高瓦斯碎軟煤層“鉆-護-測”一體化新技術

王小龍，劉京科

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

煤與瓦斯突出是影響煤礦安全的重大隱患之一[1-2]。為消除及減輕煤與瓦斯突出的風險，煤礦井下普遍采用鉆機施工瓦斯抽放鉆孔進行瓦斯預抽，通過預抽采瓦斯降低煤層中的瓦斯壓力，以有效預防煤與瓦斯突出安全事故的發生。

目前，常用的施工方法有2 種：①采用隨鉆軌跡儀在鉆孔施工的同時進行鉆孔軌跡的測量，終孔后起出鉆桿及測量儀器，再下入篩管封孔后進行瓦斯預抽；②在鉆孔施工完成后起出鉆桿，再采用鉆機推送式軌跡儀進行軌跡測量，最后下入篩管封孔后進行瓦斯預抽。這2 種鉆孔施工技術對于瓦斯含量高、煤體結構碎軟、透氣性差的碎軟煤層（硬度系數）有很大的局限[3-4]。對于高瓦斯、低透氣性的碎軟煤層，提鉆后極易出現噴孔、塌孔的孔內事故，常導致軌跡測量不到位、篩管護孔不到位，降低了鉆孔成孔率，產生了瓦斯抽采空白帶。

針對高瓦斯碎軟煤層鉆孔護孔及測孔的實際需求，為提高鉆孔瓦斯抽采效果，消除或減小瓦斯抽采盲區，提出了針對高瓦斯碎軟煤層鉆孔施工的新技術，即鉆孔護孔測孔一體化的方法，并開發了配套的裝置。該技術從施工工藝上將鉆孔、護孔及測孔3 個獨立的工作作為一個整體考慮：首選采用大通徑螺旋鉆桿配合可開閉式鉆頭進行鉆孔施工，鉆進結束提鉆前從鉆桿尾部中心送入前端帶有懸掛器的篩管，當懸掛器的前端頂開可開閉式鉆頭的中心刀頭伸出鉆頭時懸掛器自動打開傘狀固定翼，固定翼卡在鉆孔孔壁上使得懸掛器及篩管固定在孔內；隨后起出鉆桿及鉆頭，利用手推桿將手推式軌跡儀探管送入篩管尾部中心，每送進1 根手推桿，進行1 個點的軌跡測量，測量完成后起出手推式軌跡儀探管，將測量數據導入防爆手機進行軌跡計算及成圖；最后完成封孔進行瓦斯預抽。采用該技術保證了鉆孔有多深，護孔及測孔就有多深，實現了鉆孔、護孔及測孔的一體化及最大效能。

1 “鉆-護-測”一體化技術方案

瓦斯抽采鉆孔施工一直是制約高瓦斯、低滲透碎軟煤層瓦斯高效治理和安全生產的關鍵[5-6]。受現有技術與裝備的限制，我國煤礦主要采用底抽巷穿層鉆孔和順煤層對穿鉆孔進行碎軟煤層瓦斯抽采[7-8]。通常先在待掘進煤巷下部施工底抽巷，然后在底抽巷側幫或頂板向上施工穿層鉆孔，對待掘煤巷影響區內瓦斯進行抽采治理；在煤巷掘進完成且采煤工作面圈閉后，再施工順煤層對穿孔，進行工作面內瓦斯抽采。

針對現有2 種鉆孔施工方法在碎軟煤層鉆孔成孔率及瓦斯抽采效率方面存在的局限性，提出鉆孔護孔及測孔一體化技術方案，即采用大通徑三棱螺旋鉆桿配合可開閉式鉆頭進行鉆孔施工，在施工過程中采用井下管道系統壓風排渣和螺旋鉆桿機械排渣，在鉆進結束時從鉆桿尾部中心送入前端帶有懸掛器的PVC 篩管，隨著PVC 篩管的送入，懸掛器前進到可開閉式鉆頭位置，在推力作用下懸掛器端頭頂開可開閉式鉆頭中心刀頭伸出到鉆頭前方，在自身彈簧張力的作用下，懸掛器2 個固定翼呈傘狀打開，使得2 個固定翼卡在孔底孔壁之上，從而實現懸掛器及篩管在孔內的固定，提鉆起出鉆桿及鉆頭，再借助炭纖維手推桿將手推式軌跡儀探管送入篩管進行軌跡測量，測量完成后起出軌跡儀探管進行數據處理及軌跡成圖，最后封孔完成瓦斯預抽采。“鉆-護-測”一體化施工工藝流程圖如圖1。

圖1 “鉆-護-測”一體化施工工藝流程圖Fig.1 Integrated construction process flow chart of drilling, protection and measurement

2 “鉆-護-測”一體化所用裝置

2.1 大通徑三棱螺旋鉆桿及可開閉式鉆頭

1）大通徑三棱螺旋鉆桿。碎軟煤層塌孔或噴孔后會產生大量煤渣，超過正常鉆進排渣量的數十倍，采用普通外平鉆桿無法實現及時排渣，經過多年的探索與實踐，采用三棱螺旋鉆桿配合高轉速鉆進可以較好的解決排渣問題。三棱螺旋鉆桿的優點明顯[9-10]：①鉆桿體采用摩擦焊接工藝焊接而成，鉆桿整體力學性能好，使用壽命長；②鉆桿三角截面設計增大了鉆桿與孔壁間的環隙，排粉更加通暢；③鉆桿接頭采用雙頂結構設計，抗扭能力較常規接頭提高約30%；④高強度三棱螺旋鉆桿圓周上均布大導程螺旋槽，攪粉、排粉能力強。常用三棱螺旋鉆桿外徑φ73 mm，內徑φ25 mm，為滿足“鉆-護-測”一體化所要求的下篩管要求，對普通三棱螺旋鉆桿做了改進，三棱螺旋鉆桿外徑保持不變，其內徑擴大為φ36 mm，稱為大通徑三棱螺旋鉆桿，使得直徑φ32 mm的PVC 篩管可以送入三棱螺旋鉆桿內。φ73/φ36 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿適配扭矩不大于3 200 的鉆機,適配φ103 mm 可開閉式鉆頭，完全滿足普通回轉鉆機鉆孔施工的要求。大通徑三棱螺旋鉆桿實物如圖2。

圖2 大通徑三棱螺旋鉆桿Fig.2 Large diameter triangulated spiral drill pipe

2）可開閉式鉆頭?？砷_閉式鉆頭包括呈管狀的空心鉆頭體，鉆頭體后端設置有用于與鉆桿連接的內螺紋，鉆頭體前端設置有活動閥片和3 個切削齒，3 個切削齒沿空心鉆頭體圓周方向等間隔設置，活動閥片一端通過銷軸與空心鉆頭體鉸接，另一端通過卡合機構與設置在空心鉆頭體上的卡槽相卡合?？ê蠙C構包括沿活動閥片厚度方向穿設在活動閥片上的彈簧和設置在彈簧兩端的鋼球，鋼球與彈簧固定連接，通過使鋼球脫離或卡入卡槽從而實現活動閥片的開閉?？砷_閉式鉆頭的優點有：①整個鉆頭為等直徑設計，無需采用旋轉退鉆方式退出鉆頭，避免了旋轉過程中對篩管造成的損壞；②半開放式凹槽結構和中心翼片的設計，使得鉆頭體整體強度高，同時起到了輔助碎巖的作用；③鉆頭中心翼片在鉆頭內孔外推力作用下呈90°打開，既實現了不退鉆下放篩管工藝，又保證了篩管的下放深度?？砷_閉式鉆頭實物如圖3。

圖3 可開閉式鉆頭Fig.3 Open/close optional bit

可開閉式鉆頭配套大通徑三棱螺旋鉆桿，當鉆進至設計孔深后，可通過鉆桿內孔下入相應規格的篩管，實現“鉆到位，管到底”，從而有效提高松軟突出煤層護孔篩管下入深度，避免提鉆后鉆孔坍塌，保證瓦斯抽放效果[11]。

2.2 懸掛器及篩管

懸掛器是可將篩管固定于鉆孔孔壁的裝置，其帶有2 個可伸縮式固定金屬翼，懸掛器后端帶有螺紋絲扣，可與篩管對接。在自然狀態時，由于支撐固定金屬翼的彈簧張力的作用，2 個固定金屬翼向懸掛器前端呈傘狀打開。當鉆進施工結束后，懸掛器與篩管連接送入大通徑鉆桿內部，由于鉆桿內徑的約束，固定翼自動收縮在懸掛器的空腔部分，當懸掛器下至可開閉式鉆頭處，篩管后端推力使得懸掛器前端頂開可開閉式鉆頭的中心鉆頭，懸掛器伸出鉆頭，由于自身彈簧力的作用2 個固定金屬翼自動呈傘狀打開，固定翼就會卡緊在鉆孔內壁之上，從而保證在鉆桿及鉆頭退出時篩管保持不動。懸掛器及篩管實物如圖4。

圖4 懸掛器及篩管Fig.4 Hanger and sieve tube

護孔篩管是在煤礦原有的篩管上進行參數優化而成。增大篩眼直徑和密度，這樣更利于后期瓦斯抽采，從而提高瓦斯抽采效果。通過篩管材料力學試驗進行PP 管、PE 管、PVC 管的軸向形變性能、拉伸形變性能及壓縮形變性能測試，驗證了PVC 管無論從軸向剛度和經濟角度都是最合適的篩管材料。篩管之間聯接方式為絲扣連接。選取φ32 mm PVC 篩管和φ73/φ36 mm 大通徑三棱螺旋鉆桿配套使用。

2.3 手推式軌跡儀

手推式軌跡儀主要包括軌跡測量探管、手持式控制終端及碳纖維手推桿。具體測量方法是鉆孔鉆進施工完成，篩管下放到位并退出鉆桿及鉆頭后，將測量探管通過螺紋絲扣安裝在手推桿前端送入篩管內進行鉆孔軌跡測量。由于篩管的護孔作用，即便是在碎軟煤層條件下，軌跡測量探管不存在埋鉆或送不進去的風險與問題。

由于受篩管空間尺寸的限制，所開發的軌跡測量探管外徑為φ31 mm，測量探管長度450 mm，可以適用于大多數下放過篩管的鉆孔軌跡測量。為滿足防水和抗振要求，測量探管設計了注塑減振套件和抗壓耐磨外管，測量探管耐水壓力達12 MPa。

鉆孔軌跡由3 個參數確定，即：鉆孔深度、鉆孔方位角、鉆孔傾角。鉆孔深度由手推桿個數確定（1根手推桿長度為1 m），鉆孔方位角和傾角由軌跡測量探管測量獲得。軌跡測量探管原理框圖如圖5。

圖5 軌跡測量探管原理框圖Fig.5 Principle block diagram of track measuring probe tube

三軸一體的MEMS 加速度計敏感地球重力場的投影分量，相互正交的三軸磁感傳感器敏感地球磁場的投影分量，磁感傳感器和MEMS 加速度計的輸出經采集模塊及A/D 模塊變換成數字信號送入STM32 單片機進行處理解算，由三軸MEMS 加速度計測量值獲得鉆孔傾角，由三軸磁感傳感器測量值結合三軸MEMS 加速度計測量值獲得鉆孔方位角，可將測量的鉆孔傾角、方位角存儲在測量探管內，也可以通過wifi 模塊傳輸到手持式控制終端，手持式控制終端結合記錄的鉆孔深度等數據進行軌跡計算及軌跡成圖顯示。

手持式控制終端選用具有MA 認證標志的礦用防爆兼本安型手機，其搭載Android 系統，配套鉆孔軌跡數據處理專用APP 軟件，其主要功能有：①wifi連接：實現控制終端與測量探管之間的通訊，如指令傳輸，數據傳輸等；②定時同步：通過定時同步讓測量探管和控制終端保持時間上精確一致，使控制終端記錄的深度數據和測量探管測量的方位角和傾角數據借助時間標簽實現匹配對準；③數據傳輸：鉆孔軌跡測量完成后，通過wifi 建立通訊鏈接，將軌跡測量探管的數據傳輸到手持控制終端以便后續數據處理；④鉆孔軌跡計算與顯示：手持式控制終端的鉆孔軌跡數據處理專用軟件利用鉆孔深度、方位角和傾角計算鉆孔軌跡及上下、左右偏差值并成圖顯示。

3 鉆孔軌跡數據處理

鉆孔軌跡數據處理主要包括：數據傳輸、數據校正、磁偏角配置、計算軌跡、軌跡成圖及數據輸出等。借助手持式控制終端上的鉆孔數據處理軟件可完成鉆孔軌跡數據處理。鉆孔軌跡數據處理軟件采用模塊化設計方法，鉆孔數據處理軟件主界面如圖6。

圖6 鉆孔數據處理軟件主界面Fig.6 Main interface of drilling data processing software

鉆孔方位角、傾角及深度數據經均角全距法可獲得鉆孔軌跡數據。當已知孔深L，傾角β 及方位角α，可以通過式（1）～式（3）計算出各測點的水平位移x，左右位移y 及上下位移z。

式中：βi為第i 個測點的傾角；αi為第i 個測點的方位角；α0為鉆孔主設計方位角；△Li為第i 個測段的長度。

在獲得水平位移x，左右位移y 及上下位移z后，可繪制出基于鉆孔坐標系的“水平位移-左右位移”圖和“水平位移-上下位移”圖?！八轿灰?左右位移”圖即鉆孔軌跡在鉆孔坐標系下x－y 水平面上的投影圖，該圖反映了鉆孔軌跡在水平面的展布形態；“水平位移－上下位移”圖即鉆孔軌跡在鉆孔坐標系下x－z 剖面上的投影圖，該圖反映了鉆孔軌跡在垂直剖面上的展布形態。正是這2 個平面圖清楚描繪了鉆孔軸線在三維空間的軌跡。

4 現場應用

瓦斯含量高、透氣性差的碎軟煤層在我國淮南、淮北、貴州等地區分布廣泛[12-13]。碎軟煤層“鉆-護-測”一體化技術在淮北礦業集團所屬礦井進行了推廣應用，取得了良好的效果?；幢钡V業某煤礦為治理瓦斯災害，在該礦866 底抽巷采用“鉆-護-測”一體化技術施工了大量穿層鉆孔。由于采用了“鉆-護-測”一體化施工技術，各個鉆孔的鉆進、下篩管及測量均達到了鉆孔的設計深度，實現了鉆孔、護孔及測孔的最大一致，為改善鉆孔瓦斯抽采效果提供了強有力的技術支撐。鑒于“鉆-護-測”一體化技術對高瓦斯碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工的有效性及便捷性，目前淮北礦業集團已在其所屬各礦進行推廣應用。

866 底抽巷位于8 煤層底板下方27～40 m，煤層底板下方為灰巖層，各鉆場瓦斯抽采穿層鉆孔軸向間距為5 m，各鉆孔列間距也為5 m，鉆孔終孔穿過8 煤層頂板約3 m。根據“鉆-護-測”一體化施工對866 底抽巷14 號、16 號、18 號、20 號、22 號、24號鉆場共6 個連續鉆場共257 個鉆孔的軌跡測量數據，進行了鉆孔軌跡計算及三維成圖，通過實鉆軌跡與設計軌跡的對比，可以對鉆孔抽采覆蓋區域及覆蓋盲區進行分析與評價，通過后續有針對性的補充鉆孔施工有效控制或消除鉆孔瓦斯抽采盲區，保障鉆孔瓦斯抽采全覆蓋。各鉆場鉆孔群軌跡及煤層頂底板三維顯示如圖7。

圖7 鉆孔軌跡與煤層頂底板三維顯示Fig.7 3D display of borehole track and coal seam roof and floor

5 結 語

針對高瓦斯、低滲透碎軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工現存的問題，提出鉆孔、護孔及測孔一體化技術方案，開發了配套的施工及測量裝置?！般@-護-測”一體化技術在鉆進施工結束時通過在鉆桿內下入篩管并借助懸掛器將篩管固定于鉆孔底部孔壁上，提鉆后再利用手推式軌跡儀在篩管內進行鉆孔軌跡測量，通過這種施工技術，保證了鉆孔施工有多深，篩管護孔及鉆孔測量就有多深，實現了鉆孔、護孔及測孔的最大效能，為改善高瓦斯碎軟煤層鉆孔瓦斯抽采效果，消除或減小瓦斯抽采盲區提供了簡單、有效的技術手段。