頂板高位大直徑鉆孔高效擴(kuò)孔工藝研究

郭家紅

（晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦，山西 晉城 048021）

以晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司成莊礦為例，工作面正常回采時(shí)瓦斯絕對(duì)涌出量為25 m3/min，利用頂板高位大直徑鉆孔可以滿足10 m3/min 的抽放。經(jīng)檢測(cè)，巷道回風(fēng)中瓦斯?jié)舛纫话銥?.2%左右，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.4%左右。因此，通過(guò)高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯，是成莊礦回風(fēng)流瓦斯保持低濃度和上隅角瓦斯不超限的關(guān)鍵。

為盡可能增加高位鉆孔的單孔瓦斯抽放量，施工大孔徑鉆孔是最有效的途徑。目前成莊礦高位鉆孔的成孔直徑為Φ193 mm，具體成孔工藝為：首先采用定向鉆機(jī)+Φ120 mm 鉆頭施工定向先導(dǎo)孔，然后采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝和Φ153 mm 擴(kuò)孔鉆頭二次擴(kuò)孔，最后采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝和Φ193 mm擴(kuò)孔鉆頭三次擴(kuò)孔至終孔。該成孔工藝不僅工序繁瑣，而且在實(shí)際操作過(guò)程中經(jīng)常因擴(kuò)孔鉆桿受力復(fù)雜出現(xiàn)斷裂并發(fā)生掉鉆事故，造成重大經(jīng)濟(jì)損失。因此，為解決上述難題，提高成孔效率并降低施工風(fēng)險(xiǎn)，成莊礦開(kāi)展了“定向先導(dǎo)孔+二次直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔”的工藝研究試驗(yàn)，取得了較好效果，為成莊礦下一步的鉆孔工藝改進(jìn)和推廣，同時(shí)也為類似條件礦井鉆孔施工提供借鑒。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為試驗(yàn)新工藝的可靠性和成孔效率，并與常規(guī)的擴(kuò)孔工藝進(jìn)行對(duì)比，本次選擇在成莊礦43222 巷9#橫川進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，9#橫川鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)4 個(gè)頂板高位鉆孔，終孔孔徑均為Φ193 mm，鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)時(shí)，1#孔和4#孔采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝施工，2#孔和3#孔采用直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝施工。

根據(jù)成莊礦3#煤層特點(diǎn)以及裂隙帶發(fā)育高度，并結(jié)合頂板巖性分布特征，高位鉆孔設(shè)計(jì)層高為40～50 m，巖性以細(xì)粒砂巖為主，普氏硬度系數(shù)f=6～7，具體設(shè)計(jì)鉆孔軌跡見(jiàn)圖1。

表1 鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)

圖1 鉆孔設(shè)計(jì)軌跡圖

2 試驗(yàn)裝備及工藝

本次試驗(yàn)的主機(jī)選擇ZYWL-13000DS 型定向鉆機(jī)，該鉆機(jī)扭矩為3000～13000 N·m，最大起拔壓力為280 kN，配備的泥漿泵流量為480 L/min，泵壓為10 MPa。按成孔工序劃分，定向先導(dǎo)孔施工選用鉆具組合：Φ89×3000 mm 通纜鉆桿+Φ89 mm×1.25°單彎螺桿馬達(dá)+Φ120 mm 胎體式PDC 鉆頭；二次擴(kuò)孔選用的鉆具組合為：Φ89×3000 mm 普通鉆桿+Φ153/ 193 mm 導(dǎo)向PDC 鉆頭和Φ89×3000 mm 普通鉆桿+Φ95 mm 直螺桿馬達(dá)+Φ153/193 mm 導(dǎo)向PDC 鉆頭。

鉆孔工藝方面，首先采用定向鉆進(jìn)工藝按設(shè)計(jì)軌跡施工定向先導(dǎo)孔，為降低后續(xù)擴(kuò)孔鉆進(jìn)的風(fēng)險(xiǎn)，定向先導(dǎo)孔施工時(shí)嚴(yán)格控制軌跡偏移，單根鉆桿最大角度變化率控制在0.75°以內(nèi)。定向先導(dǎo)孔終孔退鉆后，分別使用兩種擴(kuò)孔工藝施工至設(shè)計(jì)深度，退鉆封孔。

3 試驗(yàn)過(guò)程

截至2018 年11 月3 日，采用ZYWL-13000DS型定向鉆機(jī)+Φ120 mm 鉆頭施工完成43222 巷9#橫川4 個(gè)頂板高位鉆孔的先導(dǎo)孔，具備擴(kuò)孔條件。

11 月5 日至11 月10 日，采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝對(duì)1#鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，具體施工進(jìn)尺如表2（平均進(jìn)尺不包含最后一天）。

表2 普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝對(duì)1#鉆孔施工進(jìn)尺表

11 月13 日至11 月17 日，采用直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝對(duì)2#鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，具體施工進(jìn)尺如表3（平均進(jìn)尺不包含最后一天）。

表3 直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝對(duì)2#鉆孔施工進(jìn)尺表

11 月19 日至11 月24 日，采用普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝對(duì)3#鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，具體施工進(jìn)尺如下表（平均進(jìn)尺不包含最后一天）。

表4 普通回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝對(duì)3#鉆孔施工進(jìn)尺表

11 月28 日至12 月2 日，采用直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝對(duì)4#鉆孔進(jìn)行擴(kuò)孔作業(yè)，具體施工進(jìn)尺如下表（平均進(jìn)尺不包含最后一天）。

表5 直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝對(duì)4#鉆孔施工進(jìn)尺表

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）施工效率分析

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，采用傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝，每日平均進(jìn)尺為93 m 左右，施工550 m 的高位鉆孔需用6 d 時(shí)間。采用直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝，每日平均進(jìn)尺為120 m 左右，施工550 m的高位鉆孔只需用5 d 時(shí)間，效率提升了30%。

（2）循環(huán)作業(yè)分析

通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以明顯看到，采用傳統(tǒng)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝，每日最高擴(kuò)孔進(jìn)尺可達(dá)107 m，而最低進(jìn)尺只有47 m，循環(huán)作業(yè)很不規(guī)律。采用直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝，每日進(jìn)尺都在110～130 m 之間，鉆進(jìn)進(jìn)尺比較規(guī)律。

（3）其他方面分析

采用直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔工藝鉆機(jī)由旋轉(zhuǎn)作業(yè)改變?yōu)橥七M(jìn)作業(yè)，鉆桿的受力情況由扭力+推力改變?yōu)橥屏?，不僅減少了千米鉆機(jī)的事故發(fā)生率，又大大降低了鉆桿斷裂發(fā)生掉鉆事故的幾率。

5 結(jié)論

（1）成莊礦通過(guò)采用“定向先導(dǎo)孔+二次直螺桿馬達(dá)滑動(dòng)鉆進(jìn)擴(kuò)孔”的成孔工藝，單孔的作業(yè)周期較原工藝降低了20%，提高了鉆孔效率。

（2）采用直螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)鉆頭滑動(dòng)鉆進(jìn)的擴(kuò)孔方式，有效改善了孔內(nèi)鉆具的受力狀況，大幅降低了孔內(nèi)鉆具發(fā)生斷裂掉鉆的風(fēng)險(xiǎn)，減少了生產(chǎn)損失。