石智軍，李泉新，姚 克

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077)

煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡的精確控制，保證鉆孔軌跡在預(yù)定層位中的有效延伸，增長鉆孔有效抽采距離，增加鉆孔瓦斯抽采量，提高瓦斯抽采率;另外定向鉆進(jìn)技術(shù)可進(jìn)行多分支孔施工，施工的鉆孔能均勻覆蓋整個(gè)工作面，具有鉆進(jìn)效率高、一孔多用、集中抽采等優(yōu)點(diǎn)，能顯著提高煤層瓦斯治理效果，現(xiàn)已成為我國煤礦區(qū)瓦斯高效抽采的主要技術(shù)途徑［1－2］。

定向鉆進(jìn)技術(shù)自2008年開始在我國煤礦井下應(yīng)用以來，據(jù)統(tǒng)計(jì)已在30多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了廣泛的推廣應(yīng)用［3－4］，不斷改進(jìn)完善并取得了新的重要進(jìn)展，在國內(nèi)煤礦井下完成了最大孔深1881 m，終孔直徑98 mm和孔深1209 m，終孔直徑120 mm的集束型瓦斯抽采水平定向長鉆孔;完成了最大孔深1026 m，終孔直徑153 mm的頂板巖石高位定向長鉆孔。該技術(shù)不僅可應(yīng)用于煤礦井下瓦斯抽采，還推廣應(yīng)用于煤礦井下探放水及工作面地質(zhì)構(gòu)造探測(cè)等工程領(lǐng)域，且均取得了良好的應(yīng)用效果［5－8］。

煤礦井下隨鉆測(cè)量水平定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備最新進(jìn)展主要表現(xiàn)在:創(chuàng)新設(shè)計(jì)了定向鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)，使其額定扭矩達(dá)到了12000 N·m;研制了煤礦用泥漿脈沖和電磁波無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隨鉆測(cè)量信號(hào)由“有線傳輸”到“無線傳輸”質(zhì)的改變;研制了煤礦用地質(zhì)導(dǎo)向裝置，實(shí)現(xiàn)了從“幾何導(dǎo)向鉆進(jìn)”到“精確地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)”的跨越;開發(fā)了復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了從“滑動(dòng)定向鉆進(jìn)”到“旋轉(zhuǎn)定向復(fù)合鉆進(jìn)”的跨越。

1 ZDY12000LD型定向鉆機(jī)

ZDY12000LD型煤礦用全液壓坑道鉆機(jī)是集主機(jī)、泵站、操作臺(tái)、防爆計(jì)算機(jī)、流量計(jì)、電磁起動(dòng)柜、急停開關(guān)等于一體的大功率深孔定向鉆機(jī)，適用孔底馬達(dá)定向鉆進(jìn)、孔口回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)以及復(fù)合鉆進(jìn)等多種工藝，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ZDY12000LD型大功率定向鉆機(jī)

鉆機(jī)采用整體式布局，具備獨(dú)立行走能力，搬遷方便、現(xiàn)場(chǎng)布置靈活;回轉(zhuǎn)器主軸采用135 mm大通孔結(jié)構(gòu)，具備12000 N·m輸出轉(zhuǎn)矩，回轉(zhuǎn)能力大，鉆機(jī)給進(jìn)/起拔能力250 kN，并可配套使用多種規(guī)格的普通鉆桿、通纜鉆桿、螺旋鉆桿和打撈鉆具等，具有較強(qiáng)的工藝適應(yīng)性。

2 BLY390型泥漿泵車

BLY390型履帶式泥漿泵車采用整體履帶式結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，集成了泥漿泵組件、液壓泵站、電磁啟動(dòng)器、機(jī)車燈組件、甲烷傳感器、操縱臺(tái)等裝置;泥漿泵采用液壓驅(qū)動(dòng)，其排量能進(jìn)行多級(jí)甚至是無級(jí)調(diào)節(jié)。泥漿泵在高排量下能夠保證足夠的壓力，其最大泵量可以達(dá)到390 L/min，額定壓力可達(dá)到12 MPa，很好地滿足了水平定向長鉆孔的成孔需求。

圖2 BLY390型泥漿泵車

3 防爆型無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

3．1 泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的工作原理是在井下測(cè)量?jī)x器完成鉆孔軌跡傾角、方位及工具面的測(cè)量后，通過進(jìn)行一定規(guī)律及次序的數(shù)據(jù)編碼，控制脈沖發(fā)生器關(guān)閉或打開，從而控制鉆桿內(nèi)泥漿流體流量和壓力的變化，從而產(chǎn)生泥漿正脈沖?？卓诘哪酀{壓力傳感器檢測(cè)來自井下儀器的泥漿脈沖信息，并傳輸?shù)娇卓跀?shù)據(jù)處理系統(tǒng)(防爆計(jì)算機(jī)，見圖3)進(jìn)行處理。整套系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器、電磁閥驅(qū)動(dòng)短節(jié)、電池筒、測(cè)量短節(jié)、流量開關(guān)及防爆計(jì)算機(jī)等組成(見圖4)。

圖3 防爆計(jì)算機(jī)

圖4 泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

由于測(cè)量系統(tǒng)在煤礦井下爆炸性氣體環(huán)境中使用，且在小口徑鉆孔內(nèi)采集鉆孔測(cè)量數(shù)據(jù)，沖洗液排量小，相對(duì)于地面采用的泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，煤礦井下用泥漿脈沖隨鉆測(cè)量系統(tǒng)具備以下功能:

(1)防爆型泥漿脈沖隨鉆測(cè)量?jī)x器直徑較小，脈沖發(fā)生器直徑為73 mm，測(cè)量?jī)x器直徑為35 mm。泥漿脈沖發(fā)生器在小排量沖洗液(1.6 L/s)的情況下也能產(chǎn)生穩(wěn)定的脈沖信號(hào)，滿足煤礦井下小排量和小孔徑條件下鉆孔軌跡的測(cè)量要求。

(2)泥漿脈沖發(fā)生控制器采用隔爆腔體設(shè)計(jì)，能夠滿足煤礦井下爆炸氣體環(huán)境的使用要求。

(3)設(shè)計(jì)的控制器電路中最大電壓、電流、電容、電感分別為 16 V、0.4 A、10 μF、0.1 mH，能夠滿足本安電路要求。

3．2 電磁波無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

電磁波無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由測(cè)量短節(jié)、充電電池筒、發(fā)控短節(jié)、接收天線和防爆計(jì)算機(jī)等組成，測(cè)量短節(jié)、充電電池筒和發(fā)控短節(jié)連接組成孔內(nèi)儀器，并根據(jù)預(yù)設(shè)工作模式進(jìn)行工作?？變?nèi)儀器檢測(cè)鉆孔軌跡參數(shù)后，按預(yù)先設(shè)定的編碼規(guī)則將數(shù)據(jù)通過絕緣短節(jié)上部和下部鉆桿柱以電磁波無線方式連續(xù)發(fā)射出去，經(jīng)上部鉆桿柱和煤系地層將數(shù)據(jù)傳遞至孔口，安裝在孔口煤系地層中及孔口鉆探裝備上的接收天線采集上傳的電磁波信號(hào)并通過有線方式傳遞給防爆計(jì)算機(jī)中的信號(hào)采集板，信號(hào)采集板按預(yù)先設(shè)定的編碼規(guī)則對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得出正確的孔內(nèi)工程參數(shù)數(shù)據(jù)后，通過防爆計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)據(jù)處理軟件在屏幕上進(jìn)行顯示。

由于煤系地層電磁波信號(hào)傳輸衰減快、儀器在煤礦井下爆炸性氣體環(huán)境中使用電氣要求高、鉆具規(guī)格較小，相對(duì)于地面采用的電磁波隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，煤礦井下用電磁波無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)具備以下功能:

(2)采用電流監(jiān)控電路實(shí)時(shí)監(jiān)控信號(hào)發(fā)射電流，當(dāng)發(fā)射功率高于6 W時(shí)，自動(dòng)限流保護(hù)，確保煤礦井下安全使用;

(3)采用雙通道數(shù)據(jù)接收，實(shí)現(xiàn)了近距離強(qiáng)信號(hào)保護(hù)和遠(yuǎn)距離微弱信號(hào)接收，試驗(yàn)接收誤碼率約2%;

(4)具有連續(xù)工作和間歇工作兩種模式，連續(xù)工作用于鉆孔軌跡復(fù)測(cè)，間歇工作用于隨鉆測(cè)量定向鉆進(jìn)。

4 地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)裝置

研制的防爆型地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測(cè)量裝置主要由防爆地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量探管和防爆計(jì)算機(jī)組成(見圖5)。其中防爆地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量探管由方位伽馬測(cè)量短節(jié)、伽馬電池筒、鉆孔軌跡測(cè)量短節(jié)組成。使用時(shí)，防爆地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量探管安裝在定向鉆進(jìn)用螺桿馬達(dá)后，需要測(cè)量時(shí)，防爆地質(zhì)導(dǎo)向測(cè)量探管根據(jù)防爆計(jì)算機(jī)的操作指令進(jìn)行工作，并通過有線傳輸通道將鉆孔軌跡參數(shù)和地層伽馬參數(shù)傳遞至防爆計(jì)算機(jī)，由防爆計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和顯示。

圖5 地質(zhì)導(dǎo)向隨鉆測(cè)量裝置

本系統(tǒng)能準(zhǔn)確測(cè)量鉆頭附近的地層伽馬參數(shù)，從而判斷出地層信息，并結(jié)合鉆孔軌跡參數(shù)測(cè)量，控制鉆孔沿著預(yù)定方向在煤層中延伸，為提高煤層鉆遇率、探明礦區(qū)地層地質(zhì)信息及提高鉆探施工效率提供了有效手段，具有以下創(chuàng)新性:

(1)采用有線傳輸方式，通過通纜鉆桿組成的有線傳輸通道進(jìn)行信號(hào)傳輸，顯著增加了信號(hào)傳輸速度和可靠性，滿足煤層快速鉆進(jìn)需要;

(2)開發(fā)了伽馬電池筒限流控制電路，具有高壓供電、短路保護(hù)和低電壓損耗等特點(diǎn)，確保方位伽馬測(cè)量短節(jié)長時(shí)間正常工作;

(3)開發(fā)了基于防爆計(jì)算機(jī)供電的鉆孔軌跡測(cè)量短節(jié)，可單獨(dú)使用進(jìn)行幾何導(dǎo)向鉆進(jìn)，也可組裝使用進(jìn)行地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn);

(4)完成了方位伽馬測(cè)量短節(jié)小直徑結(jié)構(gòu)、方位伽馬開窗結(jié)構(gòu)、高壓隔爆結(jié)構(gòu)和抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既可測(cè)量地層伽馬數(shù)值，又可測(cè)量伽馬方位，提高了煤層頂?shù)装迮袛嗄芰Α?/p>

5 復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)

復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝包括滑動(dòng)定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)兩種形式?；瑒?dòng)定向鉆進(jìn)過程中，鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖動(dòng)力僅由泥漿泵提供，鉆頭和螺桿馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，定向鉆機(jī)僅向鉆具施加鉆壓，鉆具其他部分只產(chǎn)生軸向滑動(dòng)，孔底馬達(dá)工具面可保持一個(gè)穩(wěn)定的方向，從而實(shí)現(xiàn)鉆孔軌跡連續(xù)人工控制。復(fù)合鉆進(jìn)過程中，泥漿泵向孔底泵送高壓水驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)鉆機(jī)帶動(dòng)鉆具回轉(zhuǎn)并向鉆具施加鉆壓，實(shí)現(xiàn)復(fù)合碎巖，并采用隨鉆測(cè)量裝置對(duì)鉆孔軌跡參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，從而掌握鉆孔實(shí)時(shí)軌跡。這種鉆進(jìn)方法具有鉆進(jìn)效率高、鉆孔軌跡平滑、預(yù)防鉆孔事故和有利于實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn)的特點(diǎn)。借助滑動(dòng)定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡控制功能和復(fù)合鉆進(jìn)高效及軌跡平滑的特點(diǎn)，提高了瓦斯抽采定向長鉆孔深孔成孔率和成孔效率。圖6為同等條件下滑動(dòng)定向鉆進(jìn)與復(fù)合定向鉆進(jìn)鉆孔彎曲強(qiáng)度對(duì)比，從圖中可以看出復(fù)合定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡光滑，有利于深孔鉆進(jìn)。

圖6 復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)鉆孔軌跡全彎曲強(qiáng)度對(duì)比

6 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用在晉煤集團(tuán)寺河煤礦進(jìn)行，代表性的鉆孔有本煤層瓦斯抽采孔和頂板高位瓦斯抽采孔，其中1號(hào)鉆孔孔深1881 m，總進(jìn)尺2601 m，鉆孔直徑為98 mm;2號(hào)鉆孔孔深1209 m，總進(jìn)尺1767 m，鉆孔直徑為120 mm;3號(hào)鉆孔孔深1026 m，鉆孔直徑為153 mm。

6．1 1 號(hào)鉆孔

1號(hào)鉆孔為本煤層鉆孔，含分支孔11個(gè)，其中探頂分支7個(gè)、探底分支4個(gè)。在1號(hào)鉆孔施工過程中，充分利用復(fù)合鉆進(jìn)鉆孔偏斜規(guī)律，通過滑動(dòng)定向鉆進(jìn)與復(fù)合鉆進(jìn)相結(jié)合的方法進(jìn)行定向鉆孔軌跡控制。鉆孔的實(shí)鉆軌跡剖面圖如圖7所示。鉆孔施工平均日進(jìn)尺210 m，復(fù)合鉆進(jìn)孔段占總進(jìn)尺的72%，孔深達(dá)到1000 m以上時(shí)，日平均進(jìn)尺仍能達(dá)到180 m以上。鉆進(jìn)過程中，鉆孔孔內(nèi)狀況一切正常，孔口排渣順暢。由于大量采用了復(fù)合鉆進(jìn)工藝，鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力始終保持較低的水平，孔深達(dá)到1881 m時(shí)，鉆進(jìn)系統(tǒng)復(fù)合鉆進(jìn)給進(jìn)系統(tǒng)壓力4.1 MPa，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力6 MPa，滑動(dòng)給進(jìn)系統(tǒng)壓力8 MPa，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)額定壓力。采用的孔底馬達(dá)最短首次檢修時(shí)間為365 h，最長首次檢修時(shí)間為410 h，使用壽命提高了82.5%。鉆孔軌跡測(cè)量采用無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。

圖7 1號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面

6．2 2 號(hào)鉆孔

2號(hào)鉆孔同為本煤層鉆孔，共5個(gè)分支孔，其中探頂分支4個(gè)、探底分支1個(gè)，鉆孔的實(shí)鉆軌跡剖面圖如圖8所示。2號(hào)鉆孔鉆進(jìn)過程中采用了地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)裝置，為了提高分辨率，對(duì)伽馬數(shù)值進(jìn)行了放大。在鉆孔初期，通過人為探頂、探底，確定煤層以及頂?shù)装鍘r層伽馬值，煤層中伽馬值在1000～3000之間，而頂?shù)装鍘r層伽馬值在5000～10000之間。在鉆進(jìn)過程中，可根據(jù)伽馬值大小判定鉆孔實(shí)鉆層位以及層位的變化趨勢(shì)。

圖8 2號(hào)鉆孔地質(zhì)導(dǎo)向?qū)嶃@軌跡剖面

該鉆孔復(fù)合鉆進(jìn)孔段占總進(jìn)尺的50%以上，復(fù)合鉆進(jìn)給進(jìn)系統(tǒng)壓力4.2 MPa，回轉(zhuǎn)系統(tǒng)壓力6.6 MPa，滑動(dòng)鉆進(jìn)給進(jìn)系統(tǒng)壓力5 MPa。鉆孔施工完成后采用無線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行了復(fù)測(cè)，其軌跡如圖9所示。

圖9 2號(hào)鉆孔復(fù)測(cè)軌跡剖面

6．3 3 號(hào)鉆孔

3號(hào)頂板巖層高位定向長鉆孔先導(dǎo)孔直徑為98 mm，后采用153 mm進(jìn)行擴(kuò)孔。先導(dǎo)孔鉆進(jìn)時(shí)最大日進(jìn)尺達(dá)到了159 m，單班最大進(jìn)尺達(dá)到了57 m，正常鉆進(jìn)時(shí)單班進(jìn)尺在45m以上，在相同地層條件下，鉆進(jìn)效率較現(xiàn)有定向鉆機(jī)大幅提升。3號(hào)高位鉆孔軌跡如圖10所示。

7 結(jié)語

(1)ZDY12000LD型鉆機(jī)功率大、鉆進(jìn)及事故處理能力強(qiáng)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果證明，該鉆機(jī)完全可滿足孔深1500 m以上本煤層定向超長鉆孔以及1000 m以上的巖層定向長鉆孔施工的需要。

圖10 3號(hào)鉆孔實(shí)鉆軌跡剖面

(2)無線隨鉆測(cè)量裝置具備長距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰?，測(cè)量精度滿足實(shí)鉆需求;無線隨鉆測(cè)量裝置減少了對(duì)鉆桿結(jié)構(gòu)和密封性的要求，提高了鉆桿強(qiáng)度和系統(tǒng)工作的安全性，降低了鉆進(jìn)成本。

(3)地質(zhì)導(dǎo)向鉆進(jìn)裝置能夠很好測(cè)量出不同地層的伽馬值，可作為分辨實(shí)鉆地層的依據(jù)，有利于指導(dǎo)定向鉆孔施工。

(4)復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝滿足定向鉆孔軌跡控制的需要，形成的鉆孔孔壁光滑、沉渣少、鉆孔曲率小，鉆進(jìn)效率高，鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力較純滑動(dòng)定向鉆進(jìn)顯著降低，有利于實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn)。

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