楊 旭，趙建國，王力杰，劉 飛

(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)

煤層頂板高位定向長鉆孔是煤礦工作面采動(dòng)卸壓瓦斯抽采的重要技術(shù)手段[1-3]，將其布設(shè)在回采工作面煤層頂板合理層位內(nèi)，在回采過程中不僅能有效抽采采動(dòng)影響區(qū)域的卸壓瓦斯，在回采后還能抽采采空區(qū)瓦斯[4-7]。在煤層群開采條件下，頂板高位大直徑定向鉆孔能夠有效攔截鄰近層瓦斯，達(dá)到降低工作面上隅角與回風(fēng)流瓦斯?jié)舛?，支撐煤礦安全生產(chǎn)的目的。此外，鉆孔抽采模式能夠抽出高濃度的瓦斯，有利于實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯的資源化利用，變廢為寶產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟(jì)效益[8，9]。與高抽巷相比，因定向鉆孔軌跡可控，能沿預(yù)定的層位長距離延伸，具有有效孔段長，可在煤巷中開孔鉆進(jìn)，鉆場布設(shè)靈活，綜合成本低、周期短、輔助排矸運(yùn)輸?shù)裙こ塘啃?，可超前施工等技術(shù)優(yōu)勢[10，11]，在采煤工作面采動(dòng)影響區(qū)瓦斯與采空區(qū)瓦斯治理領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

1 復(fù)雜煤巖層定向鉆進(jìn)技術(shù)難點(diǎn)

復(fù)雜煤巖層在國內(nèi)多個(gè)煤礦區(qū)廣泛分布，具有多破碎帶、軟硬交互多夾層、地質(zhì)構(gòu)造廣泛發(fā)育等顯著特點(diǎn)[12-15]。頂板高位定向長鉆孔鉆遇復(fù)雜煤巖層后，鉆孔壁遇水失穩(wěn)坍塌，造成憋泵卡鉆等孔內(nèi)異常，是導(dǎo)致鉆孔施工效率低，成孔率不足，甚至引起埋鉆斷鉆等孔內(nèi)事故的直接原因。不僅會(huì)影響礦井的瓦斯抽采接替，制約工作面的有序開采，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。筆者經(jīng)過長期的瓦斯抽采治理工程實(shí)踐，總結(jié)出頂板高位定向長鉆孔施工過程中存在的技術(shù)難點(diǎn)：

1)煤巖界面孔壁坍塌。一般而言，煤巖界面具有弱膠結(jié)的典型特征。鉆進(jìn)過程中，循環(huán)介質(zhì)的水力沖蝕與孔內(nèi)鉆具的碰撞振動(dòng)會(huì)造成煤巖界面的離層，并擴(kuò)展形成裂隙。同時(shí)，復(fù)雜煤巖體內(nèi)部節(jié)理裂隙發(fā)育，且強(qiáng)度低，膠結(jié)性差，在鉆孔揭露煤巖界面之后，循環(huán)介質(zhì)會(huì)經(jīng)離層裂隙進(jìn)一步滲入至煤巖體內(nèi)部，其水化膨脹作用會(huì)導(dǎo)致節(jié)理裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，最終造成煤巖體宏觀強(qiáng)度的急劇下降，導(dǎo)致穿煤段孔壁垮塌。

2)泥巖孔段孔壁坍塌縮頸導(dǎo)致卡鉆憋泵。泥巖、砂質(zhì)泥巖等以粘土礦物為膠結(jié)物的弱膠結(jié)巖石在煤系地層中發(fā)育廣泛，且具有顯著的水敏性特征，遇水后孔壁巖石極易軟化碎脹[16，17]，導(dǎo)致鉆孔產(chǎn)生“縮頸”，嚴(yán)重時(shí)沿水平層理崩塌脫落，造成不同程度的卡鉆憋泵異常。而頻繁憋泵亦會(huì)進(jìn)一步加劇孔壁的崩塌脫落，從而引發(fā)更為嚴(yán)重的孔內(nèi)事故。

3)水平孔段鉆渣滯留。頂板高位定向長鉆孔進(jìn)入目標(biāo)層后，鉆孔軌跡沿煤層頂板傾角近水平長距離延伸。在煤礦井下定向鉆進(jìn)施工中，沖洗介質(zhì)既是驅(qū)動(dòng)孔底螺桿馬達(dá)工作的動(dòng)力介質(zhì)，也是清洗鉆孔冷卻潤滑鉆頭的循環(huán)介質(zhì)。為了避免傳統(tǒng)沖洗介質(zhì)內(nèi)部泥漿助劑及固相顆粒進(jìn)入煤層后，阻塞瓦斯解析通道，影響鉆孔的瓦斯抽采效果，煤礦井下定向鉆孔主要采用清水作為沖洗介質(zhì)。與泥漿相比，清水具有使用成本低、沖洗效果好、冷卻能力強(qiáng)等一系列的優(yōu)點(diǎn)，但缺點(diǎn)亦非常明顯，如：粘度低，攜帶和懸浮鉆渣能力弱，鉆頭切削孔底巖石形成的鉆渣以及孔壁剝落的巖塊不在中深孔及下斜孔段易形成聚集[18]，增加孔內(nèi)鉆具摩阻，加大積渣卡鉆風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，清水在孔內(nèi)循環(huán)過程中滲入地層的量大，引起地層的膨脹、分散、坍塌掉塊，增大了鉆孔循環(huán)水路卡阻風(fēng)險(xiǎn)。

4)深孔鉆進(jìn)鉆具“托壓”導(dǎo)致鉆進(jìn)效率下降。煤礦井下頂板高位大直徑定向鉆孔的空間展布特點(diǎn)對(duì)于鉆進(jìn)加壓十分不利。鉆進(jìn)過程中，穿層段鉆孔具有的等效重力分量與給進(jìn)方向相反，抵消了部分鉆機(jī)給進(jìn)力，同時(shí)，細(xì)長彈性鉆桿柱在重力的作用下幾乎全孔段都與孔壁之間頻繁或常態(tài)化接觸，接觸產(chǎn)生的摩擦扭矩和摩擦力嚴(yán)重影響孔口回轉(zhuǎn)、給進(jìn)載荷的有效傳遞，造成鉆具“托壓”現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆效隨孔深增加而降低[19]。

2 復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)工藝

2.1 技術(shù)原理

針對(duì)復(fù)雜煤巖層泥巖孔段孔壁坍塌縮頸導(dǎo)致卡鉆憋泵以及水平孔段鉆渣滯留等突出問題，結(jié)合復(fù)雜煤巖層巖石賦存特點(diǎn)與巖性特征，提出復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)工藝，該工藝基于目前廣泛采用的復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，利用三棱螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)過程中的機(jī)械能，連續(xù)碾壓擾動(dòng)孔內(nèi)聚集的鉆渣與巖塊，強(qiáng)化循環(huán)介質(zhì)對(duì)孔內(nèi)鉆渣的懸浮攜帶，避免孔底鉆渣與孔壁剝落巖塊在孔內(nèi)聚集后引起的憋泵卡鉆。

整體式三棱螺旋鉆桿是實(shí)現(xiàn)復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)的技術(shù)關(guān)鍵，目前三棱螺旋鉆桿主要通過機(jī)械加工方法在圓形管體外表面加工而成。該鉆桿使用過程中具有以下技術(shù)優(yōu)勢：

1)具備大的循環(huán)返渣通道，三棱螺旋鉆桿相比相同直徑規(guī)格的圓鉆桿，其桿體截面積更小，在鉆孔直徑不變的情況下，可為鉆孔排渣提供更大的環(huán)空截面，進(jìn)而獲得更優(yōu)的返渣效果。

2)可對(duì)孔內(nèi)鉆渣形成持續(xù)的擾動(dòng)，避免鉆渣在孔內(nèi)的沉積。鉆進(jìn)過程中，鉆桿直邊與鉆孔壁間形成三個(gè)月牙形的容渣區(qū)域，處于月牙形容渣區(qū)域的鉆渣會(huì)隨著鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生連續(xù)的周向翻轉(zhuǎn)，使其在循環(huán)介質(zhì)的沖擊攜帶作用下向孔口連續(xù)運(yùn)移，最終被攜帶至孔外。

3)利用銑削加工技術(shù)形成的三棱螺旋鉆桿截面呈似六邊形，由3條直線與3條弧線交替組合形成。工作時(shí)鉆桿受自重作用緊貼孔壁下緣，因其不規(guī)則的截面結(jié)構(gòu)導(dǎo)致鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)過程中產(chǎn)生周期性的跳動(dòng)，在跳動(dòng)作用下，鉆桿桿體交替沖擊和碾壓堆積在孔壁下緣鉆渣與巖塊，使其形成更為細(xì)小的顆粒。

2.2 鉆進(jìn)裝備配套

2.2.1 大功率定向鉆機(jī)

ZDY20000LD型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)具有整機(jī)功率高(132kW)、輸出扭矩大(20000N·m)的特點(diǎn)，具備2000m定向長鉆孔的施工能力，能夠滿足各類頂板高位大直徑定向長鉆孔施工需要。此外，結(jié)合大直徑孔鉆擴(kuò)成孔工藝需要，為鉆機(jī)車體增設(shè)了液壓吊臂，用于輔助起吊螺桿馬達(dá)及大直徑套管等重型鉆具，降低螺桿馬達(dá)與大直徑套管安裝作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度與安全風(fēng)險(xiǎn)。

為滿足大扭矩螺桿馬達(dá)碎巖動(dòng)力需要與大直徑長鉆孔循環(huán)排渣需求，配備了BLY460/13型全液壓履帶高壓大流量泥漿泵車，額定功率132kW，可為螺桿馬達(dá)等孔底動(dòng)力鉆具提供最大460L/min排量與最高13MPa壓力的循環(huán)介質(zhì)。

2.2.2 泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)

YHD-1500型泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)是國內(nèi)首款自主研發(fā)的礦用無線隨鉆測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用無線傳輸方式發(fā)送數(shù)據(jù)，最大傳輸距離達(dá)到1500m以上。使用過程中無需配備專用隨鉆測量鉆桿，避免了傳統(tǒng)有線隨鉆測量系統(tǒng)對(duì)于專用有線隨鉆測量鉆桿的依賴，可通過與不同類型異形鉆具的靈活配套，提升其在復(fù)雜煤巖體中的工藝適應(yīng)性[20-22]。

2.2.3 定向鉆具

根據(jù)復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)技術(shù)需要，基于泥漿脈沖隨鉆測量系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了?89mm定向鉆具組合，由單彎螺桿馬達(dá)、整體式螺旋無磁鉆具、整體式螺旋過濾鉆桿與整體式三棱螺旋鉆桿等連接組成。

1)單彎螺桿馬達(dá)。單彎螺桿馬達(dá)是實(shí)施井下近水平隨鉆測量定向鉆進(jìn)工藝的核心鉆具。綜合頂板高位定向長鉆孔軌跡空間展布特點(diǎn)與復(fù)雜煤巖層頂板巖性特征，選用了?89mm四級(jí)單彎螺桿馬達(dá)，馬達(dá)結(jié)構(gòu)彎角1.25°。此外，傳動(dòng)軸殼體增設(shè)了螺旋槽式穩(wěn)定器，保證了螺桿馬達(dá)在復(fù)雜煤巖體中的造斜與定向效果。

2)整體式螺旋無磁鉆具。整體式螺旋無磁鉆具包括下無磁鉆桿與儀器外管，下無磁鉆桿與儀器外管表面采用螺旋槽式設(shè)計(jì)，有助于提升定向鉆具組合的復(fù)合排渣能力，有助于避免鉆渣在螺桿馬達(dá)后方的堆積。

3)三棱螺旋鉆桿。三棱螺旋鉆桿的選型重點(diǎn)考慮三個(gè)因素：一是鉆桿整體具有高的機(jī)械強(qiáng)度與抗彎抗扭性能，避免強(qiáng)造斜鉆進(jìn)與長距離回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)過程中彎扭交變載荷下的變形、斷裂失效；二是鉆桿桿體外形結(jié)構(gòu)有利于實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)模式下對(duì)孔內(nèi)鉆渣巖塊的沖擊碾壓二次破碎與持續(xù)翻轉(zhuǎn)擾動(dòng)，達(dá)到強(qiáng)化循環(huán)介質(zhì)循環(huán)排渣能力的目的；三是鉆桿具有大的通孔直徑，以降低大流量循環(huán)介質(zhì)在鉆桿內(nèi)孔流動(dòng)的壓力損失，有利于深孔鉆進(jìn)。綜合以上三點(diǎn)因素，選型了?89mm整體式大通孔三棱螺旋鉆桿，該鉆桿采用整體銑削方式加工而成，具有通孔直徑大、抗扭能力、強(qiáng)抗彎性能好等技術(shù)優(yōu)勢。

2.3 鉆進(jìn)工藝流程

2.3.1 先導(dǎo)定向孔鉆進(jìn)

套管下放、封固完成之后，即可實(shí)施抽采孔段定向鉆進(jìn)。抽采孔段定向鉆進(jìn)采取復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝——“滑動(dòng)造斜+回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜”施工。根據(jù)實(shí)鉆軌跡與設(shè)計(jì)軌跡之間的偏差情況，適時(shí)調(diào)整轉(zhuǎn)換滑動(dòng)造斜與回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜兩種軌跡控制模式，使實(shí)鉆軌跡圍繞設(shè)計(jì)軌跡延伸。實(shí)踐表明，回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜鉆進(jìn)模式可顯著降低鉆桿柱與孔壁間摩擦阻力，進(jìn)而減輕水平孔段鉆桿柱“托壓”，有助于遠(yuǎn)距離定向走向長鉆孔的施工。此外，螺桿馬達(dá)隨鉆桿柱旋轉(zhuǎn)過程中消除了結(jié)構(gòu)彎角的導(dǎo)向造斜力，有助于獲得平直的鉆孔軌跡[23]。

根據(jù)頂板高位定向長鉆孔軌跡傾角變化特點(diǎn)，可分為上仰穿層爬升段與水平順層延伸段兩部分。上仰穿層爬升段軌跡調(diào)控相對(duì)復(fù)雜，涉及傾角和方位角連續(xù)調(diào)控，以滑動(dòng)定向鉆進(jìn)為主。水平順層延伸段軌跡調(diào)控相對(duì)簡單，傾角和方位角變化平緩，以回轉(zhuǎn)穩(wěn)斜定向鉆進(jìn)為主，鉆進(jìn)工藝流程如圖1所示。

圖1 定向鉆進(jìn)工藝流程

2.3.2 擴(kuò)孔鉆進(jìn)

定向鉆孔施工完成后，更換擴(kuò)孔鉆具組合，實(shí)施擴(kuò)孔鉆進(jìn)。依據(jù)終孔直徑要求，擴(kuò)孔鉆進(jìn)采用的鉆具組合為：“?200/120mm復(fù)合型擴(kuò)孔鉆頭+多動(dòng)力擴(kuò)孔工具+?89mm整體式三棱螺旋鉆桿+……+?89mm整體式三棱螺旋鉆桿+送水器”。

2.3.3 鉆擴(kuò)程序

根據(jù)地層穩(wěn)定特征、施工進(jìn)度安排和現(xiàn)場鉆進(jìn)條件，當(dāng)一個(gè)鉆場內(nèi)設(shè)有多個(gè)鉆孔，先導(dǎo)孔鉆進(jìn)與擴(kuò)孔鉆進(jìn)可采取兩種不同流程進(jìn)行，一種是逐個(gè)鉆孔成孔，即定向鉆進(jìn)先導(dǎo)孔后進(jìn)行擴(kuò)孔鉆進(jìn)，終孔后再施工下一個(gè)鉆孔，重復(fù)“先導(dǎo)孔定向鉆進(jìn)+擴(kuò)孔鉆進(jìn)”步驟；另一種是多個(gè)鉆孔批量成孔，即先依次施工一組先導(dǎo)定向孔，再更換鉆具組合依次鉆擴(kuò)先導(dǎo)定向孔。

3 工程應(yīng)用

3.1 礦井及工作面概況

王坡煤礦位于山西省晉城市西北部，屬高瓦斯礦井。井田處于晉獲褶斷帶的北西側(cè)，總體為一走向北東、傾向北西的單斜構(gòu)造，傾角2°～12°。主采的3號(hào)煤層位于山西組下部，上距下石盒子組K8砂巖底11.90～51.06m，平均37.27m，下距山西組底K7砂巖頂4.47～20.69m，平均9.16m。煤層最厚6.70m，最薄1.17m，平均5.27m，可采性指數(shù)為1，厚度變異系數(shù)為20.27%。煤層直接頂板為粉砂質(zhì)泥巖、泥巖，局部為炭質(zhì)泥巖；老頂為中、細(xì)砂巖；底板為泥巖或粉砂質(zhì)泥巖。

3314工作面位于王坡礦井田三采區(qū)南翼，東側(cè)為實(shí)煤體，西側(cè)距3316采空區(qū)約35m，南側(cè)距南翼邊界回風(fēng)巷120m，北側(cè)為四條集中大巷。工作面整體煤厚平均4.9m(距切眼0～600m段煤厚平均3.7m，600m至終采線平均煤厚5.5m)，煤層傾角2°～10°，平均6°。工作面設(shè)計(jì)回采長度約1947m，切眼長為175m。采用綜采放頂煤工藝(采放比2.9∶2)，全部垮落法管理頂板。

3.2 鉆孔施工概況

復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)工藝在王坡煤礦3314工作面進(jìn)行了應(yīng)用。綜合考慮3314工作面回采進(jìn)度、鉆進(jìn)成孔時(shí)效、抽采效果考察周期等因素，在工作面回風(fēng)巷與回風(fēng)巷繞道內(nèi)各布置1個(gè)頂板高位定向鉆場，根據(jù)設(shè)計(jì)要求采用復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)技術(shù)在3314工作面兩個(gè)高位定向鉆場施工完成6個(gè)頂板高位定向鉆孔。最大鉆孔深度300m，具體鉆孔數(shù)據(jù)見表1。

表1 頂板高位定向鉆孔數(shù)據(jù)

3.3 鉆進(jìn)效果分析

鉆孔施工前期，嘗試采用有線隨鉆測量復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝施工回風(fēng)巷鉆場1號(hào)鉆孔，當(dāng)鉆孔鉆進(jìn)至頂板泥巖層后，煤層頂板以上2.5～10.0m范圍孔段出現(xiàn)了嚴(yán)重的塌孔問題。鉆孔窺視結(jié)果顯示，塌孔形成的大體積巖塊，在孔內(nèi)大量聚集，導(dǎo)致排渣通道堵塞，引起憋泵無法正常鉆進(jìn)。后期分別采取擴(kuò)孔排渣與泥巖段注漿加固等措施，收效甚微。

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)切片分析，該層巖性屬紋層狀粉砂質(zhì)泥巖，所含成分主要為石英，長石及少量白云母，基質(zhì)主要為細(xì)顆粒粘土礦物，膠結(jié)性差，遇水膨脹后易產(chǎn)生層狀剝離，是造成孔壁坍塌掉塊導(dǎo)致憋泵卡鉆的主要原因。

鉆進(jìn)后期對(duì)定向鉆進(jìn)工藝進(jìn)行了優(yōu)化，采用?89mm三棱螺旋鉆桿配套泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)實(shí)施機(jī)械-水力復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)。在回風(fēng)巷鉆場與繞道鉆場共完成6個(gè)頂板高位定向鉆孔?；仫L(fēng)巷鉆場鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖2所示，繞道鉆場鉆孔實(shí)鉆軌跡如圖3所示。

鉆進(jìn)過程中鉆孔排渣效果明顯改善，未出現(xiàn)塌孔導(dǎo)致的孔內(nèi)積渣憋泵卡鉆異常。6個(gè)高位定向鉆孔的平均機(jī)械鉆速與日均綜合鉆進(jìn)均顯著提升，具體數(shù)據(jù)見表2。

通過對(duì)鉆孔返出鉆渣收集，孔內(nèi)返出鉆渣多為碎屑狀。表明三棱螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)時(shí)的沖擊碾壓對(duì)于孔內(nèi)巖塊的二次破碎作用顯著，可將孔壁坍塌形成大體積巖塊破碎成細(xì)小顆粒。

圖2 回風(fēng)巷鉆場鉆孔實(shí)鉆軌跡

圖3 繞道鉆場鉆孔實(shí)鉆軌跡

表2 鉆進(jìn)效率統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 論

1)針對(duì)復(fù)雜煤巖體定向鉆進(jìn)技術(shù)難題，在充分分析三棱螺旋鉆桿排渣技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，形成了以泥漿脈沖無線隨鉆測量系統(tǒng)與三棱螺旋鉆桿為核心的復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)技術(shù)與成套裝備。

2)復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)技術(shù)在鉆遇泥巖及煤線等易塌孔層位時(shí)，可對(duì)孔壁坍塌形成的大體積巖塊造成沖擊碾壓二次破碎并及時(shí)排出，有效避免鉆孔環(huán)空水路阻塞，進(jìn)而避免憋泵卡鉆現(xiàn)象發(fā)生，保證先導(dǎo)定向孔鉆進(jìn)施工的順利進(jìn)行。

3)復(fù)合強(qiáng)排渣定向鉆進(jìn)技術(shù)能夠有效解決復(fù)雜煤巖體高位定向長鉆孔成孔技術(shù)難題，建議后期繼續(xù)開展復(fù)雜煤巖層高位定向長鉆孔護(hù)孔技術(shù)研究，實(shí)現(xiàn)“鉆得成，護(hù)得住”，進(jìn)一步提升高位定向長鉆孔對(duì)工作面卸壓瓦斯的抽采治理效果。