王坡煤礦復(fù)雜頂板雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)研究與應(yīng)用

趙凱凱，楊冬冬，張亞洲，褚志偉

（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(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

瓦斯治理是保證煤礦安全生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)，其中回采期間上隅角與采空區(qū)的瓦斯治理更是重中之重[1-2]。山西天地王坡煤業(yè)有限公司王坡煤礦經(jīng)2009年兼并重組后建設(shè)規(guī)模為3.0 Mt/a，屬于高瓦斯礦井，2020 年礦井絕對(duì)瓦斯涌出量達(dá)到了110 m3/min，嚴(yán)重制約了煤礦的安全、高效和集約化生產(chǎn)[3-4]。王坡煤礦受地面村莊壓煤影響，導(dǎo)致井下3#煤層存在跳躍，從而誘發(fā)多個(gè)孤島工作面的出現(xiàn)，受其自身空間限制，可選擇的瓦斯治理方法極為有限。王坡煤礦曾嘗試采用低位高抽巷對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行治理[5]，但是由于其工作量大、成本高，綜合優(yōu)勢(shì)不明顯。

頂板高位大直徑定向鉆孔是一種高效的瓦斯抽采技術(shù)手段，該技術(shù)具有鉆孔軌跡可控、工程量小、施工周期短、瓦斯抽采效果好等優(yōu)點(diǎn)[6-8]。目前該技術(shù)已經(jīng)在諸多礦區(qū)推廣應(yīng)用，實(shí)踐表明，利用多個(gè)高位大直徑定向鉆孔可替代高抽巷進(jìn)行上隅角及采空區(qū)瓦斯抽采治理，治理效果顯著[9-11]。然而，當(dāng)鉆遇多破碎帶、軟硬巖層交互等復(fù)雜地層時(shí)，局部孔壁易坍塌從而引發(fā)憋壓、卡鉆等情況出現(xiàn)，導(dǎo)致定向鉆進(jìn)及擴(kuò)孔施工難以繼續(xù)的情況，不能達(dá)到高效鉆進(jìn)的目的[12]。王坡礦此類問題十分突出，因此，針對(duì)王坡煤礦復(fù)雜頂板大直徑鉆孔難成孔難題，提出了采用雙級(jí)雙速螺桿鉆具并配套使用三棱螺旋鉆桿對(duì)先導(dǎo)定向鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔施工的思路，實(shí)現(xiàn)機(jī)械-水力強(qiáng)排渣，充分保障復(fù)雜頂板高位大直徑鉆孔的安全、高效成孔。

1 頂板高位大直徑鉆孔施工技術(shù)現(xiàn)狀

目前煤礦井下隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)技術(shù)及配套裝備具有一定的局限性，導(dǎo)致頂板高位大直徑定向鉆孔普遍采用“先導(dǎo)鉆孔+分級(jí)擴(kuò)孔”的成孔方法[13-14]，即先采用螺桿馬達(dá)搭配隨鉆測(cè)量系統(tǒng)施工小直徑先導(dǎo)定向鉆孔，然后采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)進(jìn)行分級(jí)擴(kuò)孔。

1）先導(dǎo)定向鉆孔施工主要采用單彎螺桿馬達(dá)搭配有線或無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，通過連接相關(guān)配套鉆頭、鉆桿及送水器可實(shí)現(xiàn)定向鉆孔的一次鉆進(jìn)成孔，目前定向鉆孔孔徑大多為?98 mm 與?120 mm 2種。

2）分級(jí)擴(kuò)孔主要采用常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)逐級(jí)擴(kuò)孔至目標(biāo)孔徑，以目標(biāo)孔徑?193 mm 為例，需要進(jìn)行?133、?153、?178、?193 mm 4 次分級(jí)擴(kuò)孔，過程中需要起下鉆具3 趟。該擴(kuò)孔技術(shù)相對(duì)成熟，具有施工方法簡單，鉆具配置靈活等技術(shù)特點(diǎn)[15]。隨著更大孔徑鉆孔的需求逐年增長，常規(guī)回轉(zhuǎn)擴(kuò)孔工藝的局限性日益突出：一方面分級(jí)擴(kuò)孔級(jí)數(shù)增加，輔助工程量也隨之增加；另一方面孔內(nèi)擴(kuò)孔鉆桿彎曲變形現(xiàn)象越發(fā)嚴(yán)重，極易造成鉆桿柱的過早疲勞損傷，對(duì)于擴(kuò)孔鉆進(jìn)施工造成極大的安全隱患[16]。

2 復(fù)雜頂板大直徑定向鉆孔擴(kuò)孔施工技術(shù)難點(diǎn)

在復(fù)雜頂板進(jìn)行大直徑定向鉆孔擴(kuò)孔施工時(shí)存在憋壓、卡鉆、及鉆桿疲勞破壞等問題，其產(chǎn)生的根本原因主要源自以下2 點(diǎn)：

1）地層原因。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件復(fù)雜、局部地層膠結(jié)性差，鉆遇此類地層時(shí)，受鉆頭旋轉(zhuǎn)擾動(dòng)及沖洗液浸泡軟化和沖蝕作用，孔壁失穩(wěn)坍塌產(chǎn)生大量碎屑堵塞鉆孔環(huán)空流道，引起憋壓、卡鉆。

2）鉆具原因。隨著擴(kuò)孔孔徑及深度的增加，鉆頭與鉆桿的尺寸級(jí)配增大，導(dǎo)致施工過程中鉆桿柱彎曲變形加??；當(dāng)鉆遇地層破碎且軟硬互層時(shí)，鉆桿柱所受的扭矩波動(dòng)明顯，在彎、扭載荷的共同作用下，鉆桿螺紋段及鉆桿桿體局部易產(chǎn)生疲勞破壞而發(fā)生斷裂。

針對(duì)在目標(biāo)層內(nèi)鉆遇復(fù)雜地層出現(xiàn)上述問題，目前采取的措施主要是換用更大尺寸的常規(guī)螺旋回轉(zhuǎn)鉆具組合實(shí)施透孔，增大鉆頭后方的環(huán)空過流面積，或者對(duì)破碎孔段進(jìn)行注漿加固，工作量大且收效甚微，對(duì)于長距離復(fù)雜孔段，孔壁持續(xù)坍塌，采用上述方法也無法解決問題。因此，如何提高擴(kuò)孔效率及孔內(nèi)鉆渣輸排效果，是解決憋壓、卡鉆、鉆桿疲勞破壞等問題的關(guān)鍵。

3 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)及配套裝備

雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)是一種同時(shí)利用鉆機(jī)機(jī)械能及泥漿泵壓力能的多動(dòng)力擴(kuò)孔技術(shù)，以孔口動(dòng)力與孔底動(dòng)力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)鉆頭碎巖鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)單次增擴(kuò)至目標(biāo)孔徑。該套擴(kuò)孔鉆具主要包括一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭、二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭、雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)及擴(kuò)孔鉆桿。雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)原理如圖1，泥漿泵將高壓沖洗液沿著擴(kuò)孔鉆桿泵送至雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，將沖洗液壓力能轉(zhuǎn)化為一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭機(jī)械能，鉆機(jī)將機(jī)械能通過擴(kuò)孔鉆桿將扭矩及給進(jìn)力傳遞至雙級(jí)雙速鉆具，帶動(dòng)二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖，孔口動(dòng)力與孔底動(dòng)力的聯(lián)合應(yīng)用相較單一孔口動(dòng)力，避免了能量的浪費(fèi)，能夠充分利用機(jī)械能及壓力能。

圖1 雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)原理Fig.1 Principle of two-stage and two-speed reaming technology

1）雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)。雙級(jí)雙速馬達(dá)實(shí)物如圖2，雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)設(shè)有2 個(gè)連接端口，1 個(gè)設(shè)計(jì)在定子外殼前端（定子連接端口），用于連接二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭，另1 個(gè)設(shè)計(jì)在轉(zhuǎn)子輸出軸前端（轉(zhuǎn)子連接端口），用于連接一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭。擴(kuò)孔過程中，雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)在高壓沖洗液驅(qū)動(dòng)作用下通過轉(zhuǎn)子輸出軸傳遞給一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭，同時(shí)，雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)隨著鉆桿一起回轉(zhuǎn)從而將孔口動(dòng)力傳遞至二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭。為了滿足?120 mm 先導(dǎo)孔擴(kuò)孔需求，設(shè)計(jì)了?105 mm 雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)，雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)功能技術(shù)參數(shù)為：①外徑規(guī)格：105 mm；②長度：4.92 m；③轉(zhuǎn)速：87～110 r/min；④啟動(dòng)壓力：0.8～1.0 MPa；⑤額定壓降：3.2 MPa；⑥額定扭矩：1 850 MPa。

圖2 雙級(jí)雙速馬達(dá)實(shí)物Fig.2 Two-stage and two-speed screw motor

2）復(fù)合分級(jí)擴(kuò)孔鉆頭。復(fù)合分級(jí)擴(kuò)孔鉆頭實(shí)物如圖3，復(fù)合分級(jí)擴(kuò)孔鉆頭分為一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭和二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭，兩者同軸布設(shè)，軸向上一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭高出二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭一定距離，使得一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭首先接觸先導(dǎo)定向鉆孔孔壁實(shí)現(xiàn)一級(jí)增擴(kuò)，二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭緊隨其后實(shí)現(xiàn)對(duì)鉆孔的二級(jí)增擴(kuò)，從而完成1 趟鉆將先導(dǎo)定向鉆孔鉆擴(kuò)至目標(biāo)孔徑。?105 mm 雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)配套的一級(jí)擴(kuò)孔鉆頭規(guī)格為?120/165 mm 和?120/172 mm，整體為4 刀翼結(jié)構(gòu)，二級(jí)擴(kuò)孔鉆頭外徑為200 mm，整體為6 刀翼結(jié)構(gòu)。

圖3 復(fù)合分級(jí)擴(kuò)孔鉆頭實(shí)物Fig.3 Combined two-stage reaming bit

3）三棱螺旋鉆桿。擴(kuò)孔鉆桿選用?89 mm 大通孔整體式三棱螺旋鉆桿，單根長度為1.5 m，鉆桿采用整體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其接頭部分采用雙頂結(jié)構(gòu)，該鉆孔選用厚壁無縫地質(zhì)管材，材質(zhì)為優(yōu)質(zhì)合金鋼，經(jīng)過多道熱處理工藝，其抗扭性能較常規(guī)鉆桿提升40%[17-18]，具有整體強(qiáng)度高、抗扭能力強(qiáng)、綜合機(jī)械性能好、通孔直徑大等特點(diǎn)[19]。

4 現(xiàn)場實(shí)鉆應(yīng)用

雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)及裝備實(shí)鉆應(yīng)用選址在山西天地王坡煤礦3314 工作面開展，3314 工作面煤層埋深520～719 m，掘進(jìn)期間實(shí)測(cè)瓦斯含量為7.45～15.38 m3/t，工作面采用“預(yù)抽+橫川埋管+上隅角插管”抽采的方式進(jìn)行工作面瓦斯治理，抽采達(dá)標(biāo)時(shí)測(cè)得工作面煤層殘余可解吸瓦斯含量為2.26～3.85 m3/t（平均3.37 m3/t）。結(jié)合以施工多個(gè)大直徑頂板高位鉆孔代替?zhèn)鹘y(tǒng)高抽巷的瓦斯治理新思路，對(duì)工作面采動(dòng)影響區(qū)及采空區(qū)瓦斯進(jìn)行瓦斯綜合治理。根據(jù)工作面采動(dòng)裂隙空間發(fā)育特征及時(shí)空演化規(guī)律，在3314 回風(fēng)巷布置高位定向鉆孔1#鉆場，該鉆場位于距回風(fēng)巷繞道口約486 m 處，鉆孔布設(shè)及設(shè)計(jì)方案為：開孔點(diǎn)在高度方向上單層布置，開孔點(diǎn)與鉆場底板（即煤層底板）平面之間的理論距離控制在3.0 m左右；2 個(gè)開孔點(diǎn)之間的理論平移距1.0 m；離巷幫最近的開孔點(diǎn)與回風(fēng)巷幫間的距離為2.0 m。

該鉆場內(nèi)共設(shè)計(jì)了4 個(gè)頂板高位大直徑鉆孔，分別為X-10、Z-20、S-30、S-40 鉆孔。4 個(gè)鉆孔設(shè)計(jì)軌跡水平投影的水平間距為10 m，距3314 回風(fēng)巷巷幫的水平距離分別為10、20、30、40 m。4 個(gè)鉆孔分布在3 個(gè)考察層位，高位定向鉆孔空間布孔參數(shù)表見表1。

表1 高位定向鉆孔空間布孔參數(shù)表Table 1 Parameter table of high-position directional drilling

采用ZDY20000LD 大功率定向鉆機(jī)、BLY460 泥漿泵車對(duì)定向先導(dǎo)鉆孔實(shí)施擴(kuò)孔，其中X-10、S-40鉆孔采用了雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)裝備。起初采用的鉆具組合為?200/?165/?120 mm 復(fù)合分級(jí)擴(kuò)孔鉆頭+雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)+?89 mm 外平高韌性鉆桿+…+?89 mm 外平高韌性鉆桿+送水器，由于外平高韌性鉆桿輔助排渣能力弱，對(duì)于易塌孔段，經(jīng)常因堵住返出通道發(fā)生憋泵、回轉(zhuǎn)壓力高、進(jìn)尺緩慢的情況。針對(duì)該問題，制定了基于機(jī)械-水力強(qiáng)排渣的擴(kuò)孔鉆進(jìn)技術(shù)方案，鉆具組合方式更換為?200/?165/?120 mm 復(fù)合分級(jí)擴(kuò)孔鉆頭+雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)+?89 mm 三棱螺旋鉆桿+…+?89 mm 三棱螺旋鉆桿+送水器。選配的?89 mm 三棱螺旋鉆桿與外平高韌性鉆桿相比，具有輔助排渣能力強(qiáng)的顯著優(yōu)勢(shì)，基于其特殊的異型結(jié)構(gòu)特征，鉆桿在回轉(zhuǎn)過程中可對(duì)孔壁垮塌的大體積巖塊產(chǎn)生沖擊碾壓，形成二次破碎，有效避免大體積巖塊阻塞鉆孔返渣通道，保證水力排渣的連續(xù)性。

X-10 鉆孔采用雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)裝備搭配三棱螺旋鉆桿進(jìn)行擴(kuò)孔施工，從孔深30 m 擴(kuò)孔至209 m，擴(kuò)孔平均機(jī)械效率可達(dá)23.37 m/h，全孔鉆擴(kuò)累計(jì)耗時(shí)4 班次，折算后單班進(jìn)尺量為44.75 m，日均進(jìn)尺量可達(dá)134.25 m。X-10 鉆孔機(jī)械鉆速變化曲線如圖4。

圖4 X-10 鉆孔機(jī)械鉆速變化曲線Fig.4 Drilling rate change curve of X-10 hole

S-40 鉆孔同樣采用雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)裝備搭配三棱螺旋鉆桿進(jìn)行擴(kuò)孔施工，從孔深37 m 擴(kuò)孔至214 m，擴(kuò)孔平均機(jī)械效率可達(dá)19.92 m/h，全孔鉆擴(kuò)累計(jì)耗時(shí)4 班次，折算后單班進(jìn)尺量為44.25 m，日均進(jìn)尺量可達(dá)132.75 m。S-40 鉆孔機(jī)械鉆速變化曲線如圖5。

圖5 S-40 鉆孔機(jī)械鉆速變化曲線Fig.5 Drilling rate change curve of S-40 hole

5 結(jié) 語

1）雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)充分利用孔口鉆機(jī)機(jī)械能及孔底沖洗液壓力能雙動(dòng)力聯(lián)合水巖，代替了傳統(tǒng)孔口單一動(dòng)力來源鉆擴(kuò)頂板大直徑定向鉆孔，解決了隨著鉆擴(kuò)孔徑及孔深的增加導(dǎo)致的鉆進(jìn)效率低、能量傳遞效果差、輔助時(shí)間長及工序復(fù)雜等問題。

2）采用“?200/?165/?120 mm 復(fù)合分級(jí)擴(kuò)孔鉆頭+雙級(jí)雙速螺桿馬達(dá)+?89 mm 三棱螺旋鉆桿+…+?89 mm 三棱螺旋鉆桿+送水器”鉆具組合，實(shí)現(xiàn)機(jī)械-水力強(qiáng)排渣，有效解決了復(fù)雜巖層易塌孔段因堵住返出通道發(fā)生憋泵、回轉(zhuǎn)壓力高、進(jìn)尺緩慢的問題。

3）雙級(jí)雙速擴(kuò)孔技術(shù)及配套裝備井下實(shí)鉆數(shù)據(jù)表明，在復(fù)雜頂板砂巖層中的平均機(jī)械轉(zhuǎn)速可達(dá)到20 m/h 左右，為復(fù)雜頂板高位大直徑鉆孔的高效成孔提供了新的技術(shù)支撐。