王坡煤礦復雜頂板雙級雙速擴孔技術研究與應用

趙凱凱，楊冬冬，張亞洲，褚志偉

（1.山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

瓦斯治理是保證煤礦安全生產的重要環節，其中回采期間上隅角與采空區的瓦斯治理更是重中之重[1-2]。山西天地王坡煤業有限公司王坡煤礦經2009年兼并重組后建設規模為3.0 Mt/a，屬于高瓦斯礦井，2020 年礦井絕對瓦斯涌出量達到了110 m3/min，嚴重制約了煤礦的安全、高效和集約化生產[3-4]。王坡煤礦受地面村莊壓煤影響，導致井下3#煤層存在跳躍，從而誘發多個孤島工作面的出現，受其自身空間限制，可選擇的瓦斯治理方法極為有限。王坡煤礦曾嘗試采用低位高抽巷對采空區瓦斯進行治理[5]，但是由于其工作量大、成本高，綜合優勢不明顯。

頂板高位大直徑定向鉆孔是一種高效的瓦斯抽采技術手段，該技術具有鉆孔軌跡可控、工程量小、施工周期短、瓦斯抽采效果好等優點[6-8]。目前該技術已經在諸多礦區推廣應用，實踐表明，利用多個高位大直徑定向鉆孔可替代高抽巷進行上隅角及采空區瓦斯抽采治理，治理效果顯著[9-11]。然而，當鉆遇多破碎帶、軟硬巖層交互等復雜地層時，局部孔壁易坍塌從而引發憋壓、卡鉆等情況出現，導致定向鉆進及擴孔施工難以繼續的情況，不能達到高效鉆進的目的[12]。王坡礦此類問題十分突出，因此，針對王坡煤礦復雜頂板大直徑鉆孔難成孔難題，提出了采用雙級雙速螺桿鉆具并配套使用三棱螺旋鉆桿對先導定向鉆孔進行擴孔施工的思路，實現機械-水力強排渣，充分保障復雜頂板高位大直徑鉆孔的安全、高效成孔。

1 頂板高位大直徑鉆孔施工技術現狀

目前煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術及配套裝備具有一定的局限性，導致頂板高位大直徑定向鉆孔普遍采用“先導鉆孔+分級擴孔”的成孔方法[13-14]，即先采用螺桿馬達搭配隨鉆測量系統施工小直徑先導定向鉆孔，然后采用常規回轉鉆進進行分級擴孔。

1）先導定向鉆孔施工主要采用單彎螺桿馬達搭配有線或無線隨鉆測量系統，通過連接相關配套鉆頭、鉆桿及送水器可實現定向鉆孔的一次鉆進成孔，目前定向鉆孔孔徑大多為?98 mm 與?120 mm 2種。

2）分級擴孔主要采用常規回轉鉆進逐級擴孔至目標孔徑，以目標孔徑?193 mm 為例，需要進行?133、?153、?178、?193 mm 4 次分級擴孔，過程中需要起下鉆具3 趟。該擴孔技術相對成熟，具有施工方法簡單，鉆具配置靈活等技術特點[15]。隨著更大孔徑鉆孔的需求逐年增長，常規回轉擴孔工藝的局限性日益突出：一方面分級擴孔級數增加，輔助工程量也隨之增加；另一方面孔內擴孔鉆桿彎曲變形現象越發嚴重，極易造成鉆桿柱的過早疲勞損傷，對于擴孔鉆進施工造成極大的安全隱患[16]。

2 復雜頂板大直徑定向鉆孔擴孔施工技術難點

在復雜頂板進行大直徑定向鉆孔擴孔施工時存在憋壓、卡鉆、及鉆桿疲勞破壞等問題，其產生的根本原因主要源自以下2 點：

1）地層原因。當地質條件復雜、局部地層膠結性差，鉆遇此類地層時，受鉆頭旋轉擾動及沖洗液浸泡軟化和沖蝕作用，孔壁失穩坍塌產生大量碎屑堵塞鉆孔環空流道，引起憋壓、卡鉆。

2）鉆具原因。隨著擴孔孔徑及深度的增加，鉆頭與鉆桿的尺寸級配增大，導致施工過程中鉆桿柱彎曲變形加劇；當鉆遇地層破碎且軟硬互層時，鉆桿柱所受的扭矩波動明顯，在彎、扭載荷的共同作用下，鉆桿螺紋段及鉆桿桿體局部易產生疲勞破壞而發生斷裂。

針對在目標層內鉆遇復雜地層出現上述問題，目前采取的措施主要是換用更大尺寸的常規螺旋回轉鉆具組合實施透孔，增大鉆頭后方的環空過流面積，或者對破碎孔段進行注漿加固，工作量大且收效甚微，對于長距離復雜孔段，孔壁持續坍塌，采用上述方法也無法解決問題。因此，如何提高擴孔效率及孔內鉆渣輸排效果，是解決憋壓、卡鉆、鉆桿疲勞破壞等問題的關鍵。

3 雙級雙速擴孔技術及配套裝備

雙級雙速擴孔技術是一種同時利用鉆機機械能及泥漿泵壓力能的多動力擴孔技術，以孔口動力與孔底動力聯合驅動鉆頭碎巖鉆進，實現單次增擴至目標孔徑。該套擴孔鉆具主要包括一級擴孔鉆頭、二級擴孔鉆頭、雙級雙速螺桿馬達及擴孔鉆桿。雙級雙速擴孔技術原理如圖1，泥漿泵將高壓沖洗液沿著擴孔鉆桿泵送至雙級雙速螺桿馬達，驅動馬達運轉，將沖洗液壓力能轉化為一級擴孔鉆頭機械能，鉆機將機械能通過擴孔鉆桿將扭矩及給進力傳遞至雙級雙速鉆具，帶動二級擴孔鉆頭回轉碎巖，孔口動力與孔底動力的聯合應用相較單一孔口動力，避免了能量的浪費，能夠充分利用機械能及壓力能。

圖1 雙級雙速擴孔技術原理Fig.1 Principle of two-stage and two-speed reaming technology

1）雙級雙速螺桿馬達。雙級雙速馬達實物如圖2，雙級雙速螺桿馬達設有2 個連接端口，1 個設計在定子外殼前端（定子連接端口），用于連接二級擴孔鉆頭，另1 個設計在轉子輸出軸前端（轉子連接端口），用于連接一級擴孔鉆頭。擴孔過程中，雙級雙速螺桿馬達在高壓沖洗液驅動作用下通過轉子輸出軸傳遞給一級擴孔鉆頭，同時，雙級雙速螺桿馬達隨著鉆桿一起回轉從而將孔口動力傳遞至二級擴孔鉆頭。為了滿足?120 mm 先導孔擴孔需求，設計了?105 mm 雙級雙速螺桿馬達，雙級雙速螺桿馬達功能技術參數為：①外徑規格：105 mm；②長度：4.92 m；③轉速：87～110 r/min；④啟動壓力：0.8～1.0 MPa；⑤額定壓降：3.2 MPa；⑥額定扭矩：1 850 MPa。

圖2 雙級雙速馬達實物Fig.2 Two-stage and two-speed screw motor

2）復合分級擴孔鉆頭。復合分級擴孔鉆頭實物如圖3，復合分級擴孔鉆頭分為一級擴孔鉆頭和二級擴孔鉆頭，兩者同軸布設，軸向上一級擴孔鉆頭高出二級擴孔鉆頭一定距離，使得一級擴孔鉆頭首先接觸先導定向鉆孔孔壁實現一級增擴，二級擴孔鉆頭緊隨其后實現對鉆孔的二級增擴，從而完成1 趟鉆將先導定向鉆孔鉆擴至目標孔徑。?105 mm 雙級雙速螺桿馬達配套的一級擴孔鉆頭規格為?120/165 mm 和?120/172 mm，整體為4 刀翼結構，二級擴孔鉆頭外徑為200 mm，整體為6 刀翼結構。

圖3 復合分級擴孔鉆頭實物Fig.3 Combined two-stage reaming bit

3）三棱螺旋鉆桿。擴孔鉆桿選用?89 mm 大通孔整體式三棱螺旋鉆桿，單根長度為1.5 m，鉆桿采用整體式結構設計，其接頭部分采用雙頂結構，該鉆孔選用厚壁無縫地質管材，材質為優質合金鋼，經過多道熱處理工藝，其抗扭性能較常規鉆桿提升40%[17-18]，具有整體強度高、抗扭能力強、綜合機械性能好、通孔直徑大等特點[19]。

4 現場實鉆應用

雙級雙速擴孔技術及裝備實鉆應用選址在山西天地王坡煤礦3314 工作面開展，3314 工作面煤層埋深520～719 m，掘進期間實測瓦斯含量為7.45～15.38 m3/t，工作面采用“預抽+橫川埋管+上隅角插管”抽采的方式進行工作面瓦斯治理，抽采達標時測得工作面煤層殘余可解吸瓦斯含量為2.26～3.85 m3/t（平均3.37 m3/t）。結合以施工多個大直徑頂板高位鉆孔代替傳統高抽巷的瓦斯治理新思路，對工作面采動影響區及采空區瓦斯進行瓦斯綜合治理。根據工作面采動裂隙空間發育特征及時空演化規律，在3314 回風巷布置高位定向鉆孔1#鉆場，該鉆場位于距回風巷繞道口約486 m 處，鉆孔布設及設計方案為：開孔點在高度方向上單層布置，開孔點與鉆場底板（即煤層底板）平面之間的理論距離控制在3.0 m左右；2 個開孔點之間的理論平移距1.0 m；離巷幫最近的開孔點與回風巷幫間的距離為2.0 m。

該鉆場內共設計了4 個頂板高位大直徑鉆孔，分別為X-10、Z-20、S-30、S-40 鉆孔。4 個鉆孔設計軌跡水平投影的水平間距為10 m，距3314 回風巷巷幫的水平距離分別為10、20、30、40 m。4 個鉆孔分布在3 個考察層位，高位定向鉆孔空間布孔參數表見表1。

表1 高位定向鉆孔空間布孔參數表Table 1 Parameter table of high-position directional drilling

采用ZDY20000LD 大功率定向鉆機、BLY460 泥漿泵車對定向先導鉆孔實施擴孔，其中X-10、S-40鉆孔采用了雙級雙速擴孔技術裝備。起初采用的鉆具組合為?200/?165/?120 mm 復合分級擴孔鉆頭+雙級雙速螺桿馬達+?89 mm 外平高韌性鉆桿+…+?89 mm 外平高韌性鉆桿+送水器，由于外平高韌性鉆桿輔助排渣能力弱，對于易塌孔段，經常因堵住返出通道發生憋泵、回轉壓力高、進尺緩慢的情況。針對該問題，制定了基于機械-水力強排渣的擴孔鉆進技術方案，鉆具組合方式更換為?200/?165/?120 mm 復合分級擴孔鉆頭+雙級雙速螺桿馬達+?89 mm 三棱螺旋鉆桿+…+?89 mm 三棱螺旋鉆桿+送水器。選配的?89 mm 三棱螺旋鉆桿與外平高韌性鉆桿相比，具有輔助排渣能力強的顯著優勢，基于其特殊的異型結構特征，鉆桿在回轉過程中可對孔壁垮塌的大體積巖塊產生沖擊碾壓，形成二次破碎，有效避免大體積巖塊阻塞鉆孔返渣通道，保證水力排渣的連續性。

X-10 鉆孔采用雙級雙速擴孔技術裝備搭配三棱螺旋鉆桿進行擴孔施工，從孔深30 m 擴孔至209 m，擴孔平均機械效率可達23.37 m/h，全孔鉆擴累計耗時4 班次，折算后單班進尺量為44.75 m，日均進尺量可達134.25 m。X-10 鉆孔機械鉆速變化曲線如圖4。

圖4 X-10 鉆孔機械鉆速變化曲線Fig.4 Drilling rate change curve of X-10 hole

S-40 鉆孔同樣采用雙級雙速擴孔技術裝備搭配三棱螺旋鉆桿進行擴孔施工，從孔深37 m 擴孔至214 m，擴孔平均機械效率可達19.92 m/h，全孔鉆擴累計耗時4 班次，折算后單班進尺量為44.25 m，日均進尺量可達132.75 m。S-40 鉆孔機械鉆速變化曲線如圖5。

圖5 S-40 鉆孔機械鉆速變化曲線Fig.5 Drilling rate change curve of S-40 hole

5 結 語

1）雙級雙速擴孔技術充分利用孔口鉆機機械能及孔底沖洗液壓力能雙動力聯合水巖，代替了傳統孔口單一動力來源鉆擴頂板大直徑定向鉆孔，解決了隨著鉆擴孔徑及孔深的增加導致的鉆進效率低、能量傳遞效果差、輔助時間長及工序復雜等問題。

2）采用“?200/?165/?120 mm 復合分級擴孔鉆頭+雙級雙速螺桿馬達+?89 mm 三棱螺旋鉆桿+…+?89 mm 三棱螺旋鉆桿+送水器”鉆具組合，實現機械-水力強排渣，有效解決了復雜巖層易塌孔段因堵住返出通道發生憋泵、回轉壓力高、進尺緩慢的問題。

3）雙級雙速擴孔技術及配套裝備井下實鉆數據表明，在復雜頂板砂巖層中的平均機械轉速可達到20 m/h 左右，為復雜頂板高位大直徑鉆孔的高效成孔提供了新的技術支撐。