寺河礦ZDY6000L型鉆機定向鉆進技術(shù)

曹 銳

（晉能控股煤業(yè)集團寺河礦）

近年來隨著開采強度、規(guī)模的不斷擴大和礦井開采深度的不斷增加，安全高效地治理瓦斯成為全國各高瓦斯礦井的首要任務(wù)［1］。以寺河礦為例，該礦瓦斯賦存和涌出量大，瓦斯地質(zhì)條件十分復(fù)雜。寺河礦的瓦斯治理工程技術(shù)人員利用定向鉆機的鉆桿通訊功能、電腦實時顯示鉆進軌跡功能、孔底鉆進馬達修正鉆進軌跡方向功能，實現(xiàn)了抽放鉆孔對預(yù)抽煤層的全方位、全煤厚立體式覆蓋。這種抽放模式既消除了抽放盲區(qū)，提高了煤體瓦斯抽放效果，降低了煤體瓦斯含量，同時又可以依據(jù)鉆進過程中的返渣、瓦斯涌出、返水量來對煤層中的構(gòu)造進行探測分析、對瓦斯異常區(qū)域進行圈定、對煤層進行探放水［2］。

然而，寺河礦在定向鉆機使用中，仍存在一些問題亟待解決，如寺河煤礦早期購買的進口定向鉆進裝備已陳舊，使用過程中故障頻發(fā)，影響生產(chǎn)效率的同時鉆機維護成本也明顯增加。寺河礦為了滿足生產(chǎn)需要，急需利用礦上現(xiàn)有的國產(chǎn)非定向鉆機進行定向鉆進技術(shù)與裝備的研究和開發(fā)，從而滿足400 m以上區(qū)域遞進式本煤層瓦斯抽采鉆孔的施工，實現(xiàn)技術(shù)與裝備改造升級，降低瓦斯抽放成本，提高鉆孔施工效率。

1 基礎(chǔ)鉆機選型

本次定向鉆進技術(shù)與裝備開發(fā)是以ZDY6000L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機為基礎(chǔ)進行的。ZDY6000L型鉆機屬于自行式、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩類坑道鉆機，由履帶車體、主機、泵站和操縱臺4大部分組成，主機、泵站、操縱臺之間用高壓膠管連接，共同安裝在履帶車體之上，便于井下搬遷運輸，適于采用復(fù)合片鉆頭施工深度約600 m的大直徑鉆孔，鉆機實物如圖1所示。

2 鉆機定向功能開發(fā)

實現(xiàn)鉆機定向功能的關(guān)鍵在于馬達驅(qū)動裝置和配套的隨鉆測量技術(shù)［3］。孔底馬達在高壓水的作用下帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進，隨鉆測量系統(tǒng)測定孔底方位角、傾角和彎頭方向，并將測量參數(shù)顯示在鉆機自帶的防爆電腦上，通過電腦調(diào)整彎頭方向，使鉆進軌跡和設(shè)計軌跡盡量一致。定向鉆機各關(guān)鍵系統(tǒng)如圖2所示。

2.1 馬達驅(qū)動裝置選用

鉆機水泵產(chǎn)生的高壓清水通過中空鉆桿送至孔底馬達，孔底馬達內(nèi)部的轉(zhuǎn)子在高壓水的沖擊作用下旋轉(zhuǎn)，再通過前端軸承帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)，達到破煤鉆進的效果［4］。螺桿馬達的彎頭是實現(xiàn)定向功能的關(guān)鍵部件，它和鉆桿之間有一定的夾角，如圖3所示。由于彎頭的作用，定向鉆孔的軌跡不再是傳統(tǒng)鉆機形成的略帶拋物的直線軌跡，而成為1條空間曲線，如圖4所示。寺河礦通過考察調(diào)研和性能分析，選用國產(chǎn)1.25°φ73 mm三級螺桿馬達，滿足煤層內(nèi)定向鉆進需要，如圖5所示。

2.2 隨鉆測量系統(tǒng)開發(fā)

隨鉆測量系統(tǒng)是保證定向鉆孔按照設(shè)計施工的關(guān)鍵，該系統(tǒng)主要測量鉆孔的方位角、傾角和螺桿馬達彎頭方向，測量數(shù)據(jù)在鉆機自帶的防爆電腦上通過三角函數(shù)計算出每一個測量點的坐標(biāo)，還能夠繪制出鉆孔軌跡在水平和垂直平面上的投影圖，如圖6所示。并且可以與鉆孔設(shè)計軌跡進行對比，根據(jù)施工偏差來調(diào)整彎頭方向，使鉆進軌跡與設(shè)計軌跡最大限度重合［5］。目前國內(nèi)外使用的定向鉆機無線隨鉆測量系統(tǒng)主要利用泥漿脈沖、電磁波、聲波、智能鉆桿、光纖5種方式傳輸孔底馬達鉆進軌跡信號，其中泥漿脈沖信號傳輸技術(shù)最為成熟、可靠［6］。因此寺河礦本次鉆機改造采用泥漿脈沖作為信號傳輸方式，結(jié)合寺河礦井下鉆孔施工工藝和施工環(huán)境特點，寺河礦聯(lián)合相關(guān)科研院所研制出了相應(yīng)的泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置。

通過泥漿脈沖無線信號來實現(xiàn)隨鉆測量的原理在螺桿馬達鉆進時，將探管連接在螺桿馬達后面，當(dāng)探管檢測到泥漿泵停運的信號以后，立即啟動測量短節(jié)，采集鉆孔參數(shù)和螺桿馬達彎頭方向等數(shù)據(jù)并進行編碼［7］；當(dāng)探管檢測到泥漿泵開啟信號后，立即將測量到的數(shù)據(jù)傳遞給驅(qū)動短節(jié)，驅(qū)動短節(jié)根據(jù)數(shù)據(jù)信號編碼控制電磁閥動作使脈沖發(fā)生器改變鉆桿內(nèi)水力通道的面積，限制部分清水流入鉆桿，從而產(chǎn)生泥漿壓力正脈沖信號并將信號傳遞至孔口，泥漿泵出水口的壓力變送器能夠檢測來自孔內(nèi)探管的壓力脈沖信號，并通過有線方式將脈沖信號傳遞到防爆計算機，計算機通過軟件按預(yù)先設(shè)定的編碼規(guī)則對壓力脈沖信號進行解碼，得出正確的鉆孔軌跡和螺桿馬達彎頭的狀態(tài)信息，并顯示在防爆計算機上（圖6），為施鉆人員提供參考數(shù)據(jù)［8］，泥漿脈沖無線傳輸系統(tǒng)運行原理如圖7所示。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 寺河礦W23024巷8#橫川鉆場實驗定向鉆機施工情況

W23024巷8#橫川鉆場完成試驗鉆孔3個，孔深均大于400 m，鉆孔主孔施工軌跡與設(shè)計軌跡基本重合，各項技術(shù)指標(biāo)已達預(yù)期指標(biāo)要求。鉆孔設(shè)計平面位置如圖8所示，鉆孔施工詳細數(shù)據(jù)見表1，鉆孔施工軌跡平面位置如圖9所示。

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4 結(jié) 論

（1）成功完成鉆機定向功能開發(fā)，通過現(xiàn)場試驗形成了一套適合無線隨鉆測量定向鉆進的成套鉆探裝備，具有鉆進能力大、適用范圍廣和運輸安裝方便的特點，能夠適應(yīng)寺河礦巷道條件施工。

（2）研究選配了螺旋螺桿馬達等適用于泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)的定向鉆進機具，理論與實驗相結(jié)合分析了其可行性和安全性，并進行了現(xiàn)場試驗。試驗結(jié)果表明，該套鉆進裝備可以滿足泥漿脈沖無線隨鉆測量的鉆進要求。

（3）試驗鉆孔孔深均大于400 m，滿足寺河煤礦400 m以上區(qū)域遞進式本煤層瓦斯抽采鉆孔施工的要求，實現(xiàn)了現(xiàn)有鉆進技術(shù)與裝備的改造升級。

（4）本次改造后，相較于進口定向鉆機每套設(shè)備可節(jié)約采購成本600萬元，為后續(xù)鉆機批量改造和配套提供依據(jù)。采用無線隨鉆測量定向鉆進技術(shù)降低鉆桿采購和維護成本60%以上，有效解決了寺河礦定向鉆機數(shù)量不足和運行成本偏高的問題，同時有效提高定向鉆孔在寺河礦井下鉆孔總進尺中的比例，對于提高瓦斯抽效率、實現(xiàn)安全高效開采具有積極意義。