復雜煤巖層復合強排渣定向鉆進工藝及應用

楊 旭，趙建國，王力杰，劉 飛

(1.山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048021；2.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

煤層頂板高位定向長鉆孔是煤礦工作面采動卸壓瓦斯抽采的重要技術手段[1-3]，將其布設在回采工作面煤層頂板合理層位內，在回采過程中不僅能有效抽采采動影響區(qū)域的卸壓瓦斯，在回采后還能抽采采空區(qū)瓦斯[4-7]。在煤層群開采條件下，頂板高位大直徑定向鉆孔能夠有效攔截鄰近層瓦斯，達到降低工作面上隅角與回風流瓦斯?jié)舛龋蚊旱V安全生產(chǎn)的目的。此外，鉆孔抽采模式能夠抽出高濃度的瓦斯，有利于實現(xiàn)礦井瓦斯的資源化利用，變廢為寶產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益[8，9]。與高抽巷相比，因定向鉆孔軌跡可控，能沿預定的層位長距離延伸，具有有效孔段長，可在煤巷中開孔鉆進，鉆場布設靈活，綜合成本低、周期短、輔助排矸運輸?shù)裙こ塘啃?，可超前施工等技術優(yōu)勢[10，11]，在采煤工作面采動影響區(qū)瓦斯與采空區(qū)瓦斯治理領域廣泛應用。

1 復雜煤巖層定向鉆進技術難點

復雜煤巖層在國內多個煤礦區(qū)廣泛分布，具有多破碎帶、軟硬交互多夾層、地質構造廣泛發(fā)育等顯著特點[12-15]。頂板高位定向長鉆孔鉆遇復雜煤巖層后，鉆孔壁遇水失穩(wěn)坍塌，造成憋泵卡鉆等孔內異常，是導致鉆孔施工效率低，成孔率不足，甚至引起埋鉆斷鉆等孔內事故的直接原因。不僅會影響礦井的瓦斯抽采接替，制約工作面的有序開采，嚴重時還會造成嚴重的經(jīng)濟損失。筆者經(jīng)過長期的瓦斯抽采治理工程實踐，總結出頂板高位定向長鉆孔施工過程中存在的技術難點：

1)煤巖界面孔壁坍塌。一般而言，煤巖界面具有弱膠結的典型特征。鉆進過程中，循環(huán)介質的水力沖蝕與孔內鉆具的碰撞振動會造成煤巖界面的離層，并擴展形成裂隙。同時，復雜煤巖體內部節(jié)理裂隙發(fā)育，且強度低，膠結性差，在鉆孔揭露煤巖界面之后，循環(huán)介質會經(jīng)離層裂隙進一步滲入至煤巖體內部，其水化膨脹作用會導致節(jié)理裂隙進一步擴展，最終造成煤巖體宏觀強度的急劇下降，導致穿煤段孔壁垮塌。

2)泥巖孔段孔壁坍塌縮頸導致卡鉆憋泵。泥巖、砂質泥巖等以粘土礦物為膠結物的弱膠結巖石在煤系地層中發(fā)育廣泛，且具有顯著的水敏性特征，遇水后孔壁巖石極易軟化碎脹[16，17]，導致鉆孔產(chǎn)生“縮頸”，嚴重時沿水平層理崩塌脫落，造成不同程度的卡鉆憋泵異常。而頻繁憋泵亦會進一步加劇孔壁的崩塌脫落，從而引發(fā)更為嚴重的孔內事故。

3)水平孔段鉆渣滯留。頂板高位定向長鉆孔進入目標層后，鉆孔軌跡沿煤層頂板傾角近水平長距離延伸。在煤礦井下定向鉆進施工中，沖洗介質既是驅動孔底螺桿馬達工作的動力介質，也是清洗鉆孔冷卻潤滑鉆頭的循環(huán)介質。為了避免傳統(tǒng)沖洗介質內部泥漿助劑及固相顆粒進入煤層后，阻塞瓦斯解析通道，影響鉆孔的瓦斯抽采效果，煤礦井下定向鉆孔主要采用清水作為沖洗介質。與泥漿相比，清水具有使用成本低、沖洗效果好、冷卻能力強等一系列的優(yōu)點，但缺點亦非常明顯，如：粘度低，攜帶和懸浮鉆渣能力弱，鉆頭切削孔底巖石形成的鉆渣以及孔壁剝落的巖塊不在中深孔及下斜孔段易形成聚集[18]，增加孔內鉆具摩阻，加大積渣卡鉆風險。同時，清水在孔內循環(huán)過程中滲入地層的量大，引起地層的膨脹、分散、坍塌掉塊，增大了鉆孔循環(huán)水路卡阻風險。

4)深孔鉆進鉆具“托壓”導致鉆進效率下降。煤礦井下頂板高位大直徑定向鉆孔的空間展布特點對于鉆進加壓十分不利。鉆進過程中，穿層段鉆孔具有的等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重影響孔口回轉、給進載荷的有效傳遞，造成鉆具“托壓”現(xiàn)象，導致鉆效隨孔深增加而降低[19]。

2 復合強排渣定向鉆進工藝

2.1 技術原理

針對復雜煤巖層泥巖孔段孔壁坍塌縮頸導致卡鉆憋泵以及水平孔段鉆渣滯留等突出問題，結合復雜煤巖層巖石賦存特點與巖性特征，提出復合強排渣定向鉆進工藝，該工藝基于目前廣泛采用的復合定向鉆進技術，利用三棱螺旋鉆桿旋轉過程中的機械能，連續(xù)碾壓擾動孔內聚集的鉆渣與巖塊，強化循環(huán)介質對孔內鉆渣的懸浮攜帶，避免孔底鉆渣與孔壁剝落巖塊在孔內聚集后引起的憋泵卡鉆。

整體式三棱螺旋鉆桿是實現(xiàn)復合強排渣定向鉆進的技術關鍵，目前三棱螺旋鉆桿主要通過機械加工方法在圓形管體外表面加工而成。該鉆桿使用過程中具有以下技術優(yōu)勢：

1)具備大的循環(huán)返渣通道，三棱螺旋鉆桿相比相同直徑規(guī)格的圓鉆桿，其桿體截面積更小，在鉆孔直徑不變的情況下，可為鉆孔排渣提供更大的環(huán)空截面，進而獲得更優(yōu)的返渣效果。

2)可對孔內鉆渣形成持續(xù)的擾動，避免鉆渣在孔內的沉積。鉆進過程中，鉆桿直邊與鉆孔壁間形成三個月牙形的容渣區(qū)域，處于月牙形容渣區(qū)域的鉆渣會隨著鉆桿的轉動產(chǎn)生連續(xù)的周向翻轉，使其在循環(huán)介質的沖擊攜帶作用下向孔口連續(xù)運移，最終被攜帶至孔外。

3)利用銑削加工技術形成的三棱螺旋鉆桿截面呈似六邊形，由3條直線與3條弧線交替組合形成。工作時鉆桿受自重作用緊貼孔壁下緣，因其不規(guī)則的截面結構導致鉆桿轉動過程中產(chǎn)生周期性的跳動，在跳動作用下，鉆桿桿體交替沖擊和碾壓堆積在孔壁下緣鉆渣與巖塊，使其形成更為細小的顆粒。

2.2 鉆進裝備配套

2.2.1 大功率定向鉆機

ZDY20000LD型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機具有整機功率高(132kW)、輸出扭矩大(20000N·m)的特點，具備2000m定向長鉆孔的施工能力，能夠滿足各類頂板高位大直徑定向長鉆孔施工需要。此外，結合大直徑孔鉆擴成孔工藝需要，為鉆機車體增設了液壓吊臂，用于輔助起吊螺桿馬達及大直徑套管等重型鉆具，降低螺桿馬達與大直徑套管安裝作業(yè)勞動強度與安全風險。

為滿足大扭矩螺桿馬達碎巖動力需要與大直徑長鉆孔循環(huán)排渣需求，配備了BLY460/13型全液壓履帶高壓大流量泥漿泵車，額定功率132kW，可為螺桿馬達等孔底動力鉆具提供最大460L/min排量與最高13MPa壓力的循環(huán)介質。

2.2.2 泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)

YHD-1500型泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)是國內首款自主研發(fā)的礦用無線隨鉆測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳輸方式發(fā)送數(shù)據(jù)，最大傳輸距離達到1500m以上。使用過程中無需配備專用隨鉆測量鉆桿，避免了傳統(tǒng)有線隨鉆測量系統(tǒng)對于專用有線隨鉆測量鉆桿的依賴，可通過與不同類型異形鉆具的靈活配套，提升其在復雜煤巖體中的工藝適應性[20-22]。

2.2.3 定向鉆具

根據(jù)復合強排渣定向鉆進技術需要，基于泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，設計了?89mm定向鉆具組合，由單彎螺桿馬達、整體式螺旋無磁鉆具、整體式螺旋過濾鉆桿與整體式三棱螺旋鉆桿等連接組成。

1)單彎螺桿馬達。單彎螺桿馬達是實施井下近水平隨鉆測量定向鉆進工藝的核心鉆具。綜合頂板高位定向長鉆孔軌跡空間展布特點與復雜煤巖層頂板巖性特征，選用了?89mm四級單彎螺桿馬達，馬達結構彎角1.25°。此外，傳動軸殼體增設了螺旋槽式穩(wěn)定器，保證了螺桿馬達在復雜煤巖體中的造斜與定向效果。

2)整體式螺旋無磁鉆具。整體式螺旋無磁鉆具包括下無磁鉆桿與儀器外管，下無磁鉆桿與儀器外管表面采用螺旋槽式設計，有助于提升定向鉆具組合的復合排渣能力，有助于避免鉆渣在螺桿馬達后方的堆積。

3)三棱螺旋鉆桿。三棱螺旋鉆桿的選型重點考慮三個因素：一是鉆桿整體具有高的機械強度與抗彎抗扭性能，避免強造斜鉆進與長距離回轉鉆進過程中彎扭交變載荷下的變形、斷裂失效；二是鉆桿桿體外形結構有利于實現(xiàn)回轉模式下對孔內鉆渣巖塊的沖擊碾壓二次破碎與持續(xù)翻轉擾動，達到強化循環(huán)介質循環(huán)排渣能力的目的；三是鉆桿具有大的通孔直徑，以降低大流量循環(huán)介質在鉆桿內孔流動的壓力損失，有利于深孔鉆進。綜合以上三點因素，選型了?89mm整體式大通孔三棱螺旋鉆桿，該鉆桿采用整體銑削方式加工而成，具有通孔直徑大、抗扭能力、強抗彎性能好等技術優(yōu)勢。

2.3 鉆進工藝流程

2.3.1 先導定向孔鉆進

套管下放、封固完成之后，即可實施抽采孔段定向鉆進。抽采孔段定向鉆進采取復合定向鉆進工藝——“滑動造斜+回轉穩(wěn)斜”施工。根據(jù)實鉆軌跡與設計軌跡之間的偏差情況，適時調整轉換滑動造斜與回轉穩(wěn)斜兩種軌跡控制模式，使實鉆軌跡圍繞設計軌跡延伸。實踐表明，回轉穩(wěn)斜鉆進模式可顯著降低鉆桿柱與孔壁間摩擦阻力，進而減輕水平孔段鉆桿柱“托壓”，有助于遠距離定向走向長鉆孔的施工。此外，螺桿馬達隨鉆桿柱旋轉過程中消除了結構彎角的導向造斜力，有助于獲得平直的鉆孔軌跡[23]。

根據(jù)頂板高位定向長鉆孔軌跡傾角變化特點，可分為上仰穿層爬升段與水平順層延伸段兩部分。上仰穿層爬升段軌跡調控相對復雜，涉及傾角和方位角連續(xù)調控，以滑動定向鉆進為主。水平順層延伸段軌跡調控相對簡單，傾角和方位角變化平緩，以回轉穩(wěn)斜定向鉆進為主，鉆進工藝流程如圖1所示。

圖1 定向鉆進工藝流程

2.3.2 擴孔鉆進

定向鉆孔施工完成后，更換擴孔鉆具組合，實施擴孔鉆進。依據(jù)終孔直徑要求，擴孔鉆進采用的鉆具組合為：“?200/120mm復合型擴孔鉆頭+多動力擴孔工具+?89mm整體式三棱螺旋鉆桿+……+?89mm整體式三棱螺旋鉆桿+送水器”。

2.3.3 鉆擴程序

根據(jù)地層穩(wěn)定特征、施工進度安排和現(xiàn)場鉆進條件，當一個鉆場內設有多個鉆孔，先導孔鉆進與擴孔鉆進可采取兩種不同流程進行，一種是逐個鉆孔成孔，即定向鉆進先導孔后進行擴孔鉆進，終孔后再施工下一個鉆孔，重復“先導孔定向鉆進+擴孔鉆進”步驟；另一種是多個鉆孔批量成孔，即先依次施工一組先導定向孔，再更換鉆具組合依次鉆擴先導定向孔。

3 工程應用

3.1 礦井及工作面概況

王坡煤礦位于山西省晉城市西北部，屬高瓦斯礦井。井田處于晉獲褶斷帶的北西側，總體為一走向北東、傾向北西的單斜構造，傾角2°～12°。主采的3號煤層位于山西組下部，上距下石盒子組K8砂巖底11.90～51.06m，平均37.27m，下距山西組底K7砂巖頂4.47～20.69m，平均9.16m。煤層最厚6.70m，最薄1.17m，平均5.27m，可采性指數(shù)為1，厚度變異系數(shù)為20.27%。煤層直接頂板為粉砂質泥巖、泥巖，局部為炭質泥巖；老頂為中、細砂巖；底板為泥巖或粉砂質泥巖。

3314工作面位于王坡礦井田三采區(qū)南翼，東側為實煤體，西側距3316采空區(qū)約35m，南側距南翼邊界回風巷120m，北側為四條集中大巷。工作面整體煤厚平均4.9m(距切眼0～600m段煤厚平均3.7m，600m至終采線平均煤厚5.5m)，煤層傾角2°～10°，平均6°。工作面設計回采長度約1947m，切眼長為175m。采用綜采放頂煤工藝(采放比2.9∶2)，全部垮落法管理頂板。

3.2 鉆孔施工概況

復合強排渣定向鉆進工藝在王坡煤礦3314工作面進行了應用。綜合考慮3314工作面回采進度、鉆進成孔時效、抽采效果考察周期等因素，在工作面回風巷與回風巷繞道內各布置1個頂板高位定向鉆場，根據(jù)設計要求采用復合強排渣定向鉆進技術在3314工作面兩個高位定向鉆場施工完成6個頂板高位定向鉆孔。最大鉆孔深度300m，具體鉆孔數(shù)據(jù)見表1。

表1 頂板高位定向鉆孔數(shù)據(jù)

3.3 鉆進效果分析

鉆孔施工前期，嘗試采用有線隨鉆測量復合定向鉆進工藝施工回風巷鉆場1號鉆孔，當鉆孔鉆進至頂板泥巖層后，煤層頂板以上2.5～10.0m范圍孔段出現(xiàn)了嚴重的塌孔問題。鉆孔窺視結果顯示，塌孔形成的大體積巖塊，在孔內大量聚集，導致排渣通道堵塞，引起憋泵無法正常鉆進。后期分別采取擴孔排渣與泥巖段注漿加固等措施，收效甚微。

經(jīng)實驗室內切片分析，該層巖性屬紋層狀粉砂質泥巖，所含成分主要為石英，長石及少量白云母，基質主要為細顆粒粘土礦物，膠結性差，遇水膨脹后易產(chǎn)生層狀剝離，是造成孔壁坍塌掉塊導致憋泵卡鉆的主要原因。

鉆進后期對定向鉆進工藝進行了優(yōu)化，采用?89mm三棱螺旋鉆桿配套泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)實施機械-水力復合強排渣定向鉆進。在回風巷鉆場與繞道鉆場共完成6個頂板高位定向鉆孔?；仫L巷鉆場鉆孔實鉆軌跡如圖2所示，繞道鉆場鉆孔實鉆軌跡如圖3所示。

鉆進過程中鉆孔排渣效果明顯改善，未出現(xiàn)塌孔導致的孔內積渣憋泵卡鉆異常。6個高位定向鉆孔的平均機械鉆速與日均綜合鉆進均顯著提升，具體數(shù)據(jù)見表2。

通過對鉆孔返出鉆渣收集，孔內返出鉆渣多為碎屑狀。表明三棱螺旋鉆桿旋轉時的沖擊碾壓對于孔內巖塊的二次破碎作用顯著，可將孔壁坍塌形成大體積巖塊破碎成細小顆粒。

圖2 回風巷鉆場鉆孔實鉆軌跡

圖3 繞道鉆場鉆孔實鉆軌跡

表2 鉆進效率統(tǒng)計

4 結 論

1)針對復雜煤巖體定向鉆進技術難題，在充分分析三棱螺旋鉆桿排渣技術原理的基礎上，形成了以泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)與三棱螺旋鉆桿為核心的復合強排渣定向鉆進技術與成套裝備。

2)復合強排渣定向鉆進技術在鉆遇泥巖及煤線等易塌孔層位時，可對孔壁坍塌形成的大體積巖塊造成沖擊碾壓二次破碎并及時排出，有效避免鉆孔環(huán)空水路阻塞，進而避免憋泵卡鉆現(xiàn)象發(fā)生，保證先導定向孔鉆進施工的順利進行。

3)復合強排渣定向鉆進技術能夠有效解決復雜煤巖體高位定向長鉆孔成孔技術難題，建議后期繼續(xù)開展復雜煤巖層高位定向長鉆孔護孔技術研究，實現(xiàn)“鉆得成，護得住”，進一步提升高位定向長鉆孔對工作面卸壓瓦斯的抽采治理效果。