復雜軟弱煤層條件下高速螺旋復合鉆進技術研究及實踐

李迎喜

（山西天地王坡煤業有限公司，山西 晉城 048021）

礦井瓦斯危害極大，嚴重影響礦井安全生產[1-2]。隨著煤炭開采強度不斷增加，礦井瓦斯涌出量也越來越大[3]。近年來，隨著鉆探技術的不斷發展，煤礦井下坑道鉆探設備已逐漸成為礦井災害治理的重要手段，取得了較好的應用效果[4-12]。復雜軟弱煤層在我國高瓦斯礦井中分布十分廣泛，煤層破碎、滲透性低、瓦斯含量高、瓦斯壓力大、成孔難度大是其最主要的特征[13]。盡管此前已研發出多種鉆探設備和工藝并成功運用[14-17]，但煤層地質條件的復雜程度不一，本煤層順層鉆孔施工難度仍然較大。所以，軟弱煤層瓦斯抽采鉆孔仍多采用短鉆孔進行煤層預抽，其覆蓋范圍小、綜合成本高，設備效率低的缺點也是顯而易見的。為此，針對復雜軟弱煤層鉆進難題，研究了螺旋鉆進的工藝及鉆具組合，以提高順層鉆孔施工效率及成孔率。

1 高速螺旋復合鉆進技術

復雜軟弱煤層力學強度低、煤層瓦斯含量及壓力大，鉆探施工過程中常出現塌孔、頂鉆及噴孔等瓦斯動力現象，輕則鉆孔報廢，重則出現安全事故[18]。王坡煤礦地處沁水盆地，設計生產能力3 Mt/a，煤層瓦斯含量高，屬高瓦斯礦井[19-20]。井田內煤層賦存較穩定，傾角平緩，構造簡單，主采煤層為山西組3#煤，平均埋深度約500 m，平均厚度為5.76 m。由于煤層極為弱面發育，煤層自身承載能力極小，鉆探施工過程中極易出現塌孔卡鉆現象，成孔困難。針對鉆進過程中易塌孔、噴孔，鉆桿攜渣能力差等問題，采用高轉速螺旋機械排渣為主、風力排粉為輔的螺旋復合鉆進技術，探索通過該技術解決王坡煤礦順層鉆孔施工中遇到的難題。

1.1 螺旋鉆進

螺旋鉆進是一種將鉆機動力通過螺旋鉆桿傳遞至孔底鉆頭，從而達到破巖鉆進目的，而孔底及孔壁產生的巖粉由螺旋鉆桿葉片轉動向后輸送排出的鉆進方法。

近水平螺旋鉆進的優點：

1）螺旋鉆桿僅由鉆桿葉片與鉆孔孔壁接觸，對鉆孔的孔壁擾動較小，有利于軟弱煤體的鉆孔孔壁穩定。

2）螺旋鉆桿高旋轉過程中，能夠及時將孔內產生的煤粉排出，確保了孔內順暢，可以有效減少孔內事故。

1.2 高速螺旋鉆進排渣分析

煤礦井下近水平孔鉆進過程中，煤渣因重力積聚到孔壁下側，靠葉片推動實現向孔口移動。高速螺旋鉆進過程中，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。高速螺旋排粉運動示意圖如圖1，螺旋鉆桿排粉截面示意圖如圖2。

圖1 高速螺旋排粉運動示意圖Fig.1 Schematic diagram of high-speed spiral powder discharge

圖2 螺旋鉆桿排粉截面示意圖Fig.2 Schematic diagram of section of spiral drill pipe discharging powder

煤渣內部不會產生相對運動，可將煤渣的運動分為鉆桿回轉的牽引速度V1和煤渣與螺旋槽的相對滑動速度V2，其合成速度Vh沿著鉆桿軸向方向指向孔口，合成速度為：

式中：R0為煤渣微元質心與鉆桿芯桿中心距離，m；n 為螺旋鉆桿的轉速，r/min；β 為O 點的螺旋升角，（°）。

由式（1）可知，煤渣向外排的速度與鉆桿的回轉轉速成正比。

由圖2 可以看出，鉆桿由于自重總是緊貼著孔壁下側，在高速回轉時沒有支撐力將會有部分乃至全部逃逸出螺旋槽。鉆頭與鉆桿的配比越大，環空間隙越大，所形成的可逃逸部分空間就越大。實際工作中鉆頭通常只比鉆桿外徑大10 mm，所以可逃逸部分所占比例非常小，絕大多數煤渣將隨鉆桿的轉動向外移動。

1.3 空氣鉆進

空氣循環鉆進是將壓縮空氣通過鉆桿傳遞到孔底，在孔內形成高風流并通過風流將巖粉排出鉆孔的施工方法。同時，空氣鉆進過程中高風流也能夠加速孔內解吸瓦斯的排出。在復雜軟弱煤層鉆進中，風力排粉具有以下優點：

1）高風流通過鉆桿進入孔底，可以冷卻鉆頭，避免長時間煤層中鉆進造成孔內煤層燃燒產生有毒有害氣體。

2）高風流能夠有效將懸浮于孔內煤粉排出，避免粉煤累計過多造成鉆頭堵塞。

3）高風流對孔壁影響小，孔壁不易失穩。

1.4 高速螺旋復合鉆進

高速螺旋復合鉆進技術是以高回轉鉆機帶動螺旋鉆桿作為主要動力源，采用螺旋鉆桿高旋轉排渣工藝排出孔內煤粉，并輔助采用壓風排粉。高速螺旋復合鉆進主要特點如下：

1）高速螺旋復合鉆進結合了螺旋鉆進及空氣鉆進二者的優點，能夠顯著提高鉆孔成孔率。

2）鉆進過程中通過控制鉆桿轉速及風量大小，能夠及時排出孔內巖粉，減少孔內堆積，有效提高了排渣量。

3）高風流能夠冷卻鉆頭，及時排出孔內有毒有害氣體及瓦斯，使孔內氣體不易積聚，減少鉆孔事故。

2 鉆具改進及設計

根據高速螺旋鉆進的技術要求及礦井煤層情況，設計了以下3 種鉆具組合：

1）?110/63.5 mm 螺旋鉆桿+?120 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭。此鉆具組合：施工鉆孔孔徑大，有利于瓦斯抽采；鉆桿強度高，不易斷裂損壞，鉆桿采用雙頭螺旋結構設計，能夠提高排渣效率；三翼錐形刮刀PDC 鉆頭強度高，在煤層中鉆進不易損壞，能夠有效延長使用壽命，排粉順暢，利于成孔。

2）?95/60.3 mm 螺旋鉆桿+?110 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭。此鉆具組合：鉆桿采用寬葉片結構，減少對孔壁擾動，較寬的螺旋葉片，能夠促使大量煤粉及較大煤塊被轉動帶出。

3）?88/50 mm 螺旋鉆桿+?98 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭。此鉆具組合：成孔直徑小，有利于成孔；鉆桿設計為雙頭螺旋結構，提高了排渣效率。

研究表明具有寬葉片、單頭螺旋特征的鉆具組合有利于鉆孔成孔，這是因為寬葉片有利于孔壁穩定性，而單頭螺旋結構則對較大質量及顆粒煤粉的排出有利。但該鉆具組合使用過程中會出現“U”型銷及螺母磨損嚴重、不易拆卸等為難題，且傳統的三翼合金鉆頭破巖能力弱，磨損較快，需進行改進。

針對鉆桿使用中存在磨損嚴重問題，對其設計和材質2 方面進行改進。①設計方面：在保證鉆桿接頭強度前提下，適當縮小接頭內通孔直徑，并將臺肩深度加深，使得螺母擰緊后能夠得到螺旋槽更好的保護；②材質方面：選用具有高抗拉強度、高彈性極限、高疲勞強度特性的彈簧鋼取代錳鋼。

針對三翼合金鉆頭在其中鉆進磨損較快的問題，選用三翼刮刀PDC 鉆頭，鉆進過程中不易損壞，有利于成孔，經過改進的鉆具組合，減少了施工過程中的機械磨損，延長了使用壽命。

3 鉆進工藝參數控制

3.1 給進速度

給進速度是影響高速螺旋鉆進技術的因素之一，合理的給進速度，是確保鉆孔實現高效鉆進的關鍵。施工過程中，給進速度V 應當滿足：

式中：W 為排粉量，m3；D 為鉆頭直徑，m。

通常鉆進時，給進速度應當與煤巖層強度匹配，避免鉆遇軟弱巖層時，切削產生煤粉量大，鉆孔內煤粉堆積造成卡鉆埋鉆現象。當鉆機出現扭矩突然增大等現象時，考慮多由塌孔埋鉆引起，此時應當立即停止給進，反復滑動鉆具，待孔內煤粉排出后在進行鉆進。

3.2 鉆桿轉速

鉆桿轉速同樣影響高速螺旋鉆進的效果，通常，鉆桿轉速應當與給進速度相匹配，鉆進時，若孔內排粉不暢，應當立即停止向前鉆進，采用來回滑動鉆具并配合鉆桿旋轉的方式排出孔內煤粉，待孔內安全后再進行鉆進。鉆進時，如若遇到孔內煤體失穩，出現塌孔，返渣顆粒較大、出現噴孔、瓦斯壓力高等異常現象時，為避免卡鉆等孔內事故，此時可采用螺旋鉆桿反轉的方式排出孔內煤粉，并通過鉆桿充分旋轉充分排除煤粉，待孔中動力平衡后繼續鉆進。

隨著鉆孔深度不斷延伸，鉆桿排粉能力也逐漸減弱，排粉距離及難度相應加大，孔內積聚的煤粉也越來越多，為保障鉆孔順利成孔，可采用緩進高轉的方式進行排粉，并輔助采用螺旋鉆桿的反復退進、來回掃孔進行排粉，待到孔內阻力降低后再進行鉆進。

3.3 風 量

空氣鉆進過程中，風量可以起到輔助排渣及排出孔內氣體的作用。當高壓風流作用于煤粉上時，煤粉受到氣流的沖擊其呈懸浮狀態，當風流速度大于煤粉的自由懸浮速度時，煤粉便被排出孔外。試驗過程中，所需風量與鉆進速度呈正相關，同時為了確保孔內煤粉排出及鉆頭暢通，風流還應當滿足不堵塞條件。空氣鉆進中風速Vf應滿足：

式中：Vfb為滿足不堵塞條件的臨界風速，m/s；Vn為鉆屑的自由懸浮速度，m/s；m 為煤粉流量與空氣流量質量比。

在高速螺旋復合鉆進過程中，考慮到煤體松軟破碎，煤粉大量產出等因素，鉆機回轉壓力控制在5～18 MPa 之間，給進速度隨壓力增大而逐漸減小。轉速控制在80～300 r/min 之間，當鉆機壓力穩定時轉速應當保持均勻，且轉速隨孔深增大而減小。合適的風量能夠促進孔內排粉作用。若風量過小，排粉效果差，孔內瓦斯煤粉等易積聚，會造成卡鉆埋鉆事故；若風量過大，風流對孔壁擾動作用加強，容易造成孔壁失穩，因此風量應當控制在常規空氣鉆進所用風量的50%～60%。

4 鉆探設備選型

針對王坡煤礦復雜軟弱煤層鉆孔的鉆進特點，為提高鉆機通過破碎帶及應力集中區的能力，本次試驗選用ZDY6000LR 型鉆機。該型鉆機具備高轉速、大功率、大扭矩的鉆探設備，其最大扭矩6 000 N·m，最大轉速400 r/min。起拔壓力大，遇卡鉆、塌孔可采用強力起拔、回轉強排粉，提高施工能力。設計研發的鉆機變幅機構調節范圍大，操作簡單，鉆場適應性強。可根據孔內阻力變化自動切換給進起拔狀態，有效避免卡、埋鉆事故發生，提高了施工效率。鉆機操作臺各手把采用單動操控，操作簡單，夾持器開口量大，配合扶正器使用防止高鉆進時卡瓦與鉆桿摩擦產生火花，液壓系統采用恒功率及恒壓變量技術，減少系統發熱現象，ZDY6000LR 鉆機主要技術參數見表1。

表1 ZDY6000LR 鉆機主要技術參數Table 1 Main technical parameters of drilling rig of ZDY6000LR

5 現場工業性試驗

本次鉆孔施工區域選擇為王坡煤礦3206 工作面，3206 工作面位于二采區四條集中巷南側，為孤島工作面，工作面走向長度2 092 m，寬度147 m，切眼長度153 m，平均煤厚4.45 m。工作面共布置有3條巷道，分別為3206 運輸巷、3206 回風巷和3206高抽巷，3206 回風巷位于二采區南翼。

5.1 鉆孔設計和鉆具組合選用

鉆孔施工地點選取在3206 工作面回風巷，依據巷道和ZDY6000LR 鉆機尺寸，不需布置鉆場，可直接在巷道內施工。

鉆孔沿巷道平行布置，垂直巷道向3206 工作面施工，考慮煤層穩定性及透氣性，設計鉆孔間距4 m，開孔傾角依據煤層賦存情況初步設計0°～-10°。鉆孔設計孔深132 m，鉆孔孔徑設計為?98、?110、?120 mm。煤層順層鉆孔設計參數見表2。鉆孔平面布置圖如圖3。

表2 煤層順層鉆孔設計參數Table 2 Design parameters of coal seam bedding drilling

圖3 3206 工作面煤層順層鉆孔平面布置圖Fig. 3 Coal seam bedding drilling plan of 3206 coal face

根據3206 工作面煤層賦存條件、鉆機能力及鉆孔參數設計等，本次試驗擬采用的鉆具組合如下：

1）開孔段。?98 mm 鉆頭+主動鉆桿回轉開孔后更換擴孔鉆頭逐級擴孔至終孔孔徑，局部條件允許時采用?300 mm 鉆頭+?114/260 mm 大螺旋鉆桿一次開孔。

2）裸孔段。根據不同鉆孔孔徑可分別選擇?98 mm 三翼鉆頭+?88/50 mm 螺旋鉆桿，或?110 mm 三翼鉆頭+?95/60.3 mm 螺旋鉆桿，或?120 mm 三翼鉆頭+?110/63.5 mm 螺旋鉆桿。

5.2 鉆孔施工過程

盡管試驗鉆孔選取了不同鉆具組合，但總體施工工藝流程基本相同，即：開孔→擴孔→下孔口管注漿固管→安裝孔口裝置→回轉鉆進→終孔退鉆→封孔連抽。

1）開孔擴孔。鉆孔施工時嚴格按照設計參數要求，開孔傾角、方位角在設計±2°范圍內，開孔時操作要穩，遵循輕壓慢轉的原則。擴孔時采用帶導向的鉆頭進行擴孔，保持勻速鉆進，確保孔壁平滑，擴孔結束后來回劃眼，排出孔內巖粉。選取開孔點時應避開煤壁支護錨索。

2）下孔口管。其目的主要是保護鉆孔開孔段穩定性、配合安裝孔口裝置進行瓦斯抽采及孔口除塵。孔口管選取?159 mm×1.5 m 鋼套管，鉆孔擴孔后，將孔口管絲扣緊密連接，人工推送至孔內，孔口外露0.2 m，用聚氨酯將護孔管與孔壁封堵穩固。

3）安裝孔口裝置。將孔口四通通過管箍或法蘭與護孔口連接固定，孔口四通抽放端連接瓦斯抽采負壓管路，下端出渣口依此連接除塵器-汽水分離器，汽水分離器上端連接負壓管路。

4）正常鉆進。正常鉆進時，要注意孔口返渣情況及鉆進各項參數，如遇異常情況，不可盲目鉆進，需來滑動鉆具掃孔排渣，確保壓力參數正常后，方可繼續鉆進。

5）提鉆終孔、連抽。鉆進至設計深度后，提鉆拆卸鉆具，卸下孔口裝置，拔出護孔管，鉆孔封孔連抽。

5.3 試驗情況

現場試驗完成23 個鉆孔施工，累計進尺2 022 m，平均孔深87.9 m，單孔最大孔深132 m，百米以上鉆孔占比73.9%。鉆孔施工情況見表3，鉆孔實鉆平面圖如圖4。

圖4 3206 工作面鉆孔施工平面圖Fig. 4 Drilling construction plan of 3206 coal face

表3 3206 工作面煤層順層鉆孔施工情況表Table 3 Coal seam bedding drilling construction in 3206 coal face

本次試驗中施工?98 mm 孔徑鉆孔6 個，平均孔深45.8 m，成孔率33.3%；施工?110 mm 孔徑鉆孔11 個，平均孔深111.2 m，成孔率90.9%；施工?120 mm 孔徑鉆孔6 個，平均孔深94.7m，成孔率83.3%。

判斷鉆孔成孔率除受煤層條件影響外，還與鉆孔孔徑大小有關，煤層孔由于產渣量大，小孔徑鉆孔排渣能力相對較弱，鉆桿桿體與孔壁環空間隙小，遇塌孔或孔內煤粉積聚時無法及時排渣，容易形成埋鉆導致成孔困難。而較大孔徑鉆孔則有效解決了這一問題，但鉆孔孔徑也不宜過大，鉆孔孔徑過大容易因孔壁失穩造成成孔困難。根據上述試驗結果，可在后期施工過程中優選?95/60.3 mm 螺旋鉆桿+?110 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭鉆具組合或?110/63.5 mm 螺旋鉆桿+?120 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭鉆具組合，以提高成孔率，確保施工效果。

6 結 語

1）針對復雜軟弱煤層鉆孔排渣難、成孔率低等難題，提出高速螺旋復合鉆進技術，并研究其給進速度，鉆桿轉速及風量等關鍵參數，明確了鉆進過程中施工參數范圍。該工藝采用螺旋鉆桿的高速旋轉及壓風進行排粉，有利于提高排粉效果，減少孔內阻力。

2）為滿足鉆孔成孔要求，設計了?98 mm 三翼鉆頭+?88/50 mm 螺旋鉆桿、?110 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭+?95/60.3 mm 螺旋鉆桿、?120 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭+?110/63.5 mm 螺旋鉆桿3 種鉆具組合，改進了鉆桿材質并選用了三翼錐形刮刀PDC 鉆頭，有效延長了鉆具使用壽命。試驗采用ZDY6000LR 型鉆機，能夠更好滿足深孔鉆進要求。

3）在王坡煤礦3206 工作面軟弱破碎煤層現場工業性試驗表明，百米以上鉆孔成孔率超過70%，其中較大孔徑鉆孔可更好解決施工過程中排渣難及埋鉆的問題，建議在后期施工中優選?110 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭+?95/60.3 mm 插接螺旋鉆桿或?120 mm 三翼錐形刮刀PDC 鉆頭+?110/63.5 mm插接螺旋鉆桿的鉆具組合，以提高成孔率。