長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)試驗(yàn)研究摘

要:本文經(jīng)過對(duì)“沿煤層長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)”現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)研究分析,具體介紹了該技術(shù)施工設(shè)備和技術(shù)方法,對(duì)該技術(shù)在中國(guó)對(duì)應(yīng)地質(zhì)條件下推廣應(yīng)用提供了可靠依據(jù)。1

概述瓦斯抽放是預(yù)防瓦斯災(zāi)難有效手段,多年來(lái),伴隨中國(guó)煤炭綜采技術(shù)推廣和應(yīng)用,對(duì)瓦斯抽放量和抽放效率提出了更高要求。在煤炭開采過程中,通常采取專用巷道和底板穿層密集鉆孔相結(jié)合綜合瓦斯抽放技術(shù),雖能夠增加瓦斯抽放量,提升瓦斯抽放效率。不過其鉆掘工作量大、工作面準(zhǔn)備時(shí)間長(zhǎng)、采掘成本高,不能適應(yīng)高產(chǎn)高效綜采技術(shù)要求。為了處理這些問題,在晉城寺河礦進(jìn)行“沿煤層長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)”開發(fā)研究,取得了突破性進(jìn)展?；A(chǔ)掌握了在高瓦斯礦區(qū)進(jìn)行煤層長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)工藝方法,這不僅為晉煤集團(tuán)寺河礦處理了煤層長(zhǎng)鉆孔施工設(shè)備選型及成孔工藝方法問題,而且為在中國(guó)類似地質(zhì)條件下推廣應(yīng)用煤層長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)工藝提供了可靠依據(jù)。2

煤層地質(zhì)條件寺河礦關(guān)鍵可采3#煤層,位于二疊系下統(tǒng)山西組下部,煤層平均厚度6.5米,煤質(zhì)為層狀、堅(jiān)硬、性脆,可鉆性4~6級(jí),煤層下部?jī)?nèi)生裂隙發(fā)育,瓦斯含量較大。煤層上下底板均為深灰色泥巖和細(xì)粒砂巖,細(xì)粒砂巖可鉆性7~8級(jí)。3

設(shè)備和機(jī)具3.1

鉆探設(shè)備試驗(yàn)采取煤炭總院西安鉆探研究所研制生產(chǎn)MK-6型全液壓坑道鉆機(jī)和衡陽(yáng)探礦機(jī)械廠生產(chǎn)BW-320型泥漿泵。3.2

關(guān)鍵鉆具:鉆頭選擇三種鉆頭:Φ94mm內(nèi)凹金剛石復(fù)合片鉆頭、Φ94mm支柱型球面金剛石復(fù)合片鉆頭和Φ94mm三翼刮刀式金剛石復(fù)合片鉆頭。鉆桿在試驗(yàn)中采取了兩種:Φ73mm外平高強(qiáng)鉆桿和鉆孔測(cè)斜時(shí)放置測(cè)量?jī)x器無(wú)磁鉆桿。穩(wěn)定器:試驗(yàn)中采取了加工簡(jiǎn)單、使用效果理想Φ94±0.2mm直槽型穩(wěn)定器。3.3

測(cè)斜儀試驗(yàn)選擇成都探礦工藝研究所研制CQ—1A型磁球式單點(diǎn)測(cè)斜儀。4

鉆進(jìn)工藝4.1

鉆孔定位鉆孔定位是鉆探施工中非常關(guān)鍵一步。在進(jìn)行鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆孔定位之前,必需全方面系統(tǒng)掌握煤層地質(zhì)資料,了解煤層走向和傾角,結(jié)合鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù),正確合理選擇開孔方位角和傾角,并盡可能選擇煤層較穩(wěn)定地段施工沿煤層長(zhǎng)鉆孔。4.2

鉆進(jìn)工藝參數(shù)鉆進(jìn)工藝參數(shù)關(guān)鍵是指鉆壓、轉(zhuǎn)速和沖洗液量,三者在一定條件下相互影響。⑴

在不考慮其它影響原因及轉(zhuǎn)速不變情況下,加大鉆壓會(huì)使水平孔偏斜趨勢(shì)加強(qiáng),尤其是在鉆孔已出現(xiàn)顯著彎曲情況下,大鉆壓對(duì)近水平孔影響不僅表現(xiàn)在傾角改變上,而且也表現(xiàn)在方位角改變上;⑵

鉆壓對(duì)鉆孔方向影響程度與鉆桿抗彎強(qiáng)度有著親密關(guān)系,在相同鉆壓作用下,因?yàn)殂@桿抗彎強(qiáng)度與直徑相關(guān),所以小直徑鉆桿彎曲強(qiáng)度要大于粗徑鉆桿;⑶

在鉆壓作用之下,孔內(nèi)前20m鉆桿置放狀態(tài)以及鉆桿接頭強(qiáng)度對(duì)鉆孔方向也有著關(guān)鍵影響;⑷

沖洗液量大小影響鉆孔軌跡,泵量小時(shí)孔內(nèi)煤巖粉不易被沖出孔外,在鉆孔下方形成堆積,鉆桿在堆積物支撐作用下,迫使鉆頭切削鉆孔上側(cè),所以使鉆孔軌跡上斜。⑸

不管是在均質(zhì)地層還是在非均質(zhì)地層內(nèi),鉆頭轉(zhuǎn)速高低均對(duì)鉆孔軌跡產(chǎn)生一定影響。在采取低轉(zhuǎn)速進(jìn)行近水平鉆進(jìn)時(shí),因?yàn)橹亓ψ饔?鉆頭總是處于鉆孔下側(cè)孔壁,使下側(cè)孔壁巖石切削時(shí)間多于上側(cè)孔壁,這么就使鉆孔軌跡向下偏斜。若采取高轉(zhuǎn)速進(jìn)行鉆進(jìn),因?yàn)楦咿D(zhuǎn)速所產(chǎn)生離心效應(yīng)比較大,所以對(duì)于鉆孔可起到一定穩(wěn)向作用。⑹

要有效控制鉆孔軌跡,在合理使用穩(wěn)定組合鉆具同時(shí),必需注意調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù),這么才能達(dá)成理想鉆進(jìn)效果?？锥?m)鉆具組合地層轉(zhuǎn)速(rpm)壓力（MPa）沖洗液量P給P系P回泵壓（MPa）泵量（L/min）0~100保直組合鉆具煤層90~120

2.02.50.30118100~280保直組合鉆具煤層90~1202.52.50.31.0118280~350下斜組合鉆具煤層120~1603.03.00.42.0230350~500下斜組合鉆具煤層120~1603.53.50.42.52301#

鉆孔操作規(guī)程參數(shù)表4.3

鉆孔軌跡控制為了使鉆孔盡可能多在煤層中延伸,采取穩(wěn)定組合鉆具作為控制鉆孔方向鉆具。穩(wěn)定組合鉆具關(guān)鍵有:上仰下斜保直三種組合形式,經(jīng)過調(diào)整穩(wěn)定器數(shù)量及安放位置來(lái)實(shí)現(xiàn)鉆具組合效果。經(jīng)過試驗(yàn)證實(shí)其控制效果是行之有效,并能降低塌孔和夾鉆等孔內(nèi)事故發(fā)生。在鉆進(jìn)過程中,應(yīng)隨時(shí)依據(jù)孔口排渣及壓力儀表判定孔內(nèi)情況,發(fā)覺異常立刻處理。除此之外,鉆孔方向控制還從以下方面進(jìn)行:⑴系統(tǒng)掌握煤層地質(zhì)資料,結(jié)合鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)、煤層走向和傾角,正確合理選擇開孔方位角和傾角,并盡可能選擇煤層較穩(wěn)定地段施工順煤層長(zhǎng)鉆孔。⑵開孔前,將鉆機(jī)擺放平穩(wěn),固定好,并校驗(yàn)開孔參數(shù)無(wú)誤后方可開鉆。⑶采取鉆孔跟蹤設(shè)計(jì)方法,即依據(jù)前一個(gè)鉆孔施工情況,選擇確定下一個(gè)鉆孔開孔參數(shù)。⑷在鉆進(jìn)過程中,嚴(yán)格根據(jù)鉆機(jī)操作規(guī)程及工藝規(guī)程參數(shù)進(jìn)行,假如鉆機(jī)因多種原因產(chǎn)生挪位,應(yīng)立刻重新穩(wěn)固鉆機(jī)。4.4

鉆孔測(cè)斜鉆孔軌跡測(cè)量是受控定向鉆進(jìn)技術(shù)關(guān)鍵之一。在近水平孔鉆進(jìn)過程中,為了使鉆孔盡可能根據(jù)預(yù)定方向延伸,應(yīng)定時(shí)對(duì)鉆孔進(jìn)行測(cè)斜,并依據(jù)測(cè)量結(jié)果立刻調(diào)整鉆具組合方法和鉆進(jìn)工藝參數(shù)?？滋?hào)方位角(°)傾角(°)孔徑(mm）孔深(m)備注開孔280m350m開孔280m350m1170180

1.51.0-1.094509.03測(cè)點(diǎn)位于鉆孔280m和350m處1#鉆孔參數(shù)一覽表5

孔內(nèi)事故預(yù)防及方法通常深孔鉆進(jìn),尤其是在瓦斯富集煤層中鉆進(jìn),易發(fā)生塌孔、埋鉆、卡鉆、噴孔等事故,同時(shí)誘發(fā)斷鉆桿事故。在鉆進(jìn)過程中,對(duì)于多種孔內(nèi)事故應(yīng)以預(yù)防為主。⑴鉆桿折斷。在鉆進(jìn)過程中假如發(fā)生鉆桿折斷事故,可采取公錐進(jìn)行打撈。⑵卡鉆事故。因?yàn)槊簩铀缮ⅰ⑼咚垢患瘶O易造成卡埋鉆事故。發(fā)生這類事故時(shí),首先看孔口是否返水及鉆桿能否活動(dòng)。假如孔口返水正常,鉆桿也能夠活動(dòng),可先用水沖孔,然后利用鉆桿和鉆具上反切削合金切削鉆具后煤（巖）塊,邊回轉(zhuǎn)邊提鉆。假如孔口不返水,或返水很小,鉆桿卡死,不能回轉(zhuǎn)時(shí),可先用鉆機(jī)強(qiáng)力起拔使鉆具松動(dòng),再合適調(diào)大鉆機(jī)泵量,增加鉆機(jī)扭矩,利用鉆桿和鉆具上反切削合金切削鉆具后煤（巖）塊,邊回轉(zhuǎn)邊提鉆。⑶掉鉆事故。發(fā)生掉鉆時(shí)先可試著對(duì)接,假如對(duì)接不上可改用絲錐打撈,方法和斷鉆桿事故處理方法相同。⑷噴孔。對(duì)于高瓦斯礦區(qū),噴孔現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。當(dāng)噴孔不嚴(yán)重或噴孔斷較淺時(shí),采取“高轉(zhuǎn)速、低鉆壓”工藝方法。這么可經(jīng)過鉆具在孔內(nèi)高速轉(zhuǎn)動(dòng),確?？變?nèi)排渣通暢,并釋放噴出瓦斯,降低孔內(nèi)瓦斯壓力。當(dāng)發(fā)生嚴(yán)重噴孔時(shí),可采取“平行孔交替法”施工,直至其中一個(gè)鉆孔達(dá)成設(shè)計(jì)孔深為止。6

結(jié)論對(duì)于高產(chǎn)高效高瓦斯工作面,依據(jù)具體開采技術(shù)條件,采取沿煤層長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放相對(duì)于采取專用巷道和密集短鉆孔抽放瓦斯,可降低鉆探工作量、縮短工