冀 凱

河南龍宇能源股份有限公司陳四樓煤礦 河南永城 476600

通過(guò)鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯抽采是我國(guó)目前瓦斯治理的主要方法之一，可以有效降低煤層瓦斯含量和壓力[1-2]。受制于煤層破碎、地應(yīng)力大、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜等因素，在鉆孔過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)卡鉆、塌孔、排渣困難等現(xiàn)象，導(dǎo)致成孔困難[3-4]。根據(jù)巖石力學(xué)相關(guān)理論[5]，巷道形成以后，垂直于巷道方向由近至遠(yuǎn)依次形成破碎區(qū)、塑性區(qū)、彈性區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。在鉆孔施工過(guò)程中，鉆孔將依次穿過(guò)上述區(qū)域。根據(jù)實(shí)際觀察和相關(guān)資料[6-7]，當(dāng)鉆孔穿過(guò)塑性區(qū)和彈性區(qū)時(shí)，更容易出現(xiàn)卡鉆、塌孔、排渣困難等現(xiàn)象，不僅不利于成孔，也給后續(xù)的封孔工作帶來(lái)極大的不便，成孔、封孔效果不佳，抽采效果不理想。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外不少學(xué)者都開(kāi)展了相關(guān)的研究，并開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的技術(shù)及裝備[8-11]，但是破碎煤層鉆進(jìn)效率低、成孔效果差的問(wèn)題依然普遍存在[12-13]。為了解決陳四樓煤礦遇到的類(lèi)似問(wèn)題，結(jié)合該礦的實(shí)際特點(diǎn)，提出了在鉆孔過(guò)塑性區(qū)和彈性區(qū)時(shí)，采用隨管護(hù)孔的鉆進(jìn)技術(shù)。同時(shí)對(duì)比分析螺旋鉆進(jìn)氮?dú)廨o助排渣和干式螺旋排渣的優(yōu)劣，得出最適合該礦的鉆進(jìn)工藝。

1 瓦斯抽采鉆孔成孔難問(wèn)題分析

21210 工作面北為 DNF14 正斷層及其保護(hù)煤柱，南為北部西翼集中膠帶運(yùn)輸巷、北部西翼軌道下山、北部西翼回風(fēng)下山及其保護(hù)煤柱，西為 21211 工作面采空區(qū)，東為尚未開(kāi)采的 21209 工作面實(shí)體煤，走向長(zhǎng)度為 855～897 m。

該礦以往采用的鉆機(jī)型號(hào)為 ZDY6000LR 和ZYW-1900R，鉆桿直徑均為 73 mm，排渣工藝為干式螺旋排渣。在破碎區(qū)，雖然煤體破碎較為嚴(yán)重，但是距離孔口距離短，因此排渣較為正常。當(dāng)鉆進(jìn)至塑性區(qū)和彈性區(qū)時(shí)，由于應(yīng)力增大，加上干式螺旋排渣效率低，因此排渣困難。此外，塑性區(qū)煤體較為破碎，因此容易出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，造成鉆進(jìn)困難，難以成孔。當(dāng)鉆頭穿過(guò)塑性區(qū)和彈性區(qū)，由于該區(qū)域塌孔，會(huì)給鉆桿增加額外的阻力，隨著鉆孔深度的增加，鉆進(jìn)阻力增大，導(dǎo)致難以進(jìn)行長(zhǎng)距離鉆進(jìn)。

2 隨管護(hù)孔及氮?dú)廨o助排渣聯(lián)合鉆進(jìn)工藝研究

21210 工作面煤層破碎，地應(yīng)力高，為了解決鉆孔成孔難的問(wèn)題，需從 2 個(gè)方面入手：①護(hù)孔，防止鉆孔塌孔；②優(yōu)化鉆具組合，提高鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩，增加鉆進(jìn)深度?；诖耍P者研究了隨管護(hù)孔及氮?dú)廨o助排渣聯(lián)合鉆進(jìn)工藝。

2.1 隨管護(hù)孔工藝研究

隨管護(hù)孔工藝是指在鉆進(jìn)過(guò)程中，若由于地應(yīng)力高、煤層破碎等原因無(wú)法一次鉆進(jìn)成孔時(shí)，可采用特定的多級(jí)套管鉆具，對(duì)塌孔孔壁進(jìn)行徑向支護(hù)，從而減小塌孔對(duì)鉆進(jìn)造成的影響。不采用護(hù)孔進(jìn)行鉆進(jìn)時(shí)，稱為一級(jí)成孔；在一級(jí)成孔的基礎(chǔ)上進(jìn)行護(hù)孔時(shí)，稱為二級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)；在二級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上再進(jìn)行護(hù)孔的，稱為三級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)，依次類(lèi)推。結(jié)合21210 工作面的實(shí)際情況，一般采用二級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)和三級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)。

(1) 二級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn) 根據(jù)實(shí)踐得出，在鉆頭剛經(jīng)過(guò)塑性區(qū)和彈性區(qū)時(shí)，并不會(huì)立刻出現(xiàn)塌孔。而隨著鉆進(jìn)的不斷進(jìn)行，受到外力的擾動(dòng)，鉆孔開(kāi)始塌孔。加上鉆進(jìn)深度大，鉆桿阻力增大，排渣能力差，容易造成積渣。此時(shí)可采用二級(jí)套管，如圖1 所示。

圖1 二級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)示意Fig.1 Diagram of drilling with second-stage hole protection

(2) 三級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn) 如果遇到破碎嚴(yán)重或者地應(yīng)力較大的煤層，采用二級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)時(shí)，隨著鉆孔的不斷加深，在鉆孔的某個(gè)區(qū)域又會(huì)出現(xiàn)塌孔。此時(shí)二級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)已無(wú)法滿足鉆進(jìn)需求，需要在二級(jí)護(hù)孔的基礎(chǔ)上采用三級(jí)護(hù)孔裝置，從而改善二級(jí)套管的作業(yè)環(huán)境，使其可以隨著一級(jí)鉆頭前進(jìn)至更深位置，改善一級(jí)鉆頭的作業(yè)環(huán)境，如圖2 所示。

圖2 三級(jí)護(hù)孔鉆進(jìn)示意Fig.2 Diagram of drilling with third-stage hole protection

2.2 氮?dú)廨o助排渣工藝研究

氮?dú)廨o助排渣工藝是對(duì)該礦原有的干式螺旋鉆機(jī)鉆桿進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)，使其可以輸水、輸氣。該工藝配備 1 套制氮裝置，將具有一定壓力的氮?dú)廨斎脬@桿，使氮?dú)饩邆錄_洗排渣的作用，此外還能夠?qū)︺@頭、鉆桿進(jìn)行降溫，避免煤自燃[14-15]。

2.3 鉆機(jī)改進(jìn)

為了滿足隨管護(hù)孔鉆進(jìn)的需求，對(duì)該礦原有的ZDY6000LR 鉆機(jī)進(jìn)行改進(jìn)。

(1) 增大傳動(dòng)比 對(duì)回轉(zhuǎn)器齒輪箱的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，將一級(jí)傳動(dòng)改為行星齒輪進(jìn)行傳動(dòng)，增大了傳動(dòng)比。

(2) 加大鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩 將鉆機(jī)最大轉(zhuǎn)矩由 6 500 N·m提高至 10 000 N·m，同時(shí)對(duì)夾持器的夾緊力和托板進(jìn)行校核，從而保證鉆機(jī)在高轉(zhuǎn)速和高轉(zhuǎn)矩的狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行。

(3) 提高鉆機(jī)機(jī)動(dòng)性 采用中心通孔的結(jié)構(gòu)，能夠進(jìn)行中間和后方加桿，從而實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)鉆具和跟管鉆具加卸，提高了鉆機(jī)的機(jī)動(dòng)性。

采取以上改進(jìn)措施后，提高了鉆桿和鉆頭的轉(zhuǎn)速，增加了煤渣離心力，以利于排渣；同時(shí)，當(dāng)出現(xiàn)卡鉆時(shí)，改造后的鉆機(jī)具備大轉(zhuǎn)矩，采用強(qiáng)力起拔、快速加壓和釋放給進(jìn)力、強(qiáng)力回轉(zhuǎn)等措施，對(duì)鉆桿進(jìn)行振動(dòng)，以解除卡鉆狀態(tài)。

2.4 鉆具選型

在松軟破碎煤層中鉆進(jìn)時(shí)，經(jīng)常出現(xiàn)塌孔的情況，導(dǎo)致排渣量大。若煤渣無(wú)法及時(shí)排出，則容易出現(xiàn)卡鉆，影響鉆進(jìn)施工。因此，需要選配高效、耐用的鉆具。結(jié)合該礦原有的鉆機(jī)和煤層特點(diǎn)，選取 4 種鉆桿進(jìn)行試驗(yàn)：①φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋鉆桿+氮?dú)廨o助排渣；②φ89 mm 三棱螺旋鉆桿+氮?dú)廨o助排渣；③φ60.3/95 mm 插接式螺旋鉆桿+干式螺旋排渣；④φ73/89 mm 寬翼片螺旋鉆桿+氮?dú)廨o助排渣。

根據(jù)鉆進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)卡鉆情況來(lái)判斷是否采用二級(jí)護(hù)孔和三級(jí)護(hù)孔。如果無(wú)卡鉆情況，則直接采用一級(jí)成孔鉆具進(jìn)行鉆進(jìn)。

在一級(jí)成孔鉆具鉆進(jìn)困難時(shí)，采用二級(jí)套管鉆具鉆進(jìn)至一級(jí)成孔鉆具鉆頭位置支護(hù)孔壁，一級(jí)成孔鉆具繼續(xù)鉆進(jìn)；若再次出現(xiàn)鉆進(jìn)困難，采用三級(jí)套管鉆具鉆進(jìn)至二級(jí)套管鉆具鉆頭位置進(jìn)行孔壁支護(hù)，改善二級(jí)套管鉆具鉆進(jìn)環(huán)境，使其能跟管鉆進(jìn)至一級(jí)成孔鉆具鉆頭位置支護(hù)孔壁，一級(jí)成孔鉆具繼續(xù)向深部鉆進(jìn)至目標(biāo)孔深。

考慮到鉆孔直徑和各級(jí)鉆具間隙排渣效果，一級(jí)成孔鉆具為φ89～100 mm，二級(jí)套管選用φ127 mm套管鉆桿和φ146 mm 鉆頭，三級(jí)套管選用φ160 mm套管鉆桿和φ179 mm 鉆頭。

由于不同的鉆進(jìn)工序，一級(jí)成孔鉆具選用正絲，則二級(jí)套管鉆具選用反絲絲扣連接，三級(jí)套管鉆具選用正絲絲扣連接。

3 隨管護(hù)孔及氮?dú)廨o助排渣聯(lián)合鉆進(jìn)工藝現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 工作面概況

21210 工作面走向長(zhǎng)度為 855～897 m，煤層厚度為 0.3～ 4.0 m，平均厚度為 2.37 m，煤層傾角為 3°～12°，平均為 8°。煤層斷層較多，煤體發(fā)脆，煤體強(qiáng)度低，自身承載能小。

3.2 鉆孔布置

鉆孔垂直于巷道沿煤層走向布置，綜合考慮煤體滲透系數(shù)、瓦斯賦存情況和抽采時(shí)間，鉆孔布置間距為 4.0 m，設(shè)計(jì)孔深 130 m，鉆孔傾角為 -10°～ 3°，開(kāi)孔高度為 1.6 m。本次試驗(yàn)共施工鉆孔 70 個(gè)。

3.3 不同鉆進(jìn)工藝效果分析

采用該礦原有鉆進(jìn)工藝時(shí)，鉆孔的最大深度僅為43 m，終孔原因均為塌孔卡鉆。采用隨管護(hù)孔鉆進(jìn)工藝后，鉆孔的最大深度達(dá)到 130 m，平均深度為 84.7 m。其中有 50 個(gè)鉆孔采用二級(jí)護(hù)孔，二級(jí)護(hù)孔管平均深度為 24.9 m，鉆孔平均深度為 90.2 m；30 個(gè)鉆孔采用三級(jí)護(hù)孔，三級(jí)護(hù)孔鉆管平均深度為 19.8 m，二級(jí)護(hù)孔管平均深度為 40.5 m，鉆孔平均深度為 79.1 m。

二級(jí)護(hù)孔工藝比傳統(tǒng)鉆進(jìn)工藝深度平均提高168%，三級(jí)護(hù)孔工藝比傳統(tǒng)鉆進(jìn)工作深度平均提高135%。由此說(shuō)明，隨管護(hù)孔工藝可以提高鉆孔成孔率，有利于瓦斯抽采。

二級(jí)護(hù)孔鉆孔平均深度之所以大于三級(jí)護(hù)孔，是由于在煤層更為破碎或地應(yīng)力更高的位置，二級(jí)護(hù)孔難以鉆進(jìn)至更深的區(qū)域時(shí)，方采用三級(jí)護(hù)孔工藝。該區(qū)域成孔困難，向深處鉆進(jìn)時(shí)，容易出現(xiàn)塌孔、卡鉆，因此鉆孔深度小于二級(jí)護(hù)孔。

采用不同鉆孔工藝試驗(yàn)結(jié)果如表1 所列。

表1 采用不同鉆孔工藝試驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Experiment results of different drilling technologies

由表1 可以看出，φ100/63.5-28 mm+氮?dú)廨o助排渣工藝鉆進(jìn)效率最高，鉆孔平均深度最大。這主要是因?yàn)榈獨(dú)廨o助排渣效率明顯高于干式螺旋排渣，且插接式鉆桿在遇到卡鉆時(shí)，可以進(jìn)行強(qiáng)力回轉(zhuǎn)，使鉆桿脫卡。因此，今后將選擇φ100/63.5-28 mm 插接式螺旋鉆桿+氮?dú)廨o助排渣工藝施工 21210 工作面其他鉆孔。

3.4 瓦斯抽采效果分析

為了驗(yàn)證鉆桿選型的合理性，對(duì)采用不同鉆桿施工的鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。鉆孔采用相同的抽采工藝，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 采用不同鉆孔工藝鉆孔的瓦斯抽采數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.3 Comparison of gas extraction data using different drilling technologies

由圖3 可以看出，采用φ100/63.5-28 mm 插接式螺旋鉆桿+氮?dú)廨o助排渣的鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)、單孔瓦斯平均抽采量均高于另外 3 種鉆孔，且衰減速率較小。這是由于該鉆孔的平均深度最大且鉆孔直徑大，因此鉆孔影響范圍大，抽采瓦斯體積分?jǐn)?shù)和單孔抽采量都更高。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析陳四樓煤礦巷道圍巖應(yīng)力和不同區(qū)域煤體破壞情況，找出了該礦鉆孔成孔難的原因，在此基礎(chǔ)上，研究應(yīng)用了隨管護(hù)孔和氮?dú)廨o助排渣聯(lián)合鉆進(jìn)工藝。采用該工藝后，鉆孔的最大深度可以達(dá)到 130 m，鉆孔的平均深度可以達(dá)到 84.7 m，比傳統(tǒng)工藝提高了 152%。經(jīng)試驗(yàn)對(duì)比，采用鉆桿型號(hào)為φ100/63.5-28 mm 的插接式螺旋鉆桿和氮?dú)廨o助排渣組合工藝取得的鉆進(jìn)效果及瓦斯抽采效果最好。