煤礦勘查中深孔鉆探成孔工藝研究

李照三

（安徽省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查局313 地質(zhì)隊(duì)，安徽 六安 237010）

目前我國(guó)深部鉆探存在技術(shù)難點(diǎn)，主要表現(xiàn)為煤礦勘查中深孔鉆探成孔施工工藝中因鉆桿振動(dòng)強(qiáng)、剛性差等特點(diǎn)造成的施工精度低，以及排屑困難、切削熱能散熱慢、無(wú)法直接查看到切削的情況等[1-3]。深孔鉆探施工過(guò)程中主要的故障類(lèi)型為折斷、刀具壽命短、施工精度低、切屑堵塞纏屑等。研究分析深孔鉆探成孔工藝，并重點(diǎn)介紹高壓內(nèi)排屑技術(shù)，旨在為深部煤礦勘察工作提供技術(shù)準(zhǔn)備。

1 深孔鉆探成孔工藝和排渣技術(shù)

1.1 深孔鉆探成孔技術(shù)和施工工藝

以西閏煤礦勘查為例，該工程配備了VLD-1000 型深孔定向千米鉆機(jī)，并配備相應(yīng)的DGS 鉆進(jìn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。圖1 是深孔鉆的噴吸鉆示意圖。在分析瓦斯抽采鉆孔的基礎(chǔ)上，地質(zhì)探測(cè)、煤礦勘查等工程領(lǐng)域最為優(yōu)秀的深孔鉆探成孔技術(shù)為煤礦瓦斯地質(zhì)精細(xì)勘查鉆進(jìn)技術(shù)，該技術(shù)的核心為相應(yīng)的測(cè)量技術(shù)和孔內(nèi)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)裝置[4-6]。破煤過(guò)程首先通過(guò)鉆桿將高壓水輸送至孔內(nèi)馬達(dá)，接著高壓水發(fā)揮沖擊功能在轉(zhuǎn)子、前端軸承、鉆頭等引導(dǎo)下產(chǎn)生高速轉(zhuǎn)動(dòng)。深孔鉆探成孔過(guò)程中，鉆桿固定不動(dòng)，鉆頭做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，這能有效降低鉆機(jī)的負(fù)荷[7-8]。

圖1 深孔鉆的噴吸鉆示意圖

煤礦勘查深孔鉆探的施工工藝如圖2 所示，包括工藝設(shè)計(jì)、布孔、開(kāi)孔、鉆進(jìn)、退鉆探底、完孔參數(shù)六個(gè)步驟。工藝設(shè)計(jì)是指在每個(gè)孔鉆進(jìn)之前，收集可能多的煤層鉆孔、測(cè)量等材料，根據(jù)鉆孔布置要求，設(shè)計(jì)人員提前準(zhǔn)備好投影圖施工鉆孔的設(shè)計(jì)參數(shù)，并經(jīng)過(guò)任務(wù)要求確保鉆工獲曉鉆孔的鉆進(jìn)要求。根據(jù)采掘計(jì)劃得到待勘查區(qū)域煤層地質(zhì)條件、可供鉆探時(shí)間、孔底間距、鉆孔孔深，進(jìn)而能獲得煤層的透氣性。鉆孔布孔形式為鉆場(chǎng)扇形施工，其中每個(gè)鉆場(chǎng)數(shù)量10～20 個(gè)，孔深200～800 m，孔底間距為5～10 m。對(duì)于開(kāi)孔，首先利用專(zhuān)用擴(kuò)孔器將孔擴(kuò)大到6 m，退出的擴(kuò)孔器采用聚氨酯或水泥進(jìn)行封孔操作，然后放入孔內(nèi)馬達(dá)，并將其與MECCA 孔外儀鉆桿連接，安裝操作包括防噴口器等孔口安全裝置，以此來(lái)完成新孔打開(kāi)的工作。

圖2 煤礦勘查深孔鉆探施工工藝

開(kāi)啟水泵運(yùn)行一段時(shí)間后觀察孔中是否有出水問(wèn)題，在反渣正常的情況下進(jìn)行鉆進(jìn)，每隔6 m 進(jìn)行一次不同程序的測(cè)量工作，并在設(shè)計(jì)圖中做好鉆孔的水平和垂直投影目標(biāo)，對(duì)比設(shè)計(jì)軌跡和偏移程度，調(diào)整彎頭方向。下一段鉆進(jìn)參考頂板為兩探頂點(diǎn)連線的延長(zhǎng)線。對(duì)于退鉆探底，由于煤礦區(qū)域瓦斯含量高，煤礦下部有厚度為0.5 m 左右的軟煤區(qū)域的夾矸層，研究每間隔50 m 完成一次探底工作，有效補(bǔ)充礦井煤層產(chǎn)狀的地質(zhì)資料。鉆進(jìn)工作結(jié)束后，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DGS 獲取完孔水平面和垂直面軌跡圖等圖表。

1.2 深孔鉆進(jìn)排渣技術(shù)

深孔鉆進(jìn)高壓內(nèi)排屑能量分析包括三個(gè)部分，分別是環(huán)形排渣空間內(nèi)的能量、鉆孔內(nèi)循環(huán)程水力損失、鉆渣在鉆孔內(nèi)的速度。

依據(jù)能量守恒定律，鉆渣需依賴(lài)沖洗液壓力將其從環(huán)形排渣空間內(nèi)排出來(lái)。排渣過(guò)程可分為兩個(gè)部分，兩個(gè)階段分別在鉆桿內(nèi)和環(huán)形排渣空間內(nèi)完成，接下來(lái)對(duì)兩個(gè)階段的能量分別進(jìn)行分析。做功包括沿程水力損失、動(dòng)能做功、重力做功、壓力做功。依據(jù)伯努利方程，可得到四種做功方式的平衡式：

在第一部分，沖洗液的密度為ρ1，取值為1 g/cm3，p1為沖洗液壓力，標(biāo)準(zhǔn)大氣壓用p2指代；v1為鉆渣顆粒的初始速度，取值為0；水流在鉆頭內(nèi)、接頭內(nèi)、鉆桿內(nèi)的沿程水力損失用Δp（1-2）指代；v2為水流從鉆孔內(nèi)到鉆孔中的流速。

在第二部分，伯努利方程采用二固液兩相流式。沖洗液轉(zhuǎn)變?yōu)榛旌狭黧w，密度計(jì)算公式為：

式中：Cs和C1分別為鉆渣、水流所占混合液的濃度；ρs為鉆渣的密度。沖洗液壓力也轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，水流從鉆桿內(nèi)進(jìn)入到鉆孔中的流速用v1指代，鉆孔處混合流體的平均速度為v=（v0+v1+v2）/3，即該平均速度經(jīng)由沖洗的初始速度（v0）、鉆桿中水流進(jìn)入鉆孔的流速（v1）以及水流流經(jīng)鉆孔的速度（v2）計(jì)算得到。

對(duì)于鉆孔內(nèi)循環(huán)程水力損失，鉆進(jìn)階段的沿程損失可分為兩個(gè)部分，兩個(gè)部分分別在鉆桿內(nèi)和環(huán)形排渣空間內(nèi)進(jìn)行。沖洗液的總水力損失Δp的計(jì)算公式為：

式中：流體容重為H，每根鉆桿的長(zhǎng)度為l，速度水頭為2g，鉆桿內(nèi)流體平均速度為vb，鉆桿接頭長(zhǎng)度為lD，鉆桿、鉆桿接頭、鉆頭出水孔個(gè)數(shù)分別為m1、m2、m3，沖洗液在鉆孔孔內(nèi)環(huán)空上返速度為va，鉆桿內(nèi)部通道直徑、外徑分別為d1和d2，鉆孔直徑和鉆桿接頭內(nèi)部通道直徑分別用d3和d4指代，突然擴(kuò)大、突然縮小的局部阻力系數(shù)分別為ξ1和ξ2，鉆頭出水孔的局部阻力系數(shù)為ξ3。ξ1和ξ2的計(jì)算表達(dá)式為：

式中：鉆桿和鉆桿接頭內(nèi)部通道截面積分別用B1和B2指代，鉆頭出水孔的局部阻力系數(shù)為ξ，取值為0.6，沿程阻力系數(shù)為λ1和λ2。

沿程阻力系數(shù)依據(jù)臨界雷諾數(shù)計(jì)算得到，表達(dá)式為：

式中：高壓水流的運(yùn)動(dòng)粘度為v，圓環(huán)通道內(nèi)流體的流速用v指代，圓環(huán)通道的當(dāng)量直徑為d。

沿程阻力系數(shù)通過(guò)阿里特蘇里公式為：

式中：當(dāng)鉆桿內(nèi)壁為0.19 mm，鉆孔孔壁的當(dāng)量粗糙度的取值為1.5 mm，管壁的當(dāng)量粗糙度為Δ。

鉆渣在鉆孔內(nèi)的速度分析包括鉆孔孔內(nèi)環(huán)空沖洗液的上返速度、鉆桿內(nèi)部沖洗液的流速、鉆渣顆粒的滑落速度、環(huán)形排渣空間內(nèi)鉆渣顆粒的上返速度。根據(jù)沖洗液的上返速度和鉆桿內(nèi)部沖洗液的流速可知，鉆渣在排到地面的過(guò)程中沖洗液的流動(dòng)狀態(tài)為紊流。環(huán)形排渣空間內(nèi)，鉆渣顆粒的上返速度由鉆渣滑落速度、沖洗液的上返速度、垂直于鉆桿旋轉(zhuǎn)方向的速度三者合成，示意圖如圖3。

圖3 環(huán)形排渣空間內(nèi)鉆渣顆粒的上返速度

2 煤礦勘查中深孔鉆探成孔效果和排渣效果分析

圖4（a）和（b）分別指實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)DGS 獲取的完孔垂直面和水平面軌跡圖。測(cè)量點(diǎn)從0 增加到800，垂直距離呈現(xiàn)“瓢”狀弧形上升趨勢(shì)。當(dāng)測(cè)量點(diǎn)為700 時(shí)，垂直距離最大，數(shù)值為40.2 m，水平距離呈現(xiàn)迅速上升達(dá)到最大值并逐漸趨于穩(wěn)定的變化軌跡；當(dāng)測(cè)量點(diǎn)為200 時(shí)，水平距離最大，數(shù)值為-43.3 m。

圖4 完孔垂直面和水平面軌跡圖

圖5 為不同鉆孔深度下鉆渣半徑、鉆渣濃度、沖洗液壓力三者之間的關(guān)系圖。伴隨著鉆孔深度的增加，沖洗液壓力會(huì)越來(lái)越大。這是因?yàn)殡S著路程的增加，運(yùn)輸鉆渣過(guò)程所耗費(fèi)的能量越來(lái)越多。當(dāng)固定鉆孔深度時(shí)，增加鉆渣密度和鉆渣半徑會(huì)導(dǎo)致沖洗液的壓力不斷增大。當(dāng)鉆渣半徑為0.88 mm、鉆渣濃度為51.7%、鉆孔深度為8 m 時(shí)，沖洗液的壓力達(dá)到最大值，取值為16.3 MPa。

圖5 不同鉆孔深度下鉆渣半徑、鉆渣濃度、沖洗液壓力三者之間的關(guān)系圖

圖6 為不同沖洗液壓力下鉆孔深度和混合液上返速度的關(guān)系圖。在固定沖洗液壓力的數(shù)值下，隨著鉆孔深度的增加，混合液的上返速度逐漸降低，直至數(shù)值為0。鉆孔深度和沖洗液的壓力呈現(xiàn)正向相關(guān)性。

圖6 不同沖洗液壓力下鉆孔深度和混合液上返速度的關(guān)系圖

3 結(jié)論

針對(duì)目前煤礦勘查中深孔鉆探排渣困難等問(wèn)題，研究設(shè)計(jì)了一種深孔鉆探成孔工藝流程，并重點(diǎn)介紹了深孔鉆進(jìn)排渣技術(shù)。五個(gè)采煤工作面月平均抽出量的范圍為4 751 265.32～6 874 813.26 m3，月平均風(fēng)排瓦斯量均為2 455 100 m3，抽出總量的范圍為65 872 310～88 576 200 m3。在固定沖洗液壓力的數(shù)值下，混合液的上返速度和鉆孔深度呈正比關(guān)系，鉆孔深度和沖洗液的壓力呈現(xiàn)正向相關(guān)性。研究所提出的煤礦勘查中深孔鉆探成孔工藝技術(shù)具有極強(qiáng)的指導(dǎo)意義。