軟硬互層頂板大直徑定向鉆孔成孔技術(shù)研究

段會軍

（1.煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2.中煤科工西安研究院（集團）有限公司，陜西西安 710077）

0 引言

自動化綜采放頂煤工藝工作面具有回采距離長、走向長度大、回采速度快等優(yōu)點，在現(xiàn)代化礦井中普遍采用［1-3］。但因采空區(qū)面積大、單位時間割煤落煤量大、采空區(qū)丟煤總量大等特點導(dǎo)致綜采工作面瓦斯涌出量居高不下，最終導(dǎo)致上隅角瓦斯?jié)舛瘸蓿?-6］。為治理工作面上隅角瓦斯通常礦井采用高位鉆孔或穿層鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯，以減少瓦斯涌出量［7］。但高位鉆孔需在頂板上部開拓高位鉆場，巷道施工量大，涉及鉆場局部通風(fēng)、設(shè)備起吊爬高等復(fù)雜工序，存在較大安全隱患［7-8］。普通穿層鉆孔施工工序簡單，易于成孔，安全隱患相對較小，但由于鉆機能力及鉆具限制，鉆孔成孔深度淺、孔徑小、軌跡盲打，嚴重影響抽采效率［7，9-10］。針對德通煤礦2204 工作面綜采放頂煤工藝下的上隅角瓦斯容易溢出的特點，以及采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛雀?，受工作面回風(fēng)流影響，在工作面回采尤其是割煤落煤過程中時常出現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛阮A(yù)警的問題，提出采用全自動坑道履帶鉆機、高精度隨鉆測量系統(tǒng)等定向鉆進裝備、軌跡控制定向鉆進技術(shù)施工高位鉆孔，提高頂板長鉆孔成孔精度、成孔孔深及鉆孔孔徑，另外特別針對2 號煤頂板巖性為泥巖、砂巖互層，泥巖遇水膨脹縮徑發(fā)生掉塊或卡鉆事故，即使成孔后隨時間蠕變也會發(fā)生鉆孔堵孔導(dǎo)致抽采失效的問題，采用膨脹管護孔技術(shù)解決鉆孔孔壁支護的難題，更好的保障長距離定向鉆孔的抽采時效和鉆孔壽命，避免了長距離定向鉆孔成孔困難、深度有限，成孔不能長期有效抽采的難題，從而更大程度實現(xiàn)采空區(qū)瓦斯有效抽采，從根本上解決了綜采工作面上隅角瓦斯治理難題。

1 試驗礦區(qū)

試驗礦井位于河?xùn)|煤田南部的鄉(xiāng)寧礦區(qū)。礦區(qū)呈北東—南西向狹長帶狀分布，含煤地層主要為上石炭統(tǒng)太原組、下石炭統(tǒng)山西組。其中太原組主要可采10 號煤，山西組主要可采2 號煤。礦區(qū)中西部有一條寬700～1 700m 的急傾斜帶，走向北東、傾向北西，傾角12°～30°。礦井瓦斯絕對涌出量為24.38m3/min，相對瓦斯涌出量為13.54m3/t，經(jīng)鑒定為高瓦斯礦井。

2204工作面采2號煤，煤層賦存穩(wěn)定，煤層含多層泥巖、炭質(zhì)泥巖夾層，煤層頂板為多層泥巖、砂巖互層。煤厚平均5.6m，傾角0°～6°，為近水平煤層。工作面采用“一進一回”的“U”型通風(fēng)方式。礦井生產(chǎn)采用綜采放頂煤工藝，工作面回采過程中，瓦斯極易溢出，加之采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛雀?，受工作面回風(fēng)流影響，時常出現(xiàn)上隅角瓦斯?jié)舛阮A(yù)警情況。為解決該問題，礦方引進了定向鉆進技術(shù)，以期治理上隅角瓦斯。同時由于2 號煤頂板巖性為泥巖、砂巖互層，泥巖遇水膨脹縮徑發(fā)生掉塊或卡鉆事故，即時成孔后隨時間蠕變也會發(fā)生鉆孔堵孔導(dǎo)致抽采失效。根據(jù)該工作面的地層柱狀圖（圖1）分析可得，部分高位定向鉆孔在穿層段均會穿過2 號煤之上9.9～13.4m 的泥巖段，該段地層穩(wěn)定性較差，易發(fā)生塌孔縮徑現(xiàn)象，因此采用膨脹管護孔技術(shù)解決鉆孔支護問題。

圖1 工作面巖性柱狀圖Figure 1 Working face lithological column

2 鉆孔設(shè)計及鉆進技術(shù)

結(jié)合工程項目，在2204工作面回風(fēng)順槽一側(cè)停采線后方布置定向鉆場一處，設(shè)計頂板大直徑定向長鉆孔4 個，孔徑Φ165mm，最大孔深588m，均為主孔，平面上距離回風(fēng)巷幫15～39m，垂高35～60m。

2204 工作面頂板巖性為泥砂巖軟硬互層，在此條件下設(shè)計的孔徑Φ165mm 頂板大直徑定向長鉆孔存在硬巖鉆進效率低，軟巖易塌孔難鉆進，大直徑鉆孔多次擴孔功效低，泥巖成孔后易堵孔等多種復(fù)雜問題。因此在設(shè)計和實鉆中采取了基于泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)的雙動力復(fù)合高效定向鉆進技術(shù)，多動力雙級雙速擴孔技術(shù)及膨脹管護孔技術(shù)。

2.1 雙動力復(fù)合高效定向鉆進技術(shù)

雙動力復(fù)合高效定向鉆進技術(shù)即采用鉆機動力頭與孔底螺桿馬達兩者共同驅(qū)動鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖，提高碎巖效率，實現(xiàn)頂板巖層高效鉆進［11-12］。相比滑動定向鉆進，復(fù)合鉆進并不能調(diào)整鉆孔軌跡，但可以使鉆孔軌跡穩(wěn)斜鉆進，并且鉆孔軌跡彎曲曲率遠小于滑動定向鉆進，軌跡平滑，且鉆速提效顯著，尤其適用于本次2204 工作面頂板存在的硬質(zhì)砂巖地層［13］。

2.2 多動力雙級雙速擴孔技術(shù)

孔徑Φ165mm 大直徑高位定向鉆孔傳統(tǒng)上采取分級擴孔工藝，需要擴孔2～3次，不利于提高鉆孔施工效率［14-18］。為此，在大直徑定向鉆孔擴孔過程中，采用多動力雙級雙速擴孔技術(shù)，一次成孔165mm，提高鉆孔成孔效率。

多動力雙級雙速擴孔技術(shù)是采用高壓沖洗液驅(qū)動雙級雙速螺桿馬達轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，鉆機驅(qū)動孔內(nèi)鉆桿柱回轉(zhuǎn)（螺桿馬達定子回轉(zhuǎn)），一級擴孔鉆頭在雙回轉(zhuǎn)動力驅(qū)動一次孔徑Φ120mm 鉆孔擴孔，同時，二級擴孔鉆頭在鉆機回轉(zhuǎn)動力驅(qū)動二次孔徑Φ 165mm鉆孔擴孔。

2.3 膨脹管護孔技術(shù)

為解決2204 工作面試驗頂板大直徑定向長鉆孔穿層局部復(fù)雜孔段軟弱泥巖地層易垮塌問題，設(shè)計井下定向鉆孔膨脹管支護工藝，如圖2所示。

圖2 膨脹管結(jié)構(gòu)及支護示意Figure 2 Schematic diagram of expansion pipe structure and support

3 鉆孔施工

現(xiàn)場試驗采用ZDY12000LD 鉆機，BLY-390 泥漿泵車，高精度隨鉆測量系統(tǒng)WMD 選用YHD3-1500 型五線泥漿脈沖系統(tǒng)。井下泥漿脈沖儀器一般采用清水作為信號傳輸介質(zhì)。

3.1 鉆具組合

在頂板大直徑定向長鉆孔的施工中，基于無線泥漿脈沖測量系統(tǒng)開發(fā)了異形鉆桿（包括寬翼片螺旋鉆具、三棱螺旋鉆具等），解決了超過500m 的深孔易塌孔段排渣難題，提升了復(fù)雜頂板定向鉆進能力。革新了螺旋槽加工工藝，解決了連續(xù)銑槽加工難題，研制了螺旋無磁鉆具，增強了機械排渣能力，開發(fā)了主體銑槽的螺旋型螺桿馬達，如圖3所示，提高了近鉆頭處鉆具排渣能力。

圖3 螺旋型定向鉆具Figure 3 Spiral directional drilling tool

施工中鉆具組合如下：

1）開孔段鉆進。Φ120mmPDC 復(fù)焊鉆頭+Φ 89mm 高韌性鉆桿，鉆進至2#煤頂板，隨后起鉆擴孔，下入孔口管，經(jīng)過耐壓試驗合格。

2）定向段鉆進。使用Φ120mmPDC 鉆頭+Φ 89mm 螺旋型螺桿馬達+螺旋下無磁鉆桿+無線泥漿脈沖測量系統(tǒng)（外付螺旋型無磁外管）+螺旋上無磁鉆桿+Φ89mm 螺旋型通纜鉆桿串，鉆進至設(shè)計孔深。

3）擴孔段鉆進。Φ120mm/165mmPDC多級擴孔鉆頭+Φ89mm 雙級擴孔工具+Φ89mm 高韌性鉆桿串，擴孔至設(shè)計孔深。

無線泥漿脈沖測量儀器測量數(shù)據(jù)用時較長，為提高施工效率，在定向孔段鉆進過程中可將測點間隔延伸至9～12m，減少數(shù)據(jù)測量頻次，縮短影響時間，并能延長孔底電池使用壽命。采用“定向+復(fù)合”的工藝鉆進，能夠有效增加鉆進速度并確?？變?nèi)平滑順暢，減少孔內(nèi)事故的發(fā)生。

3.2 復(fù)雜孔段施工

在施工期間，對3 號鉆孔進行了膨脹管護孔。在鉆孔中下入孔內(nèi)窺視儀完成復(fù)雜孔段觀察，如圖4所示，復(fù)雜孔段區(qū)間位于41～50m。

圖4 復(fù)雜孔段與穩(wěn)定孔段窺視Figure 4 View of complex and stable hole segments

采用內(nèi)徑為Φ108mm，外徑為Φ118mm，壁厚為5mm 的膨脹管搭配使用外徑為Φ130mm 的膨脹錐對復(fù)雜孔段進行膨脹支護，往孔內(nèi)下放的鉆具組合：Φ140mm 啟動器（內(nèi)含底堵與膨脹錐）+Φ 118mm 膨脹管串（長度為12m）+Φ73mm 高壓管柱，下放至40～52m 處作業(yè)孔段，膨脹管兩端位于在粉砂巖層穩(wěn)定孔段，膨脹管下放情況如圖5 所示。將打壓接頭接在高壓管柱上，通過高壓管線與乳化液泵進行連接，調(diào)試乳化液泵、控制箱、壓力表等設(shè)備，完成膨脹前的準(zhǔn)備工作。隨后進行高壓膨脹作業(yè)，使用乳化液泵對膨脹管串進行打壓，在開啟乳化液泵約2min 后，膨脹管內(nèi)壓力增大到17.3MPa；約8min 后，管內(nèi)壓力增加到19.6MPa 左右，此時膨脹錐行走至兩節(jié)膨脹管連接處，行走過螺紋處后，壓力又恢復(fù)到17.3MPa，每逢膨脹至螺紋連接處，壓力就會增大，之后泄壓，卸掉打壓接頭，接上主動鉆桿，正轉(zhuǎn)，使提拉桿與管串分離，提鉆。經(jīng)膨脹后的膨脹管內(nèi)徑為Φ130mm，能夠滿足后續(xù)定向鉆具下放，隨后再次采用該定向鉆具組合：Φ108mm 鉆頭+Φ89mm 螺桿馬達+Φ89mm 上無磁鉆桿+礦漿脈沖+Φ89mm 下無磁鉆桿+Φ89mm 外平鉆桿進行定向鉆進，在定向鉆進前使用Φ108mm 磨鞋將底堵鉆穿，完成定向鉆進設(shè)計孔深525m，終孔孔徑108mm。

圖5 膨脹管施工現(xiàn)場Figure 5 Expansion pipe construction site

采用上述工藝技術(shù)，在2204工作面共施工頂板大直徑定向長鉆孔4 個，完成鉆孔進尺2088m，施工實鉆軌跡如圖6所示。

圖6 頂板大直徑定向長鉆孔實鉆軌跡Figure 6 Actual drilling trajectory of large diameter directional long borehole in roof

4 施工效果分析

連接主管路抽采后可以看出，上隅角瓦斯?jié)舛扔勺畛蹼A段的0.8%以上逐步下降至最低0.42%，隨后在0.42%～0.61%波動，如圖7 所示。施工完工并采用膨脹管加固的大直徑定向長鉆孔標(biāo)況純量達3.3m3/min，為過去常用孔徑定向鉆孔抽采量的300%。

圖7 工作面上隅角瓦斯?jié)舛扰c頂板大直徑定向鉆孔抽采純量對比Figure 7 Comparison between gas concentration in upper corner of working face and the purity-gas drainage volume by large diameter directional borehole in roof

5 結(jié)論

1）采用全自動坑道履帶鉆機、高精度隨鉆測量系統(tǒng)等定向鉆進裝備、軌跡控制定向鉆進技術(shù)施工頂板大直徑定向長鉆孔，有效解決了復(fù)雜地層條件下頂板鉆孔實施中遇到的塌孔、卡鉆及鉆速緩慢等問題，提高了施工效率。

2）針對2號煤頂板巖性為泥巖、砂巖互層，泥巖遇水膨脹縮徑發(fā)生掉塊或卡鉆事故，成孔后隨時間蠕變發(fā)生鉆孔堵孔導(dǎo)致抽采失效問題，采用膨脹管護孔技術(shù)解決鉆孔孔壁支護難題，避免了因地層垮塌而引起鉆孔斷抽，延長了鉆孔抽采時間，提升了鉆孔利用率。

3）現(xiàn)場試驗效果表明，頂板大直徑定向長鉆孔抽采瓦斯能力強，能夠有效降低上隅角瓦斯?jié)舛龋Ｕ暇C采工作面安全生產(chǎn)。