頂板高位定向鉆孔正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)

賈明群

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

0 引言

隨著煤炭供給側(cè)改革持續(xù)推進(jìn)，大型現(xiàn)代化煤礦已經(jīng)成為我國煤炭生產(chǎn)的主體，綜合機(jī)械化采煤技術(shù)普遍推廣應(yīng)用[1]。但機(jī)械化快速采煤帶來的采動卸壓瓦斯爆涌使許多低瓦斯礦井同樣面臨瓦斯超限風(fēng)險，成為礦井瓦斯災(zāi)害治理的新難題。

針對采動卸壓瓦斯治理問題，國內(nèi)外開展了大量研究工作。在基礎(chǔ)理論方面，文獻(xiàn)[2-6]研究了采動裂隙場發(fā)育和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，分析了采動卸壓瓦斯運(yùn)移優(yōu)勢通道和流動活躍區(qū)，提出了采動穩(wěn)定區(qū)煤層氣資源評估方法、高位裂隙體識別方法，為采動卸壓瓦斯治理工程布置提供了基礎(chǔ)依據(jù)。在瓦斯治理技術(shù)方面，目前主要有3種方法：① 增加進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷數(shù)量，優(yōu)化通風(fēng)模式，增大礦井通風(fēng)量，直接稀釋采煤工作面和采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛?，確保瓦斯不超限，但礦井通風(fēng)量提升有限，較難滿足瓦斯稀釋要求[7]。② 在采空區(qū)插管或回風(fēng)巷內(nèi)埋管進(jìn)行瓦斯抽采，降低工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，但?埋管抽采瓦斯?jié)舛容^低、效率差，且抽采管路易被壓破[8-9]。③ 在工作面頂板裂隙帶內(nèi)布置高抽巷、高位鉆孔、高位定向鉆孔、地面“L”形鉆孔等孔巷工程，抽采頂板裂隙帶內(nèi)積聚的瓦斯，避免高濃度瓦斯進(jìn)入回風(fēng)巷上隅角，但高抽巷、地面“L”形鉆孔瓦斯治理方式成本高，高位定向鉆孔已逐漸替代高抽巷和地面鉆孔，成為煤礦井下采動卸壓瓦斯治理的重要手段[10-13]。

頂板高位定向鉆孔可進(jìn)行超前施工，具有抽采濃度高、施工成本低等優(yōu)點(diǎn)，但受鉆進(jìn)裝備限制，其成孔直徑小，需要孔群布置才能達(dá)到良好的抽采效果。本文針對頂板高位定向鉆孔對增大鉆孔直徑的需要，開發(fā)了正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)，并對其擴(kuò)孔工藝參數(shù)和裝備進(jìn)行了研究。

1 頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采原理

工作面開采時，開采煤層及鄰近煤層瓦斯卸壓釋放和采空區(qū)內(nèi)遺留煤體瓦斯釋放，采空區(qū)內(nèi)瓦斯大量積聚。由于瓦斯氣體密度遠(yuǎn)小于空氣，在工作面通風(fēng)作用下，將沿采動裂隙進(jìn)入頂板裂隙帶；在通風(fēng)負(fù)壓作用和大氣壓力變化情況下，頂板裂隙帶內(nèi)積聚的瓦斯可能會通過密閉墻或煤柱裂隙進(jìn)入采區(qū)巷道，增加通風(fēng)負(fù)擔(dān)和不安全因素。

采用頂板高位定向鉆孔進(jìn)行采動卸壓瓦斯治理的基本原理如圖1所示。在工作面回采前，在回風(fēng)巷道內(nèi)設(shè)置鉆場，大傾角上仰鉆進(jìn)至煤層頂板；然后采用隨鉆測量定向鉆進(jìn)技術(shù)對鉆孔軌跡進(jìn)行精確測量和控制，使鉆孔軌跡提前進(jìn)入工作面采動離層區(qū)內(nèi)的裂隙帶并沿其延伸。煤層回采時，采動壓力形成的裂隙與鉆孔導(dǎo)通，通過鉆孔可有效抽采采動釋放的瓦斯，降低回風(fēng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛?，避免瓦斯超限或爆炸事故，確保工作面回采安全。

圖1 頂板高位定向鉆孔采動卸壓瓦斯治理原理Fig.1 Mining pressure-release gas control principle of directional high-level borehole in roof

受煤礦井下定向鉆進(jìn)裝備限制，頂板高位定向鉆孔直徑一般為96，120 mm。為保證抽采效果，目前均采用集束型鉆孔群布置，根據(jù)礦井條件不同，每個孔組一般有4～7個鉆孔。

2 正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)

鉆孔直徑是影響采動卸壓瓦斯抽采效果的重要因素。在鉆孔深度和抽采壓力相同的情況下，隨著鉆孔直徑增大，瓦斯抽采流量將顯著增大[14]。為了提高頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采效果，應(yīng)盡量增大鉆孔直徑。

正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)原理如圖2所示。先施工定向先導(dǎo)孔，然后以孔口鉆機(jī)為動力源，利用鉆機(jī)回轉(zhuǎn)鉆桿，帶動孔內(nèi)擴(kuò)孔鉆頭對先導(dǎo)孔進(jìn)行分級增擴(kuò)，通過多次擴(kuò)孔，將鉆孔孔徑擴(kuò)大至設(shè)計值。

圖2 正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)原理Fig.2 Principle of forward multi-stage large-diameter reaming technology

正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)與大直徑一次擴(kuò)孔、回拉擴(kuò)孔等技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1) 減小了單級碎巖擴(kuò)孔需要的轉(zhuǎn)矩和孔內(nèi)鉆具受力變形，保障了鉆進(jìn)裝備施工安全，有利于實現(xiàn)大直徑鉆孔施工。

(2) 不需要研制專用的回拉擴(kuò)孔鉆具和大直徑擴(kuò)孔鉆具，減少了施工需要的鉆具種類，降低了鉆進(jìn)裝備性能參數(shù)要求和成本。

(3) 分級擴(kuò)孔時可形成多個卸荷自由面，提高了擴(kuò)孔碎巖效率；小尺寸鉆具安裝擰卸方便，減少了輔助作業(yè)時間，提高了綜合鉆進(jìn)效率。

3 正向多級大直徑擴(kuò)孔參數(shù)設(shè)計

頂板高位定向鉆孔各級擴(kuò)孔直徑級配設(shè)計是正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)的關(guān)鍵，也是正向多級大直徑擴(kuò)孔裝備研究的基礎(chǔ)。擴(kuò)孔直徑級配參數(shù)主要包括終孔直徑、擴(kuò)孔級數(shù)(次數(shù))和每級擴(kuò)孔直徑。

擴(kuò)孔方式主要有等值擴(kuò)孔、等面積擴(kuò)孔和等轉(zhuǎn)矩擴(kuò)孔3種。等值擴(kuò)孔是指每次擴(kuò)孔的厚度相同，每次擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩逐級增加，且增加速度較快。等面積擴(kuò)孔是指每級擴(kuò)孔的鉆孔截面積相同，與等值擴(kuò)孔相比，每級擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩有所降低，但隨著擴(kuò)孔直徑增大，鉆頭和鉆桿所承受的轉(zhuǎn)矩仍然增加。以上2種方式中每級擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩都會增大，對鉆機(jī)鉆進(jìn)能力和配套鉆具強(qiáng)度要求較高，不適用于煤礦井下施工。

等轉(zhuǎn)矩擴(kuò)孔基于等轉(zhuǎn)矩原理，在進(jìn)行每一級擴(kuò)孔時，鉆頭和鉆桿所承受的轉(zhuǎn)矩相等。鉆機(jī)鉆進(jìn)能力和配套鉆具強(qiáng)度如果能滿足定向先導(dǎo)孔施工需要，一般也能滿足下一級擴(kuò)孔施工需要，適用于煤礦井下頂板高位定向鉆孔擴(kuò)孔直徑級配設(shè)計。

頂板高位定向鉆孔擴(kuò)孔需要的轉(zhuǎn)矩決定了定向鉆機(jī)鉆進(jìn)能力和配套鉆具強(qiáng)度研究選配，以及擴(kuò)孔直徑級配設(shè)計?？椎足@頭破巖時所受轉(zhuǎn)矩為[15]

T=6.07×10-3WD

(1)

式中：W為鉆頭所受鉆壓，kN；D為鉆頭直徑，mm。

當(dāng)采用等轉(zhuǎn)矩擴(kuò)孔方法進(jìn)行擴(kuò)孔級配設(shè)計時，根據(jù)式(1)獲取的先導(dǎo)孔鉆進(jìn)轉(zhuǎn)矩即擴(kuò)孔轉(zhuǎn)矩。

鉆孔擴(kuò)孔截面如圖3所示，假設(shè)切削dA面積地層所需的剪切力為P0，則鉆孔擴(kuò)孔過程中所需轉(zhuǎn)矩為

(2)

式中：r0為鉆孔原始半徑，mm；R為終孔半徑，mm；r為擴(kuò)孔半徑，mm。

假設(shè)鉆孔第1，2，…，n級擴(kuò)孔半徑分別為r1，r2，…，rn，若使各級擴(kuò)孔所需轉(zhuǎn)矩T1=T2=…=Tn，應(yīng)滿足式(3)。

圖3 鉆孔擴(kuò)孔截面Fig.3 Reaming section

(3)

由式(3)可得

(4)

用鉆孔直徑dn替代半徑rn，可得

(5)

將先導(dǎo)孔看作由0 mm擴(kuò)孔得到，即d0=0，則由式(5)可得

(6)

在先導(dǎo)孔直徑確定的基礎(chǔ)上，利用式(6)可獲取各級擴(kuò)孔施工后的鉆孔直徑。以目前煤礦井下頂板高位定向鉆孔常見直徑為例，先導(dǎo)孔直徑為96 mm時，1—5級擴(kuò)孔直徑分別為120.95，138.46，152.39，164.16，174.44 mm；先導(dǎo)孔直徑為120 mm時，1—5級擴(kuò)孔直徑分別為151.19，173.07，190.49，205.20，218.05 mm。

根據(jù)上述計算結(jié)果，結(jié)合常用鉆頭規(guī)格尺寸，直徑為96 mm的先導(dǎo)孔可采用直徑為120，153 mm的組合式擴(kuò)孔鉆頭，分兩級將鉆孔直徑擴(kuò)大至153 mm；直徑為120 mm的先導(dǎo)孔可直接采用直徑為120/153 mm擴(kuò)孔鉆頭一次擴(kuò)孔至153 mm。若需要施工更大直徑鉆孔，可按上述計算結(jié)果設(shè)計擴(kuò)孔鉆頭。

4 擴(kuò)孔裝備研制選配

為實現(xiàn)頂板高位定向鉆孔大直徑高效擴(kuò)孔，研制選配了螺旋刀翼型組合式擴(kuò)孔鉆頭、高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿、大功率定向鉆機(jī)、高壓大流量泥漿泵車等擴(kuò)孔裝備。

4.1 螺旋刀翼型組合式擴(kuò)孔鉆頭

常規(guī)擴(kuò)孔鉆頭主要用于孔口套管段施工，以便下入套管，但其用于頂板高位定向鉆孔施工時，存在以下問題：① 導(dǎo)向器較短且較重，在擴(kuò)孔鉆進(jìn)過程中，容易偏離先導(dǎo)孔軌跡。② 各刀翼切削齒為同軌道切削，在煤層中能夠較穩(wěn)定鉆進(jìn)，但在頂板巖層中鉆進(jìn)時，容易對孔底進(jìn)行重復(fù)切削，擴(kuò)孔效率較低。③ 導(dǎo)向器不參與切削，幾乎不產(chǎn)生磨損，但導(dǎo)向器與鉆頭間為焊接式，不能重復(fù)利用，容易造成浪費(fèi)。④ 擴(kuò)孔本體采用鋼體式結(jié)構(gòu)，耐磨性差，用于巖層擴(kuò)孔時壽命短。

針對以上問題，從鉆頭導(dǎo)向結(jié)構(gòu)、冠部形狀、切削齒排布、水力系統(tǒng)等方面開展了研究，研制了螺旋刀翼型組合式擴(kuò)孔鉆頭，如圖4所示。其具有以下特點(diǎn)。

圖4 螺旋刀翼型組合式擴(kuò)孔鉆頭Fig.4 Spiral blade and combination reaming bit

(1) 整體采用組合式結(jié)構(gòu)，導(dǎo)向器與擴(kuò)孔本體通過螺紋連接，導(dǎo)向器可循環(huán)利用。

(2) 導(dǎo)向器采用半球形導(dǎo)向頭及螺旋型導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，且鑲焊有交錯排布的柱狀保徑合金，一方面提高了導(dǎo)向性能，使鉆頭更容易沿鉆孔軌跡進(jìn)行擴(kuò)孔，另一方面螺旋型導(dǎo)向槽有助于排渣，避免先導(dǎo)孔內(nèi)殘留鉆渣或孔壁坍塌物導(dǎo)致導(dǎo)向器無法進(jìn)入先導(dǎo)孔，此外可顯著降低導(dǎo)向器所受阻力，提高導(dǎo)向器的輔助切削和保徑性能。

(3) 擴(kuò)孔本體的刀翼采用雙圓弧形剖面冠部設(shè)計，更有利于鉆頭切削；切削齒采用等切削錯峰布置，且切削軌道不同，可提高鉆進(jìn)效率與鉆頭壽命，更適用于頂板巖層鉆進(jìn)；PDC(Polycrystalline Diamond Compact，聚晶金剛石復(fù)合片)采用球面長柱型復(fù)合片，齒窩采用全包鑲結(jié)構(gòu)，本體采用胎體式結(jié)構(gòu)，既提高了切削齒使用壽命和本體耐磨性，又可有效防止復(fù)合片易掉落的問題。

4.2 高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿

與定向鉆進(jìn)工況不同，擴(kuò)孔鉆進(jìn)時，鉆桿直徑遠(yuǎn)小于鉆孔直徑，鉆桿受力更加復(fù)雜，易發(fā)生斷裂事故，對擴(kuò)孔鉆桿的抗扭和抗彎能力提出了更高要求。研制了高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿，如圖5所示。其具有以下特點(diǎn)。

圖5 高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿Fig.5 Reaming drill pipe with high-strength and high-toughness

(1) 整體采用外平結(jié)構(gòu)，由公接頭、母接頭和管體三部分通過摩擦焊接方式焊接為一體。鉆桿長度設(shè)計為3 m，減少了鉆桿柱的連接點(diǎn)。

(2) 接頭采用雙頂結(jié)構(gòu)，即在公母接頭螺紋小端增加1個臺肩，使公母接頭連接擰緊后有主副2個臺肩。當(dāng)接頭初步擰緊時，主臺肩先接觸，公接頭小端和母接頭副臺肩處有一定間隙。之后在預(yù)緊力作用下，公母接頭螺紋發(fā)生彈性變形，使得接頭的副臺肩相互接觸。該結(jié)構(gòu)增加了接頭臺肩接觸面積，降低了接頭應(yīng)力集中程度，優(yōu)化了螺紋各牙的應(yīng)力分布，提高了鉆桿整體強(qiáng)度及密封性能。

(3) 適當(dāng)增大接頭螺紋螺距，提高了螺紋根部斷面積和螺紋連接的表面接觸面積。螺紋牙底采用平面+圓弧過渡結(jié)構(gòu)，降低了應(yīng)力集中，增強(qiáng)了螺紋聯(lián)接的定心精度及聯(lián)接剛性，提高了鉆桿強(qiáng)度和變形能力，便于施加鉆壓和轉(zhuǎn)矩。

(4) 管體選用韌性高、抗彎能力強(qiáng)的高強(qiáng)度無縫鋼管，提高了鉆桿管體性能。

利用靜扭試驗機(jī)對高強(qiáng)度高韌性擴(kuò)孔鉆桿性能進(jìn)行測試，其中直徑73 mm鉆桿抗扭能力大于22 kN·m ，直徑89 mm鉆桿抗扭能力大于36 kN·m，抗彎能力均達(dá)到1°/m。

4.3 大功率定向鉆機(jī)

定向鉆進(jìn)時，孔底碎巖轉(zhuǎn)矩主要由造斜鉆具提供，定向鉆機(jī)提供的動力主要用于調(diào)整造斜鉆具姿態(tài)和施加鉆壓，對鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩要求不高。擴(kuò)孔鉆進(jìn)時，定向鉆機(jī)既要施加鉆壓，又要提供鉆具回轉(zhuǎn)碎巖轉(zhuǎn)矩，對鉆機(jī)性能參數(shù)要求更高。為滿足頂板高位定向鉆孔大直徑擴(kuò)孔需要，研制了ZDY12000LD，ZDY15000LD，ZDY20000LD系列大功率定向鉆機(jī)，采用雙動力頭驅(qū)動結(jié)構(gòu)，最大主軸輸出轉(zhuǎn)矩可達(dá)12 000 N·m以上，具有整機(jī)功率大、回轉(zhuǎn)動力充足、工藝適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，解決了大直徑擴(kuò)孔時的動力輸出難題。

4.4 高壓大流量泥漿泵車

定向鉆進(jìn)時，泥漿泵是驅(qū)動造斜鉆具的動力來源，要求其具有高壓輸出特性；擴(kuò)孔鉆進(jìn)時，由于鉆孔直徑與鉆桿直徑相差較大，泵量過小無法順利排出鉆渣，易導(dǎo)致卡埋鉆事故，所以要求泥漿泵輸出沖洗液流量較大。針對以上2種工況，研制了BLY390/12，BLY460/13，BLY500/10系列高壓大流量泥漿泵車，采用液壓驅(qū)動，泵量大且可無級調(diào)節(jié)，泵壓高且工作性能穩(wěn)定，既可為孔底造斜鉆具性能發(fā)揮提供充足水動力，又可滿足大直徑擴(kuò)孔時環(huán)空排渣需求。

5 現(xiàn)場試驗

5.1 礦井基本情況

在山西晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司寺河礦W1304工作面進(jìn)行現(xiàn)場試驗。該工作面采用3進(jìn)1回偏Y型通風(fēng)方式；走向長度為908.7 m，傾斜長度為169～183 m，采用走向長壁大采高自然垮落后退式綜合機(jī)械化采煤方法；煤層平均厚度為6.5 m，瓦斯含量達(dá)16.6 m3/t，最大瓦斯壓力達(dá)2.12 MPa，為煤與瓦斯突出煤層；煤層頂板依次為炭質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖、中粒砂巖，時見粗粒砂巖。

5.2 鉆孔設(shè)計與施工

在W1304工作面內(nèi)W13042巷1號、3號、5號、10號橫川設(shè)立4個鉆場，每個鉆場布置4個頂板高位定向鉆孔，如圖6所示。鉆孔主抽采孔段在平面上沿工作面走向布置在W13041巷內(nèi)幫15～60 m范圍內(nèi)，剖面上布置在頂板以上30～48 m范圍內(nèi)。10號橫川鉆場鉆孔采用正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)將鉆孔直徑擴(kuò)大至153 mm，其他鉆場鉆孔直徑為96 mm。

圖6 試驗鉆孔平面Fig.6 Test boreholes plane

5.3 瓦斯抽采效果

W1304工作面目前已完成回采，回采期間未發(fā)生任何瓦斯事故。2018-08-18—12-16工作面回采進(jìn)度及回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)變化曲線如圖7所示?？煽闯鲭S著回采速度增加，回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)增大，但最大值為0.47%，遠(yuǎn)低于允許值，證明頂板高位定向鉆孔在工作面回采期間對工作面瓦斯治理發(fā)揮了重要作用。

圖7 W1304工作面回采進(jìn)度及回風(fēng)瓦斯體積分?jǐn)?shù)Fig.7 Mining speed and return-air gas volume fraction on W1304 working face

以10號鉆場1號鉆孔和5號鉆場1號鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)為例，對布孔層位和平面布置位置相近的直徑153 mm鉆孔與直徑96 mm鉆孔的抽采效果進(jìn)行對比，如圖8所示?？煽闯鲋睆?53 mm鉆孔瓦斯抽采流量為直徑96 mm鉆孔的近3倍，瓦斯抽采效果顯著。

圖8 不同直徑頂板高位定向鉆孔瓦斯抽采流量對比Fig.8 Gas drainage flow comparison of directional high-level boreholes in roof with different diameters

6 結(jié)論

(1) 頂板高位定向鉆孔是工作面采動卸壓瓦斯治理的重要技術(shù)手段，應(yīng)用效果顯著，不僅能大幅度降低回風(fēng)巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛?，還能提高瓦斯資源利用率，保障煤礦安全高效開采。

(2) 基于等轉(zhuǎn)矩擴(kuò)孔原理，確定了擴(kuò)孔直徑級配參數(shù)，研制選配了擴(kuò)孔裝備，并開展了工程實踐，證明采用正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)可將頂板高位定向鉆孔直徑增大至153 mm，且瓦斯抽采效率顯著提升。

(3) 正向多級大直徑擴(kuò)孔技術(shù)的擴(kuò)孔動力完全來自于孔口定向鉆機(jī)，隨著孔深增加，鉆進(jìn)動力傳遞效率下降?？煽紤]研制孔底輔助動力鉆具，實現(xiàn)多動力擴(kuò)孔，提高擴(kuò)孔效率。