碎軟煤層氮氣排渣氣動定向長鉆孔成孔技術應用研究

中圖分類號：T273 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)23-0177-04

Abstract:Withthegradual maturityofpneumaticdirectionaldrilingtechnologyinbroken-softcoalseam，nitrogen directionaldrilingtechnologyhasbeenapliedin\"onehole，twoelimination\"ofworkingfac，coalstripelimination，working faceareagasmanagement，etc.Nitrogenasaninertgasisalsograduallusedasagassourcetoreplaceconventionalair. Throughthecombinationofpneumaticdirectionaldrillngtechnologyandnitrogenslagingtechnolgytesystematicanalysisf pneumaticdirectionallongdrillng technologyforbroken-softcoalseamdowngradientwascarredout，andthepeumatic directionaldrllingtechnologofitrognslaggng，thesupptingqipment，andthemainparametersandcharacteristicsofthe gassupply wereresearched，andtheon-sitetestwascariedoutinZouzhuangMinetofurtherverifythereliabiltyof the equipment，the selection of the process method and key parameters，and the maximum depth of 516m hole record was finally achieved. The maximum hole depth of 516m was finally achieved，which ensured the safety of coal tunneling and provided a good demonstration for the further popularization and application of this technology.

Keywords:broken-softcoalseam；nitrogenslagdischarge；alongthecoalseam；pneumaticdirectionallongdrillng;hole forming technology

隨著煤礦井下定向鉆進技術的成熟，近水平定向長鉆孔因其孔深長、軌跡可控等特點，已大量應用于煤礦井下瓦斯抽采，包括高位定向長鉆孔、順層長鉆孔和穿層鉆孔等。但在廣泛分布的碎軟煤層礦井中，具有結構松軟、瓦斯含量高的特點，常規液動定向鉆進技術在該類煤層中施工瓦斯抽采鉆孔難度大-。為此，以氣動螺桿鉆具為主要工具的氣動定向鉆進技術逐步成熟，開始應用于碎軟煤層順層氣動定向長鉆孔施工。

而以空壓機作為主要動力來源的氣動定向鉆進技術，往往受空壓機供風壓力能力不足影響，鉆孔深度難以保證；同時，因空氣排渣時，孔內溫度較高，冷卻效果差，導致螺桿鉆具壽命降低，防著火能力不足，影響了鉆孔安全高效施工，制約了該技術手段的廣泛應用。本文通過研究并試驗配套高壓大流量的井下制氮機，保障合理的供風系統，向孔內提供足夠的氮氣實現定向鉆進和排出煤渣，并在制氮時消除了水蒸氣，解決了供風管路積水后涌入孔內導致煤壁失穩和煤渣積聚的問題，有效提高成孔性和成孔深度，并降低了工作氣流的溫度，提高氣動螺桿鉆具穩定性，取得碎軟煤層順層氣動定向長鉆孔孔深突破，實現安全高效施工。以淮北某礦待掘煤巷掘前探查和瓦斯抽采長鉆孔為例，成功試驗了氮氣排渣氣動定向鉆進技術，取得良好效果[7-10]。

1氮氣排渣順煤層氣動定向鉆進技術

1.1 技術原理

煤礦井下防爆制氮機組輸出高壓大流量氮氣，從鉆桿中心通道進人孔底，驅動氣動螺桿鉆具轉子回轉帶動鉆頭切削鉆進，減壓后的氮氣氣流攜帶煤渣順環空間隙返出孔外，實現排渣；通過配套無線電磁波隨鉆測量系統，實時測量和調整螺桿鉆具彎頭朝向并獲取鉆孔實際軌跡，控制鉆孔軌跡順煤層延伸，實現順煤層氣動定向鉆進[10-12]

1.2氮氣排渣氣動定向鉆進技術特點

氮氣作為最容易制備的惰性氣體，在作為鉆進施工氣源時，相對于空氣具有三大特點，一是沒有助燃性，二是具有相對更低的壓縮性，三是不含水蒸氣。因此，在氣動定向鉆進時，氮氣作為氣源有較多的優勢

鉆進施工防著火，保障孔內安全。順煤層氣動定向鉆進施工時，壓縮氣體溫度較高，且比熱小，對孔底冷卻效果差，易產生高溫，煤粉高溫下遇到氧氣容易著火，并產生一氧化碳，嚴重危害施工安全。而氮氣排渣時，隔絕了氧氣，氮氣本身具有惰性，常溫下不能助燃，從而有效防止孔內著火，保障鉆進安全。

供氣管路不易冷凝水，保障氣流通道穩定，且不會破壞煤壁和凝聚煤渣。制氮裝置在制備氮氣時，是通過分離水蒸氣和氧氣等其他氣體實現的，因此，輸出的氮氣不含水蒸氣，通過較長的供氣管路不會形成冷凝水，避免了冷凝水積聚后到達孔內，破壞螺桿馬達運行的穩定，甚至凝聚煤渣，導致排渣不暢等危害。

1.3氣動定向長鉆孔鉆進氮氣參數選擇

近水平鉆孔氣動定向鉆進時，被切削下來的煤粉先沉積在鉆孔底部，當氣流速度增大到一定程度時，煤粉在氣體高速流動的氣壓差作用下開始懸浮并流動，當顆粒平均速度繼續增加時，煤粉顆粒均勻流動返出孔口，此時煤粉隨氣流運動速度均較為流暢。當氣流速度增加到一定程度時，煤粉的排出不受影響，但高速運動的煤粉混合氣流對煤壁的沖刷破壞作用明顯增加，并在不規則的孔壁或者鉆桿壁形成紊流，反而影響了煤粉排出。

相反地，此時再降低氣流速度，當氣流的速度降低到一定程度時，氣流對煤粉的托舉力不足，煤粉會在重力的作用下逐漸沉積到鉆孔底部，形成煤粉堆積，改變環空間隙大小，進一步阻礙氣流運動。氣流將形成局部紊流，并最終導致氣流速度降到臨界點，煤粉完全沉降無法返出[13-1。因此，在近水平鉆孔氣動定向鉆進過程中，顆粒的拾取所對應的氣流速度是相對具有特征的參數，是煤粉顆粒隨氣流從孔內向孔外運

動的臨界速度。

拾取速度 v_n 計算公式如下

式中： g 為重力加速度； d_s 為煤粉粒徑 ?_s 為煤粉密度;ρ_a 為壓縮氮氣密度； c 為阻力系數，煤粉運移時取 C= 0.44;K_s 為修正系數，碎軟煤層取 K_s=1.1 。

在基于氣動螺桿馬達的定向鉆進時，氣動螺桿馬達相當于節流閥，當前制氮機供氣經過節流閥后，氮氣流量將小于 1000m³/h 。在該范圍內，控制合理的流量，即達到合理的拾取速度即可實現正常氣動定向鉆進。

2氮氣排渣氣動定向鉆進裝備

2.1 高壓大流量制氮裝置

為同時實現驅動氣動螺桿馬達和排出煤渣，需要高壓大流量氮氣。為此，配套選用最大壓力 2.0MPa 最大流量 1500m³/h 的井下防爆制氮裝置。制氮裝置由空壓機、壓縮空氣預處理裝置、膜分離裝置等組成，空氣經壓縮后，進人壓縮空氣預處理裝置進行過濾，進人膜分離裝置，根據空氣混合氣體透過膜的滲透速率不同，速度較快的氧氣和水蒸氣透過膜在膜透側富集，速度較慢的氮氣則在滯留側富集，實現氮氣制備，干燥氮氣濃度大于等于 97% ，制氮機參數見表1。

表1制氮裝置參數表

2.2 氣動螺桿馬達

Φ73/82 氣動螺桿馬達，馬達外螺旋外徑為 82mm 空氣壓降不超過 0.4MPa ，額定輸出扭矩達 250N?m 保證過風量以得到需要的轉速和扭矩，為克服無沖洗液潤滑、冷卻，使軸承過度發熱、磨損，傳動軸采用油潤滑結構和自潤滑結構，能夠提高馬達軸承的使用壽命，示意圖如圖1所示。

2.3大通孔螺旋鉆桿

碎軟煤層氣動定向長鉆孔施工使用的鉆桿主要考慮2個因素： ① 利于排渣和打鉆過程中逸出的瓦斯； ② 定向長鉆孔距離長，鉆桿的強度必須滿足要求。大通孔螺旋鉆桿內通徑 36mm ，增大了氣流通道，減小了鉆孔對氣流的阻力，保障了氮氣流量，有利于排渣，同時相對三棱鉆桿，減少了平面面積，有利于鉆桿轉動時的穩定，鉆桿接頭采用外平結構，保證壁厚，強度提高，鉆桿抗扭能力顯著增強

2.4 Φ108mm 大水眼鉆頭

相較于液動定向鉆進，氣動定向鉆進對鉆頭的氣流通道有更高的要求，同時鉆頭直徑與鉆桿的組合需保證足夠的環空間隙。 Φ108mm 四翼平底鉆頭，保障了基本定向能力，同時具備刮刀型結構，排渣效果好。大水眼設計則減小了氮氣流量和壓力的衰減，保障供氣和排渣的效果。

圖1氣動螺桿馬達結構圖

注：1為接頭；2為馬達總成；3為螺旋槽；4為螺旋翼片；5為萬向軸總成;6為襯墊;7為傳動軸總成。

2.5流量監控裝置及除塵裝置

碎軟煤層氣動定向鉆進時氣流隨孔內煤渣聚集或其他孔內問題變化明顯，因此氮氣流量是判斷孔內是否正常的關鍵依據，施工中需要隨時關注氮氣流量變化情況。

大流量氣動定向鉆進產生大量的煤粉，施工中煤塵危害大。為此配備專用的射流式除塵裝置，一方面確保孔口的密封性；另一方面接入壓風產生射流負壓，提高凈化能力，加上水霧作用，基本消除了鉆場煤塵，是不可或缺的配套裝備之一。

3 現場應用

2021年12月至2022年1月在安徽淮北某礦7703機巷、風巷開展順煤層氣動定向鉆進試驗，完成孔深 300m 以上鉆孔2個，最大孔深 516m ，總進尺1802m ，煤層鉆遇率 90% 以上，全程下篩管護孔。

3.1 地質概況

7703工作面開采煤層為72煤層，工作面走向長約2185m ，傾向寬 200m （里段），標高為 -360～-740m 可采儲量303.9萬 t 7703工作面位于F25（ ∠30^°～ 60^{° °}，H>300m 逆斷層下盤，構造較復雜。煤(巖)層總體呈單斜構造，煤(巖)層傾角 3^°～22^° ，平均 13^° ，7703工作面煤層厚度約 5.13m ，煤質碎軟 ，f 系數僅 0.3～0.5 0

3.2 鉆孔布置

為驗證7703機巷、風巷條帶區域瓦斯治理效果，保障安全掘進，對條帶區域進行掘前探查，同時，繼續進行瓦斯抽采。7703機巷布置1個鉆孔，沿巷道中線施工，鉆孔設計目標 350m 。7703風巷布置3個鉆孔，其中巷道中線布置1個鉆孔，巷道兩幫距巷中 15m 各布置1個鉆孔。鉆孔施工目標孔深 500m_? 。鉆孔順煤層施工，順煤層鉆孔施工前分別對區域內每隔 50m 進行了煤層頂底板探查，精確繪制了煤層頂底板剖面圖。

3.3 參數選擇

施工前對局域煤渣進行了分析，試驗鉆孔內返出的較大粒徑在 1.8mm 附近，較小粒徑普遍小于 0.1mm ，其他分布在 0.3mm 左右，煤粉顆粒粒徑分布加權計算見表2。

表2煤粉顆粒粒徑分布加權表

模擬研究表明（結果如圖2所示），在 600m³/h 時， 1.8mm 粒徑的出口速度將達到 8m/s 以上，根據現場參數代人拾取速度計算公式可知較大粒徑( 1.8mm， ）的拾取速度為 7.2m/s ，因此，試驗選擇控制的鉆進流量在 600～700m³/h 之間，此時孔口出渣量及鉆進參數均正常，隨著繼續提高制氮機參數，即繼續提高流量，較大顆粒的排出率未見明顯提高，且加大了對煤壁的沖刷作用，而設備可靠性也有所降低，故選擇此參數值，此時，制氮機輸出至孔口壓力約 1.6MPa 。

3.4 應用分析

在煤層探查鉆孔施工基礎上，摸清煤渣情況和孔內工況特性后，選取了合理的氮氣供氣參數、跟層軌跡控制方案，最終實現風巷 F3^# 順煤層鉆孔連續施工6d，未開分支，最大單班進尺 120m ，創造最大孔深516m 的新紀錄。其他鉆孔深度情況見表3。

鉆孔成孔后，后續抽采瓦斯濃度和純量均無異常，滿足煤巷掘進的探查要求，煤巷掘進安全正常進行。

圖2顆粒粒徑出口速度隨風量變化表

表3鉆孔施工情況表

4結論

1)碎軟煤層氣動定向鉆進采取高壓氮氣驅動和排渣能有效防止孔內發火風險，消除冷卻水、溫度變化大等不良因素，在滿足氮氣供氣參數為 1.6MPa ，流量600～700m³/h 的條件下，成孔性較好，具備碎軟煤層順層氣動定向長鉆孔 350m 以上安全、高效成孔能力。

2)在碎軟煤層順層氣動定向鉆進時，應盡可能避免開分支，或盡可能減少分支點，以降低分支點塌孔對煤渣返出的影響。在碎軟煤層順層氣動定向鉆進施工前，需盡可能摸清煤層產狀，獲取較精準的煤層頂底板剖面圖，以利于鉆進跟層，實現足夠的煤層鉆遇率。

3)較大粒徑的大小和比例分布是影響碎軟煤層氣動定向鉆進成孔的重要因素，因此避免出現較大煤渣顆粒的構造帶，利用螺旋鉆桿保持對煤渣顆粒的磨細作用，將有效提高煤渣排出能力，提高成孔性。

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