張 杰
(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司,陜西 西安 710077)
我國松軟煤層分布廣泛,隨著煤層開采深度逐年增加,松軟煤層在我國煤層開采所占比例越來越大。其中淮北礦區(qū)因斷層多、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、瓦斯含量高、地應(yīng)力大等因素被作為松軟煤層典型礦區(qū),其瓦斯治理是諸多礦井安全高效生產(chǎn)面臨的最大障礙之一。井下順層長鉆孔抽采是瓦斯治理最有效的技術(shù)手段[1-5],煤礦井下鉆孔常用清水排渣,但淮北礦區(qū)煤質(zhì)松軟,遇水沖刷易塌孔,常因煤層瓦斯含量高而噴孔卡鉆,造成鉆場瓦斯超限,因此,液動定向鉆進(jìn)技術(shù)采用高壓水,在軟煤中難成孔。通過多年攻關(guān),壓風(fēng)鉆進(jìn)可有效解決松軟煤層成孔難題。但現(xiàn)有壓風(fēng)鉆進(jìn)采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn),其鉆孔軌跡不可控,常因鉆遇煤層頂板或底板而終孔,一般孔深不超過120 m,且易形成抽采空白帶、瓦斯治理盲區(qū),目前不能滿足300 m 以上超前區(qū)域抽采需要;300 m 巷道消突掩護(hù),需分3 次“鉆孔—抽采—掘進(jìn)”階梯式掩護(hù)煤巷消突,無法實(shí)現(xiàn)瓦斯抽采與掘進(jìn)平行作業(yè),抽采時(shí)間較長,鉆孔軌跡不可控,無法精準(zhǔn)消突,造成掘進(jìn)設(shè)備閑置等待抽采[6-10]。目前軟煤礦區(qū)煤巷條帶瓦斯治理一般采用“底板巷—穿層鉆孔”預(yù)抽消突,需要掘進(jìn)底板巷,施工大量穿層鉆孔(有效進(jìn)尺不足30%),致使施工周期長、成本高,嚴(yán)重影響了生產(chǎn)接替,降低了煤礦生產(chǎn)效率[11-12]。
根據(jù)現(xiàn)有壓風(fēng)鉆進(jìn)技術(shù)能成孔不能定向、液動定向鉆進(jìn)技術(shù)能定向但松軟煤層無法成孔特點(diǎn),通過技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)實(shí)現(xiàn)了煤礦井下氣動定向鉆技術(shù)[13]。該技術(shù)采用壓風(fēng)驅(qū)動氣動螺桿鉆具定向鉆進(jìn),利用單彎螺桿鉆具實(shí)現(xiàn)松軟煤層中鉆孔軌跡控制,解決順層鉆孔定向成孔與篩管完孔難題。本文利用氣動螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)沿煤巷條帶施工順煤層定向長鉆孔,實(shí)現(xiàn)孔深300 m 以上順層鉆孔超前精準(zhǔn)瓦斯抽采消突,替代現(xiàn)有的“底板巷—穿層鉆孔”預(yù)抽消突,達(dá)到煤礦安全生產(chǎn)減人增效目的。以淮北某煤礦首次試驗(yàn)為例,驗(yàn)證了氣動定向鉆孔煤巷條帶消突技術(shù)可行。
氣動定向鉆孔煤巷條帶消突技術(shù)受限于軌跡控制和鉆進(jìn)返渣的需要,影響成孔的地層條件主要有:
①堅(jiān)固性系數(shù)f值 孔深達(dá)到300 m 以上才能滿足“定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施”的鉆孔長度要求。而過于松軟的煤層,螺桿鉆具滑動定向鉆進(jìn)(控制鉆孔軌跡變化,簡稱“造斜”)時(shí),沒有足夠強(qiáng)度的支撐面,將大大降低造斜率(單位孔深長度鉆孔軌跡全彎曲角變化值),極大增加鉆孔軌跡控制的難度。為此,對堅(jiān)固性系數(shù)f≥0.4 松軟煤層施工效果最佳,孔壁穩(wěn)定性較好。
② 煤層厚度 順煤層施工,施工前一般沒有精確的煤層頂?shù)装迤拭鎴D,導(dǎo)致鉆進(jìn)時(shí)需頻繁探頂板施工,確保一定的煤層鉆遇率(鉆孔在煤層段累計(jì)長度占全孔長度比率),因此,根據(jù)定向鉆進(jìn)施工經(jīng)驗(yàn),煤層厚度2 m 以上才能滿足定向孔軌跡在煤層中頻繁探頂板施工空間需求。當(dāng)煤層頂?shù)装鍘r性能明確分辨時(shí),煤層厚度可以更薄。
③局部構(gòu)造帶 煤層中遇構(gòu)造破碎帶時(shí),鉆進(jìn)返渣量非常大,且塌孔嚴(yán)重,鉆孔軌跡亦不受控制,無法正常鉆進(jìn)。此外氣動螺桿鉆具輸出扭矩一般200 N·m(風(fēng)壓1.0 MPa、風(fēng)量9 m3/min),隨著孔深、排渣風(fēng)阻增加,有效驅(qū)動螺桿鉆具風(fēng)壓不足,造成氣動螺桿鉆具輸出功率偏低,導(dǎo)致碎巖效率大大降低,不滿足堅(jiān)固性系數(shù)f>4 巖石高效鉆進(jìn)要求。因此,當(dāng)構(gòu)造較小(斷層斷距≤3 m)且頂?shù)装鍘r性較軟(堅(jiān)固性系數(shù)f≤4)時(shí),可以從巖層避開;當(dāng)構(gòu)造結(jié)構(gòu)較復(fù)雜或巖層較硬時(shí),則無法穿過較長的巖孔,施工效率和鉆具安全性大大降低。故應(yīng)盡量避開煤層條帶中的明顯構(gòu)造破碎帶[14-16]。
煤巷掘進(jìn)前通過施工順煤層定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯,一次成孔,集中抽采,將區(qū)域瓦斯含量及壓力降至安全值,保障煤巷掘進(jìn)安全。
①抽采設(shè)計(jì)依據(jù) 抽采鉆孔設(shè)計(jì)終孔間距以煤層抽采半徑為依據(jù),淮北礦區(qū)6 號煤的抽采半徑情況為:25 d 的抽采半徑為2.0 m,51 d 抽采半徑為2.9 m,94 d 抽采半徑為3.9 m。風(fēng)動定向長鉆孔孔徑為?108 mm 時(shí),推算94 d 抽采半徑為4.2 m,考慮安全系數(shù),布孔間距設(shè)計(jì)為6 m,保障抽采全面覆蓋。
② 條帶控制范圍 根據(jù)2019 年版《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》,對5 m 寬煤巷,條帶控制范圍巷道外輪廓線兩側(cè)各15 m,總覆蓋寬度35 m,有效孔間距為6 m 時(shí),布孔數(shù)即為7 個(gè),鉆孔深度不少于300 m[17]。
③抽采效果檢驗(yàn) 區(qū)域抽采效果檢驗(yàn)采用校驗(yàn)孔直接測定煤層殘余瓦斯含量和殘余瓦斯壓力相結(jié)合的辦法。預(yù)抽煤巷條帶每30~50 m 至少布置1個(gè)測點(diǎn),距預(yù)抽鉆孔控制條帶邊界不大于2 m 處。
①鉆孔平面布置 煤巷條帶瓦斯預(yù)抽定向長鉆孔因其長距離,各孔主孔段均平行煤巷布置,根據(jù)抽采半徑合理選擇布孔間距6 m。因鉆場寬度小于條帶寬度,各鉆孔開孔點(diǎn)到平行巷道位置設(shè)有一段曲線段,方能將鉆孔軌跡方位調(diào)整到目標(biāo)方向。巷道寬5 m,設(shè)計(jì)7 個(gè)鉆孔,沿巷道掘進(jìn)方向長度300 m,中間鉆孔位于巷道中軸線,每側(cè)鉆孔離巷道邊依次3.5、9.5、15.5 m(圖1)。
圖1 定向鉆孔平面布置Fig.1 The layout of directional drilling
② 剖面軌跡設(shè)計(jì) 在煤層內(nèi)的軌跡選擇,一般根據(jù)煤層結(jié)構(gòu)調(diào)整,對均質(zhì)的煤層,鉆孔軌跡布置在煤層中部,以盡可能降低鉆遇頂?shù)装鍘r層的概率,保證煤層鉆遇率。而對于不均質(zhì)的較厚煤層,鉆孔軌跡優(yōu)先布置在相對較硬或相對完整的煤層分層內(nèi)。
順層鉆孔軌跡設(shè)計(jì)需要相對準(zhǔn)確的煤層頂?shù)装甯叱绦畔ⅲ跓o明確實(shí)勘數(shù)據(jù)的情況下,往往需要優(yōu)先施工煤層探查鉆孔。煤層探查孔可兼做瓦斯預(yù)抽孔,但剖面軌跡設(shè)計(jì)時(shí)需根據(jù)預(yù)想煤層剖面圖,主動抬升傾角探頂板施工,觸頂后,后退開分支繼續(xù)順煤鉆進(jìn),循環(huán)往復(fù)。一般主動探頂距離間隔50 m 左右。
根據(jù)軟煤鉆進(jìn)需要,選型設(shè)計(jì)桿體外徑為?73 mm 的氣動螺桿鉆具,為了提高軟煤層鉆進(jìn)排渣效果,螺桿鉆具主體采用中?73/82 mm 外螺旋結(jié)構(gòu)(圖2),復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)利用槽深4.5 mm 螺旋結(jié)構(gòu)排煤粉,提高排渣能力。
圖2 氣動螺桿鉆具外形Fig.2 The outline diagram of pneumatic screw drilling tool
受限于煤礦井下常用空壓機(jī)輸出壓力≤1.2 MPa,與常規(guī)液動馬達(dá)相比,馬達(dá)為大導(dǎo)程,滿足井下空壓機(jī)壓風(fēng)要求,螺桿鉆具啟動壓降僅為0.3 MPa,工作壓降為0.4 MPa、流量8 m3/min,其對應(yīng)的輸出轉(zhuǎn)速和扭矩(表1)。為克服無沖洗液潤滑、冷卻,使軸承過度發(fā)熱、磨損,傳動軸采用油潤滑結(jié)構(gòu)和自潤滑結(jié)構(gòu),能夠提高馬達(dá)軸承的使用壽命。
表1 ?73/82 mm 氣動螺桿鉆具參數(shù)Table 1 ?73/82 mm pneumatic screw motor parameters
由于松軟煤層鉆進(jìn)時(shí)煤層坍塌噴孔是常態(tài),鉆桿設(shè)計(jì)需從增大排渣通道、提高排渣效率、保障下篩管的大通徑、保證鉆具強(qiáng)度等方面出發(fā)。研發(fā)的大通孔三棱螺旋鉆桿采用三角截面,增大了鉆桿與孔壁間的環(huán)狀間隙,擴(kuò)大了煤巖粉和瓦斯釋放的通道,三棱螺旋鉆桿圓周上均布大導(dǎo)程螺旋槽,提高攪粉、排粉能力(圖3)。接頭采用圓錐梯形螺紋連接增大了螺紋根部截面積,增加了螺紋強(qiáng)度和螺紋連接的定心精度及連接剛性,使得螺紋受力均勻,傳遞扭矩大,且密封性能好,提高了鉆桿接頭部位抗扭、抗彎和抗拉性能(表2)。
圖3 ?73-40 mm 整體式三棱螺旋鉆桿Fig.3 ?73-40 mm integral three-edge auger pipe
表2 ?73-40 mm 鉆桿主要技術(shù)參數(shù)Table 2 Main technical parameters of ?73-40 mm drill pipe
松軟煤層氣動螺桿鉆具定向鉆進(jìn)對鉆頭的碎巖能力和定向功能提出了特殊要求,一方面要求的煤屑顆粒較小易于被壓風(fēng)排出,另一方面要求鉆頭具有可配合螺桿鉆具進(jìn)行開分支定向功能。
采用螺桿鉆具前接 ?108 mm 平底鉆頭+?89/73 mm 螺旋短節(jié)組合。在松軟煤層鉆進(jìn)中,由于鉆頭吃入地層較深,排粉量大,鉆頭需具有較好的排粉能力,采用刮刀型結(jié)構(gòu),窄刀翼大流道設(shè)計(jì),保障排粉(圖4)。同時(shí),采用?89/73 mm 螺旋短節(jié)在滑動定向時(shí),孔底煤粉通過螺旋槽旋出,解決滑動定向鉆進(jìn)時(shí)鉆桿不轉(zhuǎn),鉆渣排出效率低難題,同時(shí)增加螺桿鉆具彎頭長度提高螺桿鉆具造斜率[17]。
圖4 軟煤定向鉆頭及組合Fig.4 Soft coal directional bit and the combination
風(fēng)排渣鉆進(jìn)時(shí),風(fēng)量的大小決定了排渣能力的大小,尤其俯角鉆孔,排渣困難,對風(fēng)量風(fēng)壓的要求更高。大通孔送風(fēng)器(圖5)配備?50 mm 風(fēng)管,相對常規(guī)?32 mm 風(fēng)管,截面積提高了56%,盡可能減小了節(jié)流作用,保障送入孔內(nèi)的風(fēng)量盡可能大,保障鉆孔排渣足夠風(fēng)量和風(fēng)壓。
圖5 大通孔送風(fēng)器Fig.5 Large hole air supply
①定向原理 氣動螺桿鉆具作為孔底動力鉆具,其原理是將空氣壓縮機(jī)提供的高壓空氣通過送風(fēng)器、鉆桿中心進(jìn)入孔底氣動螺桿鉆具,驅(qū)動馬達(dá)回轉(zhuǎn),從而帶動鉆頭切削破碎孔內(nèi)煤層。定向鉆進(jìn)時(shí),整個(gè)鉆桿柱不旋轉(zhuǎn),僅孔底螺桿鉆具帶動鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖,在給進(jìn)力作用下向前鉆進(jìn)。同時(shí),螺桿鉆具下端設(shè)置彎外管,使螺桿鉆具彎曲,在鉆壓的作用下,鉆頭對孔壁四周產(chǎn)生不等的側(cè)向力,從而實(shí)現(xiàn)造斜鉆進(jìn)。
② 保障軟煤造斜能力方法 由于松軟煤層成孔孔徑變大,傳統(tǒng)馬達(dá)彎頭較難實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)定向,故在馬達(dá)與鉆頭之間加接螺旋短節(jié),加長螺桿鉆具彎點(diǎn)與鉆頭間距,提高螺桿鉆具造斜率,實(shí)現(xiàn)氣動螺桿鉆具在松軟煤層有效定向造斜。
③異形鉆具復(fù)合強(qiáng)排渣技術(shù) 不同于液動馬達(dá)定向鉆孔施工,氣動螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)在軟煤鉆進(jìn)中產(chǎn)生鉆渣較多。為保證排渣和成孔效率,鉆頭、螺桿鉆具、無磁外管、鉆桿都采用螺旋結(jié)構(gòu),鉆進(jìn)工藝以旋轉(zhuǎn)復(fù)合鉆進(jìn)為主、滑動定向?yàn)檩o,在保障鉆孔高效排渣同時(shí),鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)施工。
分支鉆孔是指在施工過程中為了繞開遇到的斷層、破碎帶及泥巖等不穩(wěn)定地層,或在不影響主孔施工的過程中去探測附近地層(標(biāo)志層)走向變化等目的從主孔中通過控速鉆進(jìn)等方法側(cè)鉆出一條新的鉆孔。氣動螺桿鉆具順煤層定向鉆進(jìn)施工中一般在主動探查煤層頂板或者意外遇頂板、底板及不良區(qū)域時(shí),需通過開分支孔繼續(xù)順煤層施工。利用螺桿鉆具彎頭朝向、組合鉆具重力相結(jié)合作用,在原孔內(nèi)向下側(cè)鉆開分支,具體關(guān)鍵技術(shù)有3 個(gè)方面。
①分支點(diǎn)位置的選擇 在鉆進(jìn)施工過程中,若需要開分支,其位置選擇應(yīng)滿足如下要求:在軌跡傾角變大的位置,煤層相對較軟時(shí),傾角變大幅度可適當(dāng)降低要求;應(yīng)盡量選在上坡位置或軌跡的最低點(diǎn)作為分支點(diǎn);應(yīng)選擇煤層相對穩(wěn)定區(qū)域開分支。
② 開分支操作 選擇分支點(diǎn)后,開分支前需將彎頭朝下,即工具面角為140°~220°,開分支時(shí)需慢給進(jìn)。
③成功開分支判斷因素 返風(fēng)中煤渣增多;向前給進(jìn)過大時(shí),風(fēng)量變小;測量時(shí),傾角下降。
由于定向鉆孔一次成孔后前端螺桿鉆具無法通過篩管,因而成孔后需要重入鉆具來實(shí)現(xiàn)篩管護(hù)孔。為了確保定向鉆孔內(nèi)鉆具可靠的二次下入,要求鉆頭具有導(dǎo)向功能,同時(shí)具有可開閉式結(jié)構(gòu),然后從鉆具內(nèi)通道下入護(hù)孔篩管及懸掛裝置。
①下開閉式導(dǎo)向鉆頭和鉆具 定向鉆孔完成后,連接可開閉式導(dǎo)向鉆頭和大通孔三棱螺旋鉆桿重新下鉆,下鉆過程中每隔30~50 m 段連接送風(fēng)器并通風(fēng),將鉆孔內(nèi)鉆渣排出,防止鉆頭堵塞。
② 下篩管 當(dāng)下鉆至預(yù)定深度時(shí),停止下鉆,從大通孔鉆桿內(nèi)部下入護(hù)孔篩管(篩管可以是連續(xù)管,也可以是插接或絲扣連接),當(dāng)篩管推至孔底可開閉式導(dǎo)向鉆頭位置時(shí),將鉆頭頂開(圖6),篩管通過鉆頭進(jìn)入孔內(nèi),同時(shí)懸掛裝置會自動彈開,卡住孔壁。
圖6 順煤層定向長鉆孔下篩管Fig.6 Schematic diagram of screen under directional long borehole along coal seam
③提鉆封孔 篩管下到位后,將篩管留在孔內(nèi),鉆頭和鉆桿提出孔外。護(hù)孔篩管下入孔內(nèi)后,采用“兩堵一注”鉆孔封孔工藝進(jìn)行封孔,最后連接瓦斯抽采管路。
2019 年10 月至12 月在淮北某礦 Ⅲ635機(jī)巷位置進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn),驗(yàn)證氣動定向鉆孔煤巷條帶消突技術(shù)可行性。先后完成10 個(gè)鉆孔,試驗(yàn)進(jìn)尺2 995 m,鉆孔深度和施工精度達(dá)到指標(biāo)要求,深度≥300 m鉆孔7 個(gè),最大孔深372 m。
①地層情況 該工作面為原始煤層,其平均堅(jiān)固性系數(shù)f=0.5,平均厚度2.8 m,煤層賦存起伏變化大,平均傾角–11°,該區(qū)域煤層處于向斜構(gòu)造中,局部有斷層構(gòu)造。煤層頂?shù)装逯饕缮皫r組成,間接頂破碎,平均厚度1 m 左右,直接頂為砂巖,底板主要以砂巖組成。
② 鉆孔布置 試驗(yàn)鉆場平面上共布置7 個(gè)鉆孔,分別布置在機(jī)巷中心沿巷道方位及左右兩側(cè),鉆孔等間距分布,由于鉆孔94 d 抽采半徑為4.2 m,考慮抽采安全系數(shù),相鄰鉆孔平均間距設(shè)計(jì)為6 m,瓦斯預(yù)抽控制范圍大小300 m × 36 m;鉆孔剖面軌跡順煤層布置,煤層中鉆孔軌跡控制可滿足2.8 m厚煤層瓦斯抽采要求。
③鉆孔軌跡控制 鉆遇煤層頂?shù)装鍟r(shí),通過后退開分支的方式成功回到煤層施工,一般每50 m 預(yù)留一個(gè)分支點(diǎn)。優(yōu)先施工3 號孔,每隔50~80 m 主動抬升傾角探查煤層頂板,見頂板后,退后開分支,繼續(xù)在煤層施工,實(shí)現(xiàn)煤層頂?shù)装逄讲椋@孔深度357 m。后續(xù)鉆孔依據(jù)3 號探測出煤層走勢優(yōu)化鉆孔設(shè)計(jì),確保煤層鉆遇率。后續(xù)分別施工1、2、4、5、6、7 號鉆孔,深度分別達(dá)到323、312、369、372、301、310 m。為保障抽采通道,7 個(gè)鉆孔采用重入下篩管護(hù)孔工藝,全孔段下?32 mm 篩管護(hù)孔,各鉆孔平面軌跡如圖7 所示,其中最深鉆孔為5 號鉆孔,其剖面軌跡如圖8 所示。
圖7 淮北某礦條帶預(yù)抽瓦斯定向長鉆孔平面軌跡Fig.7 Planar track of directional long borehole for pre-drainage in a strip of Huaibei Mining Area
圖8 淮北某礦條帶預(yù)抽瓦斯5 號定向長鉆孔剖面軌跡Fig.8 Trajecture of directional long borehole 5 for pre-drainage in a strip of Huaibei Mining Area
鉆孔施工同時(shí)進(jìn)行瓦斯抽采,瓦斯抽采負(fù)壓28.5 kPa,通過對瓦斯抽采純流量、抽采體積分?jǐn)?shù)統(tǒng)計(jì)和分析發(fā)現(xiàn):單孔最高瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)95%。從2019 年10 月開始施工,至2020 年2 月底累計(jì)抽采瓦斯30 587.04 m3,實(shí)現(xiàn)300 m × 35 m × 3 m 條帶瓦斯含量降低0.75 m3/t 的目標(biāo),抽采前測定瓦斯含量5.7 m3/t,預(yù)計(jì)預(yù)抽效果達(dá)到4.95 m3/t。
鉆孔瓦斯抽采情況如圖9 所示,其中,至2019年12 月7 個(gè)鉆孔全部施工完畢,瓦斯抽采純流量達(dá)到最高。之后4 個(gè)月,月抽采瓦斯純流量在6 000~8 000 m3,累計(jì)抽采4 3713 m3,抽采量穩(wěn)定。巷道掘進(jìn)前施工校驗(yàn)孔組測定鉆孔覆蓋區(qū)域煤層瓦斯壓力約0.2 MPa,瓦斯含量4.7 m3/t,順利達(dá)到了掘進(jìn)目標(biāo),2020 年5 月至6 月該礦已對鉆孔預(yù)抽條帶中煤巷安全高效掘進(jìn)。
圖9 淮北某礦機(jī)巷條帶預(yù)抽瓦斯數(shù)據(jù)Fig.9 Data of pre-drainage in a mine roadway strip in Huaibei Minging Area
a.在松軟煤層中,利用氣動螺桿鉆具和配套裝備及相關(guān)工藝,能實(shí)現(xiàn)堅(jiān)固性系數(shù)f≥0.4 的煤層300 m 以上順煤層定向鉆孔鉆進(jìn)成孔、全孔段篩管完孔。
b.以淮北某礦煤巷條帶順煤層定向長鉆孔抽采為例:其單孔最大瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)達(dá)95%,月平均瓦斯抽采純流量約8 000 m3。揭煤前瓦斯含量降低至4.7 m3/t,瓦斯壓力0.2 MPa,滿足定向長鉆孔對煤巷條帶的瓦斯預(yù)抽消突要求,該煤巷已安全高效掘進(jìn),驗(yàn)證了氣動定向鉆孔煤巷條帶消突技術(shù)可行。
c.目前軟煤礦區(qū)氣動定向長鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯技術(shù)已在淮北桃園礦、朱莊礦等礦區(qū)推廣應(yīng)用,是未來軟煤瓦斯高效治理新方向。