過泥巖層鉆孔的施工工藝

周訪玉 殷元祥 周戰(zhàn)球 許叢洲

（徐州礦務(wù)集團(tuán)有限公司張集煤礦 江蘇 徐州 221147）

1 問題的提出

煤礦井下鉆孔施工的最大困難是過泥巖層。在近水平鉆孔或傾角較小的鉆孔采用傳統(tǒng)的靜壓水排渣過泥巖打鉆工藝，一旦鉆頭進(jìn)入泥巖層就開始出現(xiàn)糊孔、塌孔、卡鉆、埋鉆、掉鉆桿等打不進(jìn)去現(xiàn)象。往往因鉆孔垮孔、 塌孔不得不等其自行放棄鉆孔施工， 導(dǎo)致鉆孔報(bào)廢、材料及工時(shí)浪費(fèi)，煤層位產(chǎn)狀、賦存探測不清，突出危險(xiǎn)性得不到消除，嚴(yán)重制約礦井的安全生產(chǎn)。 因此，過泥巖層段深孔鉆進(jìn)技術(shù)一直是亟待解決的技術(shù)難題。

2 原因分析

2.1 一般情況下，鉆孔施工在遇水敏性粘土、砂質(zhì)粘土等巖性時(shí)，一旦鉆頭在進(jìn)入巖泥層，因泥巖的堅(jiān)固性系數(shù)較低，泥質(zhì)粘土粘稠度較大，鉆頭在切削、擠壓、攪拌泥巖過程中，分離出來的粘稠膠質(zhì)泥巖與部分砂巖易沉積孔底，沉積孔底的泥巖孔隙度較小，細(xì)屑結(jié)構(gòu)被水沖散后，很快又固結(jié)，靠鉆進(jìn)水壓不足以順暢排渣，就出現(xiàn)糊堵鉆頭而滯死鉆桿現(xiàn)象。

2.2 鉆孔過砂質(zhì)泥巖時(shí)， 鉆頭在旋轉(zhuǎn)切削泥巖層過程中易產(chǎn)生較大顆粒的鉆屑，尤其是下山孔施工時(shí)，孔底粒度較大的鉆屑難以從孔口順暢排出，大量破碎的泥巖顆粒不斷聚集擠壓在孔壁周圍而將鉆桿和鉆頭箍緊、抱緊，終使鉆桿所受摩擦力大于鉆機(jī)的扭矩力而發(fā)生鉆頭無法進(jìn)退即卡鉆事故的發(fā)生。

2.3 原巖應(yīng)力集中時(shí)施工過泥巖鉆孔， 因鉆孔的施工改變了圍巖的地應(yīng)力平衡的狀態(tài)，應(yīng)力的重新分布而在孔壁周圍形成了高應(yīng)力峰值區(qū)，一旦孔壁受力平衡狀態(tài)失穩(wěn)就會(huì)使孔壁崩裂，形成塌孔或縮孔。而崩裂的泥巖顆粒往往造成鉆孔堵塞是鉆孔難以施工影響原因之一。過泥巖鉆孔施工過程中出現(xiàn)的堵孔、糊孔、塌孔、縮孔、噴孔是不同的現(xiàn)象，但又相互聯(lián)系的，最終結(jié)果都是卡鉆，或出現(xiàn)扭斷鉆桿、丟失鉆頭使鉆孔施工舉步維艱，成孔率極低。

3 過泥巖層鉆進(jìn)技術(shù)方案

過泥巖層深孔鉆進(jìn)方案的確定首先必須充分分析造成鉆孔鉆進(jìn)困難的根本原因，這樣才能有的放矢地提出針對(duì)性的方案。 在現(xiàn)有鉆機(jī)、鉆具基本相同的情況下，提高鉆孔深度的關(guān)鍵在于研究和掌握打鉆工藝，進(jìn)行打鉆工藝的探索和創(chuàng)新。

3.1 俯角鉆孔技術(shù)方案

1）淺孔鉆進(jìn)

（1）施工工藝

采用光鉆桿配以風(fēng)水混合排渣。 工藝流程：鉆進(jìn)→切削→巖體粉碎→風(fēng)水混合孔底滅塵→排渣。

（2）施工效果

①采用光鉆桿、 風(fēng)水混合排渣施工淺孔過泥巖段鉆孔排渣率達(dá)95%以上。 風(fēng)水混合技術(shù)能隨時(shí)控制孔內(nèi)排碴的干濕程度，保證排碴暢通，不會(huì)造成卡鉆、鉆孔中水流停滯、排碴不暢等現(xiàn)象。

②使用風(fēng)水混合排渣，能夠有效防止鉆孔孔壁受水壓浸泡發(fā)生泥巖層垮塌，堵孔現(xiàn)象的發(fā)生。

2）較深孔鉆進(jìn)

（1）施工工藝

采用螺旋鉆桿、靜壓水排渣。工藝流程：鉆進(jìn)→切削→巖體粉碎→排渣。

（2）施工效果

①采用螺旋鉆桿、靜壓水排渣施工深孔過泥巖段時(shí)，在排渣水壓作用下，麻花鉆桿將水流沿巖層裂隙擠壓，當(dāng)充填所產(chǎn)生的壓力大于憋孔壓力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)明顯的瞬時(shí)激流和脈沖。 進(jìn)一步增加了鉆孔內(nèi)外的水力壓力梯度， 致使這種激流和脈沖變成了爆發(fā)性的孔內(nèi)水壓流，能夠?qū)⒖變?nèi)鉆屑有效排出，達(dá)到防卡鉆的目的。

②螺旋鉆桿通過自身的螺旋曲面能夠有效起到對(duì)鉆孔孔壁的護(hù)壁潤滑作用，同時(shí)利用螺旋鉆桿的螺旋旋片對(duì)鉆孔內(nèi)的泥巖顆粒不斷進(jìn)行切割和攪運(yùn)，保證鉆孔的成型度和排渣的順暢。

3）俯角鉆孔施工存在問題

a.打下山孔時(shí)，因孔內(nèi)鉆屑重量的增加，到一定的深度后可能造成孔底部的鉆屑排出不暢。

b.采用風(fēng)水混合技術(shù)時(shí)，需要的風(fēng)量和風(fēng)壓較大，必須采用專用的空壓機(jī)供風(fēng)。

c.選擇麻花鉆桿采用靜壓水技術(shù)時(shí)，雖然充分發(fā)揮了麻花鉆桿的順暢排渣及螺旋護(hù)壁作用，但當(dāng)孔底巖性發(fā)生變化時(shí)，鉆頭遇硬巖旋轉(zhuǎn)時(shí)難以有效切入，存在麻花鉆桿的導(dǎo)向性差，極易發(fā)生鉆進(jìn)漂移，施工效果差的問題。 嚴(yán)重影響鉆孔的精準(zhǔn)度。

3.2 仰角鉆孔水排渣技術(shù)方案

在施工仰角鉆孔時(shí)， 首先選用大鉆頭配小鉆桿鉆進(jìn)的技術(shù)方案，采用水排技術(shù)排渣。 即利用水作為介質(zhì)，依靠水的壓力將鉆屑順暢排出孔外，該方法廣泛施工于傾角較大的孔深較淺鉆孔。

采用大鉆頭配小鉆桿鉆進(jìn)的技術(shù)方案，雖然，能夠在一定程度上緩解了過泥巖層排碴不暢的技術(shù)問題。但水作為一種介質(zhì)，重力大，對(duì)孔口孔壁仍會(huì)產(chǎn)生破壞較大，在施工深孔時(shí)，在水壓作用下，由于泥巖的吸水膨脹和垮落，易出現(xiàn)鉆孔變形塌孔，較為粘稠的泥巖顆粒反而易將鉆桿和鉆頭箍緊，成孔率較低現(xiàn)象。

從以上過泥巖層鉆孔施工過程可以看出，排碴方式的選擇至關(guān)重要，它直接影響著過泥巖層鉆孔的鉆進(jìn)深度、成孔率、鉆進(jìn)效率的提高。

3.3 深孔過泥巖層的鉆進(jìn)技術(shù)方案

1）主要施工設(shè)備和鉆具

采用西安產(chǎn)MKD-5s 型坑道鉆機(jī)或MK-4 型坑道鉆機(jī)，選用外徑為Φ74mm 端頭雙管單動(dòng)螺旋鉆桿和Φ50mm 的光桿， 螺旋葉片內(nèi)部光鉆桿為Φ50mm，鉆頭使用直徑為Φ75mm 復(fù)合片鉆頭。

2）施工方法原理和工藝

針對(duì)鉆孔施工時(shí)，鉆頭在切割煤巖過程中孔底易產(chǎn)生粒度較粗的煤巖顆粒，逐漸充填到鉆桿與孔壁周圍，當(dāng)其產(chǎn)生的摩擦阻力大于鉆機(jī)扭矩力時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)鉆桿被抱死即“卡鉆”現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)。利用與鉆頭、鉆桿相匹配的端頭套管將孔底產(chǎn)生的粒度較粗的煤巖顆粒自行收集到研磨套管中去，當(dāng)發(fā)生“卡鉆”的外層套管被抱死后，通過內(nèi)層管壁間帶有鋸齒型的高強(qiáng)度螺紋鉆桿與端頭金剛石復(fù)合傘齒的共同擠壓研磨作用，將其破碎成細(xì)小顆粒，從而便于鉆屑排出，能夠解決鉆孔施工過程中的“卡鉆”難題。

采用正常鉆進(jìn)方法， 使用靜壓水排渣。 靜壓水參數(shù)水壓≥2.0 MPa。 鉆孔施工過程中要掌握好合適的給進(jìn)壓力，鉆機(jī)給進(jìn)壓力的極限是固定的，新鉆機(jī)在打鉆過程中，旋轉(zhuǎn)壓力可以在14～15MPa，但不能過大，否則容易卡鉆，正常打鉆時(shí)的壓力要比鉆機(jī)最大允許壓力少4～5MPa，最大允許壓力的測試方法是把鉆機(jī)的鉆桿處癟死，看壓力表的最大壓力，即為最大允許壓力。如打鉆過程中，鉆桿壓力表擺動(dòng)幅度大且超過2MPa 時(shí),證明鉆孔內(nèi)泥巖顆粒磨研較粗，馬上要卡鉆桿，這時(shí)必須立即停止向前進(jìn)，在原有位置進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，待表的壓力恢復(fù)正常后才能往前進(jìn)。

3）施工效果

（1）實(shí)現(xiàn)了過泥巖層的深孔鉆進(jìn)，深孔可達(dá)90 米，成孔率95%，鉆進(jìn)速度比風(fēng)水混合排渣工藝提高2～3 倍。

（2）鉆孔成型好。采用雙管單動(dòng)鉆進(jìn)的施工方法，克服了遇巖性較軟的泥巖因鉆桿自重自然下垂的影響，確保鉆頭鉆進(jìn)方向沿直線軌跡運(yùn)行，同時(shí)由于雙管單動(dòng)研磨套管外層套管的護(hù)壁作用，保證了鉆孔的成型效果。

（3）雙管單動(dòng)研磨套管外層套管可先起到巖芯管的作用，預(yù)先對(duì)孔底巖層進(jìn)行圓周輪廓線切割，然后再利用金剛石復(fù)合片鉆頭在已切割的輪廓線范圍內(nèi)進(jìn)行巖體切割。 雙鉆頭的切割能起到保證鉆孔成型，防塌孔，護(hù)壁的作用。

（4）由于孔深的加大，提高了探煤鉆孔和石門揭煤防突措施孔施工的效率，提高了礦井防突工程施工的速度。

4）深孔鉆進(jìn)施工過程中存在的問題和改進(jìn)方向

（1）隨著鉆孔深度的加大，鉆孔內(nèi)的阻力越來越大，打深鉆容易出現(xiàn)斷鉆桿、掉鉆頭等現(xiàn)象，需要進(jìn)一步提高鉆桿強(qiáng)度和鉆機(jī)的扭距力及功率。

（2）打下山鉆孔時(shí)，因排碴困難，孔深達(dá)不到上山孔的孔深，在下山鉆孔施工方面還需要進(jìn)一步鉆研、攻關(guān)。

（3）孔深需進(jìn)一步有所突破，需進(jìn)一步完善適應(yīng)鉆具和操作工藝。

4 結(jié)束語

過泥巖層和高應(yīng)力區(qū)采用雙管單動(dòng)深孔鉆進(jìn)技術(shù)，填補(bǔ)了過泥巖深孔技術(shù)的空白。 技術(shù)的應(yīng)用從施工工藝本身杜絕了煤塵堆積、飛揚(yáng)和發(fā)生煤塵爆炸事故發(fā)生的可能， 同時(shí)滿足了探煤和施工防突措施孔，治理瓦斯的需求。