孤岛工作面碎软煤层跟管护孔钻进工艺研究

2023-02-21陈超陈天柱张马军王常委

工矿自动化 2023年1期

陈超，陈天柱，张马军，王常委

（1.山西天地王坡煤业有限公司，山西晋城 048021；2.中煤科工西安研究院（集团）有限公司，陕西西安 710077）

0 引言

瓦斯治理一直是制约我国煤矿安全生产的一个难点。以钻孔抽采为主要技术手段的方法是现阶段煤层瓦斯治理的主要方法之一[1-2]，但因地质构造、地应力等导致煤层整体胶结性差、煤层碎软，钻孔施工时易出现塌孔、卡钻、钻孔成孔深度小等现象，影响后续瓦斯抽采效果。特别是孤岛工作面，随着相邻工作面的回采，孤岛工作面矿压重新分布，由巷道至工作面内依次形成塑性破坏区、应力集中区和原岩应力区[3-7]，在瓦斯预抽钻孔施工过程中，穿过塑性破坏区和应力集中区时塌孔、卡钻频繁，成孔难度极大，钻孔深度无法达到设计要求[8-11]，产生的抽采盲区会带来安全隐患。

针对碎软高应力煤层瓦斯抽采钻孔成孔难、成孔深度小的问题，国内相关研究机构在钻进装备升级改造[12]及施工工艺优化[13-15]等方面进行了现场试验，取得了一定效果，但针对应力集中区钻孔排渣效果差及易卡钻、埋钻等问题仍未形成有效解决方法。针对该问题，本文通过分析山西天地王坡煤业有限公司（简称王坡煤矿）瓦斯预抽钻孔成孔问题，提出跟管护孔过高应力区钻进工艺，对干式螺旋排渣、螺旋钻进氮气辅助排渣工艺进行对比分析，优选钻具组合，使钻孔穿过高应力区后继续向深部钻进，从而增加钻孔成孔深度。

1 孤岛工作面钻孔成孔问题分析

1.1 孤岛工作面应力特性

现有孤岛工作面应力分析研究表明，受相邻工作面开采影响，孤岛工作面内煤体应力重新分布，呈两侧大致对称分布的“马鞍形”，近巷道处煤体挤压破碎严重，应力得到一定程度释放，出现应力降低区，区域范围为0～15 m；向工作面深入，煤体受到上部岩层挤压，局部应力升高，出现应力集中区，区域范围为15～50 m；继续向工作面深入，煤体受采动影响范围减小，应力基本无变化，趋近原岩应力，属原岩应力范围。

工作面瓦斯预抽钻孔垂直于巷道布置，依次穿过塑性破坏区、应力集中区和原岩应力区，如图1所示。钻孔施工时，开孔段（塑性破坏区）煤层破碎，煤体垮落，钻孔无法成孔或成孔形状不规则。卡钻频发段（应力集中区）煤体应力集中，钻杆受煤体挤压，出渣不畅，导致卡钻、埋钻。钻孔穿过应力集中区后，进入原岩应力区，该区段受采动扰动小，煤体结构完整，施工主要问题是如何将煤渣运移至孔口。

图1 钻孔区段分布Fig.1 Distribution of drilling sections

1.2 试验区问题分析

选取王坡煤矿3206 孤岛工作面作为试验地点。工作面垂直于集中主运巷向南布置，两侧为3204 和3208 工作面采空区，终采线以里走向长度为2 092 m，开切眼长度为153 m。王坡煤矿前期碎软煤层钻孔施工主要选用ZYW-1900R 和ZDY6000LR 钻机，钻具配套φ73 mm 螺旋钻杆，采用干式螺旋排渣工艺。钻孔施工中，钻进至应力集中区时，因干式螺旋排渣工艺效率低，钻渣不能及时排出孔外，且煤体受地应力挤压，卡钻现象频发，加上钻机转矩小，导致钻孔无法继续向深度钻进，钻孔成孔率低。钻孔施工情况见表1。

表1 钻孔施工情况Table 1 Drilling construction situation

针对王坡煤矿3206 孤岛工作面瓦斯预抽钻孔成孔难问题，需要采用大转矩、高转速钻机，以增强钻具排渣效果及孔内事故处理能力；同时需要考虑高应力区段钻孔护壁工艺及孔内高效排渣工艺。

2 跟管护孔钻进及复合排渣工艺研究

针对王坡煤矿3206 孤岛工作面高应力、碎软煤层成孔问题，提出采用跟管护孔钻进工艺过高应力区，以达到护壁效果。钻孔穿过高应力区后，通过优化钻具组合，进一步提高钻孔施工深度。钻孔施工工艺流程如图2 所示。

图2 钻孔施工流程Fig.2 Drilling construction flow

2.1 跟管护孔钻进工艺

跟管护孔钻进工艺是指在钻进过程中因地层破碎无法一次钻进成孔时，不需提钻，采用多级套管钻具组合沿一级成孔钻具钻进方向支护塌孔段孔壁，使钻孔向深部钻进。根据孤岛工作面煤层地质条件，一般将跟管护孔钻进分为二级护孔钻进和三级护孔钻进。

（1）二级护孔钻进。在煤层偏软但整体稳定性较好地层，一级成孔钻具可直接钻进穿过塌孔段，但在钻孔向深度钻进过程中，该孔段容易塌孔积渣，影响后续钻孔施工效率及施工深度，故需采用二级套管钻具跟随一级成孔钻具穿过塌孔段，进行孔壁支护，当一级成孔钻具钻进至目标孔深后，依次提出二级套管钻具和一级成孔钻具。二级护孔钻进工艺如图3 所示。

图3 二级护孔钻进工艺Fig.3 The second-stage hole protection drilling technology

（2）三级护孔钻进。在煤层碎软且应力显现地层，一级成孔钻具无法直接钻进穿过该区段。在一级成孔钻具钻进困难时，采用二级套管钻具钻进至一级成孔钻具钻头位置支护孔壁，一级成孔钻具继续钻进。若再次出现钻进困难，采用三级套管钻具钻进至二级套管钻具钻头位置进行孔壁支护，改善二级套管钻具钻进环境，使其能跟管钻进至一级成孔钻具钻头位置支护孔壁，一级成孔钻具继续向深部钻进至目标孔深后，依次提出三级套管钻具、二级套管钻具和一级成孔钻具。三级护孔钻进工艺如图4所示。

图4 三级护孔钻进工艺Fig.4 The third-stage hole protection drilling technology

2.2 螺旋钻进氮气辅助排渣工艺

螺旋钻进氮气辅助排渣工艺是在原有干式螺旋钻进工艺的基础上，对螺旋钻杆进行改造，使其具备传输水或空气等介质的性能，通过制氮装置将具有一定压力的压缩氮气作为冲洗介质，在孔壁与钻杆构成的环孔间隙内形成氮气流，携带钻进过程中产生的钻屑返回孔口，同时降低钻头温度。该工艺相较于传统干式螺旋钻进和空气螺旋钻进工艺，增强了排渣能力，此外，气体还有利于钻头、钻具的冷却，降低了钻进过程中煤炭自燃的风险。

3 配套钻进装备研究

3.1 钻机升级改造

根据跟管护孔钻进工艺需要，在ZDY6500LP 钻机基础上，改变钻机回转器齿轮箱传动结构，一级传动变为行星轮齿轮传动，利用其减速比大的优点实现整体传动比的增大，同时提高电动机排量，将钻机最大转矩从6 500 N·m 提升至10 000 N·m，并校核配套托板和夹持器夹紧力，确保钻机在“双高”（高转矩、高转速）状态下保持稳定工作状态。同时优化钻机动力头，采用中心通孔结构，实现中间加杆和后方加杆，满足先导钻具和跟管钻具加卸要求。增强钻机的高转速性能，提高煤渣离心力；同时，钻孔周围煤体来压卡住钻杆时，利用钻机的大转矩，通过强力回转、高给进力、起拔力的快速加压和释放，震动钻杆，松动周围煤渣，实现钻杆解卡，使钻孔继续向深部钻进。改造后ZDY6500LP 钻机主要参数见表2。

表2 钻机主要参数Table 2 Main technical data of drilling rig

3.2 钻具选型

对于碎软煤层，钻进中经常出现大范围塌孔，孔内煤渣量大，若排渣不及时，易造成卡钻、埋钻事故。因此，选配高效排渣钻具组合是碎软煤层瓦斯预抽钻孔成孔关键。针对王坡煤矿煤层特点及原有设备钻进情况，选取4 种钻杆进行钻进试验：φ60.3/95 mm 插接式螺旋钻杆，φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋钻杆，φ73/89 mm 宽翼片螺旋钻杆，φ89 mm 三棱螺旋钻杆。钻具性能对比见表3。

表3 钻具性能对比Table 3 Performance comparison of drilling tools

一级成孔钻具直径为89～100 mm，综合考虑各级钻具环空间隙排渣效果及钻孔孔径大小，二级套管钻具选取 φ127 mm 套管钻杆配套 φ146 mm 套管钻头，三级套管钻具选取 φ159 mm 套管钻杆配套φ180 mm 套管钻头。因钻进工序不同，一级成孔钻具多为正丝结构，故二级套管钻具设计成反丝丝扣连接，三级套管钻具设计成正丝丝扣连接。同时为加强套管钻具与孔壁之间环空排渣效果，套管钻杆沿周向焊接3 排肋条，套铣钻杆结构如图5 所示。

图5 套铣钻杆结构Fig.5 Structure of milling drill pipe

4 现场试验

4.1 试验地点

3206 孤岛工作面共布置有3 条巷道，分别为3206运输巷、3206 回风巷和3206 高抽巷。主采3 号煤层，煤层平均厚度为4.45 m，煤层稳定，全区可采，煤层倾角为2～10°，平均倾角为6°；煤体内部弱面极其发育，煤体发脆，导致整体强度显著降低，自身承载能力很小，煤层顶底板情况见表4。

表4 煤层顶底板情况Table 4 The roof-floor of coal seam

4.2 钻孔设计

试验钻孔沿3206 孤岛工作面回风巷成排布置，垂直于巷道顺煤层方向。根据工作面瓦斯赋存情况，为了实现应抽尽抽，设计终孔间距为4 m，孔深为132 m；依据煤层赋存情况，设计钻孔倾角为-13～2°，并根据实际煤岩钻进情况进行调整；设计开孔高度为1.5 m。钻孔设计平面布置如图6 所示。

图6 钻孔设计平面布置Fig.6 Plane layout of drilling design

4.3 试验情况

矿方前期未采用跟管护孔钻进工艺施工钻孔4 个，均出现塌孔、卡钻现象，最大钻孔深度为47 m。采用跟管护孔钻进工艺施工68 个钻孔（含8 个探测孔），平均孔深为85.9 m，最大孔深为150 m。其中使用二级护孔工艺施工钻孔47 个，总进尺为4 217 m，平均孔深为89.7 m；二级护孔管深度为16～28 m，平均护孔深度为22 m。使用三级护孔工艺施工钻孔21 个，总进尺为1 621.5 m，平均孔深为77.2 m；三级护孔管深度为15～25 m，平均护孔深度为20 m；二级护孔管深度达30～52 m，平均护孔深度为41 m。钻孔施工试验结果见表5。

表5 钻孔施工试验结果Table 5 Drilling construction test results

对比分析可知，相比于直接采用回转钻进施工钻孔，采用二级护孔钻进工艺施工钻孔平均孔深提高149%，采用三级护孔钻进工艺施工钻孔平均孔深提高114%，说明跟管护孔钻进工艺比回转钻进施工工艺更适合3206 孤岛工作面碎软煤层钻孔施工。二级护孔成孔深度大于三级护孔成孔深度，主要是因为在高应力区，当二级护孔工艺无法满足成孔深度时，继续采用三级护孔工艺，此类钻孔孔内应力表现明显，塌孔、卡钻现象较多，导致成孔深度较小。

钻孔穿过高应力区后，对比分析不同钻具组合和钻进排渣工艺施工效果，钻孔数据见表6，柱状图如图7 所示。①φ60.3/95 mm 插接式钻杆采用干式螺旋高速回转钻进工艺，共施工23 个钻孔，累计进尺为1 602 m，钻进效率为94.2 m/d，平均单孔深度为69.7 m，最大单孔深度为132 m；孔深大于100 m 的钻孔12 个，钻孔成孔率为60%。② φ73/89 mm 螺旋钻杆采用氮气辅助排渣钻进工艺，共施工10 个钻孔，累计进尺为837.5 m，钻进效率为119.6 m/d，平均单孔深度为83.8 m，最大单孔深度为132 m；孔深大于100 m 的钻孔5 个，钻孔成孔率为55.6%。③φ89 mm三棱螺旋钻杆采用氮气辅助排渣钻进工艺，共施工13 个钻孔，累计进尺为1 185 m，钻进效率为118.5 m/d，平均单孔深度为91.2 m，最大单孔深度为150 m；孔深大于100 m 的钻孔6 个，钻孔成孔率为54.5%。④ φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋钻杆采用氮气辅助排渣钻进工艺，施工完成22 个钻孔（含2 个探测孔），累计进尺为2 214 m，钻进效率为123 m/d，平均单孔深度为83.8 m，最大单孔深度为132 m；孔深大于100 m 的钻孔16 个，钻孔成孔率为80%。

图7 钻孔施工效果对比Fig.7 Comparison of drilling construction effects

表6 钻孔数据Table 6 Borehole data

通过4 种钻具组合施工对比分析可知：插接式螺旋钻杆施工钻孔成孔率高于丝扣连接式螺旋钻杆，钻孔穿过应力集中段时，插接式螺旋钻杆可采用正转、反转强力回转扫孔排渣，保证钻孔顺利通过该孔段；对比钻孔成孔深度，螺旋钻进氮气辅助排渣工艺明显优于干式螺旋排渣工艺。综合成孔深度及成孔率，3206 孤岛工作面成孔最优钻具组合及工艺是选取φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋钻杆和氮气辅助排渣工艺。

4.4 抽采效果

在王坡煤矿3206 孤岛工作面施工的68 个钻孔均采用两堵一注封孔方式封孔12 m，将4 种不同钻杆施工的钻孔分组抽采，以分析不同钻具组合施工钻孔的抽采效果，结果如图8、图9 所示。

图8 瓦斯抽采体积分数Fig.8 Gas drainage volume fraction

图9 平均单孔瓦斯抽采纯量Fig.9 Average net gas drainage volume of single hole

由图8、图9 可知，采用φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋钻杆、φ89 mm 三棱螺旋钻杆和φ73/89 mm大螺旋钻杆结合氮气辅助排渣施工的钻孔，其瓦斯抽采体积分数和平均单孔瓦斯抽采量均优于φ60.3/95 mm 插接式螺旋钻杆结合干式螺旋排渣施工的钻孔；而氮气辅助排渣工艺中，φ100/63.5-28 mm 插接密封式螺旋钻杆的抽采效果又优于另外2 种钻杆，原因在于成孔深度及插接密封式螺旋钻杆的大螺旋结构增加了孔内掏煤量和钻孔直径。