煤矿井下孔内事故可视处理技术在青龙煤矿的应用

褚志伟，杨伟锋，方 俊，刘 飞

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077）

煤矿井下随钻测量定向钻进技术具有钻孔轨迹可控、施工深度大、钻进效率高等优势，已广泛应用于煤矿井下瓦斯治理、水害防治和隐蔽致灾因素探查等领域[1-3]。基于随钻测量定向钻进技术，国内于2018 年施工了主孔深度2 311 m 顺煤层超长定向钻孔，创造了煤矿同类钻孔孔深的世界纪录[4-5]。

随着随钻测量定向钻进技术的广泛应用，煤矿井下定向钻孔施工深度逐渐加深，钻遇复杂地层的情况越来越多，各种孔内事故发生的概率也越来越高[6-8]。其中，钻具掉落是一种常见的孔内事故，发生的原因在于：①定向钻孔施工所应用的定向钻具组合接头多，孔内振动较大或接头丝扣损伤时，易发生钻具掉落事故；②定向钻孔扩孔施工时所使用的钻具组合级配较大，钻杆受力不均容易出现钻具断裂事故；③孔内发生卡钻事故，采用强力起拔和回转方式处理时易出现钻具断裂事故。

目前，煤矿井下主要采用打捞公锥、打捞母锥、螺旋式卡瓦打捞筒和蓝式卡瓦打捞筒等打捞工具打捞孔内掉落钻具，打捞过程不可视，无法准确地判断打捞前和打捞措施实施后孔内落鱼的情况，存在打捞措施盲目、打捞成功率低和易发生二次孔内事故等问题[9-10]。因此，提出了基于矿用钻孔成像仪的孔内事故可视处理技术，可为井下钻孔事故处理提供一种新的技术途径。

1 孔内事故概况

1.1 事故钻孔概况

事故钻孔位于青龙煤矿21601 轨道巷千米钻场，该钻场设计施工顺煤层空气定向钻孔7 个，设计孔深300 m，以覆盖待掘巷道及其两侧20 m 范围内瓦斯抽采区域。事故钻孔为B4#孔，设计在4#孔和5#孔之间，以覆盖2 个钻孔之间的瓦斯抽采盲区，4#钻孔轨迹剖面如图1，孔内落鱼位于主孔深度143 m 位置。

1.2 孔内落鱼概况

B4#孔终孔提钻过程中在孔深143 m 发生卡钻，经强力起拔、回转处理后铍铜下无磁钻杆断裂，断口不规则，上无磁断裂实物图如图2。孔内落鱼依次连接断裂铍铜下无磁断头、铍铜变径接头和空气螺杆马达，孔内落鱼示意如图3。

图2 上无磁断裂实物图Fig.2 The figure of upper drill pipe without magnetic

图3 孔内落鱼示意图Fig.3 The diagram of borehole drop fish

2 孔内事故可视处理技术

2.1 技术原理

孔内事故可视处理技术依托孔内成像装置，配套对应打捞工具，可以实现孔内事故处理的可视化，其技术原理为：事故处理前，利用孔内成像装置观察事故位置的基本情况；依据事故位置的成像分析情况，制定合理的事故处理方案；实施事故处理方案，如果不能完成事故的处理，利用孔内成像装置观察处理方案的实施情况，调整事故处理方案，直至成功处理孔内事故，如果完成事故的处理，则进行实施方案的总结。孔内事故可视处理技术原理图如图4。

图4 孔内事故可视处理技术原理图Fig.4 The diagram of visible technology for borehole accident

2.2 装置配套

2.2.1 孔内成像装置

孔内成像装置采用CXK12 矿用钻孔成像仪，该仪器采用先进的嵌入式技术，基于Android 系统进行软件开发，集钻孔图像采集与存储、视频采集与存储、钻孔轨迹测量、深度测量、图像展开与拼接等功能于一体，适用于煤矿井下恶劣条件下的各类钻孔检测，对钻孔进行全孔壁成像、录像，关键部位抓拍图片、局部放大等。

CXK12 矿用钻孔成像仪主要由孔内图像探头、彩色触摸显示器、数据传输线和推送杆组成，其技术参数为：①光照度：≥1 000 lx；②分辨率：≥700 Lines；③存储容量：≥32 G；④视频格式：MPEG-4；⑤连续工作时间：≥8 h。孔内成像探头用于探测钻孔内的图像信息；彩色触摸显示器用于实时显示孔内图像探头探测的图像信息，并可对图像进行录像，关键部位抓拍图片、局部放大处理；数据传输线用于将孔内图像探头探测的图像信息向彩色触摸显示器传输；推送杆用于向孔内下入孔内图像探头。

2.2.2 打捞工具

根据孔内落鱼情况，选用了公锥和母锥2 种打捞工具。

1）公锥。公锥是打捞作业中经常使用的工具，其螺纹表面硬度大于落鱼的钢材硬度，打捞原理为：公锥进入打捞落物内孔之后，加适当的钻压，并转动钻具，迫使打捞螺纹挤压吃入落鱼内壁进行造螺纹，当所造之螺纹能承受一定的拉力和扭矩时，可采取上提或倒扣的办法将落鱼全部或部分捞出[11-12]。

2）母锥。母锥打捞的原理与公锥基本一致，利用母锥可在落鱼外表面造扣，不损坏落鱼待打捞部位的丝扣及内部重要器件，可用于打捞通缆钻杆、上下无磁钻杆和探管外管，以及落鱼待打捞部位内径太小，公锥无法使用等情况[13-14]。

3 孔内事故可视处理现场试验

3.1 事故处理钻具组合

事故处理钻具组合如图5，从孔内向孔口依次连接打捞工具（公锥或母锥）、下无磁钻杆、无磁外管、上无磁钻杆、通缆钻杆、大通径风便等。其中，公锥用于处理落鱼前端铍铜断头，母锥用于打捞落鱼；有线随钻测量探管配套通缆钻杆实时测量和向孔口显示器传输钻孔轨迹数据，显示器实时显示钻孔轨迹，以保证事故处理钻具准确下入落鱼所在位置；大通径风便连接井下供风管路，向孔内钻具通风，清除孔内沉渣，并对打捞过程进行降温，防止孔内自燃。

3.2 事故处理流程

落鱼前端铍铜断头形状不规则，会引导打捞工具偏向落鱼一侧，阻碍公锥进入落鱼内部和母锥套住落鱼，基于此种情况制定了如下的处理流程：

1）铍铜断头处理。首先利用公锥将铍铜断头顶断，以保证后续打捞工具可以套住落鱼。处理流程为：向孔内下入公锥打捞钻具组合，至落鱼前3 m位置，向孔内通风以清除落鱼附近沉渣，之后缓慢向前送钻直至送到落鱼位置，慢速回转并加大给进压力直至无法向前送钻，退钻适当距离并多次重复上述操作，以保证铍铜断头被公锥顶断。

图5 事故处理钻具组合Fig.5 The diagram of accident handling drilling assembly

2）落鱼可视处理。利用公锥多次处理铍铜断头后，为了确认铍铜断头被顶断，计划向孔内下入钻孔成像仪。从孔内退出公锥打捞钻具组合，每退出3根钻杆冲孔1 次，清除孔内沉渣，以保证钻孔成像仪下入的顺畅。钻孔成像仪下入流程为：在孔口调试好钻孔成像仪，将孔内图像探头固定在推送杆前端；连接推送杆将孔内图像探头向孔内下入，每下入1根推送杆将数据传输线在推送杆上固定好；下入过程中，每隔10 m 确认1 次孔内图像探头是否工作正常；下入距落鱼前端1 m 位置，缓慢下入孔内图像探头，观察孔内情况，直至接近落鱼前端。

3）落鱼打捞处理。利用孔内成像仪确认铍铜断头被顶断后，向孔内下入母锥打捞钻具组合。母锥打捞钻具组合打捞流程为：将母锥下入至落鱼前3 m 位置，向孔内通风以清除落鱼附近沉渣，之后缓慢向前送钻直至送到落鱼位置，慢速回转并加大给进压力直至无法向前送钻（给和回转，退钻适当距离并重复上述操作，直至回转压力恢复正常，向钻具内供风，如果孔口观察到空气螺杆马达振动明显，说明打捞成功，提钻检查，否则重复此步骤。

3.3 事故处理结果

利用公锥处理铍铜断头后向孔内下入钻孔成像仪，顺利将其推送到落鱼位置，探测到的落鱼前端图像和视频信息，可以看出铍铜断头部分只留有一小段，具备利用母锥进行打捞的条件。因此，下入母锥打捞孔内落鱼，一次打捞处理便将落鱼成功从孔内打捞出来，捞出落鱼实物图如图6。

4 结 语

1）针对煤矿井下孔内事故处理存在不可视，处理措施盲目性等问题，提出了基于矿用钻孔成像仪的孔内事故可视处理技术，可视处理技术可在事故处理过程中对孔内情况进行辅助判断，提高孔内事故处理的成功率。

图6 捞出落鱼实物图Fig.6 The figure of the drop fish

2）将矿用钻孔成像仪成功应用于孔内事故处理中，获取孔内落鱼的图像和视频信息，人工推送距离达到143 m，满足孔内事故处理可视化的要求。

3）矿用钻孔成像仪采用人工推送的方式向孔内下入，下入深度有限，应研制采用钻杆推送方式的矿用钻孔成像仪，以满足深孔事故处理需要。