软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备

张 杰，王 毅，黄寒静

软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备

张 杰，王 毅，黄寒静

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

针对软煤钻进成孔深度浅、钻孔轨迹不可控、易出现瓦斯抽采盲区等问题，发明了气动螺杆钻具定向钻进技术，开发了由气动螺杆钻具、窄体定向钻机、随钻测量系统等组成的煤矿井下气动定向钻进技术装备。其中，气动定向钻进工艺和完孔技术，解决了松软煤层顺层定向钻孔长距离安全成孔和可靠护孔难题。在淮南某矿进行试验，试验钻孔30个，最大孔深300 m，平均见煤率92.9%，并全孔段安设筛管；钻孔抽采瓦斯纯量32万m3，试验区域煤巷平均掘进效率9.3 m/d，实现覆盖区域煤层安全高效回采。该技术的成功研发探索出软煤横穿工作面递进式瓦斯治理新模式。

软煤；瓦斯治理；气动螺杆钻具；定向钻进；筛管完孔；淮南

高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井占我国煤矿总数的三分之一左右，其中约60%的开采煤层属于松软、低渗煤层，典型的两淮、平煤、焦作、阳泉等矿区以及六盘水含煤区都广泛分布着松软煤层。长期以来，松软低渗煤层瓦斯治理是诸多矿井安全高效生产面临的最大障碍之一。

井下钻孔抽采一直是瓦斯治理最有效的技术手段，但在松软煤层中钻进存在喷孔、塌孔严重、卡钻事故多、成孔难等系列问题[1-6]。液动螺杆钻具定向钻进工艺由于高压水冲刷孔壁而成孔难，中风压空气钻进技术优势明显，较水对煤层冲刷小、渗透性弱，在煤层裂隙内“冲刷”作用不明显，有利于松软煤体孔壁稳定。但井下顺层钻孔仍不能完全满足松软煤层瓦斯高效抽采需要，最根本的原因是常规钻进轨迹不可控，顺煤层长距离延伸难，容易进入顶底板，无法保证成孔率；此外，钻孔轨迹不可控制且无法测量，易形成瓦斯抽采空白带和治理盲区，存在严重安全隐患[7-9]。

因此，结合中风压钻进技术和液动螺杆钻具定向钻进技术优点[10-12]，开发气动螺杆钻具定向钻进技术与装备，以实现松软煤层钻进轨迹可控且能够顺煤层长距离延伸，适应薄煤层、起伏煤层钻进成孔，提高成孔率、消除治理盲区，实现松软煤层瓦斯高效治理的目的。

1 技术原理

根据松软煤层顺层定向钻孔施工需要，以工作面巷道为钻场，利用窄体定向钻机垂直工作面进行施工，采用气动螺杆钻具为孔底动力钻具，配套随钻测量系统进行定向钻进，从而使瓦斯抽采钻孔沿松软煤层延伸并覆盖工作面和待掘巷道，钻孔成孔后采用筛管完孔，钻具实现全孔段安设筛管[10]。

采用井下防爆空压机或制氮机作为动力源，提供压缩空气(氮气)作为动力介质和排渣介质，压缩空气通过供风管路和钻杆到达孔底后，驱动气动螺杆钻具回转从而带动钻头回转，实现对孔底煤体的切削破碎；同时，压缩气体将运转和钻进过程中产生的热量带走，并将孔内产生煤渣沿钻具与孔壁之间环空间隙排出孔外[13-14]。

钻进完成后，提出定向钻具，重新下入筛管完孔钻具，然后通过钻杆内部安设护孔筛管，最后提出钻具，筛管留在孔内并封孔，最终实现定向顺层钻孔的可靠护孔和有效利用。

2 钻进装备

2.1 气动螺杆钻具

研制出适用于煤矿井下松软煤层钻进用小直径气动螺杆钻具，气动螺杆钻具直径ø73/82 mm，螺杆马达外管为螺旋结构，提高软煤排渣效率，芯杆直径ø73 mm，螺旋结构外径ø82 mm，转矩256 N·m，转速165 r/min，满足回转复合钻进和滑动定向钻进工艺要求，填补了国内外空白[15]。该钻具性能参数见表1。

图1 气动螺杆钻具实物

表1 气动螺杆钻具性能参数

2.2 巷道“T”型窄体定向钻机

适用于狭窄巷道内垂直巷道施工的ZDY4000 LD(B)型窄体定向钻机(图2)，采用“T”型前挂机身、转盘多角度调节、窄机身结构，该钻机体积小、能力大，其开孔倾角、开孔方位和开孔高度均可根据需要调节，解决了常规定向钻机不适合垂直巷道施工、需开拓专用钻场的难题。钻机性能参数见表2。

图2 ZDY4000LD(B)型窄体定向钻机

表2 ZDY4000LD(B)窄体定向钻机性能参数

2.3 气动电磁波随钻测量仪器

根据气动螺杆钻具钻进施工需要，改造设计低压气体检测装置、流量开关和减振装置，研制出气动螺杆钻具定向钻进用电磁波随钻测量系统。该系统由测量探管、孔口装置和无磁钻杆等部分组成(图3)。测量系统的电池采用智能管理技术，通过压力检测智能控制仪器休眠或工作，降低电源电量消耗，工作时间由原来连续工作80 h延长为260 h。探管内设计主动减振装置，抑制振动振幅，减小钻进时对仪器的振动，保证测量精准，抗振能力由一般抗振设计要求的8 g提升为24 g。测量系统性能参数见表3。

图3 电磁波随钻测量系统

表3 电磁波随钻测量系统性能参数

2.4 配套软煤钻具

针对松软煤层压风钻进特点，对气动螺杆定向钻具进行配套研制和选型。其中，外径ø82 mm大通孔整体螺旋钻杆(图4)满足定向钻进和筛管完孔需求，外螺旋结构有利于排渣，大通孔结构减少风阻，同时能够实现钻杆内下筛管。

图4 ø82 mm整体螺旋钻杆

钻头采用ø108 mm定向钻头(图5)，合理钻具级配，有利于钻进排渣；通过优化钻头水眼和切削齿的布置，利于钻头冷却、保径并减少孔壁扰动，满足定向钻进施工和开分支工艺要求。

图5 ø108 mm定向钻头

2.5 空压机/制氮机

由于气动螺杆钻具钻进要求的风压风量均较高，因此，采用井下防爆空压机或制氮机进行供风。为确保深孔钻进和排渣需要，采用矿用空压机的额定风压为1.25 MPa，额定排量17 m3/min。

微课教学是指利用网络平台进行学习，该教学方法多选择内容丰富且较短的教学视频，可以更好的扩充学生的知识储备，提高学生的学习积极性。微课教学主要依赖于互联网，不仅打破原有教学方法时间与空间上的限制，同时还可以加强教师与学生、学生与学生之间的交流和互动。

3 软煤定向钻进成孔与护孔工艺

3.1 定向成孔工艺

气动螺杆钻具定向钻进不同于液动马达定向钻孔施工，在松软煤层钻进过程中，由于煤层松软破碎、钻渣较多，为保证排渣和成孔效率，采用复合钻进与滑动定向钻进相结合的方式，其中以复合钻进方式为主、滑动定向纠偏为辅的施工方法。

a.复合钻进 钻进时，钻机带动钻杆回转，同时孔内压风驱动气动螺杆钻具运转，从而带动钻头回转(图6a)。此时，在整体式螺旋钻杆螺旋翼片搅动作用下，提高排渣效果，确保孔内畅通。

仿真分析表明，细颗粒煤粉，其沉渣程度主要受风量影响；一定直径大颗粒煤粉，沉积程度受风量和转速双重影响。当风量为600 m3/h时，转速达80 r/min才没有沉渣；当风量为350 m3/h时，转速达120 r/min才没有沉渣；当风量为300 m3/h时，转速120 r/min时，底部有少量沉渣。因此，采用复合钻进回转速度60~120 r/min，是液动螺杆钻具复合钻进转速的两倍甚至三倍以上。为保证排渣效果，减少煤粉沉积，风量要求达到350 m3/h以上。

复合钻进时，由于螺杆钻具工具面随着钻杆回转不断变化，在一定给进压力和速度下，钻具不起造斜作用，钻孔大致沿原轨迹方向延伸；当采用较快的给进速度时，由于煤层堆积和支撑作用，会出现倾角上升；给进很慢时，由于充分排渣，在自重作用下会有一定降斜效果。

b. 滑动定向钻进 当钻孔偏离设计轨迹时，采用滑动定向钻进方式钻进施工，即通过调整气动螺杆钻具工具面来进行轨迹调整或纠偏(图6b)。为了保证充分排渣，不造成堆积及不返风情况出现，一般滑动定向钻进3 m后需要回转排渣，再进行滑动定向钻进，如此依次循环钻进。定向纠偏完成后，则停止滑动定向钻进，更换复合钻进方式钻进。

滑动定向钻进时，钻杆不回转，煤粉依靠压风向孔外排出，要求保证大风量减少沉积，确保一定的排渣能力，风量应达到600 m3/h以上，当风量低于350 m3/h时，应当充分回转扫孔排渣，确保孔内顺畅和施工安全。

图6 复合钻进与滑动定向钻进工艺原理

3.2 筛管完孔工艺

针对松软煤层筛管护孔问题，主要存在筛管完孔钻具在坍塌钻孔能否沿主孔轨迹顺利下入及筛管防堵塞两方面难题。为了防止二次下入开出新分支孔，研制设计了“子弹头”形可开闭式导向钻头，保障钻具重入；针对圆筛管易堵塞难题，研究煤粉特性，开发了缝宽2 mm×缝长30 mm割缝筛管，在同等过流面积条件下，煤粉通过量仅为常规圆眼筛管的1/10，解决传统常规的圆形筛眼因煤粉堵塞抽采通道影响抽采效率的问题。

下筛管钻具组合：ø89 mm可开闭式导向钻头+ ø73/63.5 mm整体式大通孔螺旋钻杆。定向钻孔的筛管安设工艺：定向钻孔成孔后，提出孔内定向钻具，然后下入筛管完孔钻具至孔底，再从筛管完孔钻具内部下入筛管，筛管下到位后提出钻具，筛管留在孔内(图7)。该技术实现了定向钻孔全孔段安设筛管，提高了瓦斯抽采效果。

图7 筛管完孔工艺原理

4 现场试验

在安徽淮南某矿开展了松软煤层气动螺杆钻具定向钻进试验，施工定向钻孔横穿工作面，同时对待掘巷道条带和工作面预抽消突，探索松软煤层气动螺杆钻具定向孔横穿工作面递进式瓦斯抽采模式可行性。

a. 试验目的 试验点选择17102(3)工作面，以工作面长×宽为100 m×200 m为试验区域，不再施工穿层孔进行条带预抽，试验采用横穿工作面顺层钻孔对掘进巷道和工作面进行瓦斯预抽以实现消突，通过掘进和回采检验定向孔区域瓦斯抽采效果，验证该瓦斯抽采模式的可行性。

试验煤层为13-1煤，煤层平均厚度4.0 m，硬度系数0.3~0.5，属于突出危险区，实测瓦斯压力2.8 MPa、含量8.4 m3/t。钻孔设计穿过工作面和另一侧运输巷道后继续钻进20 m，因而，钻孔设计深度220 m。

b. 钻孔瓦斯抽采 试验共施工22个钻孔，18个220 m以上钻孔，钻孔平均见煤率92.9%；终孔段60 m，见煤率100%，钻孔全孔段安设筛管。

钻孔施工完成后连接管路进行瓦斯抽采，巷道掘进前考察其中14个钻孔累计抽采瓦斯纯量32.2万m3。通过施工的6个校验孔测得运顺巷道平均瓦斯含量由8.4 m3/t降至3.4 m3/t，瓦斯预抽率达60%，瓦斯压力由2.8 MPa降至0.38 MPa。

c.煤巷掘进和工作面回采 2018年5月，试验区域内101.9 m巷道掘进贯通，平均日进尺9.3 m，实现了安全高效掘进。巷道掘进期间执行循环预测，回风瓦斯及预测指标“两不超”，T2探头最大瓦斯体积分数0.23%(图8)。

图8 煤巷掘进T2最大瓦斯体积分数和绝对瓦斯涌出量

11月，试验区域工作面开始回采，平均日回采原煤产量8 750 t，配风量2 320 m3/min，回风最大瓦斯体积分数0.29%、风排瓦斯6.73 m3/min，满足安全回采需要。回采期间回采产量与回风瓦斯体积分数曲线如图9所示。

结果表明，气动螺杆钻具定向孔可对工作面和待掘进巷道进行区域瓦斯预抽消突，其横穿工作面递进式瓦斯抽采模式具有可行性。

图9 回采期间日回采进尺与最大瓦斯体积分数

5 结论

a.针对碎软煤层常规回转钻进瓦斯治理效率低、成本高等问题，提出气动螺杆钻具定向钻进技术，并开发了由气动螺杆钻具、窄体定向钻机、随钻测量系统等组成的煤矿井下气动定向钻进技术装备，解决了松软煤层顺层定向钻孔长距离定向成孔和可靠护孔难题。

b. 试验表明，松软煤层中气动螺杆钻具定向成孔和筛管护孔工艺可行，瓦斯抽采效果好，可高效掩护煤巷掘进和工作面瓦斯预抽，满足软煤井下瓦斯高效治理需要。

c.气动螺杆钻具定向钻进技术为松软煤层采前瓦斯预抽治理提供了新的技术手段，对提高瓦斯抽采效果和保障煤矿安全高效生产起到积极推动作用。

请听作者语音介绍创新技术成果等信息，欢迎与作者进行交流

[1] 孙玉宁，王永龙，翟新献，等. 松软突出煤层钻进困难的原因分析[J]. 煤炭学报，2012，37(1)：117–121. SUN Yuning，WANG Yonglong，ZHAI Xinxian，et al. Analysis on reasons of drilling difficulty in soft and outburst coal seam[J]. Journal of China Coal Society，2012，37(1)：117–121.

[2] 雷丰励. 松软突出煤层长钻孔装备及钻进工艺研究[J]. 煤炭科学技术，2017，45(4)：93–97. LEI Fengli. Study on long borehole drilling equipment and drilling technique of soft outburst seam[J]. Coal Science and Technology，2017，45(4)：93–97.

[3] 姚亚峰，张杰，韩健，等. 软硬复合煤层高效钻进装备研制及应用[J]. 煤炭科学技术，2018，46(4)：76–81. YAO Yafeng，ZHANG Jie，HAN Jian，et a1. Development and application of high efficiency drilling equipment in hard-soft composite coal seam[J]. Coal Science and Technology，2018，46(4)：76–81.

[4] 石智军，姚克，田宏亮，等. 煤矿井下随钻测量定向钻进技术与装备现状及展望[J]. 煤炭科学技术，2019，47(5)：22–28. SHI Zhijun，YAO Ke，TIAN Hongliang，et al. Present situation and prospect of directional drilling technology and equipment while drilling measurement in underground coal mine[J]. Coal Science and Technology，2019，47(5)：22–28.

[5] 姚克，田宏亮，姚宁平，等. 煤矿井下钻探装备技术现状及展望[J]. 煤田地质与勘探，2019，47(1)：1–5. YAO Ke，TIAN Hongliang，YAO Ningping，et al. Present situation and prospect of drilling equipment technology in coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2019，47(1)：1–5.

[6] 杨满成. 松软煤层钻具及成孔技术研究[D]. 太原：太原理工大学，2018. YANG Mancheng. Research on technology drilling tools and hole-formation technology in soft coal seam[D]. Taiyuan：Taiyuan University of Technology，2018.

[7] 侯红. 深槽宽叶片螺旋钻进技术在松软煤层中的应用[J]. 煤炭工程，2018，50(5)：68–70. HOU Hong. Application of auger drilling technology with deep grooves and wide blades in soft coal seam[J]. Coal Engineering，2018，50(5)：68–70.

[8] 赵建国，赵江鹏，许超，等. 煤矿井下复合定向钻进技术研究与应用[J]. 煤田地质与勘探，2018，46(4)：202–206. ZHAO Jianguo，ZHAO Jiangpeng，XU Chao，et al.Composite directional drilling technology in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2018，46(4)：202–206.

[9] 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. 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.

[10] 张杰，王毅，黄寒静，等. 空气螺杆马达软煤定向成孔技术研究[J]. 煤炭科学技术，2018，46( 11)：114–118. ZHANG Jie， WANG Yi，HUANG Hanjing，et al. Research on directional drilling technology of air srew motor in soft coal seam[J]. Coal Science and Technology，2018，46(11)：114–118.

[11] 方俊，李泉新，许超，等. 松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术及发展趋势[J]. 煤炭科学技术，2018，46(5)：130–137. FANG Jun，LI Quanxin，XU Chao，et al. Constuction technology and development tendency of gas drainage borehole in soft and outburst seam[J]. Coal Science and Technology，2018，46(5)：130–137.

[12] 刘飞，梁道富，刘建林，等. 碎软煤层空气复合定向钻进工艺技术[J]. 煤矿安全，2019，50(7)：116–119. LIU Fei，LIANG Daofu，LIU Jianlin，et al. Air compound directional drilling technology in broken soft seam[J]. Safety in Coal Mines，2019，50(7)：116–119.

[13] 张宏钧，姚克，张幼振. 松软煤层螺旋钻杆与压风复合排渣钻进技术装备[J]. 煤矿安全，2017，48(7)：99–102.ZHANG Hongjun，YAO Ke，ZHANG Youzhen. Sprial drill pipe and Composite slag discharge drilling technology and equipment in soft coal seam[J]. Safety in Coal Mines，2017，48(7)：99–102.

[14] 刘勇，殷新胜，刘建林. 松软煤层井下泡沫钻进工艺试验[J].煤田地质与勘探，2014，42(6)：114–116. LIU Yong，YIN Xinsheng，LIU Jianlin. Underground foam drilling tests in soft seam[J]. Coal Geology & Exploration，2014，42(6)：114–116.

[15] 张杰，王毅，黄寒静，等. 煤矿井下钻进用多级排渣空气螺杆马达：ZL201110026908.6[P]. 2019-03-15. ZHANG Jie，WANG Yi，HUANG Hanjing，et al. Multistage slag discharge air screw motor for coal mine underground drilling, patent：No. Zl201110026908.6 [P]. 2019-03-15.

Directional drilling technology and equipment of pneumatic screw motor in soft seam

ZHANG Jie, WANG Yi, HUANG Hanjing

(Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077,China)

Aiming at the drilling problems of shallow depth, uncontrollable trajectory and blind area of extraction in soft coal seam, the directional drilling technology of pneumatic screw motor was invented, and the directional drilling equipment consisting of pneumatic screw motor, narrow structure directional drilling rig and MWD system were formed. The air directional drilling technology and hole-completion technology were studied and developed. The technology of drilling and hole-completion solves the problem of long-distance safe drilling and hole protection of directional drilling along soft coal seam. The technology has been successfully tested in a coal mine, Huainan, with 30 test boreholes with a maximum depth of 300 m, an average of coal-drilling rate of 92.9%, and screen pipes installed in the whole hole section, extraction gas volume of boreholes is 320 000 m3, and the average efficiency of coal roadway excavation in the test area is 9.3 m/d, achieving efficient and safe recovery of coal seams in the covered area. A new progressive gas control model of soft coal across working face has been preliminarily explored.

soft coal seam; gas drainage; pneumatic screw motor; directional drilling;completion technology with screen pipe; Huainan

TE254.3

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.007

1001-1986(2020)02-0036-06

2019-11-13；

2020-02-06

国家科技重大专项任务(2016ZX05045-003-002)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)

张杰，1983年生，男，湖北黄冈人，副研究员，研究方向为煤矿井下钻探新技术与装备研发. E-mail：zhangjie@cctegxian.com

张杰，王毅，黄寒静. 软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：36–41.

ZHANG Jie，WANG Yi，HUANG Hanjing. Directional drilling technology and equipment of pneumatic screw motor in soft seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：36–41.

(责任编辑 聂爱兰)