煤矿井下碎软煤层空气复合定向钻进技术与装备

方 俊,刘 飞,李泉新,褚志伟

(中煤科工集团西安研究院有限公司,陕西 西安 710077)

针对碎软煤层瓦斯高效抽采与治理已成为制约煤矿安全高效生产的关键技术瓶颈问题,在分析碎软煤层顺层钻孔钻进关键技术难题的基础上,提出采用空气复合定向钻进技术与装备进行碎软煤层钻孔施工的技术方案,介绍了其技术原理与技术优势,开发了复合定向钻进技术、顺煤层长距离成孔技术和复合强排渣技术,选配了矿用空压机和孔口除尘器,研制了空气螺杆马达、空气流量与压力监控系统、配套钻具等钻进装备。在贵州省青龙煤矿开展了现场试验,在普氏系数为0.37的碎软突出煤层中,完成5个定向钻孔和2个定向主分支孔施工,最大孔深385 m,总进尺3 014 m,最大单孔瓦斯抽采纯量超过1 500 m3/d,取得了碎软煤层定向钻孔成孔深度和瓦斯抽采效果的重大突破。空气复合定向钻进技术与装备可在工作面圈闭之前对碎软煤层瓦斯进行超前区域递进式抽采治理,掩护巷道掘进和工作面回采,具有钻孔施工周期短、成本低、瓦斯抽采效果好等显著优势,可对革新井下碎软煤层瓦斯治理模式、助力煤矿企业降本增效提供技术参考。

关键词碎软煤层;瓦斯抽采;空气复合定向钻进;钻进装备

中图分类号TD421

文献标志码:A

文章编号:0253-2336(2019)02-0224-06

Air compound directional drilling technology and equipment for soft-fragmentized seam underground coal mine

FANG Jun,LIU Fei,LI Quanxin,CHU Zhiwei

(Xian Research Institute,China Technology & Engineering Group Corp.,Xian 710077,China)

Abstract:The efficient gas drainage and treatment of soft-fragmentized coal seam has become the key technical bottleneck restricting the safe and efficient production of coal mine.On the basis of analyzing the key technical problems of deep borehole drilling in broen soft coal seam,this paper puts forward technical scheme of soft-fragmentized coal seam borehole construction with air compound directional drilling technology and equipment,the principle and advantages of air compound directional drilling technology is introduced.The technology of compound directional drilling,long distance drilling along the coal seam and compound slag-off are developed,and the mine air compressor,air screw motors,air flow and pressure monitoring system,borehole dust remover and matching drilling tools are also developed and selected.In Qinglong Coal Mine,Guizhou Province,the field test is carried out.In the soft-fragmentized coal seam with the PRI hardness coefficient of 0.37,five directional boreholes and two directional main branch boreoles are completed.The maximum borehole depth is reached 385 m,the total footage is 3 014 m,and the maximum gas drainage puriy of single borehole exceeds 1 500 m3/d.A major breakthrough of the directional borehole depth and gas drainage effect in the broen soft coal seam is obtained.The air compound directional drilling technology and equipment can be used to control the soft-fragmentized coal seam gas before the working face trap,in this way to cover the roadway driving and the working face recovery,which has the obvious advantages of short drilling period,low cost and good gas drainage effect.It provide technology reference to change the gas management model in soft-fragmentized coal seam,and also can help coal mine enterprises reduce costs and increase efficiency.

Key words:soft-fragmentized coal seam;gas extraction;air compound directionel drilling;drilling equipment

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方 俊,刘 飞,李泉新,等.煤矿井下碎软煤层空气复合定向钻进技术与装备[J].煤炭科学技术,2019,47(2):224-229.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.036

FANG Jun,LIU Fei,LI Quanxin,et al.Air compound directional drilling technology and equipment for soft-fragmentized seam underground coal mine[J].Coal Science and Technology,2019,47(2):224-229.doi:10.13199/j.cnki.cst.2019.02.036

收稿日期2018-09-22;

责任编辑:赵 瑞

基金项目国家科技重大专项资助项目(2016ZX05045-003)

作者简介方 俊(1985—),男,湖北谷城人,助理研究员,博士研究生。E-mail:fangjun@cctegxian.com

0 引 言

我国煤矿区内煤层赋存地质条件复杂,瓦斯含量高、煤体结构碎软、透气性低的碎软煤层在我国淮南、淮北、贵州、阳泉等地区分布广泛[1-2]。瓦斯抽采钻孔施工是制约碎软煤层矿井瓦斯高效治理和安全高效生产的关键技术瓶颈,国内外先后尝试了异形钻杆排渣钻进[3-4]、中风压空气钻进[5]、雾化钻进[6]、泡沫钻进[7]、螺旋钻杆高转速钻进[8]等多种施工工艺,但由于碎软煤层中易出现喷孔、塌孔和卡钻等孔内事故[9-10],长钻孔成孔率低,易存在抽采盲区和空白带。同时,国内采用清水作为钻进循环介质,在碎软煤层中开展了大量顺煤层定向钻进试验,均未获得成功[11];只能采用梳状定向钻孔进行瓦斯抽采,但由于其在煤层中延伸距离较短,抽采效果待提高。

受现有技术与装备限制,目前国内主要综合采用底抽巷[12]、穿层钻孔[13]和顺煤层对穿钻孔[14]进行碎软煤层瓦斯治理,即先在待掘煤巷下部施工底抽巷,然后在底抽巷内施工穿层钻孔,对待掘煤巷影响区内瓦斯进行抽采治理;煤巷掘进完成,工作面圈闭后,再施工顺煤层对穿钻孔,进行工作面区域消突。但是底抽巷掘进周期长、成本高;穿层钻孔覆盖范围小,有效孔段短;顺煤层对穿钻孔孔深浅、轨迹不可控制,导致现有技术的瓦斯治理工程量大、成本高、抽采消突周期长,不能满足碎软煤层瓦斯精准区域高效抽采的需求[15]

针对现有技术在碎软煤层顺层钻孔成孔深度和轨迹控制精度等方面存在的局限性,提出空气定向钻进技术方案,即采用矿用空压机压风作为动力源驱动空气螺杆马达,配套使用异形定向钻具,实现碎软煤层顺层钻孔定向钻进。研究开发了适用于碎软煤层顺层钻孔施工的空气复合定向钻进技术与装备,并在贵州省青龙煤矿16号煤层开展了现场试验,探索解决复杂瓦斯地质条件下碎软煤层高效成孔难题,提高碎软煤层钻孔深度和钻孔轨迹控制精度,进而提高瓦斯抽采效果,实现精准区域高效抽采,降低煤矿瓦斯治理周期和成本。

1 碎软煤层顺层钻进关键技术难题

1.1 钻孔易塌孔

碎软煤层在形成过程中遭遇多期次的地质构造作用,导致机械强度低、煤体结构劣化,在碎软煤层钻孔施工过程中,受地应力、瓦斯压力、钻具扰动等影响[16-17],孔壁容易发生局部变形塌孔和孔内瓦斯聚集,继而诱发喷孔和钻孔结构性破坏,大量煤渣抱死钻具,导致卡钻、埋钻事故的发生。

1.2 钻孔轨迹不可控

目前,碎软煤层采用回转钻进技术进行钻孔施工,利用“试错法”确定钻孔的开孔倾角和开孔高度,以确保钻孔轨迹沿煤层延伸,如图1所示,但由于回转钻进时钻孔轨迹不可控,钻孔轨迹易因自然造斜进入顶底板而提前终孔,尤其是对于倾角起伏变化较大的煤层,无法保证钻孔轨迹在煤层中有效延伸,造成钻孔煤层孔段占比低,瓦斯抽采效果差。

图1 常规回转钻进成孔示意
Fig.1 Schematic diagram of borehole forming in rotary drilling

1.3 钻孔排渣不畅

碎软煤层钻孔塌孔、喷孔后,产生大量煤渣,超过正常钻进理论排渣量的数十倍,需要长时间强化排渣。目前,碎软煤层钻进时主要采用井下管道系统压风排渣和螺旋钻杆机械排渣,但井下管道系统供风压力小、供风流量不稳定,不能满足连续、高效排渣需要;螺旋钻杆机械式排渣冷却效果差,易产生干磨,存在着火风险[18]

2 空气复合定向钻进技术

2.1 技术原理

针对碎软煤层顺层钻进关键技术难题,提出采用空气复合定向钻进技术进行顺层钻孔施工,即利用煤矿井下矿用空压机输出的中压空气作为定向钻进的动力介质和排渣介质;利用随钻测量系统进行钻孔轨迹参数的实时测量;利用定向钻机在孔口提供工具面调整与制动、回转、给进起拔动力;利用中风压气体驱动空气螺杆马达进行钻孔轨迹调控,实现定向钻进过程,确保钻孔沿设计轨迹延伸;利用孔口除尘装置实现高效除尘作业。

钻进过程中,矿用空压机提供的中风压空气沿钻杆内通孔到达孔底,在空气螺杆马达出入口形成一定的压差,驱动空气螺杆马达转子旋转,并通过万向轴和传动轴将转矩和转速传递给钻头,破碎煤层,实现定向钻进。钻进用空气从定向钻头风眼处释放,压力降低、体积迅速膨胀,携带走大部分热量,冷却钻头,并将孔内煤渣高效清理出钻孔。

2.2 复合定向钻进技术

目前煤矿井下主要采用滑动定向钻进技术进行施工,即定向钻进时,钻杆不回转滑动向前推进,螺杆马达在孔底局部回转进行钻进碎岩,存在排渣效果差、孔壁弯曲曲率大、钻进阻力大等不足。

考虑碎软煤层中定向钻孔轨迹调控和大量排渣需要,设计采用复合定向钻进技术施工。复合定向钻进技术包括滑动定向钻进和复合钻进2种形式,关键是把握滑动定向钻进与复合钻进的转换时机:当钻进地层不稳定,或实钻轨迹与钻孔设计轨迹偏差不大时,可采用复合钻进形式,即利用孔口定向钻机回转异形钻杆并向孔内定向钻具串施加钻压进行钻进,回转速度为30~50 r/min;否则孔口定向钻机不回转异形钻杆,仅向孔内定向钻具施加钻压进行滑动定向钻进,将定向孔轨迹纠正至与设计轨迹相符。

2.3 碎软煤层顺层长距离成孔技术

针对煤层起伏变化导致钻孔易穿出煤层的问题,开发了煤层顶板主动探查技术和侧钻开分支孔技术,保证定向钻孔长距离沿煤层延伸。

煤层顶板主动探查技术是指钻进过程中,每隔一定距离(50~80 m),主动增大钻孔倾角向煤层顶板施工,根据不同探顶点的坐标值,计算出煤层倾角。

侧钻开分支技术是指当探查到煤层顶板后,后退一定距离,然后施工分支孔,确保钻孔回到煤层中钻进。碎软煤层中侧钻开分支宜采用低速磨削分支法进行施工,即:将钻头下至预留分支点,将空气螺杆马达的工具面向角调至180°左右,开启空压机供风并缓慢钻进(机械钻速2~4 m/h),直到开出新的分支孔。

2.4 复合强排渣技术

碎软煤层钻进产生的钻屑数量巨大,钻屑易沉积,尤其是在钻孔轨迹下“凹”孔段或局部扩径孔段,极易发生沉渣卡钻事故。

复合强排渣技术是指在利用中风压空气给钻屑施加一个轴向推力的同时,利用钻机回转异形钻杆,使钻屑受到切向力作用;在轴向力的作用下钻屑向孔口运动;在切向力的作用下钻屑有绕钻杆作圆周运动的趋势并垂直于钻杆在孔内上下翻滚,减少了沉积在孔壁下侧的钻屑,使其在钻孔环状间歇的分布趋于均匀,有利于空气顺利将钻屑排出孔外。同时钻杆回转对钻屑具有磨削作用,可以磨碎大颗粒钻屑、降低钻屑颗粒粒径,提高排渣效果。

空气复合定向钻进过程中,当采用滑动定向钻进时,钻杆不回转,利用空气正循环进行排渣,单根钻杆钻进结束后,再回转钻杆进行复合强排渣;当采用复合钻进时,钻杆回转进行复合强排渣。

2.5 技术优势

空气复合定向钻进技术具有以下技术优势:

1)空气钻进对碎软煤层孔壁结构的冲刷和扰动较小,孔内为气固两相流,瓦斯的解吸释放通道顺畅,煤层解吸的瓦斯能及时随空气排出孔外,减少瓦斯聚集和压力激增诱发的喷孔,有效防止卡钻、埋钻事故的发生。

2)采用空气和钻杆机械复合强排渣模式,能有效清洁孔内环境,避免钻孔沉渣,降低钻进阻力,提高钻孔深度,确保碎软煤层钻进安全。

3)复合定向钻进工艺技术既有滑动定向钻进轨迹精确调控的优点,又有复合钻进高效快速、轨迹平滑、排渣通畅的优点,适用于碎软煤层定向钻孔施工。

3 空气复合定向钻进装备

碎软煤层空气复合定向钻进装备主要由定向钻机、矿用空压机、空气螺杆马达、随钻测量系统、定向钻杆、定向钻头、空气流量与压力监控系统、孔口除尘器等组成。

3.1 定向钻机

定向钻机用于提供给进、起拔和回转动力、夹持和拧卸孔内钻具、克服螺杆马达钻进反转矩等,目前已实现定向钻机系列化。与现有清水钻进相比,空气复合定向钻进对定向钻机存在以下特殊要求:①空气定向钻进时不需要冲洗液,因此定向钻机不需要配套泥浆泵或泥浆泵车;②碎软煤层中定向钻孔成孔深度相对较浅,应根据矿井巷道条件尽量选择窄体小型化定向钻机;③异形定向钻具外径略大,钻机夹持器应可偏转或快速拆卸,以便于粗径定向钻具的拆卸安装。

3.2 矿用空压机

由于空气螺杆马达钻进要求的风压风量均较高,矿井管路系统供风不能满足钻进需要,需要采用矿用空压机进行供风。为确保深孔钻进和排渣需要,要求矿用空压机的额定风压为1.25 MPa,额定排量大于17 m3/min。为保证施工安全,采用螺杆式矿用空压机,并具有防爆保护、常规电气保护、超温自动停机保护、双重超压保护、油过滤器阻塞保护、油气分离器阻塞保护等装置和功能。矿用空压机使用时,应布置在进风巷中,保证通风状况良好,利用大直径输风管路将空气输送至钻场。

3.3 空气螺杆马达

空气螺杆马达是进行碎软煤层定向钻进轨迹控制的关键,如图2所示。相对于清水钻进,空气钻进的流量大、冷却效果差;相对于地面空气钻进,煤矿井下供风能力差,钻具直径和长度小,使用寿命要求高;因此空气螺杆马达采用多级多头结构,并设计气密封性能好的定转子马达线型,确保低压力启动,满足大风量工作需要;设置油润滑密封装置,提高钻具冷却效果。同时在定子外壁上铣洗有螺旋槽,在弯外管处设置有耐磨衬垫,提高近钻头的排渣能力和碎软煤层中轨迹调控能力。

图2 空气螺杆马达实物及室内测试
Fig.2 Physical and indoor testing of air screw motor

3.4 随钻测量装置

随钻测量装置主要用于施工过程中定向钻孔轨迹的随钻监测,可选用有线和电磁波无线2种测量装置,其中矿用电磁波随钻测量装置采用电磁波无线信号传输方式,信号传输通道为钻杆柱和煤系地层,与各种钻杆均能配合使用,不需要特制的通缆钻杆,提高了定向钻进用钻杆强度。矿用有线随钻测量装置采用防爆计算机为孔内探管供电,通过通缆钻杆进行信号传输,实现钻孔轨迹随钻测量,信号传输速度快,工作时间长、稳定性好。

3.5 定向钻杆

定向钻杆应与选用的随钻测量系统配套使用,当采用矿用有线随钻测量系统时,可选用通缆钻杆作为定向钻杆,优选整体式螺旋型通缆钻杆。当采用电磁波无线随钻测量系统时,为提高碎软煤层排渣效果,可选择螺旋钻杆、三棱钻杆、三棱螺旋钻杆等异形钻杆作为定向钻杆,并尽量选用大通孔的异形钻杆,以降低钻进风力损耗。

3.6 定向钻头

定向钻头用于钻进碎岩,可选用胎体式PDC定向钻头,提高钻头直径,增大钻杆与孔壁之间的环空间隙,提高钻孔内排渣效果;优化钻头水眼和切削齿的布置,减少对孔壁的扰动,及时冷却钻头;保径采用硬质合金或聚晶金刚石,并设计为窄翼结构,提高钻头的侧向切削能力和整体排渣效果。

3.7 空气流量与压力监控系统

空气流量与压力监控系统由流量计、泡沫发生装置、管路、支架等组成,如图3所示,主要用于监测控制钻进风压、风量,利用泡沫发生装置,将高压空气与泡沫液混合产生泡沫,可起到降低孔口粉尘、提高排渣能力和辅助冷却钻具等多种作用。

图3 空气流量与压力监控系统
Fig.3 System of air flow and pressure monitoring

3.8 孔口除尘装置

孔口除尘器主要用于清除孔口返风中的泡沫和钻屑,避免钻场空气污染,如图4所示。该除尘器利用矿井管路系统供风作为动力,基于气水射流原理,负压主动抽吸除尘;处理后含瓦斯空气由负压抽排管路抽走,实现钻场无害排放。

图4 孔口除尘装置
Fig.4 Borehole dedusting device

4 现场试验及结果分析

4.1 矿井基本情况

青龙煤矿位于黔北煤田中部,区域内地质构造复杂,整体上处于北东向的格老寨背斜的北西翼,发育多组逆断层,由于构造圈闭条件好,有利于瓦斯储存,因此煤层瓦斯含量较高,且矿井煤层机械强度低,透气性差,游离态和吸附态的瓦斯不容易释放。

青龙煤矿属于煤层群开采,主要可采煤层为二叠系上统龙潭组16、18号煤层,17号煤层局部可采,全矿井相对瓦斯涌出量平均47.79 m3/t,绝对瓦斯涌出量平均67.43 m3/min,为煤与瓦斯突出矿井。试验煤层为二采区16号煤层,平均可采厚度2.88 m,瓦斯含量19.88 m3/t,最大瓦斯压力达到1.73 MPa,普氏系数0.37。

4.2 钻场与钻孔设计

现场试验位于21606轨道巷北段钻场,空压机布置在离钻场100 m的主进风巷联络巷内。试验钻孔类型为工作面超前区域预抽定向钻孔,设计孔深300 m,间距10 m,钻孔直径108 mm;套管下入深度15 m。

4.3 钻场施工

现场试验采用的钻进装备主要有ZDY6000LD(FA)定向钻机、MLGF17/12.5-132G型煤矿用螺杆式移动空气压缩机、ø73 mm空气螺杆马达、YHD2-1000(A)矿用有线随钻测量装置、通缆钻杆等。

现场试验实际施工38天,共完成5个碎软煤层定向钻孔和2个主分支孔施工,累计进尺3 014 m,试验钻孔详细信息见表1,实钻轨迹平面如图5所示。实钻最大孔深达到385 m(图6),该钻孔最低垂深-12.52 m,落差达到13 m以上,但排渣顺利,钻孔轨迹全部在煤层中延伸。

表1 试验钻孔孔深统计
Table 1 Statistics of test borehole depth

钻孔编号孔深/m进尺/m终孔原因1340667达到设计孔深2385499达到设计孔深33823-1352775达到设计孔深达到设计孔深4103223局部煤层变薄52955-1292850钻遇断层破碎带钻遇断层破碎带

图5 试验钻孔实钻轨迹平面
Fig.5 Drilling trajectory plan of test borehole

图6 2号钻孔轨迹剖面
Fig.6 Profile of No.2 borehole trajectory

4.4 瓦斯抽采效果

钻孔施工完后提钻,下入护孔筛管,然后采用高负压抽采系统进行瓦斯抽采,并运送至地面进行发电利用。试验钻孔瓦斯抽采体积分数达到80%,平均单孔瓦斯抽采纯量超过1 m3/min,最大单孔瓦斯抽采纯量超过1 500 m3/d,试验钻孔已连续抽采超过5个月,瓦斯抽采纯量稳定、衰减慢,抽采效果良好。

5 结 论

1)针对碎软煤层顺层钻孔施工难题,开发了空气复合定向钻进技术,选配了矿用空压机和孔口除尘器,研制了ø73 mm小直径空气螺杆马达、空气流量与压力监控系统、配套钻具等钻进装备,并在贵州青龙矿进行了现场试验,最大钻孔深度达到385 m,最大单孔日瓦斯抽采纯量超过1 500 m3,显著提高了碎软煤层瓦斯抽采钻孔深度、成孔率和抽采效果,满足碎软煤层定向钻进的需要。

2)顺层定向钻孔是碎软煤层高效瓦斯抽采的良好技术途径,具有施工成本低、瓦斯抽采效果好、抽采达标周期短、可超前区域抽采治理等优点,具备安全、经济、环保等多重效应,对于革新煤矿井下碎软煤层瓦斯治理模式,缩短碎软煤层工作面准备时间具有积极作用。

3)为提高碎软煤层瓦斯抽采效果,可以开展电磁波随钻测量空气定向钻进技术和大直径筛管下放技术研究,提高钻孔成孔深度和孔壁稳定性;并可将定向钻孔与增透改造技术结合,提高钻孔的覆盖面积和瓦斯抽采效果。

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