煤礦勘查中深孔鉆探成孔工藝研究

李照三

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313 地質(zhì)隊，安徽 六安 237010）

目前我國深部鉆探存在技術難點，主要表現(xiàn)為煤礦勘查中深孔鉆探成孔施工工藝中因鉆桿振動強、剛性差等特點造成的施工精度低，以及排屑困難、切削熱能散熱慢、無法直接查看到切削的情況等[1-3]。深孔鉆探施工過程中主要的故障類型為折斷、刀具壽命短、施工精度低、切屑堵塞纏屑等。研究分析深孔鉆探成孔工藝，并重點介紹高壓內(nèi)排屑技術，旨在為深部煤礦勘察工作提供技術準備。

1 深孔鉆探成孔工藝和排渣技術

1.1 深孔鉆探成孔技術和施工工藝

以西閏煤礦勘查為例，該工程配備了VLD-1000 型深孔定向千米鉆機，并配備相應的DGS 鉆進實時監(jiān)測系統(tǒng)。圖1 是深孔鉆的噴吸鉆示意圖。在分析瓦斯抽采鉆孔的基礎上，地質(zhì)探測、煤礦勘查等工程領域最為優(yōu)秀的深孔鉆探成孔技術為煤礦瓦斯地質(zhì)精細勘查鉆進技術，該技術的核心為相應的測量技術和孔內(nèi)馬達驅(qū)動裝置[4-6]。破煤過程首先通過鉆桿將高壓水輸送至孔內(nèi)馬達，接著高壓水發(fā)揮沖擊功能在轉(zhuǎn)子、前端軸承、鉆頭等引導下產(chǎn)生高速轉(zhuǎn)動。深孔鉆探成孔過程中，鉆桿固定不動，鉆頭做旋轉(zhuǎn)運動，這能有效降低鉆機的負荷[7-8]。

圖1 深孔鉆的噴吸鉆示意圖

煤礦勘查深孔鉆探的施工工藝如圖2 所示，包括工藝設計、布孔、開孔、鉆進、退鉆探底、完孔參數(shù)六個步驟。工藝設計是指在每個孔鉆進之前，收集可能多的煤層鉆孔、測量等材料，根據(jù)鉆孔布置要求，設計人員提前準備好投影圖施工鉆孔的設計參數(shù)，并經(jīng)過任務要求確保鉆工獲曉鉆孔的鉆進要求。根據(jù)采掘計劃得到待勘查區(qū)域煤層地質(zhì)條件、可供鉆探時間、孔底間距、鉆孔孔深，進而能獲得煤層的透氣性。鉆孔布孔形式為鉆場扇形施工，其中每個鉆場數(shù)量10～20 個，孔深200～800 m，孔底間距為5～10 m。對于開孔，首先利用專用擴孔器將孔擴大到6 m，退出的擴孔器采用聚氨酯或水泥進行封孔操作，然后放入孔內(nèi)馬達，并將其與MECCA 孔外儀鉆桿連接，安裝操作包括防噴口器等孔口安全裝置，以此來完成新孔打開的工作。

圖2 煤礦勘查深孔鉆探施工工藝

開啟水泵運行一段時間后觀察孔中是否有出水問題，在反渣正常的情況下進行鉆進，每隔6 m 進行一次不同程序的測量工作，并在設計圖中做好鉆孔的水平和垂直投影目標，對比設計軌跡和偏移程度，調(diào)整彎頭方向。下一段鉆進參考頂板為兩探頂點連線的延長線。對于退鉆探底，由于煤礦區(qū)域瓦斯含量高，煤礦下部有厚度為0.5 m 左右的軟煤區(qū)域的夾矸層，研究每間隔50 m 完成一次探底工作，有效補充礦井煤層產(chǎn)狀的地質(zhì)資料。鉆進工作結(jié)束后，通過實時監(jiān)測系統(tǒng)DGS 獲取完孔水平面和垂直面軌跡圖等圖表。

1.2 深孔鉆進排渣技術

深孔鉆進高壓內(nèi)排屑能量分析包括三個部分，分別是環(huán)形排渣空間內(nèi)的能量、鉆孔內(nèi)循環(huán)程水力損失、鉆渣在鉆孔內(nèi)的速度。

依據(jù)能量守恒定律，鉆渣需依賴沖洗液壓力將其從環(huán)形排渣空間內(nèi)排出來。排渣過程可分為兩個部分，兩個階段分別在鉆桿內(nèi)和環(huán)形排渣空間內(nèi)完成，接下來對兩個階段的能量分別進行分析。做功包括沿程水力損失、動能做功、重力做功、壓力做功。依據(jù)伯努利方程，可得到四種做功方式的平衡式：

在第一部分，沖洗液的密度為ρ1，取值為1 g/cm3，p1為沖洗液壓力，標準大氣壓用p2指代；v1為鉆渣顆粒的初始速度，取值為0；水流在鉆頭內(nèi)、接頭內(nèi)、鉆桿內(nèi)的沿程水力損失用Δp（1-2）指代；v2為水流從鉆孔內(nèi)到鉆孔中的流速。

在第二部分，伯努利方程采用二固液兩相流式。沖洗液轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌狭黧w，密度計算公式為：

式中：Cs和C1分別為鉆渣、水流所占混合液的濃度；ρs為鉆渣的密度。沖洗液壓力也轉(zhuǎn)換為標準大氣壓，水流從鉆桿內(nèi)進入到鉆孔中的流速用v1指代，鉆孔處混合流體的平均速度為v=（v0+v1+v2）/3，即該平均速度經(jīng)由沖洗的初始速度（v0）、鉆桿中水流進入鉆孔的流速（v1）以及水流流經(jīng)鉆孔的速度（v2）計算得到。

對于鉆孔內(nèi)循環(huán)程水力損失，鉆進階段的沿程損失可分為兩個部分，兩個部分分別在鉆桿內(nèi)和環(huán)形排渣空間內(nèi)進行。沖洗液的總水力損失Δp的計算公式為：

式中：流體容重為H，每根鉆桿的長度為l，速度水頭為2g，鉆桿內(nèi)流體平均速度為vb，鉆桿接頭長度為lD，鉆桿、鉆桿接頭、鉆頭出水孔個數(shù)分別為m1、m2、m3，沖洗液在鉆孔孔內(nèi)環(huán)空上返速度為va，鉆桿內(nèi)部通道直徑、外徑分別為d1和d2，鉆孔直徑和鉆桿接頭內(nèi)部通道直徑分別用d3和d4指代，突然擴大、突然縮小的局部阻力系數(shù)分別為ξ1和ξ2，鉆頭出水孔的局部阻力系數(shù)為ξ3。ξ1和ξ2的計算表達式為：

式中：鉆桿和鉆桿接頭內(nèi)部通道截面積分別用B1和B2指代，鉆頭出水孔的局部阻力系數(shù)為ξ，取值為0.6，沿程阻力系數(shù)為λ1和λ2。

沿程阻力系數(shù)依據(jù)臨界雷諾數(shù)計算得到，表達式為：

式中：高壓水流的運動粘度為v，圓環(huán)通道內(nèi)流體的流速用v指代，圓環(huán)通道的當量直徑為d。

沿程阻力系數(shù)通過阿里特蘇里公式為：

式中：當鉆桿內(nèi)壁為0.19 mm，鉆孔孔壁的當量粗糙度的取值為1.5 mm，管壁的當量粗糙度為Δ。

鉆渣在鉆孔內(nèi)的速度分析包括鉆孔孔內(nèi)環(huán)空沖洗液的上返速度、鉆桿內(nèi)部沖洗液的流速、鉆渣顆粒的滑落速度、環(huán)形排渣空間內(nèi)鉆渣顆粒的上返速度。根據(jù)沖洗液的上返速度和鉆桿內(nèi)部沖洗液的流速可知，鉆渣在排到地面的過程中沖洗液的流動狀態(tài)為紊流。環(huán)形排渣空間內(nèi)，鉆渣顆粒的上返速度由鉆渣滑落速度、沖洗液的上返速度、垂直于鉆桿旋轉(zhuǎn)方向的速度三者合成，示意圖如圖3。

圖3 環(huán)形排渣空間內(nèi)鉆渣顆粒的上返速度

2 煤礦勘查中深孔鉆探成孔效果和排渣效果分析

圖4（a）和（b）分別指實時監(jiān)測系統(tǒng)DGS 獲取的完孔垂直面和水平面軌跡圖。測量點從0 增加到800，垂直距離呈現(xiàn)“瓢”狀弧形上升趨勢。當測量點為700 時，垂直距離最大，數(shù)值為40.2 m，水平距離呈現(xiàn)迅速上升達到最大值并逐漸趨于穩(wěn)定的變化軌跡；當測量點為200 時，水平距離最大，數(shù)值為-43.3 m。

圖4 完孔垂直面和水平面軌跡圖

圖5 為不同鉆孔深度下鉆渣半徑、鉆渣濃度、沖洗液壓力三者之間的關系圖。伴隨著鉆孔深度的增加，沖洗液壓力會越來越大。這是因為隨著路程的增加，運輸鉆渣過程所耗費的能量越來越多。當固定鉆孔深度時，增加鉆渣密度和鉆渣半徑會導致沖洗液的壓力不斷增大。當鉆渣半徑為0.88 mm、鉆渣濃度為51.7%、鉆孔深度為8 m 時，沖洗液的壓力達到最大值，取值為16.3 MPa。

圖5 不同鉆孔深度下鉆渣半徑、鉆渣濃度、沖洗液壓力三者之間的關系圖

圖6 為不同沖洗液壓力下鉆孔深度和混合液上返速度的關系圖。在固定沖洗液壓力的數(shù)值下，隨著鉆孔深度的增加，混合液的上返速度逐漸降低，直至數(shù)值為0。鉆孔深度和沖洗液的壓力呈現(xiàn)正向相關性。

圖6 不同沖洗液壓力下鉆孔深度和混合液上返速度的關系圖

3 結(jié)論

針對目前煤礦勘查中深孔鉆探排渣困難等問題，研究設計了一種深孔鉆探成孔工藝流程，并重點介紹了深孔鉆進排渣技術。五個采煤工作面月平均抽出量的范圍為4 751 265.32～6 874 813.26 m3，月平均風排瓦斯量均為2 455 100 m3，抽出總量的范圍為65 872 310～88 576 200 m3。在固定沖洗液壓力的數(shù)值下，混合液的上返速度和鉆孔深度呈正比關系，鉆孔深度和沖洗液的壓力呈現(xiàn)正向相關性。研究所提出的煤礦勘查中深孔鉆探成孔工藝技術具有極強的指導意義。