高速螺旋鉆進技術研究及實踐應用

王建彬，杜利猛

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

軟硬交互煤層在我國大范圍分布，其特點是煤層軟硬不均，易塌孔卡鉆，順煤層瓦斯抽采鉆孔施工困難[1-2]，以晉城礦區的趙莊礦、長平礦以及成莊礦等礦區的3號煤層為例，普氏系數f值在0.3~0.6之間，煤層薄厚變化劇烈、軟硬地層交替出現、地質條件復雜多變，鉆遇碎軟或遇水坍塌段時，返渣困難、卡鉆、噴孔頻發，制約了成孔質量，鉆孔深度淺、成孔率低。長平礦施工的順層長鉆孔平均孔深只有70~100m左右，遠達不到設計孔深要求，成孔率長期低于30%，為了提高軟硬交互煤層順煤層鉆孔長度，先后嘗試了水力螺旋排渣、中風壓空氣鉆進、干式螺旋鉆進等工藝方法[3-5]，效果均不理想。

采用水力螺旋排渣工藝施工軟硬交互煤層，孔口返水、返渣時大時小，在鉆遇硬煤層時水力對孔壁沖蝕作用小，孔壁穩定性強，機械效率高，在鉆遇碎軟煤層時水力沖蝕作用下煤壁失穩，塌孔嚴重，孔口返水、返渣量急劇減小，鉆進困難；中風壓空氣鉆進工藝對孔壁的沖蝕作用相對較小，但是在鉆遇塌孔段時鉆具對鉆屑的攪動能力明顯不足，需要通過提高風壓、風量增強沖洗介質的攜渣能力，而礦井供風系統的供風能力又難以滿足，需要配備獨立的空壓機，增加了施工成本；干式螺旋鉆進工藝具有鉆進速度快、排渣能力強的特點，這與螺旋鉆具的結構直接相關，一般來說螺旋翼片越大即螺旋槽越深，排渣能力越強，需要的轉速就越高，而目前常規鉆機在設計方面主要以輸出扭矩為主，轉速往往不高（一般不大于200r/min），這也是該工藝在軟硬交互地層使用效果不佳的原因[6-8]。

1 高速螺旋鉆進技術

1.1 技術原理

煤礦井下近水平螺旋鉆進，孔底及孔壁產生的鉆屑聚集到孔壁下部，由螺旋葉片推移向孔外輸送，而鉆屑自身的重力、鉆屑之間的粘滯力、以及鉆屑與葉片和外殼之間的摩擦力阻止了它和螺旋葉片一起旋轉，鉆屑又在葉片推動擠壓下向孔口運移，類似于一臺“螺旋運輸機”[9-10]。低轉速螺旋鉆進工藝（轉速一般不大于200r/min），煤渣受螺旋鉆桿轉動產生的離心力較小，煤渣與煤渣壓實程度低、內聚力小，不利于攪動沉積在鉆孔下部的煤渣。

高速螺旋鉆進工藝（轉速不小于400r/min）排渣方式上以螺旋機械式排渣為主、空氣排渣為輔（風量2~6m3/min、風壓0.2~0.5MPa）。煤渣在有孔壁約束的情況下，受到來自鉆桿高速回轉產生的離心力，在較大離心力的作用下煤渣被壓實，形成致密的且密度均一的固體塞在螺槽上滑動，固體塞在螺旋葉片給予的推擠力、機筒表面給予的摩擦力以及螺桿表面給予的摩擦力合力作用下運動輸送，單根鉆桿1個螺距1h的理論排渣量為：

式中：Q——螺旋鉆桿理論排渣量，t/h；

D——螺旋鉆桿外徑，m；

d——螺旋鉆桿中心桿直徑，m；

S——螺旋鉆桿的螺距，m；

γo——煤渣的密度，t/m3；

ψ——鉆桿葉片間填充率；

n——鉆桿轉速，r/min；

θ——鉆孔傾斜布置及彎曲影響綜合系數。

從式中得出影響螺旋鉆進排渣量的主要因素有，螺旋鉆桿的結構、鉆桿的轉速、煤渣的密度等，晉煤礦區的軟硬交互煤層煤渣密度γo取1.42t/m3，鉆孔傾斜布置及彎曲影響綜合系數θ取0.9，對于鉆孔俯角不大于20°的煤層鉆孔，鉆桿翼片間的充填率ψ取0.3，其余參數跟螺旋鉆桿的結構及鉆機動力端轉速有關，根據高速螺旋鉆進工藝要求設計轉速400~600r/min，在功率不變的條件下需要將鉆機的轉速提高、扭矩相應減小，配套的常見鉆機型號為ZDY3000LG、ZDY6000LR鉆機。

1.2 螺旋鉆桿結構

螺旋鉆桿結構由桿體（中心桿）、螺旋葉片、公接頭、母接頭組成（圖1），其中螺旋鉆桿的外徑、中心桿直徑、螺距構成了螺旋鉆桿的重要參數。

圖1 高速螺旋鉆桿結構圖

鉆桿外徑確定后，中心桿尺寸設計越小螺旋槽越深，鉆桿排渣能力越強，帶來的鉆進阻力也就越大且強度就會降低；設計尺寸越大，鉆進阻力減小的同時排渣能力隨之下降，一般高效螺旋鉆進中心桿直徑與鉆桿外徑比例為1∶1.5。螺距的大小影響著速度各分量的分布，當螺距增加時，雖然軸向輸送速度增大，但是圓周速度會出現不恰當的分布情況；相反，當螺距較小時，速度各分量的分布情況較好，但是軸向輸送速度卻較小。在確定最大的許用螺距時，必須滿足的第二個條件是建立在使煤渣顆粒具有最合理的速度各分量間的關系的基礎上，即應使煤渣顆粒具有盡可能大的軸向輸送速度，同時又使螺旋面上各點的軸向輸送速度大于圓周速度。根據實際使用經驗，一般情況下，螺距取值為：

式中：S——螺距；

K1——螺距經驗系數，常取值K1=0.8~1.0；

Dw——螺旋鉆桿外徑。

鉆桿的外徑與鉆頭的直徑一般設計為1∶（1.2~1.5），以常用的?110mm鉆頭為例，鉆桿外徑應控制在74~91mm，中心桿直徑47.3~60.7mm，從保直效果和強度上考慮，研制了?95mm/60.3mm大深槽寬翼片插接式密封螺旋鉆桿，該鉆桿螺距的取值范圍是S=76~95mm，從成孔率和施工效率兩方面綜合考慮，選擇中間值85mm。

2 技術應用

長平礦4308綜采工作面主采的3#煤層位于山西組下部，f值平均為0.3，煤層厚度4.60~6.35m，平均6.08m，含泥巖、炭質泥巖夾矸0~2層，煤層直接頂板主要為砂質泥巖、泥巖，次為渣砂巖，局部為中、細砂巖，底板為黑色泥巖、砂質泥巖，深灰色渣砂巖，距頂板約0.50m左右和距底板約1.00m左右的兩層最為穩定，f值大于0.5，厚度為0.10~0.30m，該煤層屬于典型的軟硬復合煤層。

根據4308工作面瓦斯治理需要，試驗鉆孔設計采用上下兩排布置，上排孔開孔高度為2m（距離煤層底板），開孔傾角-2°，鉆孔間距4m，鉆孔設計深度120m；下排孔開孔高度1.5m（距離煤層底板），開孔傾角為-4°，鉆孔間距4m，鉆孔剖面設計見圖2，設計鉆孔深度150m，上下排孔采取交叉布孔形式，鉆孔平面設計如圖3所示。

圖2 鉆孔設計剖面圖

圖3 鉆孔設計平面圖

鉆具組合采用?95mm/60.3mm大深槽寬翼片插接式密封螺旋鉆桿+?110mm三翼PDC鉆頭，鉆機采用ZDY6000LR鉆機，鉆桿連接采用錐六方插接，U型銷固定，可正反轉施工。在4308工作面累計施工27個鉆孔，累計進尺3507m，平均孔深129.9m，最大鉆孔深度216m，鉆進效率為37.5~16.8m/h，成孔率93.8%，平均孔深較原來采用的低轉速矮槽式鉆具施工的鉆孔提高了34.3%，施工效率提高1.5倍，成孔率提高了45%，由于鉆機的扭矩有所下降最大鉆孔深度提升不明顯。

3 結論

（1）在煤層條件確定情況下，螺旋鉆進排渣量與鉆進轉速和螺旋鉆桿結構直接相關，將轉速提高至400r/min以上高轉速，能增強鉆具的離心力，加快攪動孔底鉆削的頻率。

（2）研制的?95mm/60.3mm大深槽寬翼片螺旋鉆桿結構合理、排渣能力好，有利于大塊鉆削的通過。

（3）實踐證明，高速螺旋鉆進成孔技術在典型的軟硬交互煤層施工中鉆進效率、成孔率、平均孔深均有大幅提高，降低了卡、埋鉆風險，為解決類似地層鉆進難題具有極高借鑒價值。