淮南礦區(qū)軟煤氣動定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備研究及應(yīng)用

田宏亮，陳 建，張 杰，程合玉，董瑞剛，杜利猛，劉德貴，管強(qiáng)盛

(1.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077；2.淮河能源集團(tuán)，安徽 淮南 232001)

淮南礦區(qū)是我國高瓦斯礦區(qū)，位于大別山北緣高突瓦斯帶，區(qū)域構(gòu)造屬于華北板塊南緣、秦嶺-大別造山帶北緣逆沖推覆、蚌埠隆起帶南緣逆沖構(gòu)造系。成煤期原始沉積環(huán)境形成了煤層瓦斯壓力高和透氣性低的特點，目前開采煤層瓦斯壓力大(最高達(dá)4 MPa)，瓦斯含量高(6～10 m3/t)。受構(gòu)造影響，煤層碎而軟，堅固性系數(shù)小(f=0.2～1)，煤與瓦斯突出危險性嚴(yán)重，上述特征構(gòu)成了淮南煤田瓦斯賦存的特殊性，加之煤層群聯(lián)合開采，瓦斯治理難度極大。目前淮南礦區(qū)瓦斯治理模式主要是以保護(hù)層卸壓開采為核心，不具備保護(hù)層開采的，則實施“頂、底板巷穿層鉆孔+順層鉆孔”瓦斯抽采治理模式[1-3]。但常規(guī)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)方法軌跡不可控制，在鉆進(jìn)過程中常因鉆頭穿出煤層而終孔，在工作面瓦斯治理中可能會存在盲區(qū)，存在一定的安全隱患，通常需要加密鉆孔或者鉆進(jìn)補(bǔ)孔，影響施工效率，而且，加密鉆孔或者補(bǔ)孔在深孔段經(jīng)常還會穿出煤層，不能從根本上解決深孔瓦斯治理難題[4-7]，上述瓦斯治理模式客觀上存在投入大、效率低、用工多等問題，尤其是隨著采場逐步延深，瓦斯災(zāi)害升級，安全生產(chǎn)管理對高瓦斯區(qū)域采掘政策性制約日益趨緊[8-9]。針對上述問題，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司與淮河能源煤業(yè)公司聯(lián)合攻關(guān)，采用氣動定向鉆進(jìn)工藝施工順層定向長鉆孔實現(xiàn)“一孔兩消”[10-14]。

但在前期氣動定向鉆進(jìn)工藝試驗中存在鉆機(jī)調(diào)角不便、鉆場適應(yīng)性差的問題，為了提高鉆機(jī)的適應(yīng)性，開發(fā)了窄體全斷面定向鉆機(jī)，并且具有遠(yuǎn)距離遙控功能[15]；為了提高排渣效率，設(shè)計了全螺旋鉆具組合；針對氣動排渣粉塵大，原有除塵系統(tǒng)除塵效果差的問題，開發(fā)了多功能除塵泵車來解決除塵難題[16]。在裝備研發(fā)基礎(chǔ)上，研究了碎軟煤層雙動力復(fù)合強(qiáng)排渣技術(shù)和定向鉆孔長距離篩管完孔技術(shù)解決順層鉆孔定向成孔與篩管完孔難題，并在淮南潘三礦開展工業(yè)性試驗，形成了適用于淮南礦區(qū)軟煤氣動定向成套技術(shù)與裝備。

1 主要裝備

針對淮南礦區(qū)煤層薄而軟、瓦斯大的特點，開發(fā)了ZDY6000LD(B)型全斷面遙控定向鉆機(jī)、?73/82 mm螺旋氣動螺桿鉆具、ZCY-2×16L 型履帶式多功能除塵車、礦用抗振電磁波隨鉆測量系統(tǒng)、“子彈頭”導(dǎo)向定向鉆孔下篩管鉆具、礦用防爆空壓機(jī)和螺旋套銑打撈鉆具等井下碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)成套裝備，利用壓力風(fēng)驅(qū)動氣動螺桿鉆具帶動鉆頭回轉(zhuǎn)成孔，采用電磁波隨鉆測量系統(tǒng)獲取鉆孔空間軌跡信息，并通過調(diào)整螺桿鉆具工具面向角控制鉆孔軌跡，采用“復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜-滑動定向糾偏-回轉(zhuǎn)排渣”相結(jié)合的鉆進(jìn)工藝保證鉆孔在軟煤層中按設(shè)計要求鉆進(jìn)?；茨系V區(qū)碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 軟煤氣動定向鉆進(jìn)系統(tǒng)Fig.1 Schematic plot of the pneumatic directional drilling system for soft coal

1) ZDY6000LD(B)型全斷面遙控定向鉆機(jī)

ZDY6000LD(B)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)是一款窄體式遙控定向鉆機(jī)，主要適用于煤礦井下長距離瓦斯抽采孔及其他工程孔的施工，鉆機(jī)采用電液控制系統(tǒng)，最大遙控距離50 m，施工人員遠(yuǎn)離孔口操作。相較于傳統(tǒng)定向鉆機(jī)，該鉆機(jī)緊湊化程度較高，其中整機(jī)最大寬度僅為1.1 m，開孔高度調(diào)節(jié)范圍大，主軸傾角在-90°～+90°范圍內(nèi)無級調(diào)整，單次穩(wěn)固鉆機(jī)即可施工同一巷道斷面內(nèi)所有扇形孔，特別適合在工作面巷道內(nèi)進(jìn)行本煤層定向瓦斯抽采長鉆孔施工，也可跨膠帶施工，具有施工綜合效率高等特點，且無需特制鉆場。鉆機(jī)具備無線遙控控制功能，在運(yùn)輸及施工時，可使用遙控器無線控制鉆機(jī)，操作人員遠(yuǎn)離工作面和鉆機(jī)，保障了操作人員的安全。行走、穩(wěn)固、位姿等輔助功能全部實現(xiàn)液壓自動化，操作簡便、機(jī)動靈活性強(qiáng)。鉆機(jī)穩(wěn)固機(jī)構(gòu)采用雙大立柱形式，配合轉(zhuǎn)盤抱緊裝置穩(wěn)固性能優(yōu)異，滿足定向鉆進(jìn)施工過程中所要求的強(qiáng)力起拔、回轉(zhuǎn)、套銑等多種極端工況。鉆機(jī)回轉(zhuǎn)及給進(jìn)系統(tǒng)配套設(shè)計快、慢2 檔操作模式，可實現(xiàn)滑動定向鉆進(jìn)、復(fù)合定向鉆進(jìn)、套銑打撈等多種施工要求。動力頭通孔直徑達(dá)到115 mm，滿足多種規(guī)格定向鉆具及打撈鉆具的使用。

ZDY6000LD(B)型鉆機(jī)如圖2 所示，主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

圖2 ZDY6000LD(B)型全斷面遙控定向鉆機(jī)Fig.2 ZDY6000LD(B) full section remote directional drilling rig

表1 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of the drilling rig

2) ?73/82 mm 螺旋氣動螺桿鉆具

該氣動螺桿鉆具整體采用外螺旋設(shè)計，排量5～10 m3/min，壓降為0.4 MPa，轉(zhuǎn)速最大165 r/min，轉(zhuǎn)矩可達(dá)256 N·m，滿足煤層和低堅固性系數(shù)巖層施工需要，氣動螺桿鉆具實物如圖3 所示。

圖3 螺旋氣動螺桿鉆具Fig.3 Pneumatic screw drill

3) ZCY-2×16L 型履帶式多功能除塵車

ZCY-2×16L 多功能除塵車將施工中所需的除塵系統(tǒng)、壓風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)和油霧潤滑系統(tǒng)集成到一起進(jìn)行整體布局，其中，除塵系統(tǒng)采用了兩臺射流式孔口除塵器，額定除塵風(fēng)量為32 m3/min，除塵效率大于98%，壓風(fēng)監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)對風(fēng)壓風(fēng)量的安全監(jiān)測和應(yīng)急狀況下對孔內(nèi)進(jìn)行注水降溫，油霧潤滑系統(tǒng)則可通過向壓力管路中注入大量油霧(乳化液)來輔助解決空氣螺桿馬達(dá)的潤滑和降溫問題。該多功能除塵車集成了現(xiàn)場設(shè)備和線路，便于使用和維護(hù)，同時實現(xiàn)了無線遙控控制(遙控距離可達(dá)50 m)，提高了操作便捷性和施工效率。履帶式多功能除塵車實物如圖4 所示。

圖4 履帶式多功能除塵車Fig.4 Caterpillar multifunctional dust collector

4) 礦用抗振電磁波隨鉆測量系統(tǒng)

升級優(yōu)化的礦用抗振電磁波隨鉆測量系統(tǒng)對供電電池進(jìn)行了改進(jìn)，提高了系統(tǒng)的待機(jī)時間，同時探管內(nèi)設(shè)計了主動減振裝置，提高了探管的抗振能力，保障測量精度準(zhǔn)確可靠，測量系統(tǒng)組成如圖5 所示。測量系統(tǒng)性能參數(shù)見表2。

表2 測量系統(tǒng)性能參數(shù)Table 2 Performance parameters of measure system

圖5 電磁波隨鉆測量系統(tǒng)組成Fig.5 Composition of electromagnetic wave measurement while drilling system

2 成孔工藝及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 成孔工藝和施工流程

1)成孔工藝

軟煤層具有煤層破碎、煤渣多、瓦斯含量高等特點，采用氣動定向鉆進(jìn)工藝施工時，為了提高排渣效果和成孔率，根據(jù)螺旋鉆具排粉特征，必須結(jié)合回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)來實現(xiàn)。因此，氣動定向鉆進(jìn)應(yīng)以復(fù)合定向鉆進(jìn)方式為主，滑動定向鉆進(jìn)為輔[17]。

復(fù)合定向鉆進(jìn)，壓風(fēng)驅(qū)動氣動螺桿馬達(dá)帶動鉆頭自轉(zhuǎn)后，供風(fēng)后待孔口正常返風(fēng)，同時鉆機(jī)夾持鉆具公轉(zhuǎn)，實現(xiàn)鉆具和螺桿馬達(dá)的復(fù)合鉆進(jìn)，共同驅(qū)動鉆頭破煤并加強(qiáng)排渣。

滑動定向鉆進(jìn)，當(dāng)鉆孔偏離設(shè)計時，調(diào)整螺桿工具面向角進(jìn)行軌跡調(diào)整或糾偏。

復(fù)合與滑動結(jié)合，每定向鉆進(jìn)3 m，需回轉(zhuǎn)掃孔排渣，待孔內(nèi)鉆渣排凈后繼續(xù)定向鉆進(jìn)，以此循環(huán)往復(fù)鉆進(jìn)，確?？變?nèi)順暢和施工安全。

2)施工流程

(1) 對孔位，?113 mm 鉆頭開孔回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)20～30 m。

(2) ?153 mm 鉆頭擴(kuò)孔3 m 后下入孔口管，采用聚氨酯封孔。

(3) 依次連接和安裝定向鉆具下鉆并測量數(shù)據(jù)。

(4) 復(fù)合定向鉆進(jìn)，若需要糾偏，則調(diào)整工具面，采用滑動定向鉆進(jìn)，回轉(zhuǎn)排渣。

(5) 糾偏完成，繼續(xù)復(fù)合定向鉆進(jìn)，直至設(shè)計孔深。

(6) 提鉆，連接可開閉式鉆頭和大通孔鉆桿，下鉆。

(7) 下篩管，提鉆封孔注漿。

2.2 成孔關(guān)鍵技術(shù)

針對淮南礦區(qū)軟煤氣動定向鉆進(jìn)施工需要和技術(shù)特點，開發(fā)了碎軟煤層雙動力復(fù)合強(qiáng)排渣技術(shù)和定向鉆孔長距離篩管完孔技術(shù)。

1)碎軟煤層雙動力復(fù)合強(qiáng)排渣技術(shù)

淮南礦區(qū)碎軟煤層堅固性系數(shù)f普遍低于0.5，瓦斯壓力大，在鉆進(jìn)過程中，受鉆具擾動、地層原位應(yīng)力狀態(tài)改變等影響，容易發(fā)生鉆孔坍塌和孔內(nèi)瓦斯壓力聚集，引發(fā)噴孔和大量煤渣聚集壓死鉆具[18]。雙動力復(fù)合強(qiáng)排渣技術(shù)通過大流量高壓力氣體推力和螺旋鉆具回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的舉升力，在雙動力復(fù)合作用下高效排出孔內(nèi)煤渣，保證鉆孔環(huán)空暢通，提高鉆孔成孔性。

(1)復(fù)合鉆進(jìn)排渣技術(shù)。大流量高壓力氣體產(chǎn)生向外的推力，螺旋鉆具在鉆機(jī)帶動下回轉(zhuǎn)產(chǎn)生舉升力，鉆頭鉆進(jìn)產(chǎn)生的煤粉在上述兩重動力的作用下，快速向外運(yùn)移，同時配套大通孔全螺旋鉆具，即整套鉆具組合除特殊部位以外全部采用外螺旋結(jié)構(gòu)，使整套鉆具組合復(fù)合鉆進(jìn)時排渣效率大大提高，全螺旋鉆具組合形式如圖6 所示。

圖6 全螺旋鉆具組合形式Fig.6 Schematic plot of full spiral drill assembly form

(2)多級排渣防卡鉆技術(shù)。針對氣動定向鉆進(jìn)卡鉆事故點多位于螺桿鉆具彎頭處的特點，對?73/82 mm 螺旋氣動螺桿鉆具進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設(shè)計了基于壓力控制的3 級排氣輔助排渣流道，孔底卡鉆后，3 個出氣道逐級承擔(dān)主排渣作用，實現(xiàn)多級排渣，排除卡鉆事故[19]。

(3)精準(zhǔn)軌跡控制技術(shù)。軟煤氣動定向鉆進(jìn)施工不僅要通過強(qiáng)排渣技術(shù)保證成孔，更重要的是要實現(xiàn)軌跡精準(zhǔn)可控，達(dá)到瓦斯區(qū)域治理效果，為了兼顧兩者，提出了“復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜+滑動定向鉆進(jìn)糾偏+回轉(zhuǎn)排渣”的交互軌跡控制方法，確保鉆孔軌跡按設(shè)計要求沿煤層精準(zhǔn)長距離延伸。

2)定向鉆孔長距離篩管完孔技術(shù)

為了確保提出孔內(nèi)定向鉆具之后下篩管鉆具能夠重新下入孔底，開發(fā)了一種“子彈頭”式導(dǎo)向鉆頭，該鉆頭切削齒沿軸向呈弧形布置，鉆頭在孔內(nèi)通過時，底唇面切削齒不會刮到孔壁，避免了采用常規(guī)鉆頭重入時容易開出分支的問題，同時具有可開閉式結(jié)構(gòu)，護(hù)孔篩管及懸掛裝置可通過鉆桿內(nèi)孔通過并伸出鉆頭實現(xiàn)懸掛固定[20]，導(dǎo)向式可開閉鉆頭開閉狀態(tài)如圖7所示。

圖7 導(dǎo)向可開閉鉆頭開閉狀態(tài)Fig.7 Schematic diagram of opening and closing state of the oriented openable bit

(1)下篩管鉆具。定向鉆進(jìn)達(dá)到設(shè)計孔深后，提出孔內(nèi)定向鉆具，連接可開閉式鉆具下鉆，鉆具組合形式為：導(dǎo)向可開閉式鉆頭+大通孔三棱螺旋鉆桿，下鉆過程中每下40 m 左右進(jìn)行一次送風(fēng)操作，防止下鉆過程中因孔內(nèi)鉆渣堆積導(dǎo)致鉆頭堵塞。

(2)下篩管?？砷_閉式鉆具下到設(shè)計深度后，開始從大通孔鉆具內(nèi)通孔進(jìn)行下篩管操作，篩管前端預(yù)裝有懸掛裝置，當(dāng)篩管下到可開閉式導(dǎo)向鉆頭底部時會頂開鉸接裝置，此時懸掛裝置彈卡機(jī)構(gòu)張開撐住孔壁，實現(xiàn)篩管固定。

(3)篩管封孔。確定篩管固定牢固后，提出可開閉式鉆具，采用目前淮南礦區(qū)成熟的“兩堵一注”封孔工藝進(jìn)行封孔即可。

3 現(xiàn)場試驗

3.1 礦井概況

潘三煤礦位于安徽省淮南市西北部，距市中心洞山約34 km，距淮南鳳臺縣城北約15 km，行政區(qū)劃屬淮南市潘集區(qū)，1992 年11 月1 日建成投產(chǎn)，設(shè)計生產(chǎn)能力3.0 Mt/a，2006 年礦井核定生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a，2008 年實施了技術(shù)改造及擴(kuò)建工程,擴(kuò)建后礦井生產(chǎn)能力為 5.0 Mt/a，礦井東西長約9.3 km，傾斜寬約5.8 km，面積約54 km2，礦井可采和局部可采煤層共14 層，已開采的煤層有13-1、11-2、8 煤。

3.2 煤層情況

2020 年10 月至2021 年2 月，采用軟煤氣動定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備在淮南潘三煤礦1682(1)運(yùn)輸巷定向鉆場開展了現(xiàn)場試驗。本次試驗的1682(1)工作面位于潘三礦東四采區(qū)，鉆場位于1682(1)運(yùn)輸巷。煤層為11-2 煤層，煤層厚0.1～2.6 m，平均2.1 m，黑色，碎粒狀，塊狀，粉末狀，黑色條痕，以亮煤為主，含少許暗煤，條帶狀構(gòu)造，玻璃光澤，油脂光澤，屬半暗-半亮型煤。該巷11-2 煤層賦存穩(wěn)定，總體上呈單斜狀，北高南低，煤(巖)層產(chǎn)狀190°～290°∠5°～10°。

3.3 鉆孔設(shè)計

本次試驗在1682(1) 運(yùn)輸巷定向鉆場共設(shè)計鉆孔20 個，設(shè)計鉆孔工程量5 511.6 m，鉆孔依次穿過1692(1)軌道巷、1692(1)工作面和1692(1)運(yùn)輸巷，進(jìn)行區(qū)域預(yù)抽消突，鉆孔扇形布置，1692(1)運(yùn)輸巷控制范圍為100 m。

3.4 鉆孔施工

試驗采用ZDY6000LD(C) 型全斷面遙控定向鉆機(jī)、?73/82 mm 螺旋氣動螺桿鉆具、履帶式多功能除塵車、礦用抗振電磁波隨鉆測量系統(tǒng)、?73/82 mm 大通徑(內(nèi)通徑40 mm)螺旋鉆桿等成套氣動定向鉆進(jìn)裝備，采用“復(fù)合排渣+滑動定向”相結(jié)合的鉆進(jìn)工藝，先后完成16 個240 m 以上鉆孔，一個試驗孔，總進(jìn)尺4 548 m，平均煤層鉆遇率93.1%，鉆孔施工情況統(tǒng)計見表3，鉆孔實鉆軌跡平面圖如圖8 所示。試驗最大孔深423 m(圖9)，創(chuàng)下我國碎軟煤層氣動定向鉆孔最大孔深記錄[21]，該鉆孔煤層鉆遇率100%。

圖8 鉆孔實鉆軌跡平面Fig.8 Plan of drilling trajectoty

圖9 11 號孔鉆孔軌跡剖面Fig.9 Profile of No.11 borehole trajectory

表3 鉆孔施工情況統(tǒng)計Table 3 Statistics of borehole construction situation

3.5 抽采效果

鉆孔施工開始后即開始進(jìn)行連抽監(jiān)測，截至2021年3 月對鉆孔該鉆場的抽采情況進(jìn)行了集中監(jiān)測統(tǒng)計，通過對抽采甲烷濃度、瓦斯混合量和純量的甲烷統(tǒng)計和分析發(fā)現(xiàn)：統(tǒng)計期間鉆孔平均抽采體積分?jǐn)?shù)60%，最大達(dá)到81%；抽采混合量基本維持在1.5 m3/min，最大可達(dá)2.7 m3/min；抽采純量平均值為0.9 m3/min，最大1.56 m3/min，統(tǒng)計期間累計抽采瓦斯量17.4 萬m3。抽采濃度統(tǒng)計曲線和抽采純量統(tǒng)計曲線如圖10 所示。

圖10 瓦斯抽采濃度和抽采純量統(tǒng)計曲線Fig.10 Statistical curves of gas extraction concentration and extraction purity

4 結(jié)論

a.形成了一套適用于淮南礦區(qū)軟煤順層氣動定向鉆孔施工技術(shù)和裝備，該技術(shù)和裝備能實現(xiàn)50 m 遙控操作，具有自動化程度高、高度集成化、施工使用方便等特點，為淮南礦區(qū)軟煤區(qū)域瓦斯治理提供了一種安全高效的技術(shù)保障。

b.針對淮南礦區(qū)軟煤順層鉆孔施工難題，開發(fā)了ZDY6000LD(C)型全斷面遙控定向鉆機(jī)、?73/82 mm螺旋氣動螺桿鉆具等成套煤礦井下碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)裝備，采用“復(fù)合鉆進(jìn)穩(wěn)斜+滑動定向糾偏+回轉(zhuǎn)排渣”相結(jié)合的鉆進(jìn)工藝在淮南潘三煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場試驗，共完成16 個240 m 以上鉆孔，最大孔深423 m，所有鉆孔全程下篩管，顯著提高了淮南礦區(qū)軟煤順層鉆孔深度、成孔率。

c.形成了一套適合碎軟煤層氣動定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備，適用地層條件：煤層厚度≥2.0 m、堅固性系數(shù)f≥ 0.4、孔深≤500 m。

d.開發(fā)了篩管完孔鉆具組合：?89 mm 可開閉式導(dǎo)向鉆頭+?82 mm 整體式大通孔螺旋鉆桿，實現(xiàn)軟煤定向鉆孔篩管完孔。