煤礦井下保直鉆進技術及應用

王 力

煤礦井下保直鉆進技術及應用

王 力

介紹了煤礦井下保直鉆進技術,根據施工煤礦的巖層性質和鉆探設備,采用優(yōu)選和設計的保直穩(wěn)定組合鉆具,通過穿層孔保直鉆進試驗,大幅提高了成孔質量和成孔率,較好地解決了鉆孔嚴重偏斜的問題。

煤礦井下,保直鉆進技術,巷道對穿鉆孔

0 引言

隨著煤炭產量快速增長,煤礦井下各種鉆孔施工量急劇增加,由于井下鉆探精度、瓦斯抽采率和抽采效率要求越來越高,井下勘探孔、瓦斯抽采孔和水文地質孔等鉆孔保直鉆進施工的問題越來越突出[1]。其中,采用順層鉆孔、頂板高位鉆孔和頂底板穿層鉆孔進行抽采和消突是瓦斯治理的重要手段,然而隨著開采規(guī)模擴大和開采深度的增加,鉆孔施工地質條件越來越復雜,運用常規(guī)鉆具施工,往往使得鉆孔軌跡偏斜嚴重,見煤點控制難,導致存在瓦斯抽采、消突盲區(qū),嚴重影響煤礦安全高效生產。因此,研究煤礦井下瓦斯抽采鉆孔的保直鉆進技術有重要意義。

1 煤礦井下保直鉆進技術

1.1 多級成孔保直鉆進

多級成孔保直鉆進就是采用內凹式PDC鉆頭小孔徑鉆進先導孔至設計孔深,然后采用大一級擴孔鉆頭擴孔至設計孔深,由于擴孔鉆頭有導向設計,能保證鉆孔軌跡按先導孔軌跡延伸,重復擴孔鉆進,依次鉆進至設計孔徑成孔。該鉆進方法可以逐級保直擴孔至較大孔徑鉆孔,如先導孔采用φ94mm內凹PDC鉆頭+ φ73mm鉆桿,采用φ113mm PDC擴孔鉆頭+φ73 mm鉆桿二級擴孔,采用φ133mm內凹PDC鉆頭+φ89mm鉆桿三級擴孔,但逐級擴孔保直鉆進施工方法較為繁瑣。

1.2 粗徑鉆具保直鉆進

粗徑鉆具保直鉆進就是采用在常規(guī)鉆具前端加裝一定長度的、與鉆頭直徑差較小的粗徑鉆具(如巖心管),粗徑鉆具能保證孔底鉆具有較大的剛性和較小的環(huán)空間隙,對鉆頭有扶正作用而起到保直鉆進的效果。如采用φ118mm PDC鉆頭+φ108mm巖心管(1m)+φ73mm鉆桿鉆進,孔壁光滑,保直效果較好。但粗徑鉆具處環(huán)空間隙小,排渣不暢,宜在完整地層中使用,較軟和破碎地層中使用時,常常不能正常返渣。

1.3 穩(wěn)定組合鉆具保直鉆進

保直穩(wěn)定組合鉆具一般由 3個～5個穩(wěn)定器組成,穩(wěn)定器安裝數量和組合結構可以根據鉆具級配和地層情況做適當的調整,它基本的防斜原理是：1)穩(wěn)定器組成的孔底組合鉆具剛度大,并能填滿鉆孔保持鉆具在孔內居中,減小鉆頭的傾斜角;2)在地層橫向力的作用下,穩(wěn)定器支撐在孔壁上,限制鉆頭的橫向移動,同時能在鉆頭處產生抵抗地層造斜力的糾斜力,從而實現(xiàn)保直鉆進,在較完整的地層中,利用合適的穩(wěn)定組合鉆具保直定向鉆進,孔深在 150m以內時,鉆孔傾角和方位角偏斜可以控制在 1%左右[2],能滿足煤礦井下保直定向鉆進的要求,且該技術配套設備簡單,易于在煤礦井下推廣使用。煤礦井下常用的直槽式、螺旋式穩(wěn)定器見圖 1。

如采用φ113mm內凹三翼鉆頭+φ113mm穩(wěn)定器+φ73mm外平鉆桿(1.5m)+φ113mm穩(wěn)定器+φ73mm外平鉆桿(1.5m)+ φ113mm穩(wěn)定器的鉆具組合,保直穩(wěn)定組合鉆具示意圖見圖 2。

2 保直鉆進技術應用

2.1 試驗點地質概況

潘三礦 1792(3)底抽巷標高-690～-715,13-1煤底板以下32m～15m,其中位于 13-1煤底板的花斑狀泥巖為主要標志層。煤層賦存穩(wěn)定,煤厚2.18m～6.2m,均厚3.89m,粉末狀及碎塊狀為主,煤層局部含一層泥巖夾矸。該巷地質構造條件較復雜,巷道附近發(fā)育有 0m～5m的斷層。在 1792(3)底抽巷采用常規(guī)鉆具施工穿層孔時,受地層影響,鉆孔偏斜嚴重,見煤點難以控制,成孔率低。

2.2 保直鉆進施工用鉆機具

施工用鉆機具見表 1,鉆機選用中國煤炭科工集團西安研究院的ZDY 4000S鉆機,鉆頭用內凹式PDC鉆頭,保直效果好,穩(wěn)定器采用直槽式穩(wěn)定器,鑲焊有合金保徑和反向切削齒,增加耐磨性和處理孔內事故的能力。

表1 鉆進施工用鉆機具

2.3 沖洗介質

巖層段鉆進采用井下靜壓水,進入煤層后換用礦井系統(tǒng)風。

表 2 潘三礦保直鉆進鉆孔施工情況

2.4 鉆孔施工情況

采用保直穩(wěn)定組合鉆具在潘三礦 1792(3)底抽巷進行了 9個穿層鉆孔保直鉆進施工,其中 8個鉆孔達到了傾角誤差不大于1%,方位誤差不大于 1%,大幅度提高了鉆孔見煤率和成孔率,完全滿足生產施工要求。在試驗礦區(qū)取得了良好的應用效果。鉆孔施工情況如表 2所示。

3 結語

1)針對不同的地層和鉆孔類型,多級成孔保直鉆進技術,粗徑鉆具保直鉆進技術和穩(wěn)定組合鉆具保直鉆進技術都能起到鉆孔保直鉆進的目的。2)穩(wěn)定組合鉆具的孔壁支撐力強,排渣效果好,在煤礦井下保直鉆進施工中應用廣泛。3)穩(wěn)定器上焊接的反切削齒在處理孔內事故時起到了一定作用。穩(wěn)定器磨損嚴重時,應立即更換,以保證穩(wěn)定組合鉆具能起到相應作用。

[1] 郝世俊.近水平孔軌跡受控方法及受控機理[D].西安：煤炭科學研究總院西安研究院碩士論文,2001.

[2] 王 力,馬沈岐.淮南抽采、消突鉆孔高效鉆進技術及裝備配套研究[A].煤炭科學研究總院西安研究院課題報告[C].2010.

Application and technology of straight guided drilling in underground coalm ine

WANG Li

Straightguided drilling technology is introduced in underground coalmine.According to the rock formation property and drilling equipment of the coalmine,using the assembly drilling toolswhich are developed and optimized,through the drilling experiment,the holequality and the hole success rate is greatly improved,the problem of borehole deviation has been solved better.

underground coalm ine,straight guided d rilling technology,through coal roadway borehole

TU941

A

1009-6825(2011)09-0104-02

2010-12-03

王 力(1981-),男,碩士,助理工程師,中國煤炭科工集團西安研究院,陜西西安 710077