煤礦井下頂板高位大直徑定向孔多動力鉆擴技術(shù)

劉建林，趙建國，李泉新，王傳留，王四一，劉 飛

(中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

頂板高位大直徑定向鉆孔是一種綜合高效的瓦斯抽采技術(shù)手段[1，2]，將其布設(shè)在回采工作面煤層頂板合理層位內(nèi)，在回采過程能有效抽采采動影響區(qū)域的卸壓瓦斯，在采后還能抽采采空區(qū)瓦斯[3-6]；在煤層群開采條件下，頂板高位大直徑定向鉆孔能有效攔截鄰近層瓦斯，降低上隅角、回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，支撐安全生產(chǎn)，同時有利于提高礦井瓦斯抽采利用率。頂板高位大直徑定向鉆孔軌跡可控、能沿預(yù)定的層位長距離延伸、有效利用率高，在煤巷中開孔鉆進、鉆場布設(shè)靈活、可超前施工；與高抽巷相比，具有綜合成本低、周期短、輔助排矸運輸?shù)裙こ塘啃〉蕊@著技術(shù)優(yōu)勢。在高位定向孔設(shè)計參數(shù)與抽采效果方面，王依磊[7]等基于采空區(qū)頂板三帶理論對高位定向鉆孔的布置參數(shù)進行了優(yōu)化；曹文超[8]等運用統(tǒng)計方法研究了50余個高位定向鉆孔的布置參數(shù)和抽采數(shù)據(jù)，試驗對比了?94mm～?153mm四種孔徑鉆孔的抽采效果，隨著鉆孔孔徑增大抽采混合量、抽采純量和總抽采量明顯增加。受現(xiàn)有煤礦井下隨鉆測量定向鉆進技術(shù)裝備配套鉆具級配限制，頂板高位大直徑定向鉆孔普遍采用“先導(dǎo)孔+分級多次鉆擴”成孔方法施工[9-13]，即先利用隨鉆測量定向鉆進技術(shù)施工d≤120mm小直徑先導(dǎo)孔，再利用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進工藝進行多次鉆擴、形成大直徑孔，典型的分級擴孔直徑系列為133mm→153mm→178mm→193mm。隨著應(yīng)用范圍的擴大，頂板定向先導(dǎo)孔常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆擴工藝的局限性日益突顯，主要表現(xiàn)為：分級多次鉆擴加接-擰卸鉆具頻繁、起下鉆工作量大、輔助作業(yè)周期長；擴孔碎巖動力全部由孔口鉆機提供，隨孔深增加動力傳遞效果變差，鉆進效率降低；沿定向先導(dǎo)孔鉆擴過程中，鉆桿柱彎曲回轉(zhuǎn)、交變載荷大、受力工況惡劣，鉆桿易疲勞損壞，安全性差、使用壽命短[14]。針對煤礦井下頂板高位大直徑定向孔分級多次鉆擴成孔存在的上述問題，提出了先導(dǎo)定向孔多動力一次鉆擴技術(shù)思路，研制了配套雙鉆頭螺桿馬達鉆具，利用孔口-孔底多動力聯(lián)合碎巖，實現(xiàn)直徑120mm先導(dǎo)定向孔一次鉆擴至200mm，為頂板高位大直徑定向鉆孔的高效成孔提供了新技術(shù)手段，對進一步拓展其應(yīng)用范圍具有重要意義。

1 頂板高位大直徑定向孔軌跡特點

頂板高位大直徑定向孔的主孔段布設(shè)在工作面頂板采動裂隙帶內(nèi)，可平行巷道或垂直延伸；鉆場位于煤巷內(nèi)，上仰開孔、穿過直接頂板巖層后進入預(yù)計裂隙帶層位，如圖1所示。頂板高位大直徑定向孔空間軌跡形狀具有類似“L”形結(jié)構(gòu)特點，穿層段軌跡的傾角、方位角同時變化；主孔段軌跡的方位角通常保持不變、傾角隨工作面煤層起伏變化。煤礦井下頂板高位大直徑定向孔的空間展布特點對排渣相對有利，但對于鉆進加壓十分不利。鉆擴過程中，穿層段鉆具有效重力分量與給進方向相反，抵消了部分鉆機給進力，同時，細(xì)長彈性鉆桿柱在重力的作用下幾乎全孔段都與孔壁之間頻繁或常態(tài)化接觸，接觸產(chǎn)生的摩擦扭矩和摩擦力嚴(yán)重影響孔口回轉(zhuǎn)、給進載荷的有效傳遞，導(dǎo)致鉆效隨孔深增加而降低。

圖1 頂板高位大直徑定向孔空間形態(tài)

2 多動力鉆擴技術(shù)

煤礦井下多動力鉆擴技術(shù)是指利用鉆機和泥漿泵(車)作為直接動力源輸出機械能和流體壓力能，以孔口動力與孔底動力聯(lián)合方式驅(qū)動鉆頭碎巖鉆進、實現(xiàn)一次性鉆擴大直徑定向孔。如圖2所示，具體技術(shù)原理為：在擴孔鉆頭后方增加一個孔底動力鉆具，通過內(nèi)部定轉(zhuǎn)子能量轉(zhuǎn)化機構(gòu)將高壓循環(huán)水的壓力能轉(zhuǎn)化為鉆頭破巖所需的機械能，帶動前置內(nèi)鉆頭切削破巖；同時鉆機動力頭輸出的旋轉(zhuǎn)扭矩與軸向推力通過鉆桿柱、孔底動力鉆具殼體作用于后置外鉆頭上、驅(qū)動后置外鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖。前置內(nèi)鉆頭與后置外鉆頭采用同軸布置，其工作過程中內(nèi)鉆頭與外鉆頭在鉆孔底部形成兩個同心階梯式切削面，一方面改變了孔壁周圍巖石的應(yīng)力狀態(tài)、提高了可鉆性，有利于后端鉆頭高效擴孔，進而提高整體鉆擴效率[15]；另一方面，孔口動力以直接驅(qū)動和間接驅(qū)動兩種方式作用在內(nèi)-外分體式同軸鉆頭上，能夠充分發(fā)揮多動力聯(lián)合碎巖的優(yōu)勢。

圖2 多動力擴孔技術(shù)原理

多動力擴孔的本質(zhì)是一趟鉆過程中同時開展兩級擴孔施工，前置內(nèi)鉆頭與后置外鉆頭破巖后會形成兩個同心“破碎環(huán)”，如圖3所示，圖中Rd為先導(dǎo)孔半徑，R0為終孔半徑，R為同心破碎環(huán)分界面半徑。在Rd、R0一定的情況下，確定合理的兩級破碎環(huán)分界面半徑R是實現(xiàn)多動力高效擴孔的關(guān)鍵。基于回轉(zhuǎn)擴孔工藝特點，合理分配前置內(nèi)鉆頭與后置外鉆頭碎巖面積使內(nèi)外分體鉆頭的破巖負(fù)載與驅(qū)動鉆頭破巖的動力相匹配，此時前置內(nèi)鉆頭與后置外鉆頭的破巖效率趨于平衡，即二者具有相當(dāng)?shù)臋C械鉆速，進而獲得較高的綜合破巖效率?；诘人閹r比功理論計算得出的合理破碎環(huán)分界面半徑范圍為78～85mm。

圖3 雙級雙速擴孔破碎環(huán)

與常規(guī)分級擴孔技術(shù)相比，多動力擴孔技術(shù)具有顯著的特點和優(yōu)勢：①改變了煤礦井下單純依靠鉆機機械能驅(qū)動孔底鉆頭碎巖的擴孔方式，將泥漿泵(車)輸出的高壓流體作為擴孔碎巖動力介質(zhì)，在滿足攜帶鉆屑、冷卻鉆具等基本功能要求的同時，充分發(fā)揮了泥漿泵(車)潛在能力，增加孔底碎巖動力；②孔口與孔底多動力聯(lián)合降低了擴孔機械鉆效對鉆桿摩阻的敏感程度，孔底回轉(zhuǎn)動力幾乎不會隨孔深增加而顯著衰減，可保持足夠的碎巖動力；③多動力增強了孔底碎巖能力，徑向單次有效擴孔尺寸增大、即有效碎巖面積增加，為一次分級鉆擴出大直徑頂板高位定向孔成奠定了基礎(chǔ)。

3 配套鉆具組合設(shè)計

頂板高位大直徑定向孔多動力鉆擴技術(shù)配套鉆具主要由分體式擴孔鉆頭、孔底動力鉆具和鉆桿3部分組成，其中孔底動力鉆具以專用螺桿馬達為核心，典型鉆具組合如圖4所示。

圖4 多動力擴孔配套鉆具組合

3.1 專用螺桿馬達

頂板高位大直徑定向孔多動力鉆擴技術(shù)配套專用螺桿馬達的輸出端帶有2個螺紋連接副，如圖5所示，一個設(shè)計在定子外殼前端——定子連接副用于連接外鉆頭，另一個設(shè)計在轉(zhuǎn)子輸出軸前端——轉(zhuǎn)子連接副用于連接內(nèi)鉆頭。

圖5 專用螺桿馬達輸出端結(jié)構(gòu)

鉆擴過程中，專用螺桿馬達在高壓沖洗液驅(qū)動下，將流體壓力能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能、經(jīng)轉(zhuǎn)子輸出軸傳給內(nèi)鉆頭，與此同時，專用螺桿馬達隨鉆桿一起回轉(zhuǎn)，進而將孔口動力直接傳遞給外鉆頭、間接傳遞給內(nèi)鉆頭，實現(xiàn)孔口-孔底多動力聯(lián)合鉆擴定向孔。針對?120mm定向先導(dǎo)孔鉆擴需求，基于煤礦井下定向鉆機與配套泥漿泵(車)能力、鉆桿規(guī)格、目標(biāo)擴孔直徑等，設(shè)計了?105mm專用螺桿馬達，其主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 專用螺桿馬達主要技術(shù)參數(shù)

3.2 分體式擴孔鉆頭

分體式擴孔鉆頭包括前置內(nèi)鉆頭(帶導(dǎo)向器)和后置外鉆頭兩部分，二者同軸階梯布置，即在軸向上內(nèi)鉆頭超前外鉆頭、在徑向上外鉆頭大于內(nèi)鉆頭。擴孔過程中，內(nèi)鉆頭先直接鉆擴先導(dǎo)定向孔，外鉆頭隨后鉆擴內(nèi)鉆頭形成的鉆孔至目標(biāo)孔徑。

?105mm專用螺桿馬達配套的分體式擴孔鉆頭理論擴孔直徑為200mm，外鉆頭設(shè)計為六翼結(jié)構(gòu)、內(nèi)鉆頭設(shè)計為四翼結(jié)構(gòu)，刀翼均采用弧角形剖面，一方面擴大PDC復(fù)合片排布空間、增加布齒數(shù)量；另一方面增大鉆頭與孔底接觸、切削自由面，提高碎巖效率。

4 現(xiàn)場實鉆應(yīng)用

4.1 試驗礦井概況

多動力鉆擴技術(shù)裝備在山西某礦井下進行了現(xiàn)場實鉆應(yīng)用，該礦井為瓦斯突出礦井，礦井瓦斯絕對涌出量161.24m3/min，相對涌出量18.92m3/t；二氧化碳絕對涌出量11.99m3/min，相對涌出量1.41m3/t。礦井瓦斯涌出量總體呈逐年增大的趨勢，隨著采掘空間向深部延伸和產(chǎn)量的增加，礦井瓦斯涌出量將越來越大。瓦斯涌出特點為北低南高，即北翼是低瓦斯區(qū)域，南翼是高瓦斯區(qū)域。

目前該礦主采02、2、8號煤，直接頂、底板大都均以粉砂質(zhì)泥巖或炭質(zhì)泥巖為主。

4.2 試驗區(qū)概況

結(jié)合礦井“以孔代巷”瓦斯治理思路，采用大直徑頂板走向定向長鉆孔配合大直徑采空區(qū)抽采鉆孔，替代傳統(tǒng)的上隅角懸管、措施巷鉆場裂隙帶鉆孔與高抽巷，對工作面采動影響區(qū)及采空區(qū)瓦斯進行綜合治理。根據(jù)工作面采動裂隙空間發(fā)育特征及時空演化規(guī)律，在18502輔運巷內(nèi)布置3個鉆場施工大直徑頂板走向定向長鉆孔，具體鉆場布置與鉆孔設(shè)計方案為：在18502輔運巷里程67m、397m、720m處右?guī)透鞑贾靡粋€鉆場。鉆場規(guī)格5.0m(深)×7.0m(寬)×巷高，每個鉆場內(nèi)采用差異化布孔方式布置7個大直徑頂板高位走向長鉆孔，在18502工作面回采過程中對裂隙帶及采空區(qū)瓦斯實施抽采，其中1號鉆場鉆孔沿工作面水平投影孔深510m，2號鉆場鉆孔沿工作面水平投影孔深480m，3號鉆場鉆孔沿工作面水平投影孔深480m。

多動力鉆擴技術(shù)與配套鉆具在18502工作面3#鉆場進行了現(xiàn)場應(yīng)用。鉆場內(nèi)設(shè)計了7個頂板高位大直徑定向鉆孔。其中，1#孔水平投影位于距18502輔運巷回采幫1m，垂高(指軌跡穩(wěn)定后的垂高)為8m，(目標(biāo)層位巖性：中粒砂巖)；2#、3#孔水平投影分別位于內(nèi)錯18502輔運巷10m、20m，垂高為25m(目標(biāo)層位巖性：砂質(zhì)泥巖)；4#、6#孔水平投影分別位于內(nèi)錯18502輔運巷30m、50m，垂高為45m(目標(biāo)層位巖性：粉砂巖)；5#、7#孔水平投影分別位于內(nèi)錯18502輔運巷40m、60m，垂高為50m(目標(biāo)層位巖性：粉砂質(zhì)泥巖)。

4.3 試驗概況

采用ZDY12000LD大功率定向鉆機、BLY390泥漿泵車對定向先導(dǎo)孔實施擴孔，其中常規(guī)分級擴孔方法在1#～4#鉆孔中進行了應(yīng)用，多動力擴孔鉆具在6#、7#鉆孔中進行了應(yīng)用，鉆孔信息與實鉆數(shù)據(jù)見表2，鉆孔平面軌跡如圖6所示。

表2 鉆孔信息與參數(shù)表

圖6 鉆孔平面軌跡

1#～4#鉆孔采用?120mm/?153mm→?153mm/?193mm兩次擴孔方法施工，通過減小單級擴孔鉆頭切削破巖量，利用孔口鉆機動力保證擴孔鉆進效率，擴孔平均機械鉆速可達15m/h；然而，兩次擴孔的總進尺量成倍增大，鉆擴綜合成孔周期相對長，耗費班次平均達到17個，折算班均鉆進進尺27.5m左右，日均鉆進進尺82.5m左右。

6#鉆孔采用多動力一次鉆擴方法施工，擴孔施工平均機械鉆速為12.3m/h，機械鉆速對應(yīng)孔深變化曲線如圖7所示。全孔鉆擴累積耗時11個班次，折算班均鉆進進尺42.3m，日均進尺126.9m，較常規(guī)多次擴孔方法提升53.8%。

圖7 6#試驗孔機械鉆速變化曲線

7#鉆孔采用多動力一次鉆擴方法施工，擴孔施工平均機械鉆速為11.1m/h，機械鉆速對應(yīng)孔深變化曲線如圖8所示，鉆擴累積耗時12個班，折算班均鉆進進尺為37.0m，日均鉆進進尺達到111.0m，較常規(guī)多次擴孔方法提升34.5%。

圖8 7#試驗孔機械鉆速變化曲線

經(jīng)過上述對比分析，同等地層條件下，多動力一次鉆擴方法機械鉆速較高，輔助工程量大幅降低，能夠?qū)崿F(xiàn)?120/?200mm大直徑定向長鉆孔的安全高效鉆擴成孔，綜合成孔效率較兩次擴孔方法提高25%以上。

5 結(jié) 論

1)多動力鉆孔技術(shù)利用鉆機和泥漿泵(車)兩種動力源、以孔口機械能和孔底壓力能多動力聯(lián)合碎巖，解決了單一孔口動力鉆擴頂板高位大直徑定向孔過程中孔口動力隨孔深增加傳遞效果變差、鉆進效率降低的難題。

2)研制的專用螺桿馬達和分體式雙鉆頭能夠?qū)崿F(xiàn)孔徑120mm到200mm一次鉆擴成孔，大幅降低了擴孔起下鉆具作業(yè)量。

3)多動力鉆擴技術(shù)裝備井下實鉆數(shù)據(jù)表明，在典型頂板砂巖層中平均機械鉆速可達10m/h以上，同等條件下綜合成孔效率可提高25%以上，為頂板高位大直徑定向孔高效鉆擴成孔提供了新技術(shù)裝備支持。