王坡煤礦碎軟煤層高壓氮氣定向鉆進試驗研究

孫永新，張 杰，馬 強，黃寒靜，張亞洲，王建強

（1.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048000；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

由于碎軟煤層鉆進時易發生埋鉆、噴孔、卡鉆等現象，存在鉆孔事故頻發、成孔率低、深度淺、瓦斯抽采效率低等不足，嚴重影響礦井瓦斯安全高效治理。針對井下碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工技術，國內外科研技術人員從鉆機、鉆具、鉆進工藝等多方面開展了大量研究工作[1-8]。近年來，為解決碎軟煤層順層定向鉆孔施工問題，中煤科工集團西安研究院研究開發出煤礦井下氣動定向鉆進技術與裝備，并在安徽、貴州、山西等礦區開展了試驗和推廣應用，取得了良好的效果[9-15]。采用氣動定向鉆進技術施工鉆孔可沿碎軟煤層長距離延伸，鉆孔軌跡可控，避免了抽采盲區，提高了超前抽采距離和范圍，與常規鉆孔技術相比，瓦斯抽采效果明顯提高，有效提升了煤礦瓦斯災害防治技術水平，為碎軟煤層礦井革新瓦斯治理模式、提高治理效果、降低治理成本提供了技術支撐。

山西天地王坡煤礦屬于高瓦斯礦井，煤層節理發育，膠結性差，長期以來，主要采用螺旋鉆進順層鉆孔的施工方法進行瓦斯治理，存在鉆進深度不到位、鉆孔分布不均勻、抽采效率低、鉆孔工程量大等問題。前期先后開展液動螺桿鉆具順層定向鉆進、頂板梳狀孔、底板梳狀孔鉆進試驗[16-17]，由于水排渣工藝易導致孔壁失穩垮塌、成孔困難、鉆進效率低，未能達到預期效果。

因此，針對王坡礦煤層地質條件，開展高壓氮氣排渣氣動定向鉆進試驗研究，采用高壓制氮機配合氣動螺桿鉆具進行順層孔鉆進試驗，克服風源壓力不足的問題，達到高效排渣目的，同時避免壓風鉆進可能出現的孔內安全問題。

1 地質概況

1）礦井概況。山西天地王坡煤業有限公司（簡稱“王坡煤礦”）隸屬于中煤科工集團有限公司，位于晉城市西北部，距市區約25 km，行政區劃隸屬于晉城市澤州縣下村鎮，井田面積26 km2，礦井地質儲量2.96 億t。礦井始建于1997 年，2006 年6 月正式投產，現生產能力3.00 Mt/a。山西天地王坡煤業有限公司為高瓦斯礦井，礦井西北與玉溪煤礦相鄰，西部為保利平山礦，東部為大陽煤礦，南部與成莊礦相接。

2）煤層條件。目前開采3#煤層位于二疊系下統山西組下部，平均埋藏深度約為500 m，瓦斯含量為5.02～18.77 m3/t，平均11.9 m3/t；煤層平均厚度為5.76 m，黑色，亮煤為主，具有金屬-玻璃光澤，堅硬、性脆，局部煤質松軟、破碎，局部含2 層夾矸，煤層硬度系數0.74。煤層傾角為2°～10°，平均為6°。

2 試驗裝備

1）定向鉆機。由于煤體脆易破碎、塌孔，煤渣多、摩阻大，要求鉆機能力強；因煤層復雜性，還需要考慮鉆進和打撈工藝要求；此外，還要滿足井下運輸條件、巷道和鉆場條件。根據鉆機性能要求結合國內使用情況，試驗選用ZDY15000LD 定向鉆機。該鉆機最大扭矩達到15 000 N·m，最大給進起拔力達到250 kN，主軸通孔直徑達到135 mm，可滿足φ73、φ82、φ89、φ95、φ102、φ114、φ127 mm 等不同規格鉆具施工要求。

2）氣動螺桿鉆具。氣動螺桿鉆具為孔底破碎切削提供動力的工具，為φ82 mm 外螺旋結構，鉆具回轉時三頭螺旋翼片起到輔助排渣作用。氣動螺桿鉆具的性能參數如下：①直徑：φ73/82 mm；②長度：4 200 mm；③頭數：5/6；④輸入排量：6～12 m3/min；⑤馬達壓降：0.4～0.5 MPa；⑥輸出轉速：100～200 r/min；⑦額定轉矩：250 N·m。

3）定向鉆桿。碎軟煤層鉆進，為提高排渣效果，選用φ73/82 mm 焊接式螺旋鉆桿；雙頭螺旋翼片有利于排渣；為了減少風阻、降低鉆桿壓降，鉆桿采用大通孔結構，通徑40 mm，避免內通孔過小產生較大壓降損失；接頭采用圓錐梯形螺紋連接，使得螺紋受力均勻，提高了鉆桿接頭強度。

4）制氮裝置。為保障氣動鉆進施工安全，選用高壓制氮裝置，防止氣動鉆進中燒鉆、CO 超限事故。根據風力排渣相關研究，壓風鉆進排渣需要達到一定臨界流速[18-19]，結合實踐經驗，風量一般在450 m3/h以上。為了滿足需要，選用中煤科工集團沈陽研究院有限公司研制生產的DMJ-900/20 高壓智能制氮裝置。該裝置采用制氮領域的最新中空纖維膜分離制氮技術，產品系統采用微電腦自動化控制且為礦用隔爆兼本安型防爆類型，具有運行穩定、制氮快、效率高、成本低，壽命長等特點，分體結構便于井下運輸，組裝方便，可靈活地運送到應用的場所。DMJ 系列膜分離制氮裝置由螺桿式移動空氣壓縮機段、壓縮空氣預處理段與膜分離段組成。空氣壓縮機提供制氮裝置用的壓縮空氣，保證制氮機正常工作，空壓機的供氣壓力為2.4 MPa，供氣溫度≤42 ℃，額定流量30.3 m3/h。膜制氮裝置應用聚酯微型中空纖維束集成組件，有選擇性地將壓縮空氣中的氧氣和氮氣進行分離。該制氮裝置輸出額定流量900 m3/h,輸出壓力2.0 MPa，該裝置可用于煤礦井下氮氣鉆進用排渣，保障松軟煤層鉆孔施工安全。

5）測量裝置。測量裝置采用YSDC 無線電磁波隨鉆測量裝置。YSDC 礦用電磁波隨鉆測量儀對鉆孔傾角、方位角、工具面向角等參數的監測，實現鉆孔參數、鉆孔軌跡的即時顯示。該儀器運用電磁波信號傳輸的方式，具有信號傳輸速率高、測量時間短等特點，電池工作時間不小于160 h，滿足試驗鉆孔深度需要。

6）防噴除塵裝置。氣動定向鉆進由于采用壓風鉆進，粉塵污染大，因此研制防噴除塵裝置，通過三級密封，有效防止噴孔導致瓦斯大量涌出，避免因密封問題導致粉塵逸散；采用射流除塵和負壓除塵相結合，能夠實現有效降塵，保證井下施工人員健康。防噴裝置安裝示意圖如圖1。

圖1 防噴裝置安裝示意圖Fig.1 Installation schematic diagram of blowout preventer

7）注油潤滑裝置。根據氣動螺桿鉆具正常運轉需要，研制注油潤滑裝置提供持續穩定的油量對氣動螺桿鉆具進行注油潤滑，保證螺桿鉆具正常運轉，提高鉆具使用壽命。注油潤滑裝置可提供持續、穩定、可靠的流量輸出，并可根據需要和風量大小在0～80 L/h 范圍內進行調節。

3 高壓氮氣定向鉆進試驗

試驗地點選在3306 運輸回風聯巷鉆場，為保證鉆孔有足夠鉆進深度，鉆孔沿工作面施工，初步設計4 個鉆孔，孔深350 m，開孔后均要求造斜定向拐彎，孔間距15 m，1#、2#、3#、4#孔（根據試驗情況決定是否施工4#孔）開孔方位相對巷道走向分別左偏20°、15°、10°、25°。參照運輸巷煤層標高逐段確定鉆孔傾角為+1°～+2°。鉆孔設計平面圖如圖2。

圖2 鉆孔設計平面圖Fig.2 Design graph of boreholes

3.1 施工工藝

3.1.1 工藝流程

1）開孔擴孔。采用φ108 mm 鉆頭回轉開孔12 m，后采用φ193 mm 回轉擴孔2 m，下φ159 mm 孔口管1.5 m 后注膠封孔。

2）下定向鉆具。依次連接定向鉆頭、氣動螺桿鉆具、無磁鉆具、電磁波測量裝置、絕緣短節、定向鉆桿等，校正好工具面后下入孔內。

3）安裝孔口除塵裝置。連接好孔口管和孔口防噴裝置，并連接除塵裝置和負壓管路。

4）鉆進施工。鉆具下入孔底后，啟動除塵器，打開氮氣閥門供風，待氣動螺桿鉆具正常運轉后開始鉆進，鉆進期間觀察風量和風壓參數，每鉆進完成3 m 或6 m 測量鉆孔數據。

5）終孔退鉆。鉆進至設計孔深時終孔退鉆，退鉆過程中每隔30～50 m 帶風沖孔排渣。

3.1.2 氣動定向鉆進工藝

鉆具組合：φ108 mm 定向鉆頭+φ73/82 mm 螺桿鉆具+φ82 mm 螺旋無磁鉆具+φ82 mm 絕緣短節+φ73/82 mm 螺旋鉆桿。

鉆進穩定煤層時，采用復合鉆進工藝鉆進，回轉速度30～50 r/min，在提高鉆進效率同時，保證排渣效果；需要定向時，采用滑動定向鉆進工藝。

鉆進不穩定煤層時，根據實踐經驗，由于煤體破碎，復合鉆進容易造成傾角快速上升，如6 m 傾角增加5°～8°，導致鉆遇頂板且造成鉆具過大彎曲，此時可慢速滑動定向鉆進，每滑動定向2～3 m，來回拉動鉆桿排渣或慢回轉排渣；也可復合鉆進緩慢給進方式，利用回轉排渣和鉆具自重防止鉆具抬升。若出現鉆孔傾角急劇增加，則將鉆頭退至傾角突增位置，調整鉆具彎頭向下，采用滑動定向慢給進形式反復多次鉆進，實現鉆孔軌跡平緩變化。

3.1.3 鉆進工藝參數

鉆進工藝參數主要包括風量、風壓、鉆進速度等。研究表明，當煤屑粒徑一定時，兩相流的固氣比（煤粉質量流量和氣體質量流量之比）越大，排渣所需的最小風速也就越大，兩相流動的壓力損失也會增大；不同的鉆屑粒徑對輸送風速的影響并不明顯，隨著鉆屑粒徑的減小，臨界輸送風速稍有降低[19]。若鉆進工況條件下環空反風排渣時氣體臨界速度取10 m/s，結合施工鉆孔環空截面孔底壓力（取0.1～0.2 MPa）以及氣體狀態方程（p1V1/T1=p2V2/T2，其中：p1、V1、T1分別為標況下壓力、體積和溫度；p2、V2、T2分別為工況下壓力、體積和溫度），估算標況下臨界風量約7.5～11 m3/min。鉆進中流量計監測標況下風量應不小于450 m3/h。

氣動定向鉆進中，隨著鉆孔深度增加，壓力損耗逐漸增大，為保證排渣順暢，風源壓力應保證1.5 MPa 以上。

鉆進速度快慢直接關系到單位時間產渣量，導致固氣比出現變化；風量一定時，鉆進速度應合理，避免過快導致孔內鉆渣堆積，鉆進壓力增大。實踐中結合地層條件鉆進速度不大于1.0 m/min，鉆進速度過快時，應來回掃孔以充分排渣。

3.1.4 開分支工藝

軟煤鉆進分支點應選擇在穩定煤層孔段，距離煤層底板足夠距離，避免開分支后見底；不穩定孔段開分支時可能出現坍塌導致開分支失敗。

開分支方法采用低速磨削法進行施工，開分支速度宜為3～6 m/h，通過鉆進速度和壓力微小增加判斷是否開出分支孔，也可通過軌跡數據判斷。

根據實際煤層條件和鉆孔情況開分支一般鉆進6～9 m；當開出分支孔后，應及時調整工具面進行軌跡調整，確保分支孔與原孔錯開一定距離，保證分支點處穩定性。分支點后6～12 m 孔段應避免回轉鉆進，否則容易因回轉切削直徑增大或煤層不穩定導致分支段塌孔破壞。

3.1.5 安全措施

采用氮氣鉆進時，可能出現瓦斯、CO 涌出、也有可能由于氮氣涌出造成氧氣體積分數不足，因此應在鉆場下風側及孔口上方按要求吊掛甲烷傳感器和一氧化碳傳感器，同時鉆場內吊掛氧氣體積分數監測儀。當出現異常時人員及時撤離。

制氮裝置和供風管路應加強維護和管理，避免因設備和管路故障造成危害。壓風管道采用專用管道，且滿足耐壓要求，若出現漏氣或損壞及時處理。

送風器后端設置風水聯動裝置，當誤操作導致著火時能夠及時處理。除塵器通過氣水分離裝置連接到瓦斯抽放管路。

鉆進過程中，除觀察鉆進壓力參數，還應時刻注意鉆進風量和風壓，若風量較低時應停止鉆進。為保證螺桿馬達正常運行，確保開啟注油泵，加接鉆桿時，應觀察送風器的殘留油液，判斷注油泵是否正常注油。

3.2 試驗效果

3.2.1 施工情況

2021 年7—8 月，在3306 試驗鉆場施工4 個碎軟煤層定向鉆孔，總進尺1 415 m，其中最大孔深437 m，創造國內氣動定向施工孔深記錄，期間順利開分支2 次，成功實施套銑打撈1 次，最大單班進尺72 m。其中1#孔鉆進至209 m 見頂板，開分支后由于分支孔段不穩定塌孔導致卡鉆，采用套銑鉆桿成功打撈；2#孔順利開分支1 次，鉆進深度306 m；3#和4#孔分別鉆進至392、437 m 壓力增大，提鉆終孔。試驗鉆孔實鉆情況見表1。1#～3#試驗鉆孔實鉆軌跡平面如圖3，4#試驗鉆孔實鉆軌跡剖面圖如圖4。

圖3 1#～3#試驗鉆孔實鉆軌跡平面Fig.3 Actual trajectory planar graph of boreholes

圖4 4#試驗鉆孔實鉆軌跡剖面圖Fig.4 Actual trajectory sectional drawing of 4# boreholes

表1 試驗鉆孔實鉆情況Table 1 Drilling conditions of experimental boreholes

3.2.2 鉆進效果

1）選用氣動定向鉆進裝備穩定可靠，滿足定向施工要求，實現鉆孔軌跡有效控制；高壓氮氣排渣氣動定向鉆進施工鉆孔，較以往液動順層定向施工鉆孔深度大，鉆進效率顯著提升，由原來不足35 m/d提高到82.3 m/d，最大單班進尺達到72 m。

2）采用氣動定向施工孔壁較穩定，成孔性好；鉆孔瓦斯抽采體積分數高，達到90%以上；采用高壓制氮機裝置提供氮氣進行定向鉆進，壓力和流量穩定可靠，滿足施工要求，有利于深孔鉆進施工，同時保證孔內施工安全。

3）針對施工中由于突然塌孔造成的卡鉆事故，采用氮氣排渣套銑打撈工藝，鉆孔穩定性好，套銑打撈成功率高。

3.2.3 深孔鉆進工藝參數分析

4#孔風量和和風壓參數曲線如圖5，4#鉆孔回轉壓力和鉆進壓力參數曲線如圖6。

圖5 4#孔風量和和風壓參數曲線Fig.5 Nitrogen pressure and flow parameter curves of 4# boreholes

圖6 4#鉆孔回轉壓力和鉆進壓力參數曲線Fig.6 Rotary pressure and drilling pressure parameter curves of 4# boreholes

1）隨著鉆進深度的增加，風壓逐漸增大，從即壓力損耗增加，這就要求制氮裝置提供足夠風壓以滿足施工要求，才能保證深孔正常鉆進和排渣需要；流量變化曲線可以看到，隨著孔深增大，流量總體逐漸減小，200 m 以內淺孔段流量衰減較慢，200 m 深度以后變化明顯。這表明，碎軟煤層鉆進深孔時，由于孔內鉆渣積聚增多，對壓力和流量影響較大，需要保證滿足排渣需要的風壓和風量，400 m 深度后風壓和風量變化明顯，表明孔內排渣不暢，需要注意排渣以保證施工安全。實踐表明，碎軟煤層400 m 深孔鉆進時，正常鉆進風量宜為450～600 m3/h，鉆進風壓應在1.0～1.4 MPa。

2）由于煤層硬度低，鉆進時鉆頭破碎煤體所需要鉆進壓力很低且穩定；正常鉆進排渣時，回轉壓力也比較低；但是隨著孔深增加，摩擦阻力增加，回轉壓力和鉆進壓力緩慢增加；當排渣不暢時，壓力出現異常，回轉壓力和給進壓力出現較明顯增加；與風量和風壓參數曲線變化對應可以看出，400 m 孔深左右鉆孔排渣不暢導致各項壓力明顯增加。因此，鉆進時通過觀察壓力參數判斷鉆進狀態是否正常，一般400 m 鉆孔回轉壓力（轉速40～50 r/min）不超過10 MPa，給進壓力不大于3 MPa。

4 結 語

1）采用高壓氮氣排渣氣動定向鉆進技術和裝備滿足王坡礦碎軟煤層順層鉆孔施工要求。鉆孔軌跡精準可控，煤層鉆遇率高，鉆進深度大，鉆孔成孔性好，鉆進效率顯著提升，在山西礦區瓦斯治理示范意義顯著。

2）優選高壓制氮氣裝置提供風源，保證鉆孔施工安全同時，風源壓力高，排渣能力強，確保鉆孔順暢，有利于實現深孔鉆進。風源壓力大幅提升，對于后續改善螺桿鉆具性能，提高扭矩，并優化整套鉆具結構，進一步升級完善具有重要意義。

3）針對碎軟煤層進行氣動定向鉆進，應進一步優化鉆進工藝方法和工藝參數，不同地層條件充分利用復合鉆進、滑動定向鉆進、回轉排渣等不同工藝方法，保證施工安全條件下，提高鉆進效率。

4）氣動定向鉆進技術裝備應逐步向自動化、智能化發展，提升整體可靠性、安全性和工作效率；優化氣動定向鉆具組合結構和性能，提高鉆進能力和地層適應性。通過不斷改進完善，充分發揮氣動定向鉆進技術在碎軟煤層的鉆進優勢，實現瓦斯高效治理，保障煤礦安全生產。