郭莊礦松軟煤層螺旋鉆桿鉆進(jìn)技術(shù)及壓力特征顯現(xiàn)研究

趙宇杰,陳峰真,姚理忠

(山西潞安集團(tuán) 郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長(zhǎng)治 046100)

松軟煤層鉆孔施工過(guò)程中易塌孔，鉆孔成孔率低。另外鉆孔施工是深度驗(yàn)收時(shí)礦井瓦斯治理過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，是保證瓦斯治理效果的基本前提。目前鉆孔驗(yàn)收手段主要是：一鉆一視頻、現(xiàn)場(chǎng)人員驗(yàn)收、鉆孔軌跡儀器、探桿探孔等。一鉆一視頻能夠?qū)崿F(xiàn)施工全過(guò)程的監(jiān)控、驗(yàn)收；人工對(duì)視頻鉆桿清點(diǎn)時(shí)存在不可靠性；鉆孔軌跡儀器、探桿探孔驗(yàn)收鉆孔受鉆孔塌孔影響，存在驗(yàn)收誤差較大、人力物力消耗大等問(wèn)題[1-3]。

因此在松軟煤層施工鉆孔時(shí)，考慮采用螺旋鉆桿鉆進(jìn)，并研究鉆進(jìn)過(guò)程中起拔壓力的變化。提取壓力曲線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析退鉆過(guò)程壓力特征，從而確定退鉆桿數(shù)量，確定鉆孔進(jìn)尺。

1 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)特征

螺旋鉆進(jìn)是一種干式回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法，螺旋鉆桿與鉆孔組成一個(gè)螺旋輸送帶，螺旋鉆桿連續(xù)不斷地將鉆頭破碎的巖渣輸送至孔外。螺旋鉆進(jìn)有效地解決了排渣問(wèn)題，但對(duì)鉆孔擾動(dòng)較大。

螺旋鉆桿如圖1所示。結(jié)構(gòu)增加了鉆桿外壁與孔壁之間的環(huán)空過(guò)流面積，鉆桿在松軟突出煤層中旋轉(zhuǎn)能夠引起漩渦流動(dòng)，依靠鉆桿的棱邊將沉積在鉆孔底部的煤粉揚(yáng)起，使得孔內(nèi)煤粉一直處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免煤粉在鉆孔內(nèi)出現(xiàn)堆積堵塞。

圖1 螺旋鉆桿

螺旋鉆桿在解決松軟煤層鉆進(jìn)成孔問(wèn)題中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，能夠避免松軟煤層鉆進(jìn)成孔過(guò)程中所發(fā)生的鉆孔事故。螺旋鉆桿施工工藝能夠滿足松軟煤層成孔要求，施工過(guò)程中應(yīng)該用不同的鉆桿施工工藝來(lái)解決不同煤體條件下的鉆孔施工問(wèn)題。

2 螺旋鉆桿退鉆壓力特征

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)跟班寫實(shí)及地面監(jiān)測(cè)曲線值，得出退鉆過(guò)程特征主要表現(xiàn)為單根鉆桿退鉆時(shí)間、單根鉆桿退鉆監(jiān)測(cè)曲線波形和單根鉆桿退鉆壓力極值。

2.1 單根鉆桿退鉆時(shí)間

根據(jù)監(jiān)測(cè)曲線變化、井下跟班寫實(shí)，在正常退鉆情況下每根鉆桿退鉆時(shí)間為1.3～1.8 min。

2.2 單根鉆桿壓力曲線波形

采用的鉆桿為1.5 m、鉆機(jī)跑道為0.5 m，完成1根鉆桿的退鉆過(guò)程需要回旋器3個(gè)進(jìn)退循環(huán)，壓力監(jiān)測(cè)曲線呈現(xiàn)3個(gè)極值拐點(diǎn)，圖2為單根鉆桿壓力曲線波形圖。

圖2 單根鉆桿壓力曲線波形

2.3 單根鉆桿退鉆壓力拐點(diǎn)極值

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)寫實(shí)與壓力曲線分析，3個(gè)壓力監(jiān)測(cè)拐點(diǎn)極值為1個(gè)大極值點(diǎn)(大于10 MPa)、2個(gè)較小大極值點(diǎn)(5～8 MPa)。具體退鉆壓力拐點(diǎn)極值如圖2所示。

同時(shí)滿足上述3個(gè)條件就完成1根鉆桿的退鉆過(guò)程，也就是在1.5 min壓力監(jiān)測(cè)曲線時(shí)間段內(nèi)，出現(xiàn)3個(gè)極值拐點(diǎn)波形，極值壓力點(diǎn)滿足1個(gè)大于10 MPa、2個(gè)在5～8 MPa之間。

3 螺旋鉆桿現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用實(shí)踐

3.1 郭莊礦螺旋鉆桿應(yīng)用及數(shù)據(jù)提取

試驗(yàn)地點(diǎn)為3309膠順工作面，現(xiàn)場(chǎng)選用的鉆機(jī)型號(hào)為ZDY4200LP，選用KGY8-2型壓力傳感器，輸出信號(hào)顯示分辨率為0.1 MPa，線路布置為工作面巷道至采區(qū)變電所，該傳感器輸出信號(hào)后，通過(guò)監(jiān)控線路傳輸至KJ73X安全監(jiān)控系統(tǒng)分站上，分站把采集的信號(hào)通過(guò)光纖上傳至地面監(jiān)控系統(tǒng)終端，終端把接收的信號(hào)顯示為數(shù)字和曲線，進(jìn)行自動(dòng)存儲(chǔ)，打開監(jiān)控系統(tǒng)頁(yè)面，地面人員可以隨時(shí)查看和調(diào)用。

礦方聯(lián)合煤安森公司制作監(jiān)控退鉆數(shù)據(jù)軟件，在鉆孔深度測(cè)算一欄內(nèi)輸入開始退鉆時(shí)間和結(jié)束時(shí)間、鉆桿長(zhǎng)度，軟件會(huì)自動(dòng)提取有效數(shù)據(jù)，自動(dòng)計(jì)算出測(cè)算的鉆桿深度，與實(shí)際值對(duì)比，進(jìn)行誤差測(cè)算。圖3為GPD100壓力傳感器和壓力變送器。

圖3 GPD100壓力傳感器和壓力變送器

郭莊使用鉆機(jī)為履帶式手動(dòng)液壓鉆機(jī)，鉆桿長(zhǎng)度為150 cm，鉆機(jī)行程為50 cm。每個(gè)鉆孔打鉆分為進(jìn)鉆和退鉆，鉆機(jī)行程機(jī)構(gòu)前后動(dòng)作產(chǎn)生液壓變化。對(duì)鉆機(jī)壓力變化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)曲線、結(jié)合井下實(shí)際情況，鉆孔鉆進(jìn)監(jiān)測(cè)壓力數(shù)據(jù)由于受施工過(guò)程中頂鉆、塌孔的影響，監(jiān)測(cè)曲線值(每根鉆桿數(shù)據(jù))極值差別較大、監(jiān)測(cè)曲線值(每根鉆桿數(shù)據(jù))施工時(shí)間差別也較大。退鉆過(guò)程監(jiān)測(cè)曲線值(每根鉆桿數(shù)據(jù))極值差別不大、監(jiān)測(cè)曲線值(每根鉆桿數(shù)據(jù))退鉆時(shí)間差別也不大。

1) 進(jìn)鉆。圖4為進(jìn)鉆過(guò)程形態(tài)模型示意。

圖4 進(jìn)鉆過(guò)程形態(tài)模型示意

進(jìn)鉆的典型特征是每根桿3次進(jìn)程行程壓力尖峰，但實(shí)際獲取到的數(shù)據(jù)壓力尖峰值較小，且多段幅值相差較大，不太便于進(jìn)行形態(tài)辨識(shí)。圖5為進(jìn)鉆過(guò)程壓力隨時(shí)間變化曲線。

圖5 進(jìn)鉆過(guò)程壓力峰值曲線

2) 退鉆。圖6為退鉆過(guò)程形態(tài)模型示意。退鉆的典型特征是每次退鉆有周期性較大的峰值壓力，具體如圖7所示。

圖6 退鉆過(guò)程形態(tài)模型示意圖

圖7 退鉆過(guò)程壓力峰值曲線圖

收集一個(gè)鉆孔壓力值，形成柱狀圖，柱狀圖連接起來(lái)，把最大值和最小值連接起來(lái)，形成帶狀圖，利用包絡(luò)均值算法，取有效值。

數(shù)據(jù)包絡(luò)分析是線性規(guī)劃模型的應(yīng)用之一，是將輸入量(或輸出量)的加權(quán)平均值作為最終數(shù)據(jù)的合成。具體做法可參照?qǐng)D7中的數(shù)據(jù)，其中有最大值和最小值，取中間值作為有效數(shù)據(jù)值。

3) 包絡(luò)均值算法。①截取退鉆時(shí)的數(shù)據(jù)段，根據(jù)原始曲線計(jì)算包絡(luò)峰值；②根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)規(guī)律，所有小于等于10的值均認(rèn)為非有效值；③根據(jù)包絡(luò)線計(jì)算當(dāng)前值上下范圍均值，比對(duì)當(dāng)前值與均值的偏差，偏差相近則暫存當(dāng)前值為有效值；④有效值下一個(gè)值也為有效值的取下一值，當(dāng)前值取0；⑤最終剩下的有效值必須有間隔，有效值個(gè)數(shù)即為鉆桿數(shù)。

對(duì)于郭家莊礦松軟煤層螺旋鉆桿鉆進(jìn)技術(shù)，首先收集鉆孔壓力值，形成壓力柱狀圖，把柱狀圖連接起來(lái)，包括最大值和最小值，最終形成帶狀圖，利用包絡(luò)均值算法，取其有效值即可。

3.2 螺旋鉆桿的改進(jìn)及展望

1) 規(guī)范鉆機(jī)操作人員的操作流程、標(biāo)準(zhǔn)，均衡退鉆、鉆機(jī)退鉆壓力曲線，減少異常點(diǎn)的出現(xiàn)，更有利于數(shù)據(jù)的分析、提取。

2) 當(dāng)前還是人工對(duì)曲線進(jìn)行分析、提取數(shù)值，后期可采用軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)從監(jiān)控系統(tǒng)提取數(shù)據(jù)到根據(jù)曲線特征進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)壓力數(shù)據(jù)及鉆桿的自動(dòng)計(jì)量。

4 結(jié) 語(yǔ)

1) 闡述了螺旋鉆桿在松軟煤層中鉆進(jìn)的工藝及過(guò)程，對(duì)比分析了光面鉆桿施工工藝，得出螺旋鉆桿在松軟煤層施工過(guò)程中優(yōu)勢(shì)顯著的結(jié)論，能夠避免松軟煤層鉆進(jìn)成孔過(guò)程中發(fā)生鉆孔事故。

2) 對(duì)退鉆過(guò)程中鉆桿的壓力特征進(jìn)行了研究，退鉆過(guò)程特征主要表現(xiàn)為單根鉆退鉆時(shí)間、單根鉆桿退鉆監(jiān)測(cè)曲線波形、單根鉆桿退鉆壓力極值。

3) 根據(jù)數(shù)據(jù)規(guī)律總結(jié)，所有小于等于10的值認(rèn)為非有效值；根據(jù)包絡(luò)線計(jì)算當(dāng)前值上下范圍均值，比對(duì)當(dāng)前值與均值的偏差，偏差相近則暫存當(dāng)前值為有效值；按照每次退鉆執(zhí)行9個(gè)有效值，總有效值與9的商值即鉆桿數(shù)量。

4) 螺旋鉆桿鉆進(jìn)在郭莊礦進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，及對(duì)進(jìn)鉆和退鉆的壓力峰值曲線的提取，闡述和應(yīng)用了用于計(jì)算鉆桿根數(shù)的包絡(luò)均值算法。

總之，通過(guò)對(duì)郭莊礦松軟煤層實(shí)行螺旋鉆桿鉆進(jìn)技術(shù)，對(duì)鉆桿鉆進(jìn)和退鉆過(guò)程中的壓力進(jìn)行監(jiān)控，從而利用軟件自動(dòng)計(jì)算鉆桿深度，進(jìn)行誤差測(cè)算，實(shí)時(shí)監(jiān)控鉆桿所受的壓力曲線特征。解決了工作面煤層鉆孔打鉆過(guò)程中易塌孔、驗(yàn)收誤差大等問(wèn)題，保證了礦井的安全高效生產(chǎn)。