超大孔徑(φ300 mm)高位定向抽采鉆孔成孔工藝探索與實(shí)踐

趙志軍，張 飛，陳鑫源

(1.晉能控股煤業(yè)集團(tuán) 成莊礦，山西 晉城 048021； 2.晉能控股集團(tuán) 山西科學(xué)技術(shù)研究院(晉城)技術(shù)研究院有限責(zé)任公司，山西 晉城 048006； 3.河南省煤炭科學(xué)研究院有限公司，河南 鄭州 450001)

瓦斯災(zāi)害是制約煤礦安全高效生產(chǎn)的重要因素，現(xiàn)階段主要的防治措施均為鉆孔抽采[1-4]。隨著煤礦安全管理、科研、資金的長(zhǎng)效投入及礦井安全生產(chǎn)迫切需求，鉆孔施工設(shè)備得到了全面發(fā)展和突破，中煤科工集團(tuán)西安院、重慶院、陜西太合智能鉆探有限公司等國(guó)內(nèi)主流煤礦安全領(lǐng)域鉆機(jī)具制造企業(yè)現(xiàn)已研發(fā)出最大扭矩達(dá)7 000、12 000、15 000、17 000、22 000 N·m等一系列鉆機(jī)，顯著改善了我國(guó)煤礦瓦斯抽采局面，由可施工小孔徑短孔抽采的普通鉆機(jī)具向可施工區(qū)域化大直徑定向長(zhǎng)鉆孔鉆機(jī)具發(fā)展[5-8]。但現(xiàn)階段大功率定向鉆機(jī)具多數(shù)試驗(yàn)定向長(zhǎng)鉆孔孔徑均不超過φ300 mm，且大孔徑(φ203 mm以上)鉆孔多為3次及以上成孔，工序復(fù)雜、施工效率低、鉆機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行。針對(duì)此問題，研發(fā)大功率大直徑定向鉆機(jī)及配套鉆具，對(duì)超大孔徑(φ300 mm)高位定向抽采鉆孔成孔工藝進(jìn)行了探索與實(shí)踐，并對(duì)其抽采效果進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔進(jìn)行采空區(qū)瓦斯抽采時(shí)，利用工作面回風(fēng)巷內(nèi)鉆場(chǎng)，在工作面回采之前采用定向鉆機(jī)以大傾角上仰開孔鉆進(jìn)，借助隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)實(shí)鉆鉆孔軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量，并與設(shè)計(jì)鉆孔軌跡進(jìn)行對(duì)比分析，通過調(diào)整螺桿馬達(dá)工具面向角對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行人工調(diào)控，達(dá)到精準(zhǔn)控制鉆孔軌跡進(jìn)入工作面采空區(qū)內(nèi)、并沿頂板裂隙帶延伸至設(shè)計(jì)位置的目的。定向鉆孔施工到位后提鉆退鉆桿，下入擴(kuò)孔鉆具增大鉆孔直徑，提高鉆孔有效抽采截面積。由于鉆孔主要孔段均位于“O”型圈裂隙帶內(nèi)[9]，以采動(dòng)卸壓形成的頂板裂隙為通道長(zhǎng)期穩(wěn)定有效地抽采采空區(qū)瓦斯，實(shí)現(xiàn)工作面采空區(qū)瓦斯區(qū)域抽采。同時(shí)為保證頂板高位定向長(zhǎng)鉆孔抽采效果穩(wěn)定，避免鉆孔爬坡段抽采效果衰減導(dǎo)致工作面瓦斯積聚，采用鉆孔壓茬手段進(jìn)行解決，一般鉆孔壓茬大于50 m。

1.2 存在問題

現(xiàn)有的定向鉆進(jìn)技術(shù)及裝備在高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔施工中取得了顯著的效果，但也存在如下問題：①頂板高位定向鉆孔孔徑最大為φ195 mm，且需要3次成孔，施工效率低；②為滿足U型通風(fēng)采煤工作面瓦斯治理需要，每個(gè)鉆場(chǎng)需要施工4～5個(gè)φ195 mm鉆孔，造成施工工程量大、成本增加，且與想要達(dá)到以孔代巷的目的還存在一定差距；③鉆機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩已經(jīng)達(dá)到扭矩極限13 000 N·m以上，屬于滿負(fù)荷運(yùn)行。

1.3 解決方案

針對(duì)井下現(xiàn)場(chǎng)高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔鉆進(jìn)需要及當(dāng)前存在問題，本文從以下幾個(gè)方面進(jìn)行解決：

(1)研制大功率定向鉆機(jī)，提高鉆機(jī)扭矩和起拔能力。

(2)研制大直徑擴(kuò)孔鉆頭，確保大直徑擴(kuò)孔鉆孔沿定向鉆孔鉆進(jìn)。

(3)優(yōu)化高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔成孔工藝，2次成孔且終孔直徑不小于φ300 mm。

2 裝備、配套鉆具研制及工藝改進(jìn)

為實(shí)現(xiàn)井下高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔安全、高效鉆進(jìn)需要，采取如下改進(jìn)措施。

2.1 定向鉆機(jī)

大功率定向鉆機(jī)所選用的元件外形尺寸都偏大，且受煤礦巷道的影響，所以將鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成2部分，即鉆機(jī)+泵車。ZYL-25000D鉆機(jī)總體外觀如圖1所示。

圖1 ZYL-25000D分體鉆機(jī)總體外觀Fig.1 Overall appearance of ZYL-25000D split drilling rig

(1)ZYL-25000D分體鉆機(jī)設(shè)計(jì)考慮到長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)過程中，一旦出現(xiàn)鉆孔事故，可以利用套銑鉆具處理事故，因此鉆機(jī)主軸通孔直徑設(shè)計(jì)為135 mm。通過更換相應(yīng)規(guī)格尺寸的卡瓦，可以很方便地實(shí)現(xiàn)配套使用φ95 mm到φ127 mm規(guī)格的鉆桿，從而大大提高鉆機(jī)的適應(yīng)性。

(2)ZYL-25000D鉆機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)孔口回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、孔底動(dòng)力及復(fù)合鉆進(jìn)3種鉆進(jìn)工藝方法，回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)時(shí)要求鉆機(jī)要有較大的回轉(zhuǎn)扭矩，為使回轉(zhuǎn)器具有較大的輸出扭矩和調(diào)速范圍，在選定液壓馬達(dá)之后，適當(dāng)調(diào)整了傳動(dòng)比，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速在5～40 r/min為恒扭矩輸出，對(duì)應(yīng)的扭矩值為25 000 N·m。

(3)鉆機(jī)的給進(jìn)與起拔能力應(yīng)滿足正常鉆進(jìn)的要求，此外，起拔能力還要能滿足一些事故狀況要求，鉆機(jī)的給進(jìn)/起拔力均為370 kN。

2.2 大直徑鉆頭導(dǎo)向設(shè)計(jì)改進(jìn)

通過試驗(yàn)過程發(fā)現(xiàn)問題，對(duì)φ300mm鉆頭改進(jìn)4次，最終試驗(yàn)成功。第1次使用φ300 mm牙輪狀鉆頭擴(kuò)孔，受牙輪旋轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性影響，擴(kuò)孔軌跡容易偏離。第2次使用φ140/φ300 mm八翼鉆頭擴(kuò)孔，使用140 mm鉆頭進(jìn)行導(dǎo)向，導(dǎo)向長(zhǎng)度150 mm，因?qū)蜷L(zhǎng)度不足，擴(kuò)孔軌跡容易偏離。第3次將φ140/φ300 mm八翼鉆頭導(dǎo)向長(zhǎng)度改為400 mm，在繼續(xù)擴(kuò)孔的過程中，因?qū)蚯岸?40 mm鉆頭受力逐漸切削孔壁造成跑偏，導(dǎo)致導(dǎo)向受力不均發(fā)生斷裂。第4次改為φ300 mm八翼鉆頭，前端直接改為400 mm長(zhǎng)、直徑140 mm實(shí)體導(dǎo)向，取代140 mm鉆頭，這樣在擴(kuò)孔過程中導(dǎo)向前端不會(huì)切削孔壁，因此，軌跡不會(huì)偏離。頂板高位大直徑擴(kuò)孔鉆頭4次改進(jìn)圖片如圖2所示。

圖2 頂板高位大直徑擴(kuò)孔鉆頭4次改進(jìn)圖片F(xiàn)ig.2 Picture of four improvements of high-level large-diameter reaming bit on top plate

2.3 孔口裝置的改進(jìn)

為了保證大直徑鉆孔的抽放效果，將鉆孔的孔口裝置進(jìn)行了改進(jìn)。改進(jìn)前的孔口裝置，只能安裝1趟φ200 mm蛇形管；通過將孔口裝置改為φ350 mm短管變2趟φ200 mm筍子頭的多通，實(shí)現(xiàn)了2趟φ200 mm管同時(shí)抽放，大大提升了鉆孔的抽采效果；在此基礎(chǔ)上，最終實(shí)現(xiàn)了φ350 mm多通在孔口的應(yīng)用(圖3)，該裝置對(duì)鉆孔施工安全和后期抽采效率的提升都有非常重要的意義。

圖3 大直徑高位鉆孔配套孔口抽放系統(tǒng)示意Fig.3 Schematic diagram of supporting orifice pumping system for large diameter high-level borehole

2.4 鉆桿

為保障高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔的順利施工，研制了φ95 mm螺桿馬達(dá)、φ95 mm下無磁鉆桿、φ95 mm測(cè)量探管、φ95 mm上無磁鉆桿及φ95 mm通纜鉆桿。同時(shí)為滿足擴(kuò)孔時(shí)對(duì)扭矩的要求，研制了φ127 mm直徑擴(kuò)孔鉆桿，也可用于φ95 mm鉆桿埋鉆、卡鉆等打撈事故的處理。

3 鉆進(jìn)工藝及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

3.1 施工設(shè)備

此次施工所用的配套裝備主要包括：

(1)ZYL-25000D型履帶式全液壓坑道定向鉆機(jī)。

(2)φ95 mm整體式寬翼片螺旋鉆桿和過濾鉆桿2種鉆桿。

(3)國(guó)產(chǎn)1.5°、φ95 mm三級(jí)外平螺桿馬達(dá)。

(4)φ140 mm平底燒結(jié)胎體式定向鉆頭、φ203 mm平底燒結(jié)胎體式定向鉆頭、φ140 mm/φ203 mm擴(kuò)孔鉆頭、φ140 mm/φ300 mm擴(kuò)孔鉆頭、φ140 mm/φ420 mm擴(kuò)孔鉆頭等。

(5)MKS65型泥漿泵。

(6)YSX15礦用有線隨鉆測(cè)量裝置。

3.2 鉆進(jìn)工藝改進(jìn)

頂板高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔采用“先導(dǎo)孔復(fù)合定向鉆進(jìn)+大直徑擴(kuò)孔”成孔工藝施工。鉆進(jìn)時(shí)先采用φ140 mm/φ300 mm/φ420 mm鉆頭3遍開孔，開孔深度5 m，下入φ350 mm聚乙烯管并注漿封孔，然后施工φ140 mm定向鉆孔；擴(kuò)孔前先采用φ140 mm/203 mm鉆頭擴(kuò)至15 m，起到“引路”的作用，最后再用φ140 mm/300 mm八翼擴(kuò)孔鉆頭一次擴(kuò)孔至φ300 mm。

定向鉆進(jìn)施工時(shí)采用ZYL-25000D大功率鉆機(jī)配套“φ140 mm定向鉆頭+φ95 mm螺桿馬達(dá)+φ95 mm下無磁鉆桿+φ95 mm測(cè)量探管+φ95 mm上無磁鉆桿+φ95 mm通纜鉆桿”鉆具復(fù)合定向鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)位置，退鉆；然后采用ZYL-25000D大功率鉆機(jī)配套“φ140 mm/300 mm八翼擴(kuò)孔鉆頭+φ127 mm擴(kuò)孔鉆桿”鉆具回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔至孔底后提鉆封孔。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)情況

3.3.1 工作面概況

試驗(yàn)地點(diǎn)為晉城礦區(qū)成莊煤礦43152巷15號(hào)聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)進(jìn)行。該工作面主采3號(hào)煤層，煤層平均厚度6.3 m，穩(wěn)定可采。直接頂巖石成分為泥巖，泥巖厚度2.45 m，黑色，水產(chǎn)層理發(fā)育，植物化石豐富。直接頂泥巖巖石強(qiáng)度為軟弱—半堅(jiān)硬，以半堅(jiān)硬為主，屬不穩(wěn)定—中等穩(wěn)定程度直接頂?；卷攷r石成分為砂質(zhì)泥巖，厚9.10 m，黑色，化石豐富，局部含少量砂質(zhì)，水平層理發(fā)育，為軟弱巖石—半堅(jiān)硬巖石，屬不穩(wěn)定—中等穩(wěn)定程度頂板。

3.3.2 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)相關(guān)高位鉆孔抽采研究[10-12]，此次研究鉆場(chǎng)共設(shè)計(jì)3個(gè)頂板高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔，鉆孔軌跡設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 43152巷15號(hào)聯(lián)絡(luò)巷鉆場(chǎng)試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Design parameters of test boreholes in No.15 cross-heading drilling yard，lane 43152

3.3.3 二次成孔定向施工情況

(1)φ140 mm定向鉆孔施工情況。43152巷15號(hào)聯(lián)絡(luò)巷1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)孔均采用φ140 mm/φ300 mm/φ420 mm鉆頭3遍開孔，開孔深度5 m，下入φ350 mm聚乙烯管并注漿封孔，開孔用時(shí)4個(gè)點(diǎn)班，采用φ140 mm鉆頭定向施工，施工效率見表2，單班平均進(jìn)尺30.66 m，平均日進(jìn)尺91.98 m。

表2 1號(hào)—3號(hào)鉆孔定向鉆孔施工情況統(tǒng)計(jì)Tab.2 Statistics of directional borehole construction of No.1 and No.3 boreholes

(2)φ300 mm擴(kuò)孔鉆孔施工情況。擴(kuò)孔試驗(yàn)自2020年4月20日起施工，至2020年5月10日結(jié)束。其中1號(hào)孔擴(kuò)孔深度510 m；2號(hào)孔擴(kuò)孔深度501 m；3號(hào)孔擴(kuò)孔深度501 m。3個(gè)高位鉆孔主孔深度均大于500 m，定向鉆進(jìn)進(jìn)尺1 590 m，擴(kuò)孔鉆進(jìn)進(jìn)尺1 512 m，實(shí)鉆鉆孔軌跡平面及剖面如圖4、圖5所示。截至目前成孔情況見表3。

表3 1號(hào)—3號(hào)鉆孔擴(kuò)孔鉆孔成孔情況統(tǒng)計(jì)Tab.3 Statistics of reaming and hole forming of No.1，No.2 and No.3 boreholes

圖4 采空區(qū)高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔施工平面Fig.4 Construction plan of high-level large-diameter directional long borehole in goaf

圖5 采空區(qū)高位大直徑定向長(zhǎng)鉆孔施工剖面Fig.5 Construction profile of high-level large-diameter directional long borehole in goaf

3.3.4 鉆進(jìn)工藝工效對(duì)比分析

通過將回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)技術(shù)的有機(jī)融合，最終實(shí)現(xiàn)復(fù)合定向鉆進(jìn)，復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)配合可靠的定向鉆進(jìn)裝備，是提高定向鉆進(jìn)效率的關(guān)鍵，擴(kuò)孔一次性成孔工藝，有效縮短了退鉆、更換鉆頭的時(shí)間，大大提升了施工效率及抽采效果。ZYL-25000D型鉆機(jī)和ZYWL-13000DS型鉆機(jī)工效、抽采效果對(duì)比見表4。

表4 鉆機(jī)工效、抽采效果對(duì)比Tab.4 Comparison of drilling efficiency and pumping effect

通過表4可以看出：①在鉆進(jìn)工藝改進(jìn)前后的鉆孔施工效率對(duì)比，鉆孔工效提升了30%；②在鉆孔成孔孔徑上也取得了突破，達(dá)到300 mm，進(jìn)一步提高了單孔抽采效果；③孔口配套抽采系統(tǒng)的改進(jìn)也使孔口抽采負(fù)壓得以保障。整體而言，單孔抽采效率提升達(dá)到50%以上。

4 結(jié)論

(1)研制的ZYL-25000D大功率定向鉆機(jī)、泵車及配套裝備，具備強(qiáng)大的鉆進(jìn)和事故處理能力，可以實(shí)現(xiàn)一次定向施工φ140 mm鉆孔，一次擴(kuò)孔φ300 mm鉆孔，且定向與擴(kuò)孔施工深度均大于500 m，滿足井下施工抽采需求。

(2)采用ZYL-25000D大功率定向鉆機(jī)施工高位大直徑鉆孔與ZYWL-13000DS定向鉆機(jī)相比較單孔施工效率提升達(dá)30%，單位面積施工工效提升1倍以上。

(3)與同一工作面高位鉆場(chǎng)內(nèi)φ195 mm高位鉆孔抽采效果相對(duì)比可知，φ300 mm高位鉆孔平均單孔抽采純量基本相同，均為1.2～1.5 m3/min；而φ300 mm高位鉆孔單孔單位時(shí)間抽采混量是φ195 mm高位鉆孔的1.7倍以上。