構造軟煤中速控壓鉆進成孔工藝研究

趙 晶

(1.煤炭科學技術研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013)

碎軟煤層是煤系地層經受地質構造運動的產物，廣泛賦存于我國華北、華南礦區，尤其在平頂山、淮南、松藻等地高突礦井發育更甚[1，2]。受限于軟煤強度低、瓦斯壓力大、地質構造作用等因素，煤礦井下本煤層瓦斯抽采鉆孔和地質探放水鉆孔的施工易出現塌孔、卡鉆、頂鉆、噴孔等問題[3]，嚴重制約其鉆進深度和成孔率。因此，研究軟煤鉆進成孔工藝意義重大，可提升礦井瓦斯治理、防治水及鉆探工作效果。

目前，相關研究多集中在國內，主要體現在三方面：①鉆進裝備，20世紀初，石智軍等開發了適合軟煤鉆進一體式螺旋硬質合金鉆頭和螺旋鉆桿[4]，隨后，雷豐勵、蔡成功等研制了多級變徑式PDC鉆頭，在突出煤層鉆進取得了良好成孔效果[5，6]；由于常規的圓面鉆桿在軟煤鉆進中受塌孔影響不易排渣而發生夾鉆抱死等問題，我國逐漸研發了刻槽鉆桿和三棱鉆桿，可有效緩解塌孔排渣困難的問題。孫玉寧等發明了雙動力低螺旋鉆桿，在河南新安煤礦取得較好試驗效果[7]，王永龍等對軟煤鉆進過程三棱鉆桿受力分析和數值模擬，優化了其結構參數[8]。②排渣方式，井下常用的排渣方式有風力、液體及螺旋式三種，其中傳統清水排渣的沖擊力大易造成孔壁失穩，孫玉寧等提出了風力-螺旋機械式協同排渣方法[9]，孫新勝等在此基礎上研究風力和螺旋深度等參數與成孔效果的關系，提出了中風壓矮螺旋排渣方法[10]。近年來，諸如微乳液、泡沫劑等新型護壁促排鉆井液逐漸被引入軟煤鉆進中，潤滑促排渣的同時還可以起到一定固化孔壁防塌的效果[11]。③鉆進護孔工藝，常見的有中煤科工集團研發的中風壓矮螺旋軟煤鉆進技術，后續學者提出了高轉速螺旋鉆進、非標螺旋鉆桿鉆進工藝[12，13]，近年來相繼出現了護孔篩管與鉆桿同步施工、套鉆跟進一次性鉆進成孔[14]以及軟煤沿頂鉆進等工藝[15]。綜上所述，前人在軟煤鉆進技術與裝備上取得了豐碩的研究成果，針對不同裝備不同地質條件的軟煤鉆進成孔工藝研究較多，但對鉆進裝備一定條件下轉速和鉆壓等工藝參數鮮有涉及。

為研究鉆機轉速和鉆壓對軟煤鉆進深度及成孔效果的影響，筆者建立鉆進過程鉆孔三維力學模型，分析了鉆壓、轉速分別沿鉆進方向和徑向方向的力學行為特征及其對孔壁穩定性和排渣過程的影響，確立碎軟煤層中速控壓鉆進成孔工藝參數，并在山西離柳焦煤集團朱家店煤礦0403工作面進行工程實踐。

1 順層孔鉆進-排渣過程的力學分析

依據軟煤順層鉆孔的施工工程為模型基礎，假設煤體為含瓦斯的各向同性的均勻體，暫不考慮斷層、陷落柱等地質構造對其結構屬性和力學環境的影響，以鉆孔孔口為坐標原點建立鉆孔的三維空間力學模型(如圖1所示)，綜合分析鉆孔所受的地應力、煤層瓦斯壓力、鉆孔內氣體壓力、鉆頭旋轉產生切削應力、鉆機推進壓力以及排渣動力(孔底風力或者液體壓力)，煤體內凝聚力等，分別得出鉆孔孔壁x、y、z方向上力學平衡方程，見式(1)，并沿鉆孔口圍巖由里往外按照破碎變形程度劃分四個區，即Ⅰ為破碎區，Ⅱ為塑性變形區，Ⅲ為彈性區，Ⅳ為原巖應力區。

圖1 順層鉆孔鉆進過程三維力學模型圖

式中，σtx、σtz、σ⊥y、σ⊥z為地應力沿x、y、z方向的分量，受巷道開掘影響σ⊥>σt，MPa；prx、pry、prz為鉆孔周圍煤體瓦斯壓力沿x、y、z方向分量；pix、piy、piz為鉆孔內部的氣體壓力沿x、y、z方向的分量，MPa，其中pr>pi；crx、cry、crz為孔壁煤體內聚力沿x、y、z方向的分量，MPa；nrx、nrz分別為鉆頭旋轉切削煤體產生沿x、z方向的分量，MPa；σ鉆、σp為鉆進過程的沿y方向(鉆進方向)的鉆壓及排渣過程的風力和液體壓力(清水、其他鉆孔清洗液)，MPa。

1.1 鉆進過程鉆孔穩定性分析

1.1.1 孔壁穩定性

由圖1可知，孔壁穩定可從三維坐標中xz平面展開分析，得出孔壁的穩定性主要和地應力(σ⊥、σt)、孔內外瓦斯壓力(pr、pi)、鉆頭旋轉切削應力nr及煤體內聚力cr相關。當構造軟煤賦存確定時，即地應力、煤層瓦斯壓力和煤體內聚力一定，由式(1)可知，鉆頭旋轉破煤產生切削力nr與煤體強度σ0成正相關性，即煤體強度越大，破煤需要切削應力越大，故理想條件下旋轉速度對孔壁穩定影響不大，但可影響單位時間內產生的煤屑粒度及排渣速度(針對螺旋式鉆桿)。此外，受鉆桿自身重力影響，鉆進孔內鉆桿實際曲線彎曲率與鉆孔深度成正比，且隨著旋轉速度影響，會在孔內產生不同曲率的震蕩效應，從而影響孔壁的穩定性。軟煤因其自身強度低、內聚力小、瓦斯解吸速度快、瓦斯壓力相對較大等特點，為減小鉆桿震蕩對孔壁的破壞作用，其旋轉速度不能過高。

1.1.2 孔底穩定性

由圖1可知，孔底穩定可從三維坐標中yz平面展開分析，得出孔底的穩定性主要和地應力σ⊥、孔內外瓦斯壓力(pr、pi)、鉆桿推進力σ鉆、氣流或液體排渣動力σp及煤體內聚力cr相關。構造軟煤賦存一定條件下，孔底穩定性與推進力及排渣動力直接相關，推進力大小，直接影響進尺速率，進而決定了單位時間產生煤屑量；同時，排渣動力流體對孔底產生沖擊力也會對孔底產生破壞作用。因此，軟煤鉆進過程，鉆進壓力和排渣動力均要控制大小及時長，甚至是給壓方式。

1.2 孔內排渣動力分析

目前軟煤鉆進排渣方式主要分兩種(如圖2所示)，一種是螺旋鉆桿風壓排渣(包括刻槽鉆桿)，又稱“雙動力排渣”，一個是沿鉆桿和孔壁間通道，由風壓作為動力逐步運移煤屑至孔口排出，另一個沿螺旋葉片或者螺旋刻槽在旋轉時中所產生向后的機械動力排出煤屑，排渣效率較高；另一種是棱狀鉆桿風壓排渣，棱狀鉆桿可將沉積在下部孔壁的煤粉不停攪動揚起，可防止塌孔時煤粉堆積過多造成的抱鉆和卡鉆事故。對比分析可知，前者對風量及風壓等條件要求不是太高，而后者對排渣的風力條件要求偏高。

圖2 軟煤順層鉆進排渣方式示意圖

進一步分析轉速、鉆壓及排渣動力的影響，鉆壓一定時，轉速直接反映出煤體破碎之后顆粒大小以及鉆桿震蕩損傷或破壞孔壁產生附加煤屑量，轉速過低會導致破煤顆粒較大，易出現卡鉆情況，轉速過高會導致孔壁失穩以及煤粉過細，從而增大煤粉與螺旋葉面建的摩擦阻力，導致抱鉆，此外還會加速鉆牙的磨損。根據鉆孔模型可知單位時間內產生煤屑量為πr2ν1，v1為鉆頭進尺速率，m/s；單位時間內排出煤屑量S排ν2，v2為排渣線速率，m/s；S排為孔內排渣通道的橫截面積。由于鉆桿占據部分鉆孔空間，故πr2>S排，故單位時間內孔底的積存鉆屑量為(πr2v1-S排v2)，其中v1∝σ鉆、v2∝σp，且鉆進過程一般σ鉆>σp。分析可得出，鉆壓越大，孔內積存量越大，易發生堵孔和卡鉆，影響成孔效果。此外，煤層傾角與鉆壓也有關系，上向鉆孔施工過程鉆壓還需承擔鉆孔自重沿y方向的分量。為了徹底消除孔內積存鉆屑對排渣的影響，需改變給壓方式，即考慮鉆壓為0和負壓狀態，即對應孔內鉆頭原位旋轉(“空轉”)、鉆頭旋轉倒退以排盡孔內積存鉆屑或塌孔所產生附加鉆屑量。

2 軟煤中速控壓鉆進成孔工藝的提出

根據上述分析可知，轉速和鉆壓太低，直接降低鉆進深度和成孔效率；轉速過高會誘發孔壁失穩，鉆壓大小及給壓方式會影響鉆孔排渣效果。故需進一步深入分析，在軟煤賦存條件及力學屬性一定時，確定合理轉速、鉆壓及給壓方式以提高軟煤鉆進成孔率。

2.1 合理鉆壓的分析

鉆壓是鉆進施加于鉆頭的壓力。是破碎煤體的最基本參數，常用W表示。在現有設備條件下，典型的鉆壓(W)-鉆速(Vm)曲線如圖3所示。曲線分為三段：W0為門限鉆壓。

圖3 鉆壓與鉆速的關系曲線

1)第一段：oa段，此時鉆壓很小，鉆頭切削未切入煤巖，進尺是靠切削刃研磨煤巖體獲得，所以很慢，功率低。煤巖體很少體積破碎，此區間的比例很小，一般不在此區間工作。

2)第二段：ab段，為曲線的直線段，表明Vm與W成正比關系，鉆進過程大多位于此區間工作。

Vm∞(W-W0)

(2)

式中，W0為門限壓力，此時鉆壓大于W0后，切削刃可進入煤巖體，切割破碎的煤巖體成塊狀，即體積破碎，破碎效率高，且孔底凈化也充分。

3)第三段：bc段，當鉆壓超過Wb后，牙輪鉆頭的牙齒已全部進入煤層，煤屑積存于牙齒根間，妨礙了牙齒的吃入，同時孔底不易凈化充分，而且銑齒及尖劈狀，根部粗，面積增大，吃入過深后勢必轉速降低，從而導致W上升，Vm下降。同時鉆壓的升高使鉆頭牙齒磨損速度增大：

dh/dt=1/(D2-D1W)

(3)

鉆速與牙齒磨損量的關系曲線如圖4所示，鉆速與牙齒磨損量的關系：

圖4 鉆速與牙齒磨損量的關系曲線

Vm∞1/(1+c2h)

(4)

因此，最優鉆壓區間應布置在ab段，利于鉆孔鉆進排渣，也減少鉆頭損耗速度。

2.2 合理轉速的分析

當鉆速和其他條件不變時，分析鉆孔不同排渣情況下，轉速與鉆速的可用下式表示：

Vm∞nλ

(5)

式中，n為轉速；λ轉速指數，一般小于1，0.4～1；鉆速與轉速的關系曲線如圖5所示。

圖5 鉆速與轉速的關系曲線

由圖5可知，在理想條件下(軟煤鉆進全程不塌孔、孔內始終保持清潔)，鉆進速度與轉速成正比；在孔內積存鉆屑時，鉆速隨轉速升高呈現漸增趨穩。因此，選取2、3曲線中拐點附近鉆壓較為合理。

綜上分析，針對軟煤鉆進過程中，必須確定合理的轉速、給進壓力及給壓方式，以提高軟煤鉆孔成孔率的同時，降低鉆具的損耗成本及鉆機功耗。

3 工程實踐

3.1 朱家店煤礦概況

山西離柳焦煤集團朱家店煤礦區域處于鄂爾多斯盆地東緣的晉西隆起帶，設計煤炭產能120萬t/a，目前主采山西組的4#、6#煤層，其中4#煤層為優質主焦煤，發熱量高且灰分低，受控于東西向的離石-中陽大向斜控制，該煤層起伏性較大，平均厚度約1.2m，構造煤發育，瓦斯基礎參數見表1，屬于典型的高瓦斯礦井，當前全礦井高濃瓦斯抽采管路濃度僅為9%～11%，上隅角時有超限，實際煤炭年產能僅為50萬t。

表1 4#煤層瓦斯基礎參數測定結果平均值

礦井目前采、掘工作面分別采用的瓦斯抽采方法為順層遞進式鉆孔+裂隙帶高位鉆孔+下鄰近層低位鉆孔+上隅角埋管抽采、區域長鉆孔預抽+局部淺孔排放，90%以上瓦斯治理的依賴于鉆孔抽采。由表1可知，4#煤層f<0.5、P0=0.64MPa且Δp>10，屬于典型的構造軟煤，具備瓦斯壓力大、瞬時解吸量大、透氣性低等鮮明特點，直接造成了瓦斯抽采鉆孔施工難度大、成孔率低及抽采效果不佳等問題，進而導致礦井瓦斯超限發生，嚴重制約了優質煤炭產能。

3.2 實施效果

本次試驗地點選在朱家店煤礦0403工作面材料順槽，其長度為505m，工作面長度為160m，標高為+771～+691m，受斷層及向斜等構造影響，4#煤層起伏大，平均傾角為4°，且構造軟煤較發育，f<0.35。現場施工鉆機為ZDY-4000LQ履帶式鉆機，選用刻槽式鉆桿，直徑為83mm，鉆機的轉速區間為60～230r/min，給進壓力最大為123kN，據上節分析結果，選取中壓段、中速段進一步量化考察給進壓力、轉速對終孔深度及成孔效果的影響，分別在材料順槽距開口處80m、180m、280m、380m處布置4組鉆孔，開展4種給進壓力與4種轉速的正交試驗，分別觀測記錄16種鉆壓-鉆速下終孔深度及塌孔夾鉆次數，分別繪制不同鉆壓、轉速條件下終孔深度即夾鉆次數變化曲線，如圖6—圖9所示。

圖6 鉆壓與終孔深度變化趨勢圖

圖7 鉆壓與塌孔夾鉆次數變化趨勢圖

由圖6和7可知，整體鉆孔終孔深度隨著鉆壓增大呈現先增后減趨勢，且隨轉速增加，孔深下降速率增大；同時，鉆進過程夾鉆次數隨鉆壓變化呈 “V”型。主要因為高鉆壓和高轉速條件下，煤屑不易及時排除且鉆桿震蕩對孔壁破壞加劇。

由圖8和9可知，轉速對終孔深度影響程度較小，在低速和高速階段呈微弱的倒“V”型，夾鉆次數呈現兩端大、中部小的“V”型變化趨勢，在中速階段終孔深度呈現逐漸增大并趨于穩定，夾鉆次數明顯偏低，故轉速選在該區較為合理。

圖8 轉速與與終孔深度變化趨勢圖

圖9 轉速與塌孔夾鉆次數變化趨勢圖

綜合考慮鉆進過程給進壓力的方式，在鉆進過程中，采用了正壓推進、零壓空轉、負壓退鉆三種給壓方式施鉆，結果表明，零壓空轉、負壓退鉆兩種給壓方式下鉆孔塌孔夾鉆次數可控制在2次以內，雖然一定程度降低鉆進速度，但明顯提升成孔率，尤其是在塌孔嚴重的高壓高速階段，采用正-負壓交替施鉆方法利于攪動沉積于下部孔壁的大量煤屑并起到促排渣作用，可有效解決夾鉆抱死導致丟鉆頭、鉆桿事故。

綜上所述，根據工作面預抽鉆孔長度要求大于80m(工作面長度一半)，鉆進過程塌孔夾鉆次數盡量少的原則，確定適合朱家店煤礦4號煤層的中速控壓工藝參數：給進壓力合理范圍為60～80kN，轉速為130～160r/min，給壓方式選擇正壓推進與零壓空轉相結合，遇糜棱狀構造煤，則需采用正-負壓交替的給壓方式。

4 結 論

1)構建了軟煤順層鉆孔鉆進-排渣過程三維力學模型，得出軟煤一定條件下鉆進壓力σ鉆、排渣動力σp為孔壁失穩的主控因素，轉速次之；孔內煤屑積存量與(σ鉆-σp)成正比。

2)得出了軟煤鉆進壓力與鉆速之間呈現先增后減的“拋物線”變化關系，鉆速與轉速之間呈現逐漸增趨穩的變化趨勢，綜合考慮鉆具磨損、功耗及給壓方式等因素，提出了中速控壓軟煤鉆進工藝。

3)確定適合朱家店煤礦4號煤層的中速控壓工藝參數：給進壓力合理范圍為60～80kN，轉速為130～160r/min，給壓方式選擇正壓推進與零壓空轉相結合，遇糜棱狀構造煤，則需采用正-負壓交替的給壓方式。

4)此次研究適用于近水平鉆孔與螺旋鉆桿風壓排渣條件，建議下一步應深入研究不同鉆孔傾角、液體排渣方式及棱狀鉆桿的軟煤施工工藝參數，進而為軟煤鉆進成孔提供全面系統的理論指導和數據支撐。