需要對卡鉆的原因及解卡機理進行分析，以指導鉆具的設計，減少鉆孔卡鉆事故發(fā)生的概率。

1 近水平孔孔卡鉆的形成過程

鉆孔坍塌和鉆渣排出不暢是煤礦井下進水平孔卡鉆的主要原因。我國大部分地區(qū)煤層及其相近地層大多具有強度低、節(jié)理發(fā)育、連續(xù)性差、應力復雜等特點，且煤層頂?shù)装迳踔撩簩又谐０橛袑永戆l(fā)育的泥頁巖層。鉆孔過程中應力的重新分配以及鉆具的振動，極易造成煤層塌孔和泥頁巖層以片狀脫落[16-18]。

卡鉆事故表現(xiàn)為排渣通道被堵死，排渣介質無法循環(huán)而導致鉆具最終被完全抱死在孔內，無法轉動或起拔。根據(jù)煤礦井下鉆孔的施工情況，當鉆孔發(fā)生塌孔時，鉆柱不會立刻被抱死，而是經(jīng)過塌落巖渣逐漸填實而導致塌落段巖渣與鉆柱的摩擦力逐漸增大，最終鉆柱被完全抱死的發(fā)展過程。按其卡鉆的程度分為3 個階段，鉆孔塌孔抱鉆過程示意圖如圖1。

圖1 鉆孔塌孔抱鉆過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of hole collapse and hold drilling process

2 卡鉆力學模型

為了有針對性的分析卡鉆的受力本質，只選取受阻段的鉆柱和巖渣作為分析對象。

在受阻段，堆積的巖屑與巖屑之間會產(chǎn)生相互作用力，其大小受巖屑堆積的密實程度和巖屑本身的巖石力學性質影響；巖屑與鉆具、孔壁之間會產(chǎn)生支撐力、摩擦力等。鉆柱受鉆機提供的拉力為F，力矩為M。并不考慮鉆柱和鉆孔彎曲的情況。

2.1 卡鉆階段1 受力

卡鉆階段1 受力示意圖如圖2。由于受阻段巖渣未被完全壓實，排渣循環(huán)氣體能夠部分循環(huán)的情況下，鉆柱所受阻力主要是由堆積巖渣和鉆柱本身重力而產(chǎn)生的摩擦力。

圖2 卡鉆階段1 受力示意圖Fig.2 Schematic diagram of stress in holding stage I

不考慮鉆頭被受阻段卡住的情況，鉆柱所受摩擦力Ff為：

式中：μ 為巖屑與鉆桿外壁接觸面的摩擦系數(shù)，巖石和金屬之間的靜摩擦系數(shù)在無潤滑條件下大約為0.3～0.4；m 為孔內產(chǎn)生摩擦力的有效鉆桿質量，kg；ms為阻塞段產(chǎn)生摩擦力的有效巖屑質量，kg。

當巖屑填滿塌孔段時，ms達到最大值，此時：

式中：ρs為巖屑密度，一般在1.2～3.8 g/cm3之間；L 為塌孔段長度，m；D1為塌孔段當量直徑，m；d為鉆桿直徑，m；e 為鉆桿在塌孔段的偏心距，m。

旋轉時，鉆柱所受摩擦力矩Mf為：

根據(jù)以上分析，在卡鉆階段1，鉆桿所受阻力主要來自鉆桿自重和堆積巖屑的重力產(chǎn)生的摩擦力，其值小于鉆機動力，所以在這個階段鉆桿能夠來回拉動和旋轉。以ZYWL-6000 鉆機配套φ73 mm 鉆桿為例，假設塌孔孔徑為130 mm，塌孔段長10 m，取完全填滿且偏心e=20 mm 時的重力值進行計算，并假設此時施工孔深為600 m，取摩擦系數(shù)0.4，此時計算出極限為摩擦力為38 400 N，摩擦力矩為1 402 N·m。其值遠小于鉆機的極限能力6 000 N·m。

2.2 卡鉆階段2 和卡鉆階段3 受力

卡鉆階段2、階段3 受力示意圖如圖3。受阻段被巖屑填滿，排渣氣體無法循環(huán)。此時，鉆柱所受阻力除了堆積巖渣和鉆柱本身重力產(chǎn)生的摩擦力以外，還受到巖屑內部擠壓而產(chǎn)生的摩擦力。

圖3 卡鉆階段2、階段3 受力示意圖Fig.3 Schematic diagram of stress in the second and the third stage of holding drill

鉆桿所受摩擦力Ff為：

式中：σ 為作用在剪切面上的法向應力，kPa。

σ 是由于塌孔段巖石圍壓和孔壁反作用力綜合作用產(chǎn)生的巖屑內部應力，其大小受塌孔段巖屑的密實程度，并與坍塌段所受圍巖作用力的大小等相關。與塌孔階段1 相比，鉆柱所承受的巖屑內部擠壓應力所產(chǎn)生的摩擦力為主要作用力，與塌孔段長度和σ 大小成正比，當其達到一定程度后，使得阻力大于鉆機能力的極限時，鉆柱則被完全抱死。此時：

式中：Fmax為鉆機極限起拔力，N；Mmax為鉆機極限扭矩，N·m。

3 解卡機理

影響卡鉆程度的主要因素有：

1）堵塞段長度。堵塞巖屑在環(huán)空當中堆積時，鉆具與巖屑和井壁相互接觸并具有較大的相互擠壓力，使得接觸面獲得了較大的靜摩擦力。此靜摩擦力隨著堵塞段的增加而增大，解卡的阻力也隨之增大。

2）巖屑堆積的緊密程度。巖屑堆積越緊密，巖屑之間的作用力就越強，巖屑與環(huán)空井壁、鉆具的相互作用力就越強，解卡的阻力也隨之增大。

3）堵塞段堆積的巖屑自身性質。堆積巖屑的巖石力學強度關系到解卡時巖屑受破壞的難易。而巖屑的表面性質關系到巖屑與巖屑之間、巖屑與鉆具和孔壁之間的摩擦系數(shù)。巖屑表面越粗糙，摩擦系數(shù)越大，在相互作用力一定的情況下，摩擦系數(shù)越大使得最大靜摩擦力越大，那么巖屑與巖屑之間的相互滑動、巖屑與環(huán)空鉆具、井壁之間的相互滑動就越困難。因此巖屑的自身性質也與卡鉆的嚴重程度有關。

這些影響因素中，孔壁的粗糙度和巖屑自身的性質是客觀因素，解卡需要著重考慮巖屑堆積的密實度和堵塞段長度2 個因素。密實程度決定了堵塞段巖屑的相互作用力，堵塞長度則線性的增加了卡鉆摩擦力的大小?？ㄣ@的過程，實際上是巖屑從松散到被動壓實的過程，巖屑的壓實程度決定了巖屑之間的相互作用力的大小，也就決定了鉆桿與巖屑之間的摩擦力大??；宏觀上，超過一定的密實度，巖屑之間的相互作用使得堵塞段巖屑成為一個整體，依靠排渣介質的壓力無法將堵塞段整體排開。所以，解卡的關鍵要素是要破壞巖屑間的相互作用。

首先，需要通過旋轉特殊結構的鉆桿破壞巖屑之間的相互作用力。旋轉時，巖屑受鉆柱的作用呈受剪狀態(tài)，巖屑的抗剪強度體現(xiàn)巖屑之間抵抗剪切破壞的能力，當巖屑受到載荷作用后，巖屑中各點將產(chǎn)生剪應力，若某點的剪應力達到其抗剪強度，在剪切面兩側的堆積體將產(chǎn)生相對位移而發(fā)生活動破壞抗剪強度：

式中：τf為抗剪強度，kPa；φ 為巖屑之間的內摩擦角，（°）。

巖屑的內摩擦角反映了巖屑的摩擦特性，一般認為包含2 個部分：巖屑顆粒的表面摩擦力，顆粒間的嵌入和聯(lián)鎖作用產(chǎn)生的咬合力。其大小和巖屑的形狀有關，如有棱角的巖屑要比圓粒的更多咬合，故其內摩擦角大；其大小還和密實程度和級配有關，密實程度越高，級配越好，巖屑之間的接觸面積越大，內摩擦角就越大。

其次，依靠特殊結構鉆桿的旋轉對堵塞段靠近鉆桿外壁的巖屑進行局部輸送，降低堵塞段的壓實程度（降低內摩擦角φ），使得巖屑間的作用力得到主動釋放（表現(xiàn)為壓應力σ 減小和抗剪強度τf的降低），使得巖屑從被動壓實的狀態(tài)變?yōu)槠溟g相互作用力的釋放而形成松散態(tài)，從而降低抱緊力。進而依靠鉆桿的持續(xù)自轉和偏心公轉形成排渣通道，配合排渣介質的循環(huán)搬運實現(xiàn)完全解卡。

4 鉆桿設計

為了實現(xiàn)受阻段的解卡，鉆桿采用帶刃口的L型螺旋槽結構，L 型螺旋槽鉆桿解卡示意圖如圖4。

圖4 L 型螺旋槽鉆桿解卡示意圖Fig.4 Schematic diagram of releasing stuck L-shaped spiral groove drill pipe

L 型螺旋槽鉆桿解卡原理：一方面，鉆桿旋轉時可以有效降低巖屑沉積；另一方面，刃口的犁削作用會破壞巖屑之間的相互作用力，使得切削范圍內的巖屑與外部巖屑分離；同時，螺旋槽平面端會引導巖屑進入槽內，在側壓力作用下，巖屑緊貼螺旋槽壁被螺旋輸送。持續(xù)的旋轉可以使得巖屑逐漸從被動壓實的狀態(tài)變?yōu)樗缮B(tài)，從而降低巖屑對鉆桿的抱緊力，最終可以實現(xiàn)堵塞段的疏通而實現(xiàn)解卡。

5 排渣性能試驗

排渣性能試驗方案圖如圖5。

圖5 排渣性能試驗方案圖Fig.5 Slag discharge performance test scheme diagram

試驗采用鋼管內壁模擬鉆孔孔壁，鋼管內孔直徑為φ94 mm，鋼管連接長度為30 m。進水口連接泥漿泵出口管路。試驗時，先在進渣口加滿煤屑（以模擬孔內充滿煤屑的狀態(tài)），鉆機動力頭帶動鉆桿旋轉，泥漿泵驅動一定流量的水從鉆桿與鋼管之間的環(huán)狀間隙往外流出作為排渣介質，同時以一定的速度從進渣口添加煤屑。通過觀測煤屑排出量來判斷不同類型鉆桿的排渣性能優(yōu)劣。

試驗參數(shù)：①泥漿泵排出流量150 L/min；②鉆桿轉速90 r/min；③添加煤屑總質量20 kg；④試驗時間6 min。試驗鉆桿種類：①φ73 mm U 型螺旋槽鉆桿；②φ73 mm 三棱鉆桿；③φ73 mm L 型螺旋槽鉆桿。排渣試驗結果見表1。

表1 排渣試驗結果Table 1 Slag discharge test results

通過試驗結果可以看出，同等工況下，L 型螺旋槽鉆桿排出的煤屑量較U 型螺旋槽鉆桿和三棱鉆桿多2 kg 以上，表明U 型螺旋槽鉆桿和三棱鉆桿在孔內沉積的煤屑較L 型螺旋槽鉆桿多，排渣性能為L 型螺旋槽鉆桿最優(yōu)。

6 現(xiàn)場試驗

2021 年6 月在首山一礦己15-17-12120 機巷抽放巷進行了φ73 mm L 型螺旋槽鉆桿與常規(guī)U 型槽螺旋鉆桿的對比鉆孔試驗，成孔直徑為φ94 mm，鉆孔累計進尺為5 378 m，已統(tǒng)計到的解卡次數(shù)為50 次，具有良好的排渣和解卡功能。其中：旋槽鉆桿卡鉆易發(fā)生在煤巖交接的位置，試驗中共鉆孔深度為250 m，共發(fā)生卡鉆事故11 次，發(fā)生卡鉆后，最大解卡旋轉壓力為16 MPa；型槽螺旋鉆桿共鉆孔250 m，發(fā)生卡鉆事故為16 次，最大解卡壓力為19 MPa。

L 型螺旋槽鉆桿鉆孔時旋轉壓力隨孔深變化的曲線如圖6，U 型槽螺旋鉆桿鉆孔時旋轉壓力變化曲線如圖7。

圖6 L 型螺旋槽鉆桿鉆進時旋轉壓力變化圖Fig.6 Rotary pressure variation diagrams of L-shaped spiral groove drill pipe during drilling

圖7 U 型螺旋槽鉆桿鉆進時旋轉壓力變化圖Fig.7 Rotary pressure variation diagram of U-shaped spiral groove drill pipe during drilling

由圖6 和圖7 可知：在相同地層和相同鉆孔參數(shù)，L 型螺旋槽鉆桿發(fā)生卡鉆為11 次，而U 型槽鉆桿發(fā)生卡鉆事為16 次，L 型螺旋槽鉆桿相比U 型槽鉆桿排渣更有效，更有利于應對巖屑突然增多的特殊情況。L 型螺旋槽鉆桿的解卡最大壓力為16 MPa，U 型槽鉆桿最大解卡壓力為19 MPa，因此，在發(fā)生塌孔后，L 型螺旋槽鉆桿的解卡能力優(yōu)于U 型槽鉆桿。

7 結 語

煤礦井下瓦斯治理過程中，近水平長鉆孔的應用越來越多，而煤巖交界地層往往比較破碎，易塌孔，易造成卡鉆事故。所以相應鉆桿的結構必須具備攪動破壞孔內積聚巖屑相互作用力和高效排渣的能力，從而減少和避免卡鉆事故的發(fā)生。L 型螺旋槽鉆桿的設計遵循了解卡機理對鉆桿排渣結構的要求，對鉆進過程中的防卡和解卡有較大的作用。