構(gòu)造軟煤中速控壓鉆進(jìn)成孔工藝研究

趙 晶

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 安全分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100013)

碎軟煤層是煤系地層經(jīng)受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，廣泛賦存于我國華北、華南礦區(qū)，尤其在平頂山、淮南、松藻等地高突礦井發(fā)育更甚[1，2]。受限于軟煤強(qiáng)度低、瓦斯壓力大、地質(zhì)構(gòu)造作用等因素，煤礦井下本煤層瓦斯抽采鉆孔和地質(zhì)探放水鉆孔的施工易出現(xiàn)塌孔、卡鉆、頂鉆、噴孔等問題[3]，嚴(yán)重制約其鉆進(jìn)深度和成孔率。因此，研究軟煤鉆進(jìn)成孔工藝意義重大，可提升礦井瓦斯治理、防治水及鉆探工作效果。

目前，相關(guān)研究多集中在國內(nèi)，主要體現(xiàn)在三方面：①鉆進(jìn)裝備，20世紀(jì)初，石智軍等開發(fā)了適合軟煤鉆進(jìn)一體式螺旋硬質(zhì)合金鉆頭和螺旋鉆桿[4]，隨后，雷豐勵(lì)、蔡成功等研制了多級(jí)變徑式PDC鉆頭，在突出煤層鉆進(jìn)取得了良好成孔效果[5，6]；由于常規(guī)的圓面鉆桿在軟煤鉆進(jìn)中受塌孔影響不易排渣而發(fā)生夾鉆抱死等問題，我國逐漸研發(fā)了刻槽鉆桿和三棱鉆桿，可有效緩解塌孔排渣困難的問題。孫玉寧等發(fā)明了雙動(dòng)力低螺旋鉆桿，在河南新安煤礦取得較好試驗(yàn)效果[7]，王永龍等對軟煤鉆進(jìn)過程三棱鉆桿受力分析和數(shù)值模擬，優(yōu)化了其結(jié)構(gòu)參數(shù)[8]。②排渣方式，井下常用的排渣方式有風(fēng)力、液體及螺旋式三種，其中傳統(tǒng)清水排渣的沖擊力大易造成孔壁失穩(wěn)，孫玉寧等提出了風(fēng)力-螺旋機(jī)械式協(xié)同排渣方法[9]，孫新勝等在此基礎(chǔ)上研究風(fēng)力和螺旋深度等參數(shù)與成孔效果的關(guān)系，提出了中風(fēng)壓矮螺旋排渣方法[10]。近年來，諸如微乳液、泡沫劑等新型護(hù)壁促排鉆井液逐漸被引入軟煤鉆進(jìn)中，潤滑促排渣的同時(shí)還可以起到一定固化孔壁防塌的效果[11]。③鉆進(jìn)護(hù)孔工藝，常見的有中煤科工集團(tuán)研發(fā)的中風(fēng)壓矮螺旋軟煤鉆進(jìn)技術(shù)，后續(xù)學(xué)者提出了高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)、非標(biāo)螺旋鉆桿鉆進(jìn)工藝[12，13]，近年來相繼出現(xiàn)了護(hù)孔篩管與鉆桿同步施工、套鉆跟進(jìn)一次性鉆進(jìn)成孔[14]以及軟煤沿頂鉆進(jìn)等工藝[15]。綜上所述，前人在軟煤鉆進(jìn)技術(shù)與裝備上取得了豐碩的研究成果，針對不同裝備不同地質(zhì)條件的軟煤鉆進(jìn)成孔工藝研究較多，但對鉆進(jìn)裝備一定條件下轉(zhuǎn)速和鉆壓等工藝參數(shù)鮮有涉及。

為研究鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和鉆壓對軟煤鉆進(jìn)深度及成孔效果的影響，筆者建立鉆進(jìn)過程鉆孔三維力學(xué)模型，分析了鉆壓、轉(zhuǎn)速分別沿鉆進(jìn)方向和徑向方向的力學(xué)行為特征及其對孔壁穩(wěn)定性和排渣過程的影響，確立碎軟煤層中速控壓鉆進(jìn)成孔工藝參數(shù)，并在山西離柳焦煤集團(tuán)朱家店煤礦0403工作面進(jìn)行工程實(shí)踐。

1 順層孔鉆進(jìn)-排渣過程的力學(xué)分析

依據(jù)軟煤順層鉆孔的施工工程為模型基礎(chǔ)，假設(shè)煤體為含瓦斯的各向同性的均勻體，暫不考慮斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造對其結(jié)構(gòu)屬性和力學(xué)環(huán)境的影響，以鉆孔孔口為坐標(biāo)原點(diǎn)建立鉆孔的三維空間力學(xué)模型(如圖1所示)，綜合分析鉆孔所受的地應(yīng)力、煤層瓦斯壓力、鉆孔內(nèi)氣體壓力、鉆頭旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切削應(yīng)力、鉆機(jī)推進(jìn)壓力以及排渣動(dòng)力(孔底風(fēng)力或者液體壓力)，煤體內(nèi)凝聚力等，分別得出鉆孔孔壁x、y、z方向上力學(xué)平衡方程，見式(1)，并沿鉆孔口圍巖由里往外按照破碎變形程度劃分四個(gè)區(qū)，即Ⅰ為破碎區(qū)，Ⅱ?yàn)樗苄宰冃螀^(qū)，Ⅲ為彈性區(qū)，Ⅳ為原巖應(yīng)力區(qū)。

圖1 順層鉆孔鉆進(jìn)過程三維力學(xué)模型圖

式中，σtx、σtz、σ⊥y、σ⊥z為地應(yīng)力沿x、y、z方向的分量，受巷道開掘影響σ⊥>σt，MPa；prx、pry、prz為鉆孔周圍煤體瓦斯壓力沿x、y、z方向分量；pix、piy、piz為鉆孔內(nèi)部的氣體壓力沿x、y、z方向的分量，MPa，其中pr>pi；crx、cry、crz為孔壁煤體內(nèi)聚力沿x、y、z方向的分量，MPa；nrx、nrz分別為鉆頭旋轉(zhuǎn)切削煤體產(chǎn)生沿x、z方向的分量，MPa；σ鉆、σp為鉆進(jìn)過程的沿y方向(鉆進(jìn)方向)的鉆壓及排渣過程的風(fēng)力和液體壓力(清水、其他鉆孔清洗液)，MPa。

1.1 鉆進(jìn)過程鉆孔穩(wěn)定性分析

1.1.1 孔壁穩(wěn)定性

由圖1可知，孔壁穩(wěn)定可從三維坐標(biāo)中xz平面展開分析，得出孔壁的穩(wěn)定性主要和地應(yīng)力(σ⊥、σt)、孔內(nèi)外瓦斯壓力(pr、pi)、鉆頭旋轉(zhuǎn)切削應(yīng)力nr及煤體內(nèi)聚力cr相關(guān)。當(dāng)構(gòu)造軟煤賦存確定時(shí)，即地應(yīng)力、煤層瓦斯壓力和煤體內(nèi)聚力一定，由式(1)可知，鉆頭旋轉(zhuǎn)破煤產(chǎn)生切削力nr與煤體強(qiáng)度σ0成正相關(guān)性，即煤體強(qiáng)度越大，破煤需要切削應(yīng)力越大，故理想條件下旋轉(zhuǎn)速度對孔壁穩(wěn)定影響不大，但可影響單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的煤屑粒度及排渣速度(針對螺旋式鉆桿)。此外，受鉆桿自身重力影響，鉆進(jìn)孔內(nèi)鉆桿實(shí)際曲線彎曲率與鉆孔深度成正比，且隨著旋轉(zhuǎn)速度影響，會(huì)在孔內(nèi)產(chǎn)生不同曲率的震蕩效應(yīng)，從而影響孔壁的穩(wěn)定性。軟煤因其自身強(qiáng)度低、內(nèi)聚力小、瓦斯解吸速度快、瓦斯壓力相對較大等特點(diǎn)，為減小鉆桿震蕩對孔壁的破壞作用，其旋轉(zhuǎn)速度不能過高。

1.1.2 孔底穩(wěn)定性

由圖1可知，孔底穩(wěn)定可從三維坐標(biāo)中yz平面展開分析，得出孔底的穩(wěn)定性主要和地應(yīng)力σ⊥、孔內(nèi)外瓦斯壓力(pr、pi)、鉆桿推進(jìn)力σ鉆、氣流或液體排渣動(dòng)力σp及煤體內(nèi)聚力cr相關(guān)。構(gòu)造軟煤賦存一定條件下，孔底穩(wěn)定性與推進(jìn)力及排渣動(dòng)力直接相關(guān)，推進(jìn)力大小，直接影響進(jìn)尺速率，進(jìn)而決定了單位時(shí)間產(chǎn)生煤屑量；同時(shí)，排渣動(dòng)力流體對孔底產(chǎn)生沖擊力也會(huì)對孔底產(chǎn)生破壞作用。因此，軟煤鉆進(jìn)過程，鉆進(jìn)壓力和排渣動(dòng)力均要控制大小及時(shí)長，甚至是給壓方式。

1.2 孔內(nèi)排渣動(dòng)力分析

目前軟煤鉆進(jìn)排渣方式主要分兩種(如圖2所示)，一種是螺旋鉆桿風(fēng)壓排渣(包括刻槽鉆桿)，又稱“雙動(dòng)力排渣”，一個(gè)是沿鉆桿和孔壁間通道，由風(fēng)壓作為動(dòng)力逐步運(yùn)移煤屑至孔口排出，另一個(gè)沿螺旋葉片或者螺旋刻槽在旋轉(zhuǎn)時(shí)中所產(chǎn)生向后的機(jī)械動(dòng)力排出煤屑，排渣效率較高；另一種是棱狀鉆桿風(fēng)壓排渣，棱狀鉆桿可將沉積在下部孔壁的煤粉不停攪動(dòng)揚(yáng)起，可防止塌孔時(shí)煤粉堆積過多造成的抱鉆和卡鉆事故。對比分析可知，前者對風(fēng)量及風(fēng)壓等條件要求不是太高，而后者對排渣的風(fēng)力條件要求偏高。

圖2 軟煤順層鉆進(jìn)排渣方式示意圖

進(jìn)一步分析轉(zhuǎn)速、鉆壓及排渣動(dòng)力的影響，鉆壓一定時(shí)，轉(zhuǎn)速直接反映出煤體破碎之后顆粒大小以及鉆桿震蕩損傷或破壞孔壁產(chǎn)生附加煤屑量，轉(zhuǎn)速過低會(huì)導(dǎo)致破煤顆粒較大，易出現(xiàn)卡鉆情況，轉(zhuǎn)速過高會(huì)導(dǎo)致孔壁失穩(wěn)以及煤粉過細(xì)，從而增大煤粉與螺旋葉面建的摩擦阻力，導(dǎo)致抱鉆，此外還會(huì)加速鉆牙的磨損。根據(jù)鉆孔模型可知單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生煤屑量為πr2ν1，v1為鉆頭進(jìn)尺速率，m/s；單位時(shí)間內(nèi)排出煤屑量S排ν2，v2為排渣線速率，m/s；S排為孔內(nèi)排渣通道的橫截面積。由于鉆桿占據(jù)部分鉆孔空間，故πr2>S排，故單位時(shí)間內(nèi)孔底的積存鉆屑量為(πr2v1-S排v2)，其中v1∝σ鉆、v2∝σp，且鉆進(jìn)過程一般σ鉆>σp。分析可得出，鉆壓越大，孔內(nèi)積存量越大，易發(fā)生堵孔和卡鉆，影響成孔效果。此外，煤層傾角與鉆壓也有關(guān)系，上向鉆孔施工過程鉆壓還需承擔(dān)鉆孔自重沿y方向的分量。為了徹底消除孔內(nèi)積存鉆屑對排渣的影響，需改變給壓方式，即考慮鉆壓為0和負(fù)壓狀態(tài)，即對應(yīng)孔內(nèi)鉆頭原位旋轉(zhuǎn)(“空轉(zhuǎn)”)、鉆頭旋轉(zhuǎn)倒退以排盡孔內(nèi)積存鉆屑或塌孔所產(chǎn)生附加鉆屑量。

2 軟煤中速控壓鉆進(jìn)成孔工藝的提出

根據(jù)上述分析可知，轉(zhuǎn)速和鉆壓太低，直接降低鉆進(jìn)深度和成孔效率；轉(zhuǎn)速過高會(huì)誘發(fā)孔壁失穩(wěn)，鉆壓大小及給壓方式會(huì)影響鉆孔排渣效果。故需進(jìn)一步深入分析，在軟煤賦存條件及力學(xué)屬性一定時(shí)，確定合理轉(zhuǎn)速、鉆壓及給壓方式以提高軟煤鉆進(jìn)成孔率。

2.1 合理鉆壓的分析

鉆壓是鉆進(jìn)施加于鉆頭的壓力。是破碎煤體的最基本參數(shù)，常用W表示。在現(xiàn)有設(shè)備條件下，典型的鉆壓(W)-鉆速(Vm)曲線如圖3所示。曲線分為三段：W0為門限鉆壓。

圖3 鉆壓與鉆速的關(guān)系曲線

1)第一段：oa段，此時(shí)鉆壓很小，鉆頭切削未切入煤巖，進(jìn)尺是靠切削刃研磨煤巖體獲得，所以很慢，功率低。煤巖體很少體積破碎，此區(qū)間的比例很小，一般不在此區(qū)間工作。

2)第二段：ab段，為曲線的直線段，表明Vm與W成正比關(guān)系，鉆進(jìn)過程大多位于此區(qū)間工作。

Vm∞(W-W0)

(2)

式中，W0為門限壓力，此時(shí)鉆壓大于W0后，切削刃可進(jìn)入煤巖體，切割破碎的煤巖體成塊狀，即體積破碎，破碎效率高，且孔底凈化也充分。

3)第三段：bc段，當(dāng)鉆壓超過Wb后，牙輪鉆頭的牙齒已全部進(jìn)入煤層，煤屑積存于牙齒根間，妨礙了牙齒的吃入，同時(shí)孔底不易凈化充分，而且銑齒及尖劈狀，根部粗，面積增大，吃入過深后勢必轉(zhuǎn)速降低，從而導(dǎo)致W上升，Vm下降。同時(shí)鉆壓的升高使鉆頭牙齒磨損速度增大：

dh/dt=1/(D2-D1W)

(3)

鉆速與牙齒磨損量的關(guān)系曲線如圖4所示，鉆速與牙齒磨損量的關(guān)系：

圖4 鉆速與牙齒磨損量的關(guān)系曲線

Vm∞1/(1+c2h)

(4)

因此，最優(yōu)鉆壓區(qū)間應(yīng)布置在ab段，利于鉆孔鉆進(jìn)排渣，也減少鉆頭損耗速度。

2.2 合理轉(zhuǎn)速的分析

當(dāng)鉆速和其他條件不變時(shí)，分析鉆孔不同排渣情況下，轉(zhuǎn)速與鉆速的可用下式表示：

Vm∞nλ

(5)

式中，n為轉(zhuǎn)速；λ轉(zhuǎn)速指數(shù)，一般小于1，0.4～1；鉆速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 鉆速與轉(zhuǎn)速的關(guān)系曲線

由圖5可知，在理想條件下(軟煤鉆進(jìn)全程不塌孔、孔內(nèi)始終保持清潔)，鉆進(jìn)速度與轉(zhuǎn)速成正比；在孔內(nèi)積存鉆屑時(shí)，鉆速隨轉(zhuǎn)速升高呈現(xiàn)漸增趨穩(wěn)。因此，選取2、3曲線中拐點(diǎn)附近鉆壓較為合理。

綜上分析，針對軟煤鉆進(jìn)過程中，必須確定合理的轉(zhuǎn)速、給進(jìn)壓力及給壓方式，以提高軟煤鉆孔成孔率的同時(shí)，降低鉆具的損耗成本及鉆機(jī)功耗。

3 工程實(shí)踐

3.1 朱家店煤礦概況

山西離柳焦煤集團(tuán)朱家店煤礦區(qū)域處于鄂爾多斯盆地東緣的晉西隆起帶，設(shè)計(jì)煤炭產(chǎn)能120萬t/a，目前主采山西組的4#、6#煤層，其中4#煤層為優(yōu)質(zhì)主焦煤，發(fā)熱量高且灰分低，受控于東西向的離石-中陽大向斜控制，該煤層起伏性較大，平均厚度約1.2m，構(gòu)造煤發(fā)育，瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)見表1，屬于典型的高瓦斯礦井，當(dāng)前全礦井高濃瓦斯抽采管路濃度僅為9%～11%，上隅角時(shí)有超限，實(shí)際煤炭年產(chǎn)能僅為50萬t。

表1 4#煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定結(jié)果平均值

礦井目前采、掘工作面分別采用的瓦斯抽采方法為順層遞進(jìn)式鉆孔+裂隙帶高位鉆孔+下鄰近層低位鉆孔+上隅角埋管抽采、區(qū)域長鉆孔預(yù)抽+局部淺孔排放，90%以上瓦斯治理的依賴于鉆孔抽采。由表1可知，4#煤層f<0.5、P0=0.64MPa且Δp>10，屬于典型的構(gòu)造軟煤，具備瓦斯壓力大、瞬時(shí)解吸量大、透氣性低等鮮明特點(diǎn)，直接造成了瓦斯抽采鉆孔施工難度大、成孔率低及抽采效果不佳等問題，進(jìn)而導(dǎo)致礦井瓦斯超限發(fā)生，嚴(yán)重制約了優(yōu)質(zhì)煤炭產(chǎn)能。

3.2 實(shí)施效果

本次試驗(yàn)地點(diǎn)選在朱家店煤礦0403工作面材料順槽，其長度為505m，工作面長度為160m，標(biāo)高為+771～+691m，受斷層及向斜等構(gòu)造影響，4#煤層起伏大，平均傾角為4°，且構(gòu)造軟煤較發(fā)育，f<0.35?，F(xiàn)場施工鉆機(jī)為ZDY-4000LQ履帶式鉆機(jī)，選用刻槽式鉆桿，直徑為83mm，鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速區(qū)間為60～230r/min，給進(jìn)壓力最大為123kN，據(jù)上節(jié)分析結(jié)果，選取中壓段、中速段進(jìn)一步量化考察給進(jìn)壓力、轉(zhuǎn)速對終孔深度及成孔效果的影響，分別在材料順槽距開口處80m、180m、280m、380m處布置4組鉆孔，開展4種給進(jìn)壓力與4種轉(zhuǎn)速的正交試驗(yàn)，分別觀測記錄16種鉆壓-鉆速下終孔深度及塌孔夾鉆次數(shù)，分別繪制不同鉆壓、轉(zhuǎn)速條件下終孔深度即夾鉆次數(shù)變化曲線，如圖6—圖9所示。

圖6 鉆壓與終孔深度變化趨勢圖

圖7 鉆壓與塌孔夾鉆次數(shù)變化趨勢圖

由圖6和7可知，整體鉆孔終孔深度隨著鉆壓增大呈現(xiàn)先增后減趨勢，且隨轉(zhuǎn)速增加，孔深下降速率增大；同時(shí)，鉆進(jìn)過程夾鉆次數(shù)隨鉆壓變化呈 “V”型。主要因?yàn)楦咩@壓和高轉(zhuǎn)速條件下，煤屑不易及時(shí)排除且鉆桿震蕩對孔壁破壞加劇。

由圖8和9可知，轉(zhuǎn)速對終孔深度影響程度較小，在低速和高速階段呈微弱的倒“V”型，夾鉆次數(shù)呈現(xiàn)兩端大、中部小的“V”型變化趨勢，在中速階段終孔深度呈現(xiàn)逐漸增大并趨于穩(wěn)定，夾鉆次數(shù)明顯偏低，故轉(zhuǎn)速選在該區(qū)較為合理。

圖8 轉(zhuǎn)速與與終孔深度變化趨勢圖

圖9 轉(zhuǎn)速與塌孔夾鉆次數(shù)變化趨勢圖

綜合考慮鉆進(jìn)過程給進(jìn)壓力的方式，在鉆進(jìn)過程中，采用了正壓推進(jìn)、零壓空轉(zhuǎn)、負(fù)壓退鉆三種給壓方式施鉆，結(jié)果表明，零壓空轉(zhuǎn)、負(fù)壓退鉆兩種給壓方式下鉆孔塌孔夾鉆次數(shù)可控制在2次以內(nèi)，雖然一定程度降低鉆進(jìn)速度，但明顯提升成孔率，尤其是在塌孔嚴(yán)重的高壓高速階段，采用正-負(fù)壓交替施鉆方法利于攪動(dòng)沉積于下部孔壁的大量煤屑并起到促排渣作用，可有效解決夾鉆抱死導(dǎo)致丟鉆頭、鉆桿事故。

綜上所述，根據(jù)工作面預(yù)抽鉆孔長度要求大于80m(工作面長度一半)，鉆進(jìn)過程塌孔夾鉆次數(shù)盡量少的原則，確定適合朱家店煤礦4號(hào)煤層的中速控壓工藝參數(shù)：給進(jìn)壓力合理范圍為60～80kN，轉(zhuǎn)速為130～160r/min，給壓方式選擇正壓推進(jìn)與零壓空轉(zhuǎn)相結(jié)合，遇糜棱狀構(gòu)造煤，則需采用正-負(fù)壓交替的給壓方式。

4 結(jié) 論

1)構(gòu)建了軟煤順層鉆孔鉆進(jìn)-排渣過程三維力學(xué)模型，得出軟煤一定條件下鉆進(jìn)壓力σ鉆、排渣動(dòng)力σp為孔壁失穩(wěn)的主控因素，轉(zhuǎn)速次之；孔內(nèi)煤屑積存量與(σ鉆-σp)成正比。

2)得出了軟煤鉆進(jìn)壓力與鉆速之間呈現(xiàn)先增后減的“拋物線”變化關(guān)系，鉆速與轉(zhuǎn)速之間呈現(xiàn)逐漸增趨穩(wěn)的變化趨勢，綜合考慮鉆具磨損、功耗及給壓方式等因素，提出了中速控壓軟煤鉆進(jìn)工藝。

3)確定適合朱家店煤礦4號(hào)煤層的中速控壓工藝參數(shù)：給進(jìn)壓力合理范圍為60～80kN，轉(zhuǎn)速為130～160r/min，給壓方式選擇正壓推進(jìn)與零壓空轉(zhuǎn)相結(jié)合，遇糜棱狀構(gòu)造煤，則需采用正-負(fù)壓交替的給壓方式。

4)此次研究適用于近水平鉆孔與螺旋鉆桿風(fēng)壓排渣條件，建議下一步應(yīng)深入研究不同鉆孔傾角、液體排渣方式及棱狀鉆桿的軟煤施工工藝參數(shù)，進(jìn)而為軟煤鉆進(jìn)成孔提供全面系統(tǒng)的理論指導(dǎo)和數(shù)據(jù)支撐。