煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展

王 力，姚宁平，姚亚峰，王 毅，张 杰，方 俊，魏宏超

煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展

王 力1,2，姚宁平2，姚亚峰1,2，王 毅2，张 杰2，方 俊2，魏宏超1,2

(1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

我国碎软煤层赋存层位多、分布广，普遍存在构造应力复杂、瓦斯压力高、煤体力学强度低、渗透性差等特点，钻进时易塌孔、喷孔、孔壁失稳，导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞、存在抽采盲区等问题。随着煤炭开采深度的不断增加，碎软煤层瓦斯抽采钻完孔就更加困难。因此，碎软煤层高效、深孔、精准钻进技术以及增透、增产、护孔的完孔技术一直是碎软煤层瓦斯治理的重大技术需求和研究热点。从护孔、排渣、轨迹控制、完孔等成孔的关键技术难题方面，总结了碎软煤层顺层钻完孔技术研究现状和应用情况，分析了目前碎软煤层钻进技术存在的问题，提出了改进完善建议，分析了内控导向式旋转定向钻进技术，多孔介质充填式筛管、折叠膨胀管完孔技术等碎软煤层钻完孔技术新进展，为进一步完善现有碎软煤层钻完孔技术提供了思路。

煤矿井下；碎软煤层；瓦斯抽采；内控导向式旋转定向钻进；筛管完孔

我国含碎软煤层的煤矿数量庞大，占比达到了50%以上[1-2]。受地质构造运动影响，这类煤层原生结构被破坏，煤体变碎、变软，煤体力学强度低，一般定义为抗碎强度(shatter strength)低于 50%、坚固性系数(protodyakonov coefficient)不超过 1.0 的煤层，同时还具有渗透率低、瓦斯含量大、压力大等特点[3]。煤矿井下碎软煤层顺层钻进属于欠平衡钻进，不存在静液柱压力平衡地层压力保护孔壁的稳定性，钻进时极易发生喷孔、塌孔、孔壁失稳现象，导致钻进困难、孔内事故频发、成孔深度浅、钻孔堵塞等问题[4-8]。

随着煤矿开采深度以8~12 m/a的速度增加[9]，地应力、瓦斯压力等影响钻进效果的因素将更加复杂，使碎软煤层成孔愈发困难，严重影响煤矿瓦斯高效治理[10-11]。因此，碎软煤层高效、深孔、精准钻进技术以及护孔、增产的完孔技术一直是碎软煤层瓦斯治理的重大技术需求和研究热点。

近年来，针对碎软煤层钻进存在的孔壁易失稳、排渣困难、轨迹不可控、完孔方法有限等关键技术难题，科研和工程技术人员开展了大量的研究工作，目前在不同矿区碎软煤层钻进中应用的有中风压空气钻进技术[12]，其中针对中风压空气钻进时的降尘、排渣和孔内冷却等问题，开发了空气雾化钻进工艺[13]和空气泡沫钻进工艺及配套装备[6]，完善了中风压空气钻进技术，这2种钻进技术也属于空气钻进范畴。高速螺旋钻进技术[14]、空气套管护孔钻进技术[15]、空气螺杆钻具定向钻进技术[16-17]、双头双管定向钻进技术[18]、筛管完孔技术[19]等，在提高碎软煤层钻进孔深、钻进效率、成孔率、钻孔轨迹控制，提高瓦斯抽采效率方面，都取得了较好的应用效果，但在钻具、钻进工艺方面还需进一步改进和完善。

目前，煤矿提出了碎软煤层 “一孔两消”、递进式抽采的瓦斯治理新模式，且已经开始了实践探索，同时《防治煤与瓦斯突出细则》也提出了可以用定向长钻孔进行煤巷推进条带预抽。高效、精准钻进技术及完孔技术成为碎软煤层钻进技术研究方向。笔者分析了现有钻进技术的研究和应用现状，提出了碎软煤层内控导向式旋转定向钻进技术和填充式、折叠管式筛管完孔技术思路，对碎软煤层钻完孔技术研究和应用，具有重要的理论意义和应用价值。

1 碎软煤层钻完孔存在的难题

1.1 孔壁易失稳破坏

碎软煤层在形成过程中遭遇多期次的地质构造作用，具有松软、破碎、低渗、应力复杂的特点，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[20-23]，孔壁易发生局部变形垮孔，瓦斯聚集引起喷孔，继而发生煤体失稳破坏，造成钻孔结构性坍塌[24]。钻进工艺对孔壁稳定性的影响主要体现在冲洗介质冲刷软化、钻进速度和钻具的振动效应[25]，及时下入套管能有效降低煤孔壁应力值，可预防孔壁坍塌，ø85 mm 是最优孔径[26]，这些工艺因素可以采取技术措施来预防和改善孔壁的稳定性。孔壁易失稳破坏，是碎软煤层钻探工艺面临的客观地层性质难题，只能通过护孔措施来改善。

1.2 孔内煤粉清洁难

采用水力排粉钻进时，水的冲刷以及软化作用，使孔壁易坍塌，也不利于瓦斯解吸和缓慢释放，容易引起瓦斯喷孔，短时间产生几倍甚至几十倍于正常值的煤粉，难以及时清洁[12]。实践证明，采用空气钻进、螺旋钻进时，对孔壁扰动小、不影响瓦斯解吸、孔壁稳定性较好、喷孔强度也较弱，是碎软煤层钻进的有效方法，在空气作为冲洗介质携粉时，当塌孔煤粉堆积形成“沙丘”时，气体移动“沙丘”能力就比较弱，常常需要长时间回转钻具、倒杆排粉。另外，钻进时塌孔形成了“钻穴”，空气在“钻穴”中形成涡流，降低风速，影响煤粉清洁效率[22]。螺旋钻进时，排粉不畅时的现象是“吸钻”，同时钻机转矩急剧上升，直至卡死钻具。因此，碎软煤层钻进时难以清洁的煤粉主要来自瞬间塌孔、喷孔产生的粒径极不均一的煤粉，而非正常钻进产生的钻屑，钻孔清洁是碎软煤层钻进工艺的技术层面难题，可以通过改进工艺方法、优化钻具来改善。

1.3 轨迹不能精确控制

目前，大多数碎软煤层矿区采用回转钻进技术进行顺层孔施工，根据煤层产状，按设计从确定钻孔的开孔高度、倾角以及方位角等方面，来确定钻进方向，钻进过程中采用不同的钻压、转速、冲洗液量等钻进工艺参数来调整钻进趋势，属于理论或经验试错的控制方法，可靠性差。采用稳定组合钻具(图1)可以对钻孔轨迹进行粗略控制，主要是调节近钻头处的稳定器位置，使钻头产生上侧、下侧切削力，从而达到控制钻进方向的目的[27]，这种控制方法的效果与地层性质、稳定器安装位置、钻进工艺参数等某一个或者多个因素相关，带有不确定性。笔者研究了一种采用挠性蛇骨钻杆定向钻进技术，它采用多个具有大变形的挠性接头的钻杆(图2)，沿煤层钻进时，挠性钻杆在重力的作用下，强力向下造斜，一般用在强力纠斜或者穿层孔煤层段钻进中，这种方法只能控制钻孔倾角，无法控制钻进方位，且钻进深度有限[28]。

图1 组合钻具[27]

图2 挠性钻杆强造斜钻进

上述的理论经验型、弱作用造斜工具型轨迹控制方法都存在一定程度的不确定性，无法确保钻孔轨迹的精准性，使钻孔抽采无法均匀覆盖控制区域，造成瓦斯治理空白带。轨迹控制是碎软煤层钻进工艺的技术层面难题，可以通过创新钻进方法来解决。

1.4 完孔方法有限

碎软煤层钻孔的目的是抽采瓦斯，成孔后如何完孔，保证钻孔在相当一段抽采时间内保持畅通是瓦斯抽采孔施工的重要环节。一直以来煤矿都是采取裸眼完孔，即钻孔终孔提钻后，不采取任何护孔措施，直接封孔抽采，抽采过程中往往出现钻孔塌孔，通道堵塞后抽采量急剧衰减使钻孔失效。针对这一问题，出现了提钻后下入PVC或者PE筛管的完孔方法，但碎软煤层钻孔提钻后，易出现塌孔，筛管下入深度有限。2012年后，中煤科工集团西安研究院有限公司(以下简称西安研究院)、中煤科工集团重庆研究院有限公司(以下简称重庆研究院)[19,29]相继成功开发了不提钻筛管完孔技术，解决了“钻到位、管到底”的钻孔施工关键技术难题，迅速在全国碎软煤层矿区推广应用起来，现已成为碎软煤层钻孔施工的标准，这也是截至目前唯一最可靠的筛管完孔技术，但仍然存在完孔直径小、防堵性能差、钻孔二次修复等一些问题，需要进一步完善。

2 碎软煤层顺层孔钻进技术现状

2.1 中风压空气钻进技术

空气钻进具有扰动小，有利于孔壁稳定和瓦斯解吸等优势，成为碎软煤层的有效钻进技术。随着煤矿对钻孔钻进效率和孔深需求不断提高，矿井风压(小于0.8 MPa)条件下的钻进效果已不能满足生产需要，因此，从提高排粉效率的角度出发，开发了中风压钻进技术及配套装备，以专用移动式防爆空压机(1.25 MPa)、大通孔宽翼片螺旋钻杆、孔口除尘装备为特征，在推广应用中，根据煤层特点，也有使用三棱钻杆和三棱螺旋钻杆，同样取得了良好的应用效果。中风压空气钻进技术把碎软煤层的钻孔深度普遍提高到了150 m以上，在淮南、淮北、韩城等碎软煤层矿区广泛应用，最深孔达到了230 m，已成为碎软煤层钻孔施工的主要技术[30-32]，中风压钻进系统示意如图3所示。目前该技术存在的主要问题是孔口除尘问题，钻进时高速含尘气流在返出孔口时集尘和除尘难度大，在巷道有限空间条件下，环境污染严重，也存在一定安全隐患，西安研究院在中风压钻进技术的基础上开发了雾化钻进工艺和空气泡沫钻进工艺，尝试在钻进过程中抑制煤尘，取得了一定应用效果。

图3 中风压空气钻进系统

2.1.1 空气雾化钻进工艺

空气雾化钻进具备空气钻进的优势，同时雾化液滴可以在孔底产尘点、在含尘气流从环空返回孔口的过程中与细微颗粒煤尘结合变成较大颗粒煤尘，起到捕尘的作用，采用专用雾化装置产生雾粒直径在50 μm左右[33-34]，可以对危害最大的呼吸性粉尘起到较好的抑制效果，另外，雾化液滴又起到冷却钻具以及孔内防燃的效果，是井下松软煤层空气钻进技术的有益完善[13]。

西安研究院根据中风压空气钻进供风参数和碎软煤层钻进排粉特点，研究了雾化方法、雾化压力、雾化液量等关键参数，研制了矿用雾化系统(图4)，并进行了井下现场钻进试验。结果表明：钻进现场的粉尘浓度有了较大幅度的降低，明显改善了现场施工环境，雾化液量与孔深大致呈线性关系；孔深200 m左右时，最大雾化液量3.5 L/min；钻进返风不畅的情况下，也未出现孔内高温现象；相比干空气中风压钻进工艺，从抑制钻场粉尘污染、防止孔内高温等方面都有了明显效果。目前针对应用过程中的问题，正在进行深入研究。

雾化液量少，影响抑尘，雾化液量过多，则会引起煤层潮湿、团聚，影响排渣，因此，煤粉性质、空气流量、孔深与雾化液量的映射关系还需进一步进行研究和试验总结。

图4 煤矿井下雾化钻进雾化系统[13]

在高速含尘气流中，清水雾滴对煤尘颗粒的浸润性和浸润效率不高。加入活性剂后的雾滴对煤粉浸润效率大幅提高，实验室中试验表明，在雾化液中加入OP-10、SDBS、SDS类表面活性剂后，雾化液现场试验宏观观察也印证了上述结论，表面活性剂加入后对煤粉的浸润效率明显提高(图5)，但针对不同典型煤粉，活性剂配方、加入比例、效果定量化评价还需在实钻试验中进一步研究。

图5 同一煤粉在不同表面活性剂中沉降时间

采用井下系统压风驱动风动马达作为雾化动力不稳定，导致雾化压力不稳定，影响雾粒大小，最终影响雾化效果，下一步应进行液压动力驱动雾化系统的开发。

2.1.2 空气泡沫钻进工艺

空气泡沫钻进工艺属于空气钻进工艺的范畴，采用专用的发泡装置、灌注系统把泡沫作为冲洗介质注入孔内，携煤粉返回孔口后，经过消泡系统消泡、分离煤粉，实现连续钻进。适用于碎软不稳定地层、含水或水敏性强等地层钻进，在煤矿井下碎软煤层钻进应用时有以下优点[35-36]：

①相比空气雾化钻进，泡沫与煤尘结合能力强，能够更有效抑制孔口煤粉尘污染；

②相比雾化空气冲洗介质，泡沫的携粉能力更强，孔内清洁效率更高；

③泡沫介质密度大，较低流速就可以满足携粉要求，对孔壁冲刷作用小，有利于孔壁稳定；

④泡沫的冷却性能更好，降低孔内高温燃烧的风险。

2005年开始，西安研究院、吉林大学在煤矿井下泡沫钻进工艺及配套装置方面进行了研究，提出了煤矿井下泡沫钻进工艺系统方案，分析了泡沫钻进技术解决煤层瓦斯抽采孔施工的可行性和经济性[37]。冀前辉等[6]研究了泡沫配方和泡沫灌注系统(图6)，中风压空气–稳泡复合钻进工艺，并在淮北某矿进行井下钻进试验，施工孔深200 m以上，施工过程中排粉顺畅，钻具回转、起拔力低，孔口粉尘污染小。该技术具有良好的应用前景，但目前还没有规模化推广应用，主要原因有两点。

①泡沫性能的平衡问题 钻进过程中从注入孔内到返出孔口期间，要求泡沫具有较高的强度，不易破碎，以达到较好的携粉效果，当泡沫返出孔口后，又需要泡沫能及时消泡，否则大量的泡沫堆积在井下巷道内，会造成通风安全问题。需要进一步研究性能平衡的泡沫配方，高效发消泡装置，以满足煤矿井下钻进条件的要求。

②泡沫钻进辅助设备多、工艺复杂 泡沫钻进需要配备泡沫液罐、泡沫泵、空压机、发泡装置、消泡装置等辅助设备，钻进过程中还要调节气液比例、操作泡沫泵、空压机等，操作流程复杂，造成施工工艺复杂，需要进一步开发流量自动控制泡沫灌注系统，简化操作，提高可推广性。

2.2 高速螺旋钻进技术

常规螺旋钻进技术的转速(小于200 r/min)，排渣效率低，施工孔深浅，高速螺旋钻进技术(大于400 r/min)利用高速旋转的螺旋叶片能把塌孔、喷孔产生的大量煤粉及时排出孔外，孔内清洁效率高，有效地提高了钻孔深度和钻进效率。研究表明：高速螺旋钻进时，一定的转速对应着临界给进速度；一定的给进速度也对应着临界转速；在一定的给进速度下，增大转速可以提高其排粉效率，但当转速增大到临界转速后，继续提高转速对排粉效率的影响趋于不变，排粉质量流与转速的关系如图7所示。

图6 煤矿井下泡沫钻进灌注系统[6]

图7 排粉质量流与转速的关系

国内引进德国哈泽玛格EH260钻机配套螺旋钻杆，钻进效率和成孔率得到显著提高。西安研究院和重庆研究院相继研制出相应性能参数的软煤高转速钻机，最大转速达800 r/min，配套应用主要为小螺距、低螺旋升角、插接式结构的高转速螺旋钻杆(图8)，而且实现能够中心通风，如ø100/63.5 mm、ø110/63.5 mm螺旋钻杆；配套钻头有ø110 mm、ø120 mm三翼合金螺旋钻头。

图8 螺旋钻杆

2013年先后在阳泉地区、晋城地区进行试验和应用，取得很好的效果。2014年在阳泉新元矿采用高转速螺旋钻进技术开展试验，钻进最大孔深 330 m，最高单班进尺202.5 m，刷新了国内螺旋钻孔深度记录。针对晋城地区赵庄矿、长平矿以及成庄矿软硬复合破碎煤层，应用高转速螺旋钻进及空气辅助排渣高效钻进工艺，在长平矿钻进试验最大孔深216 m，平均孔深达180.5 m，实现了晋城地区工作面两侧顺层长钻孔交叉无盲区施工。

实践表明，高速螺旋钻进保直效果较好，在赋存稳定、相对完整的碎软煤层中应用效果较好，但还存在一些问题需要改进，一是钻杆采用插接式连接方式，需要人工加接钻杆，而螺旋钻进效率高，加接钻杆频繁，劳动强度大，操作安全隐患多，应开发配套的钻杆加接辅助装置。二是插接式螺旋钻杆连接间隙大，高速旋转下同轴性差，钻杆摆动幅度大，对孔壁扰动强烈，应提高钻杆插接配合精度，或开发丝扣连接可反转的螺旋钻杆，提高钻具的同轴度。

2.3 空气套管护孔钻进技术

空气套管护孔钻进采用孔底可打捞式孔底组合钻具，如图9所示。

1—领眼钻头；2—扩眼翼片；3—套管靴；4—钻具锁；5—打捞接头

套管钻进或者钻杆与套管双管钻进至安全设定孔深后把套管留在孔内护孔，再采取钻杆和可打捞式组合钻具二级钻进至设计孔深，采用空气或者雾化空气作为冲洗介质，整个钻进施工流程如下。

①套管钻进采用ø102/108 mm套管+ø133 mm孔底组合钻具，套管通过钻具锁传递扭矩和给进力，带动孔底组合钻具回转碎岩钻进，煤粉沿着套管与孔壁之间的环空间隙返出孔外，钻进至安全扭矩设定孔深时停止钻进，套管留在孔内护孔，如图10所示。

图10 套管钻进

②将套管钻具提离孔底500 mm左右，下入ø63.5 mm二级钻杆连接ø133 mm孔底组合钻具可打捞部分正转解锁，接着进行二级钻进至设计终孔深度时停止钻进，如图11所示。

图 11 钻具提离孔底解锁二级钻进

③钻进至设计孔深后，先提出二级钻具，再提出套管终孔。

该技术利用套管钻进护孔、二级钻进的方法，把碎软煤层一次钻进成孔进行了二次分解，降低了深孔一次钻进成孔的施工难度，同时二级钻进时，前段钻孔已经有套管护孔，减少了冲洗介质对孔壁的扰动，结合空气钻进的优势，提高了碎软煤层的钻孔深度和成孔率。采用套管护孔钻进技术在淮南矿业集团某矿下工作面11-2煤层进行了应用，该煤层瓦斯压力1.5~2.5 MPa，坚固性系数=0.45~0.68。煤厚平均1.9 m，倾角平均8°，施工平均孔深210 m，最大孔深262 m，成孔率79%。

空气套管护孔钻进技术集成了空气钻进、套管护孔等工艺优势，既可应用于碎软煤层顺层钻孔施工，也可以用于复杂地层过破碎带钻进，具有复杂地层钻进的技术优势，但在操作便利性、钻进精确性方面还需升级迭代。

目前套管钻机为单动力头，钻进过程中只能单动钻具，操作切换时需要更换主动钻杆，无法随时在二级钻进时活动套管钻具，操作复杂，且长时间静置套管，存在埋钻的风险。套管钻进为回转钻进工艺，钻孔轨迹无法精确控制，只适合赋存稳定、起伏变化小，孔深在300 m以内的碎软煤层钻孔施工。

2.4 气动螺杆钻具定向钻进技术

随着煤矿对碎软煤层钻孔深度的需求不断增加，钻孔轨迹不可控、煤层钻遇率低等问题逐渐显现。气动螺杆钻具定向钻进技术结合了中风压钻进工艺和螺杆钻具定向钻进工艺的技术优势。采用井下防爆空压机或制氮机提供动力，驱动气动螺杆钻具旋转带动钻头回转切削钻进，同时，压缩气体将钻进过程中产生的热量和煤渣从环空排出孔外，实现连续定向钻进[38]，钻进系统如图12所示。该技术能实现碎软薄煤层、起伏煤层顺煤层长距离定向钻进，提高了钻孔精度，对于碎软煤层抽采均匀覆盖，消除治理盲区有重大意义。

2017—2018年，西安研究院在淮南矿区进行了气动螺杆钻具定向钻进试验和应用，完成了220 m以上试验钻孔22个，最大孔深300 m，平均煤层钻遇率90%以上，且全程筛管完孔，抽采量是常规钻孔的3~4倍。在贵州青龙煤矿进行的钻进应用，完成7个主孔和2个分支孔，最大孔深达406 m[39]，300 m以上钻孔成孔率达88.9%，抽采量是常规钻孔的10倍以上，应用效果显著。

2019年以来，陆续在安徽淮北朱庄矿、桃园矿、淮南潘三矿、张集矿、河北邢台东庞矿、山西阳泉段王矿、晋城长平矿、贵州毕节东风矿、六盘水发耳矿、黔西南糯东矿等10余个矿井开展工业性应用试验，在淮北朱庄矿Ⅲ3635工作面施工300 m以上顺层定向孔7个，最大孔深372 m，实现了300 m煤巷条带预抽(图13)。2020年在淮南潘三煤矿完成了顺层定向钻孔深度423 m，创行业碎软煤层定向钻孔最大孔深记录。

图12 空气螺杆钻具定向钻进系统

图13 淮北朱庄矿条带预抽定向钻孔平面图

目前，这项技术优势明显，具有良好的应用前景，一些关键技术还需持续改进优化，主要包括3个方面。

① 改进优化空气螺杆钻具。从钻具本身提高定子橡胶耐高温性能，提高主轴润滑密封性能。从配套冷却润滑装置方面，提高装置计量的精确性、操作便利性以及润滑介质的优选，螺杆钻具防瓦斯反喷装置，防止煤粉反喷进入钻具内部。

②气动螺杆钻具定向钻进过程的除尘问题。还需进一步根据钻具冷却润滑、排粉等需求，结合雾化、泡沫钻进工艺进行研究和试验。

③ 定向钻进工艺规程。风压、风量随孔深的变化规律和指导参数，复合钻进与滑动定向钻进比例关系和规程参数等需要进一步总结形成区域性钻进工艺规程。

3 碎软煤层完孔技术现状

3.1 不提钻筛管完孔技术

在不提钻筛管完孔技术开发之前，煤矿采用裸眼完孔或成孔后人工从裸眼中下入筛管完孔。裸眼完孔无法控制钻孔塌孔，很快就会因塌孔堵塞抽采通道，导致钻孔失效。人工裸眼下入筛管的长度不确定，无法保证“管到底”，导致钻孔有效利用率低，人工裸眼下筛管如图14所示。

图14 人工下入筛管完孔

煤矿井下不提钻筛管完孔技术有效地解决了碎软煤层瓦斯抽采孔提钻后塌孔堵塞抽采通道的问题。该技术通过不提钻从钻杆内通孔中下入筛管，通过对筛管施加轴向推力顶开开闭式钻头，筛管前端安装的悬挂装置把筛管固定在孔内，提钻后将筛管留在孔内护孔，作为瓦斯抽采通道，提高了瓦斯抽采效果，筛管完孔技术主要配套装备有大通孔钻杆、开闭式钻头、护孔筛管及孔底悬挂装置等，如图15所示。实现了“钻到位、管到底”，筛管下入率可达95%以上。该技术不改变现有装备，操作简单、可靠；通过钻柱内通孔下入筛管，保证了下入深度和成功率；筛管护孔保证抽采通道有效性，提高了瓦斯抽采率和钻孔寿命。针对筛管完孔工艺可靠性的筛管抗挤毁强度[40]、筛管悬挂装置力学性能[41]、筛管缝型与防堵性能[42]等进行了研究。

图15 筛管完孔工艺原理

2013年在淮南丁集矿筛管下入深度100 m；2015年在山西原相矿筛管下入深度217 m；2016年首次试验了螺旋钻进筛管完孔，下入深度200 m；2019年在贵州龙凤矿下入筛管360 m；2020年在淮南潘三矿423 m定向钻孔中成功下入422 m筛管，实现了定向孔全孔筛管完孔，提高了筛管完孔技术的应用水平。

筛管完孔技术是目前碎软煤层最可靠有效的完孔技术，还存在2个方面的问题需要进一步进行完善。一是受限于钻杆结构，完孔筛管直径偏小，目前碎软煤层钻孔的孔径ø94 mm、ø113 mm、ø108 mm，根据钻具规格，下入筛管的直径有ø25 mm、ø32 mm、ø40 mm等，确定的抽采通道小，尚未充分利用钻孔空间。二是抽采一段时间后难免存在塌孔情况，会堵塞筛管筛眼，没有开发配套的钻孔修复解堵技术，来维护抽采通道。

3.2 水力冲孔完孔技术

水力冲孔完孔技术是碎软低渗煤层钻孔完孔的常用技术手段，常用于顺层孔、穿层孔的煤层快速卸压消突，该技术在钻孔内利用高压水射流冲击破碎煤体，排出大量的煤与瓦斯，在煤层中形成直径较大的孔洞，洞室周围煤体在应力作用下原生裂隙扩展和产生新的裂隙，达到卸压增透，强化抽采的目的。国内对水力冲孔破煤压力、破煤机理、卸压范围、煤层透气性变化、瓦斯排放机理等进行了大量研究，为水力冲孔的工程应用奠定了理论基础[43-45]。近些年，水力冲孔技术在我国许多煤矿区，诸如两淮、河南、山西等本煤层及穿层钻孔卸压增透中进行了大量试验与应用，从试验效果来看，水力冲孔能有效提高煤层渗透性，成倍提高有效抽采半径，缩短瓦斯达标抽采时间[46-47]。河南铁福来、西安研究院都开发了钻冲一体化装备，在钻完成后不提钻，通过泵压变化切换成冲孔模式，每米煤孔冲煤量0.5 t左右，施工效率较传统成孔后提钻再下入冲孔钻具冲孔提高25%以上。

目前，水力冲孔完孔后普遍采用裸孔抽采，而破碎煤层易塌孔，特别是冲孔完孔后钻孔孔径扩大，形成多个不规则空洞，在负压抽吸作用下更易坍塌影响抽采效果，现有的水力冲孔完孔技术还无法实现冲孔后直接护孔，提钻后难以在裸孔内下入筛管护孔抽采，因此，尚需进一步研究钻、冲、护一体化的水力冲孔完孔技术，保障冲孔后的瓦斯抽采。

4 碎软煤层钻完孔技术研究新进展

4.1 基于空气螺杆钻具双管定向钻进技术

针对“十二五”空气套管护孔钻进技术存在的局限性，以及气动螺杆钻具应用的可行性，在“十三五”国家科技重大专项资助下，西安研究院提出了双管定向钻进的工艺方法，开发了双动力头双管定向钻进技术装备[18,48]。钻机具有双动力头，可以独立驱动套管和定向钻具，复合夹持器可分别夹持套管、钻杆，并具备卸扣功能，采用自动中间加杆方式，可以自动同时加装套管和钻杆，钻机及钻具组合示意如图16所示。

图16 双动力头双管定向钻进技术与装备

双头双管定向钻进技术分为定向钻进和复合钻进两个工艺过程。定向钻进时，钻杆动力头带动螺杆钻具滑动定向钻进，同时套管动力头带动套管以较低转速回转跟管钻进，实现套管随钻护孔，钻屑从内外环空排出孔外，实现连续钻进。复合钻进时，钻杆动力头带动螺杆钻具复合钻进，同时套管动力头带动套管以较低转速回转跟管钻进，并随钻护孔，钻屑主要从内环空排出孔外，实现连续钻进。钻进结束后，先将钻杆从套管内提出，套管暂时留在孔内，然后从套管内通孔下入筛管，完成后将套管提出，把筛管留在孔内终孔。

2020年3月开始，在淮北碎软煤层矿井开展工业性试验，完成了装备的功能、性能试验，在两个不同煤层中采用双管定向钻进技术施工钻孔深度达到了252、354 m，目前正处于完善推广应用阶段。

4.2 内控导向式旋转定向钻进技术

基于气动螺杆钻具的碎软煤层定向钻进技术在造斜钻进时处于滑动钻进状态，此时排粉主要靠空气流速，排粉效率低，需要采取复合钻进工艺进行强力排粉，影响钻进效率。石油钻井系统已经成熟应用的旋转导向系统造斜钻进时需要孔壁有支撑力，适合在岩层中应用。

根据碎软煤层钻探工程性质和高效、精准钻进技术的需求，提出了内控导向式旋转定向钻进技术，钻具试验如图17所示。采用矿井系统风作为冲洗介质，不需要专用风源；钻进过程钻具始终处于回转状态，排粉效率高；通过内控导向轴调整工具面，不需要孔壁支撑力。该技术集成了空气钻进、回转钻进、定向钻进等各个钻探方法针对碎软煤层钻进的优势，是未来碎软煤层钻进的研究方向。西安研究院已经进行了样机试制和地面功能试验，验证了该技术原理上的可行性。

图17 内控导向式旋转定向钻具功能试验

4.3 钻孔大通道完孔技术探索

如前所述，不提钻筛管完孔技术是碎软煤层瓦斯抽采孔完孔的可靠技术，但存在的主要问题是完孔筛管直径小，抽采通道受限。在该技术的基础上进行改进，使整个钻孔全通道成为抽采通道，是筛管完孔技术的研究方向。笔者提出了多孔介质充填式筛管完孔和折叠膨胀筛管完孔的思路，并进行了方案研究。

4.3.1 多孔介质充填式筛管完孔

多孔介质充填式筛管完孔的技术思路是在常规筛管完孔下完筛管后，在提钻的过程中注入可膨胀的多孔聚合物介质，一是起到支撑孔壁的作用，保持钻孔全通道；二是多孔介质孔隙沟通不影响筛管抽采。这样既利用了原有完孔技术的可靠性，筛管与多孔介质填充物构成了复合抽采大通道，又起到了支撑孔壁的作用，但在施工工艺上、多孔介质材料方面还需进一步进行研究，多孔介质充填式筛管完孔示意如图18所示。

1—顶板岩层；2—煤层；3—筛管；4—钻孔内多孔充填材料； 5—底板岩层

4.3.2 折叠膨胀管完孔技术

对于煤矿井下筛管完孔技术条件来说，折叠膨胀筛管技术是实现大通道完孔新思路，折叠膨胀管完孔示意如图19所示，它是将双层的套管管坯制成W形结构，大幅减小了套管宽度和横截面积，方便顺利下入孔内，而且是连续结构，不需要考虑接头，下入后使用液压将其膨胀成形，这种变形主要依靠自身的形状变形，壁厚变化相对很小，达近似全孔径护孔效果。借鉴上述技术思路，将符合煤矿井下安全要求的聚合物类材料筛管，制成适合钻杆内通孔尺寸的折叠膨胀筛管，下入钻孔通过空气膨胀后，二次在套管里进行射孔或割缝，形成筛管。关键在于符合煤矿安全认证要求，且不影响采煤的套管材料的优选。套管的膨胀率和膨胀后抗挤毁强度是形成抽采大通道的关键，目前在进行材料优选和功能性试验。

图19 折叠膨胀筛管完孔

5 结论

a.碎软煤层钻进技术的发展从水力排粉钻进开始，依次开发了空气钻进技术(矿井系统风压钻进、中风压钻进)、螺旋钻进技术(常规螺旋钻进、高速螺旋钻进)、空气套管护孔钻进技术、空气螺杆钻具定向钻进技术。至此，从工艺方法适应性、钻进高效率、钻孔轨迹精确控制等方面取得了长足的进步，同时不提钻筛管完孔技术保证了钻孔的有效性，这些钻完孔技术大幅提高了碎软煤层瓦斯治理水平。

b. 目前碎软煤层钻进技术都不同程度地存在着粉尘污染、钻具寿命低、操作复杂以及钻进工艺仍需优化等问题。如中风压空气钻进技术亟需解决高速、大风量含尘气流孔口除尘难题；高速螺旋钻进技术需要进一步开发同轴度高的钻杆和机械化上卸钻杆装置；气动螺杆钻具定向钻进技术核心是开发耐高温、主轴润滑可靠、振动小的气动螺杆钻具；碎软煤层瓦斯抽采孔完孔需要根据现有技术条件，从最大限度利用钻孔空间角度，开发充填式、膨胀管式大通道完孔工艺和材料。

c.从钻探技术的角度，基于空气螺杆钻具的双管定向钻进技术、内控导向式旋转定向钻进技术、钻孔大通道完孔技术已成为新的研究方向，再融入监测监控、5G通信、人工智能等新技术，将会把碎软煤层钻完孔技术的研究与应用推向更高的水平，以满足智慧矿山建设的需要。

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Research progress of drilling and borehole completion technologies in broken soft coal seam in underground coal mine

WANG Li1,2, YAO Ningping2, YAO Yafeng1,2, WANG Yi2, ZHANG Jie2, FANG Jun2, WEI Hongchao1,2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China)

In China, broken soft coal seams are in many strata and widely distributed. It is generally characterized by complex tectonic stress, high gas pressure, low mechanical strength and poor permeability, therefor, the hole is easy to collapse, outburst, which will probably cause many problems such as drilling difficulties, frequent accidents in the hole, inadequate hole depth, borehole blockage, drainage blind area and so on. With the continuous increase of coal mining depth, it is more difficult for drilling and completion in broken soft coal seam. Therefore, the high efficiency, deep hole and precise drilling technology, as well as the completion technology, production increasing and borehole protection technologies have always been the major requirements and research hotspots of gas governance inbroken soft coal seam. From the aspects of key technical problems, such as borehole protection, cutting remove, trajectory control, borehole completion, the research status, application of inseam drilling and completion technology in broken soft coal seam are summarized. The problems existing in drilling technologies of broken soft coal seam are analyzed, and the suggestions for improvement are proposed. New technology progress analysis on internal controlled and guided rotary directional drilling technology, screen pipe with porous medium filling and folded expansion tube completion technology are conducted, which provides ideas for new research direction and improvement of existing drilling and completion technologies of broken soft coal seam.

underground coal mine; soft coal seam; gas extraction; internal controlled and guided rotary directional drilling; screen pipe completion

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TD41

A

1001-1986(2021)01-0285-12

2021-01-09；

2021-01-19

国家科技重大专项任务(2016ZX05045-003-002)；陕西省重点研发计划项目(2018GY-078)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2018XAYMS13)

王力，1981年生，男，陕西眉县人，博士研究生，副研究员，从事煤矿井下钻探技术研究与推广应用工作. E-mail：wangli2@ cctegxian.com

姚宁平，1970年生，男，甘肃泾川人，博士，研究员，博士生导师，从事煤矿钻探技术与装备的研究与推广应用工作. E-mail：yaoningping@cctegxian.com

王力，姚宁平，姚亚峰，等. 煤矿井下碎软煤层顺层钻完孔技术研究进展[J]. 煤田地质与勘探，2021，49(1)：285–296. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.032

WANG Li，YAO Ningping，YAO Yafeng，et al. Research progress of drilling and borehole completion technologies in broken soft coal seam in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2021，49(1)：285–296. doi: 10.3969/j.issn.1001-1986.2021.01.032

(责任编辑 聂爱兰)