雷豐勵

1瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400039

2中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

定向鉆進(jìn)技術(shù)因其具有軌跡可控、鉆進(jìn)深度長、鉆進(jìn)速度快、成孔率高、瓦斯抽采效果好的技術(shù)優(yōu)勢，在大中型煤礦本煤層順層鉆孔中得到廣泛應(yīng)用。近年來，定向鉆進(jìn)技術(shù)成功運(yùn)用于煤層頂?shù)装逵矌r鉆進(jìn)，最為典型的是頂板高位大直徑定向長鉆孔，實(shí)現(xiàn)“以孔代巷”，解決了回采工作面上隅角瓦斯問題[1-3]。

定向鉆進(jìn)技術(shù)在底板穿巖順煤層預(yù)抽 (煤巷條帶掘進(jìn)和煤層區(qū)段預(yù)抽消突) 瓦斯治理中一直未得到較好的應(yīng)用，一方面，底抽巷道較為狹窄，國內(nèi)大多數(shù)定向鉆機(jī)體積較大，井下運(yùn)輸和鉆場施工受限；另一方面，底抽巷鉆孔分布呈扇形，傾角變化范圍 0°～180°，而定向鉆機(jī)施工近水平鉆孔，鉆機(jī)開孔傾角范圍大多數(shù)在 -10°～+20°，不能滿足底抽巷大傾角施工要求；再者，底抽巷鉆孔需穿過底板進(jìn)入煤層，煤巖交接處易破碎，煤層較為碎軟，地層條件復(fù)雜，可鉆性差，常規(guī)定向鉆具容易出現(xiàn)塌孔抱鉆；并且長期以來采用普通鉆機(jī)，覆蓋面積有限，底抽巷兩側(cè)小角度的鉆孔，因鉆孔軌跡不可控，找不到煤點(diǎn)，從而造成瓦斯抽采空白帶。

為了有效解決底抽巷道全斷面扇形群孔鉆進(jìn)問題，針對性地開展了定向鉆機(jī)、鉆具、測量技術(shù)及其工藝研究，研制出適應(yīng)巷道斷面小、通過能力較差的南方礦井的定向鉆進(jìn)技術(shù)工藝，提高了底抽巷瓦斯治理效果[4]。

1 底抽巷扇形群孔現(xiàn)狀

使用軌跡測量儀對普通鉆機(jī)底抽巷鉆孔進(jìn)行分析(見圖 1)，鉆孔傾角大于 60°、孔深小于 30 m 時(shí)，成孔后偏斜較小，與設(shè)計(jì)基本保持一致；傾角在 20°～60°之間、孔深在 30～70 m 之間時(shí)，鉆孔會發(fā)生一定偏斜，但終孔位置在設(shè)計(jì)允許誤差內(nèi)，相鄰鉆孔之間不存在抽采空白帶；傾角小于 20°、孔深超過 70 m 的中深鉆孔，大部分鉆孔受重力影響超出設(shè)計(jì)軌跡的誤差范圍，不能達(dá)到煤層位置，存在抽采空白帶。

圖1 底抽巷扇形群孔分布Fig.1 Distribution of fan-shaped group holes in bottom gas drainage roadway

2 技術(shù)裝備

針對中小煤礦底抽巷定向鉆孔高效施工要求，對主機(jī)鉆進(jìn)性能、隨鉆測量系統(tǒng)傾角測量范圍、通纜鉆桿排渣能力和孔底馬達(dá)長度等方面進(jìn)行研究。

2.1 小型多方位定向鉆機(jī)

小型多方位定向鉆機(jī)外形如圖 2 所示。結(jié)合底抽巷狹窄巷道條件，鉆機(jī)整機(jī)寬度為 1 100 mm，主機(jī)與泥漿泵集成一體，適用于狹窄巷道運(yùn)輸和定向鉆進(jìn)施工。鉆機(jī)采用雙轉(zhuǎn)盤結(jié)構(gòu)，集成水平方位旋轉(zhuǎn)、上下提升、傾角調(diào)整和縱向橫向錨固等功能，調(diào)斜角度范圍為 0°～360°，方位角可調(diào)角度范圍為±90°，滿足底抽巷道全斷面鉆孔施工，并且可以快速調(diào)節(jié)開孔高度和傾角。鉆機(jī)采用機(jī)架縱向、橫向復(fù)合錨固結(jié)構(gòu)，在進(jìn)行深孔鉆進(jìn)時(shí)具有較高的穩(wěn)定性[5-7]。

圖2 小型多方位定向鉆機(jī)Fig.2 Small multi-directional oriented drilling rig

2.2 小尺寸孔底馬達(dá)

普通孔底馬達(dá)長度在 3.5 m 以上，通常情況下，底抽巷的寬度小于 4.0 m，不能滿足狹小使用環(huán)境的要求。針對馬達(dá)結(jié)構(gòu)特性，在保證原有馬達(dá)性能的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子螺旋曲線來縮短馬達(dá)整體長度，研制出滿足狹窄巷道定向鉆進(jìn)需求的長度為 2.5 m 的孔底馬達(dá)，同時(shí)達(dá)到孔底馬達(dá)使用壽命≥300 h 的要求。

2.3 高強(qiáng)度螺旋凹槽定向鉆桿

底抽巷施工過程中，鉆頭穿過巖層進(jìn)入煤層，煤巖交接處容易出現(xiàn)塌孔抱鉆，常規(guī)外平鉆桿排渣能力受限，無法繼續(xù)鉆進(jìn)。為此研制出螺旋凹槽定向鉆桿，利用凹槽碾壓大顆粒煤巖，刮切、排出鉆孔內(nèi)的巖煤粉，同時(shí)還具有足夠的抗扭強(qiáng)度，保證鉆進(jìn)正常進(jìn)行。高強(qiáng)度螺旋凹槽定向鉆桿如圖 3 所示，采用雙層結(jié)構(gòu)，以傳遞信號和輸送高壓水。

圖3 螺旋凹槽定向鉆桿Fig.3 Spiral-grooved oriented drilling rod

2.4 大傾角高精度隨鉆測量系統(tǒng)

底抽巷鉆進(jìn)施工斷面扇形孔，其開孔傾角范圍為0°～180°。近水平隨鉆測量系統(tǒng)傾角測量相對較小，進(jìn)行大于 70°的大傾角定向鉆進(jìn)施工時(shí)，傾角投影近似為點(diǎn)，測量精度低。從傾角、方位角、工作面角的換算方法，軌跡的計(jì)算方法，軟件操作流程和界面等方面進(jìn)行研究，開發(fā)了大傾角高精度隨鉆測量系統(tǒng)，可以直觀顯示鉆孔空間位置信息，如圖 4 所示[8]。

圖4 大傾角高精度隨鉆測量系統(tǒng)界面Fig.4 Interface of large-obliquity high-precision measurement system while drilling

3 底抽巷穿層定向鉆孔試驗(yàn)情況

本次試驗(yàn)選擇在河南具有典型代表性的底抽巷瓦斯治理礦井進(jìn)行。礦井底抽巷長度為 932 m，巷道寬B=3.8 m，高H=3.3 m，設(shè)計(jì)斷面面積約為 12 m2，上距煤層底板 10～20 m。巷道所在區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡單，總體呈單斜構(gòu)造，局部有小型褶曲發(fā)育，巖層傾角為8°～17°。該巷道煤層底板主要為砂巖，巖性穩(wěn)定，中間底抽巷所在區(qū)域煤層厚度為 4.0～8.5 m，平均為6.3 m。通過定向鉆進(jìn)底抽巷全斷面扇形群孔的試驗(yàn)，解決普通鉆機(jī)在底抽巷空白帶的難題，探索出一套底抽巷定向鉆進(jìn)技術(shù)工藝。

3.1 試驗(yàn)設(shè)備及配套鉆具

本次試驗(yàn)采用重慶煤科院研制生產(chǎn)的煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī)。該鉆機(jī)主要由 ZYWL-6500D 整體式小型多方位鉆機(jī)、φ76×1 500 mm 螺旋凹槽定向鉆桿、2.5 m 螺桿馬達(dá)、96 胎體式定向鉆頭和 ZSZ1500隨鉆測量系統(tǒng)等組成。

3.2 鉆孔方案設(shè)計(jì)

為了達(dá)到底抽巷穿巖煤層區(qū)段預(yù)抽消突中瓦斯治理效果，根據(jù)該礦實(shí)際情況，決定在 2700 中間底抽巷內(nèi)施工定向鉆孔。在 2700 中間底抽巷布置 1 個鉆場，鉆場距中間底抽巷切眼位置約 590 m。鉆場共需布置 17 個主孔，呈扇形布孔，如圖 5 所示。

圖5 底抽巷鉆孔布置示意Fig.5 Layout sketch of drilling holes in bottom gas drainage roadway

3.3 試驗(yàn)情況

試驗(yàn)過程中，根據(jù)鉆場布置的 17 個孔，選擇了具有代表性的 (依據(jù)傾角分布) 5 個孔，其中探測底板地質(zhì)鉆孔 1 個，定向穿層孔 4 個。除大傾角孔深度為 30 m，其余小傾角孔為中深孔，鉆孔數(shù)據(jù)如表 1 所列。

表1 鉆孔情況統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of drilling holes status

3.4 關(guān)鍵工藝技術(shù)

通過上述試驗(yàn)，定向鉆進(jìn)技術(shù)在底抽巷穿層中深鉆孔中成功應(yīng)用，解決了普通鉆機(jī)鉆進(jìn)偏斜造成抽采空白帶，消除區(qū)域防突措施不到位的安全隱患，形成4 項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，為狹窄巷道定向快速施工提供了一套方法[9-10]。

(1) 小傾角深孔定向鉆進(jìn)精準(zhǔn)見煤點(diǎn)技術(shù) 試驗(yàn)過程中，150 m 巖孔段終孔水平誤差值為 0.19 m，上下面誤差值為 0.05 m，確保了軌跡控制精度；1°、3°和 170°小傾角底板穿層鉆孔能夠按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工，精準(zhǔn)找到煤點(diǎn)，解決了普通鉆機(jī)不能覆蓋的抽采空白帶。

(2) 大傾角高精度隨鉆測量技術(shù) 開孔傾角為81°的定向孔鉆進(jìn) 30 m，其中前 23 m 為巖層鉆進(jìn)，進(jìn)入煤層后鉆進(jìn) 7 m，實(shí)鉆軌跡和設(shè)計(jì)保持同步，測量精度沒有受大傾角影響。

(3) 煤巖交接處破碎和碎軟煤層成孔技術(shù) 河南地區(qū)煤層普遍含有軟煤層，軟煤層f值僅為 0.3 左右，并且煤巖交接處易破碎。鉆孔進(jìn)入煤層前選擇合適的傾角，快速穿入煤層。螺旋鉆桿排渣優(yōu)于其他鉆桿，能順利穿過巖層，深入煤層十幾米，并且安全退鉆，成孔率較高，保證了后期瓦斯抽放。

(4) 狹窄巷道扇形群孔定向鉆進(jìn)技術(shù) 研制的雙轉(zhuǎn)盤多方位機(jī)架結(jié)構(gòu)，在狹窄的底抽巷環(huán)境中，開孔角度從 0°～180°任意調(diào)整，實(shí)現(xiàn)快速穩(wěn)固，同時(shí)減短孔內(nèi)軌跡調(diào)整的無效孔長度；螺桿馬達(dá)長度為 2.5 m，通纜鉆桿和無磁鉆桿均為 1.5 m，在寬度小于 4.0 m 的巷道內(nèi)裝卸毫無阻礙。

4 探索運(yùn)用

在河南地區(qū)，一般工作面斜長約為 200 m，可采走向長度約為 1 000 m，1 條底抽巷普通鉆機(jī)有效控制范圍為下幫 35 m 左右、上幫 40 m 左右 (且下幫鉆孔傾角不得小于 6°、上幫鉆孔孔深不得超過 70 m)。要想做到穿層鉆孔全覆蓋，底抽巷的間距不得大于 75 m，1 個工作面共需 3 條底抽巷，每條底抽巷至少 1 000 m長。

采用底抽巷定向穿層鉆進(jìn)，單孔設(shè)計(jì)深度在 100 m 內(nèi)，抽采半徑為 200 m，只需 2 條底抽巷即可達(dá)到工作面全覆蓋的效果，效率和成本上具有明顯優(yōu)勢，如圖 6 所示。

圖6 底抽巷設(shè)計(jì)對比Fig.6 Design comparison of bottom gas drainage roadway

5 結(jié)語

為替代普通鉆機(jī)深鉆孔施工，通過對定向鉆機(jī)關(guān)鍵技術(shù)的研究，形成了一整套底抽巷全斷面扇形群孔定向鉆進(jìn)技術(shù)，并在底抽巷穿層孔施工中應(yīng)用。該技術(shù)解決了小傾角中深鉆孔軌跡不可知、不可控、不易見煤的難題，有效消除了抽采空白帶的重大隱患，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)消突，為底抽巷優(yōu)化布置提供了一種新思路，最大限度發(fā)揮了底抽巷的作用，減少了底抽巷的巖巷工程量，緩解了煤與瓦斯突出礦井生產(chǎn)接替緊張的局面。