淮南礦區軟煤氣動定向鉆進技術與裝備研究及應用

田宏亮，陳 建，張 杰，程合玉，董瑞剛，杜利猛，劉德貴，管強盛

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

淮南礦區是我國高瓦斯礦區，位于大別山北緣高突瓦斯帶，區域構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造系。成煤期原始沉積環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4 MPa)，瓦斯含量高(6～10 m3/t)。受構造影響，煤層碎而軟，堅固性系數小(f=0.2～1)，煤與瓦斯突出危險性嚴重，上述特征構成了淮南煤田瓦斯賦存的特殊性，加之煤層群聯合開采，瓦斯治理難度極大。目前淮南礦區瓦斯治理模式主要是以保護層卸壓開采為核心，不具備保護層開采的，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]。但常規回轉鉆進方法軌跡不可控制，在鉆進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，存在一定的安全隱患，通常需要加密鉆孔或者鉆進補孔，影響施工效率，而且，加密鉆孔或者補孔在深孔段經常還會穿出煤層，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，瓦斯災害升級，安全生產管理對高瓦斯區域采掘政策性制約日益趨緊[8-9]。針對上述問題，中煤科工集團西安研究院有限公司與淮河能源煤業公司聯合攻關，采用氣動定向鉆進工藝施工順層定向長鉆孔實現“一孔兩消”[10-14]。

但在前期氣動定向鉆進工藝試驗中存在鉆機調角不便、鉆場適應性差的問題，為了提高鉆機的適應性，開發了窄體全斷面定向鉆機，并且具有遠距離遙控功能[15]；為了提高排渣效率，設計了全螺旋鉆具組合；針對氣動排渣粉塵大，原有除塵系統除塵效果差的問題，開發了多功能除塵泵車來解決除塵難題[16]。在裝備研發基礎上，研究了碎軟煤層雙動力復合強排渣技術和定向鉆孔長距離篩管完孔技術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性試驗，形成了適用于淮南礦區軟煤氣動定向成套技術與裝備。

1 主要裝備

針對淮南礦區煤層薄而軟、瓦斯大的特點，開發了ZDY6000LD(B)型全斷面遙控定向鉆機、?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、“子彈頭”導向定向鉆孔下篩管鉆具、礦用防爆空壓機和螺旋套銑打撈鉆具等井下碎軟煤層氣動定向鉆進成套裝備，利用壓力風驅動氣動螺桿鉆具帶動鉆頭回轉成孔，采用電磁波隨鉆測量系統獲取鉆孔空間軌跡信息，并通過調整螺桿鉆具工具面向角控制鉆孔軌跡，采用“復合鉆進穩斜-滑動定向糾偏-回轉排渣”相結合的鉆進工藝保證鉆孔在軟煤層中按設計要求鉆進?；茨系V區碎軟煤層氣動定向鉆進系統如圖1 所示。

圖1 軟煤氣動定向鉆進系統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

ZDY6000LD(B)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機是一款窄體式遙控定向鉆機，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，鉆機采用電液控制系統，最大遙控距離50 m，施工人員遠離孔口操作。相較于傳統定向鉆機，該鉆機緊湊化程度較高，其中整機最大寬度僅為1.1 m，開孔高度調節范圍大，主軸傾角在-90°～+90°范圍內無級調整，單次穩固鉆機即可施工同一巷道斷面內所有扇形孔，特別適合在工作面巷道內進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。鉆機具備無線遙控控制功能，在運輸及施工時，可使用遙控器無線控制鉆機，操作人員遠離工作面和鉆機，保障了操作人員的安全。行走、穩固、位姿等輔助功能全部實現液壓自動化，操作簡便、機動靈活性強。鉆機穩固機構采用雙大立柱形式，配合轉盤抱緊裝置穩固性能優異，滿足定向鉆進施工過程中所要求的強力起拔、回轉、套銑等多種極端工況。鉆機回轉及給進系統配套設計快、慢2 檔操作模式，可實現滑動定向鉆進、復合定向鉆進、套銑打撈等多種施工要求。動力頭通孔直徑達到115 mm，滿足多種規格定向鉆具及打撈鉆具的使用。

ZDY6000LD(B)型鉆機如圖2 所示，主要技術性能參數見表1。

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

表1 鉆機主要技術參數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計，排量5～10 m3/min，壓降為0.4 MPa，轉速最大165 r/min，轉矩可達256 N·m，滿足煤層和低堅固性系數巖層施工需要，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、壓風監測系統和油霧潤滑系統集成到一起進行整體布局，其中，除塵系統采用了兩臺射流式孔口除塵器，額定除塵風量為32 m3/min，除塵效率大于98%，壓風監測系統可實現對風壓風量的安全監測和應急狀況下對孔內進行注水降溫，油霧潤滑系統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的潤滑和降溫問題。該多功能除塵車集成了現場設備和線路，便于使用和維護，同時實現了無線遙控控制(遙控距離可達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

升級優化的礦用抗振電磁波隨鉆測量系統對供電電池進行了改進，提高了系統的待機時間，同時探管內設計了主動減振裝置，提高了探管的抗振能力，保障測量精度準確可靠，測量系統組成如圖5 所示。測量系統性能參數見表2。

表2 測量系統性能參數Table 2 Performance parameters of measure system

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

2 成孔工藝及關鍵技術

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，采用氣動定向鉆進工藝施工時，為了提高排渣效果和成孔率，根據螺旋鉆具排粉特征，必須結合回轉鉆進來實現。因此，氣動定向鉆進應以復合定向鉆進方式為主，滑動定向鉆進為輔[17]。

復合定向鉆進，壓風驅動氣動螺桿馬達帶動鉆頭自轉后，供風后待孔口正常返風，同時鉆機夾持鉆具公轉，實現鉆具和螺桿馬達的復合鉆進，共同驅動鉆頭破煤并加強排渣。

滑動定向鉆進，當鉆孔偏離設計時，調整螺桿工具面向角進行軌跡調整或糾偏。

復合與滑動結合，每定向鉆進3 m，需回轉掃孔排渣，待孔內鉆渣排凈后繼續定向鉆進，以此循環往復鉆進，確?？變软槙澈褪┕ぐ踩?。

2)施工流程

(1) 對孔位，?113 mm 鉆頭開孔回轉鉆進20～30 m。

(2) ?153 mm 鉆頭擴孔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據。

(4) 復合定向鉆進，若需要糾偏，則調整工具面，采用滑動定向鉆進，回轉排渣。

(5) 糾偏完成，繼續復合定向鉆進，直至設計孔深。

(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 成孔關鍵技術

針對淮南礦區軟煤氣動定向鉆進施工需要和技術特點，開發了碎軟煤層雙動力復合強排渣技術和定向鉆孔長距離篩管完孔技術。

1)碎軟煤層雙動力復合強排渣技術

淮南礦區碎軟煤層堅固性系數f普遍低于0.5，瓦斯壓力大，在鉆進過程中，受鉆具擾動、地層原位應力狀態改變等影響，容易發生鉆孔坍塌和孔內瓦斯壓力聚集，引發噴孔和大量煤渣聚集壓死鉆具[18]。雙動力復合強排渣技術通過大流量高壓力氣體推力和螺旋鉆具回轉產生的舉升力，在雙動力復合作用下高效排出孔內煤渣，保證鉆孔環空暢通，提高鉆孔成孔性。

(1)復合鉆進排渣技術。大流量高壓力氣體產生向外的推力，螺旋鉆具在鉆機帶動下回轉產生舉升力，鉆頭鉆進產生的煤粉在上述兩重動力的作用下，快速向外運移，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構，使整套鉆具組合復合鉆進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。針對氣動定向鉆進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行了結構優化，設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 個出氣道逐級承擔主排渣作用，實現多級排渣，排除卡鉆事故[19]。

(3)精準軌跡控制技術。軟煤氣動定向鉆進施工不僅要通過強排渣技術保證成孔，更重要的是要實現軌跡精準可控，達到瓦斯區域治理效果，為了兼顧兩者，提出了“復合鉆進穩斜+滑動定向鉆進糾偏+回轉排渣”的交互軌跡控制方法，確保鉆孔軌跡按設計要求沿煤層精準長距離延伸。

2)定向鉆孔長距離篩管完孔技術

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

圖7 導向可開閉鉆頭開閉狀態Fig.7 Schematic diagram of opening and closing state of the oriented openable bit

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

(2)下篩管?？砷_閉式鉆具下到設計深度后，開始從大通孔鉆具內通孔進行下篩管操作，篩管前端預裝有懸掛裝置，當篩管下到可開閉式導向鉆頭底部時會頂開鉸接裝置，此時懸掛裝置彈卡機構張開撐住孔壁，實現篩管固定。

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

3 現場試驗

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，行政區劃屬淮南市潘集區，1992 年11 月1 日建成投產，設計生產能力3.0 Mt/a，2006 年礦井核定生產能力為4.0 Mt/a，2008 年實施了技術改造及擴建工程,擴建后礦井生產能力為 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技術與裝備在淮南潘三煤礦1682(1)運輸巷定向鉆場開展了現場試驗。本次試驗的1682(1)工作面位于潘三礦東四采區，鉆場位于1682(1)運輸巷。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 煤層賦存穩定，總體上呈單斜狀，北高南低，煤(巖)層產狀190°～290°∠5°～10°。

3.3 鉆孔設計

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

3.4 鉆孔施工

試驗采用ZDY6000LD(C) 型全斷面遙控定向鉆機、?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、?73/82 mm 大通徑(內通徑40 mm)螺旋鉆桿等成套氣動定向鉆進裝備，采用“復合排渣+滑動定向”相結合的鉆進工藝，先后完成16 個240 m 以上鉆孔，一個試驗孔，總進尺4 548 m，平均煤層鉆遇率93.1%，鉆孔施工情況統計見表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行連抽監測，截至2021年3 月對鉆孔該鉆場的抽采情況進行了集中監測統計，通過對抽采甲烷濃度、瓦斯混合量和純量的甲烷統計和分析發現：統計期間鉆孔平均抽采體積分數60%，最大達到81%；抽采混合量基本維持在1.5 m3/min，最大可達2.7 m3/min；抽采純量平均值為0.9 m3/min，最大1.56 m3/min，統計期間累計抽采瓦斯量17.4 萬m3。抽采濃度統計曲線和抽采純量統計曲線如圖10 所示。

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

4 結論

a.形成了一套適用于淮南礦區軟煤順層氣動定向鉆孔施工技術和裝備，該技術和裝備能實現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，為淮南礦區軟煤區域瓦斯治理提供了一種安全高效的技術保障。

b.針對淮南礦區軟煤順層鉆孔施工難題，開發了ZDY6000LD(C)型全斷面遙控定向鉆機、?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裝備，采用“復合鉆進穩斜+滑動定向糾偏+回轉排渣”相結合的鉆進工藝在淮南潘三煤礦進行了現場試驗，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技術與裝備，適用地層條件：煤層厚度≥2.0 m、堅固性系數f≥ 0.4、孔深≤500 m。

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