碎軟煤層空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)劉飛;梁道富;劉建林;楊冬冬【摘要】針對(duì)碎軟煤層鉆孔施工存在的鉆孔深度淺、成孔率低、瓦斯抽采效果差等問題，提出了基于空氣螺桿馬達(dá)施工的空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝技術(shù).從鉆速、鉆壓和供風(fēng)量等方面分析了空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝參數(shù)對(duì)鉆孔施工的影響.在貴州青龍煤礦開展現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，在16#碎軟煤層中共完成12個(gè)主孔、4個(gè)主分支孔施工,200m以上鉆孔成孔率達(dá)到94%,300m以上鉆孔成孔率達(dá)到75%,最大孔深406m,并取得了顯著的瓦斯抽采效果.％Inviewoftheproblemsofshallowboreholedepth,lowborehole-formingrateandpoorgasdrainageeffectinbrokensoftcoalseam,theaircompounddirectionaldrillingtechnologybasedonairscrewmotorconstructionisproposed.Fromdrillingspeed,drillingpressureandairsupply,theinfluenceofaircompounddirectionaldrillingparametersondrillingconstructionisanalyzed.ThefieldtestwascarriedoutinQinglongCoalMineofGuizhouProvince,13mainboreholesand4mainbranchboreholeswerecompletedin16#brokensoftcoalseam.Theboreholesabove200mreached94%,theboreholesabove300mreached75%,themaximumboreholedepthwas406m,andremarkablegasdrainageeffectwasachieved.【期刊名稱】《煤礦安全》【年(卷)，期】2019(050)007【總頁數(shù)】4頁(P116-119)【關(guān)鍵詞】碎軟煤層;空氣螺桿馬達(dá);定向鉆進(jìn);鉆進(jìn)裝備;瓦斯抽采【作者】劉飛;梁道富;劉建林;楊冬冬【作者單位】中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司膜西西安710077;貴州黔西能源開發(fā)有限公司，貴州畢節(jié)551507;中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司膜西西安710077;中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077【正文語種】中文【中圖分類】TD712煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)作為一種高效的鉆進(jìn)手段在煤礦井下區(qū)域瓦斯抽采、頂?shù)装逅χ卫?、隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素探查、頂板疏放水等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1-3］，主要利用螺桿馬達(dá)使鉆孔軌跡沿預(yù)定目標(biāo)延伸，實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)過程，具有鉆孔軌跡可控、延伸深度大、覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)。采用我國(guó)自主研發(fā)的定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備在井下中硬煤層定向鉆孔深度達(dá)到2311m［4］、在頂板巖層中定向鉆孔深度達(dá)到1026m［5］，取得了煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備的重大突破。但碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工還采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的方式，存在鉆孔深度淺、成孔率低、鉆孔軌跡不可控等問題，主要是因?yàn)樗檐浢簩咏Y(jié)構(gòu)破碎、機(jī)械力學(xué)強(qiáng)度低，瓦斯含量高，而煤礦井下常采用液驅(qū)螺桿馬達(dá)結(jié)合水力排渣方式進(jìn)行定向鉆進(jìn)和鉆孔排渣，對(duì)碎軟煤層鉆孔沖刷擾動(dòng)大，不利于瓦斯的解吸釋放，容易造成鉆孔塌孔、噴孔，因此，常規(guī)定向鉆進(jìn)技術(shù)不適合于碎軟煤層定向鉆孔施工。為實(shí)現(xiàn)碎軟煤層定向鉆進(jìn)，部分煤礦采用梳狀鉆孔定向鉆進(jìn)技術(shù)［6］、無線隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)［7］進(jìn)行碎軟煤層定向鉆進(jìn)試驗(yàn)，取得了一定的研究成果，但都是采用液驅(qū)螺桿馬達(dá)施工，無法滿足碎軟煤層瓦斯高效抽采與治理需要。空氣鉆進(jìn)對(duì)碎軟煤層鉆孔孔壁的擾動(dòng)較小、排渣效率高，能夠有效減少塌孔、卡鉆等孔內(nèi)事故，是碎軟煤層較為理想的鉆進(jìn)方式，主要包括低風(fēng)壓鉆進(jìn)、中風(fēng)壓鉆進(jìn)、霧化鉆進(jìn)、泡沫鉆進(jìn)等方式［8-10］，但常規(guī)的空氣鉆進(jìn)方式無法實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔軌跡的精確控制，鉆孔深度有限，尤其針對(duì)傾角起伏變化較大的煤層。為此，提出基于空氣螺桿馬達(dá)施工的碎軟煤層定向鉆進(jìn)模式，利用礦用防爆空壓機(jī)提供高壓風(fēng)驅(qū)動(dòng)空氣螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，配套采用定向鉆機(jī)、隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和通纜鉆桿等裝備進(jìn)行定向鉆進(jìn)。1碎軟煤層空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)碎軟煤層空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)是利用井下防爆空壓機(jī)輸出的高壓風(fēng)驅(qū)動(dòng)孔底空氣螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)鉆頭切削碎巖，同時(shí)利用帶結(jié)構(gòu)彎角的彎殼體實(shí)現(xiàn)定向鉆進(jìn)過程；利用孔底隨鉆測(cè)量裝置和孔口監(jiān)視器監(jiān)測(cè)鉆孔軌跡，保證鉆孔軌跡沿著目標(biāo)層位延伸；利用通纜鉆桿實(shí)現(xiàn)鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，進(jìn)行孔底-孔口雙向通訊，將高壓風(fēng)通過鉆桿內(nèi)通孔輸送到孔底作為動(dòng)力介質(zhì)和排渣介質(zhì)；利用定向鉆機(jī)帶動(dòng)孔內(nèi)鉆桿回轉(zhuǎn)，改變空氣螺桿馬達(dá)彎接頭的朝向，調(diào)整工具面向角，同時(shí)，定向鉆機(jī)還提供孔內(nèi)鉆具的制動(dòng)力和給進(jìn)力。碎軟煤層空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)具有以下優(yōu)勢(shì)：1） 降低噴孔概率。碎軟煤層鉆進(jìn)過程中，空氣對(duì)孔壁煤體的沖刷和擾動(dòng)小，且不影響吸附態(tài)瓦斯的解吸釋放，孔內(nèi)始終保持氣固兩相流，瓦斯隨壓風(fēng)流動(dòng)迅速帶出孔外；瓦斯與空氣之間的密度差小，減少孔壁煤體中瓦斯壓力梯度遞增，即削弱了瓦斯的膨脹能，降低了鉆孔噴孔發(fā)生的概率。2） 提高排渣效率。碎軟煤層鉆孔常由于局部塌孔產(chǎn)生大量鉆渣，提高排渣效率是決定鉆孔成孔深度和成孔率的關(guān)鍵。采用空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，滑動(dòng)鉆進(jìn)條件下鉆桿不回轉(zhuǎn)，利用壓風(fēng)氣流排渣，同時(shí)進(jìn)行鉆孔軌跡調(diào)控；復(fù)合鉆進(jìn)條件下鉆桿回轉(zhuǎn)，攪動(dòng)孔內(nèi)沉渣，同時(shí)研磨大顆粒鉆渣，使其更容易被壓風(fēng)流帶出孔外，強(qiáng)化排渣效果，同時(shí)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)。3）實(shí)現(xiàn)深孔定向鉆進(jìn)。采用空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，根據(jù)鉆孔實(shí)鉆軌跡變化情況對(duì)滑動(dòng)定向和復(fù)合鉆進(jìn)2種模式進(jìn)行調(diào)整，具有鉆進(jìn)阻力小、動(dòng)力傳遞效率高、鉆孔排渣順暢等優(yōu)點(diǎn)。通過對(duì)鉆孔實(shí)鉆軌跡的實(shí)時(shí)測(cè)量和連續(xù)調(diào)整，采用〃主動(dòng)探頂+開分支”工藝技術(shù)，探查煤層頂板起伏變化，同時(shí)預(yù)測(cè)相鄰孔段煤層的起伏，從而指導(dǎo)鉆孔軌跡在煤層中有效延伸。退鉆時(shí)，主動(dòng)探底查明煤層底板起伏變化，綜合探明煤層的厚度和起伏變化情況，“主動(dòng)探頂+開分支”工藝技術(shù)原理圖如圖1。2碎軟煤層定向鉆進(jìn)工藝參數(shù)在碎軟煤層定向鉆進(jìn)時(shí)，鉆進(jìn)工藝參數(shù)主要指鉆速、鉆壓和供風(fēng)量，三者都在一定程度上影響著鉆孔的成孔效率和成孔質(zhì)量［11-12］。圖1〃主動(dòng)探頂+開分支”工藝技術(shù)原理圖2.1鉆速鉆速主要通對(duì)空氣螺桿馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速和鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度進(jìn)行控制調(diào)節(jié)，而空氣螺桿馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速與空壓機(jī)的排量、鉆壓、孔深等因素相關(guān)。鉆速越快，單位時(shí)間內(nèi)鉆頭切削的鉆渣量越大。若鉆孔排渣系統(tǒng)不能迅速將鉆渣排出鉆孔，造成鉆渣在孔內(nèi)沉積，由于孔內(nèi)憋風(fēng)造成空氣螺桿馬達(dá)制動(dòng)，導(dǎo)致鉆進(jìn)受阻；其次，孔內(nèi)沉渣堆積對(duì)孔壁形成擠壓，同時(shí)堵塞瓦斯流動(dòng)通道，導(dǎo)致孔內(nèi)瓦斯積聚，容易形成噴孔。合理的鉆速是實(shí)現(xiàn)碎軟煤層深孔定向鉆進(jìn)的重要參數(shù)?；瑒?dòng)定向狀態(tài)下，鉆渣在高壓風(fēng)作用下通過環(huán)空間隙排出孔外，當(dāng)鉆孔返風(fēng)量或返渣量減小時(shí)，應(yīng)停止鉆進(jìn)，通過加大風(fēng)量、回轉(zhuǎn)鉆桿等方式強(qiáng)化孔內(nèi)排渣，直至孔內(nèi)壓力及返渣、返風(fēng)恢復(fù)正常；復(fù)合鉆進(jìn)狀態(tài)下，空氣螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)速和鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度疊加，鉆速加快，推薦空氣螺桿馬達(dá)的轉(zhuǎn)速保持160~180r/min,鉆機(jī)回轉(zhuǎn)速度40~60r/min;開分支時(shí)，滑動(dòng)給進(jìn)并控制機(jī)械鉆速，采用低速磨削的方法。實(shí)際施工過程中，應(yīng)根據(jù)煤層特征、孔內(nèi)壓力及孔口返渣情況，進(jìn)行鉆速和定向鉆進(jìn)模式的調(diào)整，保證鉆孔排渣系統(tǒng)正常。2.2鉆壓鉆壓主要依靠孔口定向鉆機(jī)提供，保證鉆頭切削刃切入煤層，鉆壓的大小也影響著鉆孔排渣效果及鉆孔軌跡的變化。鉆壓越大，在相同鉆速條件下鉆頭切削的鉆渣粒徑越大，越不容易被壓風(fēng)沖出孔外。此外，為了進(jìn)一步提高碎軟煤層鉆孔排渣效果，應(yīng)盡可能提高復(fù)合鉆進(jìn)占比，采用高轉(zhuǎn)速、大鉆壓進(jìn)行增傾角鉆進(jìn)；采用低轉(zhuǎn)速、小鉆壓進(jìn)行降傾角鉆進(jìn)；采用高轉(zhuǎn)速、適當(dāng)鉆壓進(jìn)行穩(wěn)斜鉆進(jìn)。由于空氣的可壓縮性，空氣螺桿馬達(dá)表現(xiàn)出明顯的〃軟機(jī)械”特性，其輸出轉(zhuǎn)速與鉆壓大小密切相關(guān)，鉆壓的增加會(huì)使空氣螺桿馬達(dá)進(jìn)出口之間的壓降增大，造成空氣壓力升高、體積減小，導(dǎo)致空氣螺桿鉆具輸出轉(zhuǎn)速降低甚至制動(dòng)，造成鉆進(jìn)受阻;當(dāng)鉆具提離孔底時(shí)，鉆壓的降低會(huì)使空氣螺桿馬達(dá)進(jìn)出口之間的壓降減小，造成空氣壓力降低、體積快速膨脹，導(dǎo)致空氣螺桿鉆具失速，形成〃飛車”，影響空氣螺桿馬達(dá)使用壽命。通過空氣螺桿馬達(dá)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化可降低鉆壓對(duì)其性能發(fā)揮及使用壽命的影響，包括將馬達(dá)總成設(shè)計(jì)成多級(jí)多頭形式、優(yōu)化馬達(dá)線型、設(shè)置空氣限速閥等技術(shù)措施。2.3供風(fēng)量由于煤礦井下系統(tǒng)壓風(fēng)不足以支撐碎軟煤層深孔定向鉆進(jìn)，因此，利用防爆空壓機(jī)作為供風(fēng)源，主要起驅(qū)動(dòng)空氣螺桿馬達(dá)、排出孔底鉆渣、冷卻孔底鉆具的作用，包括供風(fēng)流量和供風(fēng)壓力2個(gè)參數(shù)。2.3.1供風(fēng)流量在空氣定向鉆進(jìn)中，滿足空氣螺桿馬達(dá)啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)及鉆孔排渣需要一定的風(fēng)速，而提供該風(fēng)速所需要的流量稱為供風(fēng)流量［13］。由于空氣攜渣能力弱，鉆渣在鉆孔內(nèi)主要以蠕移、躍移的方式向孔口推進(jìn)，直至被排出孔外。采用壓風(fēng)排渣需要比水力排渣更高的環(huán)空流速，對(duì)于煤礦井下近水平鉆孔而言，保證孔內(nèi)排渣順暢，返風(fēng)速度最小應(yīng)達(dá)到15.2m/s，最佳風(fēng)速23m/s左右。供風(fēng)流量大小不但控制著空氣螺桿馬達(dá)的輸出轉(zhuǎn)速，也影響著鉆孔的排渣性能。供風(fēng)流量過小，馬達(dá)轉(zhuǎn)速低導(dǎo)致鉆進(jìn)效率降低，同時(shí)造成鉆孔排渣效率降低；供風(fēng)流量過大，馬達(dá)轉(zhuǎn)速過快，影響其使用壽命，同時(shí)大流量氣流對(duì)孔壁形成沖擊，易造成孔壁失穩(wěn)。但隨著孔深的增加，供風(fēng)流量也要相應(yīng)的增大，以提高壓風(fēng)排渣能力，尤其針對(duì)下斜孔施工。2.3.2供風(fēng)壓力防爆空壓機(jī)輸出的高壓風(fēng)經(jīng)管道輸送到鉆場(chǎng)，通過鉆桿內(nèi)通孔到達(dá)孔底驅(qū)動(dòng)空氣螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，然后高壓氣流從鉆頭水眼釋放冷卻鉆具，將鉆渣從環(huán)空間隙排出孔外。壓風(fēng)從孔口高壓輸入，完成大部分能量交換后進(jìn)行低壓輸出，鉆進(jìn)系統(tǒng)的壓風(fēng)損耗決定著供風(fēng)壓力是否滿足空氣螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)和高效排渣需要，它與馬達(dá)壓降、煤層地質(zhì)特征、鉆孔深度和結(jié)構(gòu)、鉆渣粒徑和濃度、鉆桿的結(jié)構(gòu)等密切相關(guān)。壓風(fēng)損耗主要來源于以下幾個(gè)方面：1） 空氣螺桿馬達(dá)的壓降。高壓風(fēng)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)總成轉(zhuǎn)子繞定子旋轉(zhuǎn)，將高壓氣流能量轉(zhuǎn)化為碎巖的機(jī)械能，同時(shí)高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量熱能。目前，地面常用規(guī)格空氣螺桿馬達(dá)壓降較大，而井下防爆空壓機(jī)難以滿足其工作需要，因此，需要專門研制針對(duì)碎軟煤層定向鉆進(jìn)用空氣螺桿馬達(dá)。2） 氣固兩相流壓損。鉆渣從孔底通過環(huán)空間隙排出孔外，產(chǎn)生加速壓損、摩擦壓損和懸浮重力壓損。壓風(fēng)損耗主要來源于氣固兩相流的摩擦壓損［12］，包括鉆渣及氣流混合物與鉆桿外壁和鉆孔孔壁之間的摩擦，此外，鉆渣顆粒群之間的碰撞、摩擦損失也是不可忽視的重要因素。3） 管路沿程摩擦損失。壓風(fēng)經(jīng)輸送管道和鉆桿內(nèi)通孔到達(dá)鉆頭，存在沿程摩擦損失，且隨著壓風(fēng)輸送管道距離和孔深的增加，沿程損失不斷增大。局部壓風(fēng)損失。包括鉆頭水眼及鉆具轉(zhuǎn)接頭之間的壓風(fēng)損失。其次，鉆孔施工過程中不可避免會(huì)產(chǎn)生局部塌孔，造成局部孔段大量煤渣堆積，壓風(fēng)流動(dòng)受阻，產(chǎn)生局部壓風(fēng)損失。在鉆孔實(shí)際施工過程中，考慮空壓機(jī)的輸出特性、壓風(fēng)在管路及鉆具連接處的外泄，還要考慮處理鉆孔塌孔卡鉆等孔內(nèi)事故，因此，供風(fēng)流量與供風(fēng)壓力要保留一定的富余量。3工程實(shí)踐3.1地質(zhì)概況青龍煤礦貴州省西北部，屬于煤與瓦斯突出礦井，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量165.56m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量80.65m3/t。煤礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤層節(jié)理裂隙破碎、瓦斯含量高，二采區(qū)16#煤層，平均可采厚度2.88m，煤層傾角8。~12。，硬度系數(shù)0.37，瓦斯含量19.88m3/t,瓦斯壓力1.73MPa，煤體結(jié)構(gòu)屬B類破壞類型。3.2定向鉆進(jìn)裝備根據(jù)青龍煤礦碎軟煤層地質(zhì)特征及井下施工條件，選擇的定向鉆進(jìn)裝備為：①ZDY6000LD(F)定向鉆機(jī)；②YHD2-1000(A)隨鉆測(cè)量系統(tǒng)；③防爆空壓機(jī)：17m3/min、1.25MPa;④中73mm通纜鉆桿；⑤中108mmPDC鉆頭；⑥中76mm空氣螺桿馬達(dá)。開發(fā)了適合于井下碎軟煤層定向鉆進(jìn)的小直徑空氣螺桿馬達(dá)，室內(nèi)測(cè)試結(jié)果表明：滿足低流量啟動(dòng)、大扭矩輸出，工作性能穩(wěn)定可靠，同時(shí)在馬達(dá)定子外壁銑洗螺旋槽可提高近鉆頭排渣能力。3.3鉆進(jìn)工藝參數(shù)在碎軟煤層定向鉆進(jìn)過程中，應(yīng)根據(jù)鉆孔深度及返風(fēng)、排渣情況調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)。正常鉆進(jìn)時(shí)，鉆速保持18~30m/h，為提高鉆孔排渣效果，盡可能采用復(fù)合鉆進(jìn);開分支鉆進(jìn)時(shí)，鉆速保持在2~4m/h。隨著孔深的增大應(yīng)逐漸提高鉆壓、供風(fēng)量。推薦的鉆進(jìn)工藝參數(shù)：鉆壓：0~6MPa;供風(fēng)流量：8~15m3/min;供風(fēng)壓力：1.0~1.2MPa。3.4施工效果分析在青龍煤礦二采區(qū)16#煤層21606軌道運(yùn)輸巷和21608軌道運(yùn)輸巷鉆場(chǎng)共施工完成16個(gè)鉆孔，包括12個(gè)主孔、4個(gè)主分支孔，其中200m以上鉆孔成孔率達(dá)到94%,300m以上鉆孔成孔率達(dá)到75%，最大孔深406m，鉆孔軌跡剖面圖如圖2。鉆孔施工過程中，噴孔發(fā)生的頻率和強(qiáng)度明顯降低，鉆孔軌跡可控、煤層鉆遇率高、鉆進(jìn)和排渣效率高。圖2鉆孔軌跡剖面圖選型的防爆空壓機(jī)提供的供風(fēng)量穩(wěn)定，滿足空氣螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)和高效排渣需要，確保了孔內(nèi)環(huán)境清潔和孔底鉆具快速降溫。研制的空氣螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)效率高，使用壽命長(zhǎng)，在碎軟煤層定向鉆進(jìn)中優(yōu)勢(shì)明顯，鉆孔成孔深度和成孔率顯著提高。瓦斯抽采結(jié)果表明：最大單孔瓦斯抽采純量達(dá)到2.5m3/min，濃度達(dá)到67.5%,日最大抽采量3500m3/d,且衰減速度慢，實(shí)現(xiàn)了碎軟煤層瓦斯高效抽采與治理。4結(jié)語1） 空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)是一種安全高效的碎軟煤層鉆孔施工技術(shù)，以高壓空氣作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)碎巖鉆進(jìn)，顯著提高碎軟煤層鉆孔深度和成孔率，鉆孑L軌跡可控、煤層鉆遇率高、鉆進(jìn)和排渣效率高、噴孔發(fā)生的頻率和強(qiáng)度低。2） 鉆速、鉆壓和供風(fēng)量是影響碎軟煤層空氣復(fù)合定向鉆進(jìn)的重要工藝參數(shù)，通過理論分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析了各參數(shù)對(duì)鉆孔施工的影響，并給出了推薦的鉆進(jìn)工藝參數(shù)。3） 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)所優(yōu)選和開發(fā)的定向鉆進(jìn)裝備穩(wěn)定可靠，滿足碎軟煤層深孔定向鉆進(jìn)需要，成孔率和成孔深度明顯提升，200m以上鉆孔成孔率達(dá)到94%,300m以上鉆孔成孔率達(dá)到75%，瓦斯抽采效果顯著。【相關(guān)文獻(xiàn)】［1］李泉新，石智軍，史海岐.煤礦井下定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)的應(yīng)用［J］.煤田土地質(zhì)與勘探，2014(2):85-88.［2］王四一.煤礦隱蔽致災(zāi)地質(zhì)因素井下探查用隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)試研究［J］.探礦工程(巖土鉆掘工程)，2016(6):68-71.［3］方俊，陸軍