王 鮮，許 超，劉 飛，姜 磊，畢志琴

(中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

順煤層定向長(zhǎng)鉆孔是進(jìn)行煤層瓦斯治理的有效手段。隨著煤礦大型自動(dòng)化綜采設(shè)備的發(fā)展進(jìn)步，各大礦區(qū)開始采用超長(zhǎng)工作面來提高煤炭開采效率，并獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。超長(zhǎng)工作面瓦斯治理對(duì)順煤層定向長(zhǎng)鉆孔的需求增大，對(duì)鉆孔深度和鉆孔軌跡精度的要求也越來越高。

近年來，我國(guó)先后引進(jìn)、自主研發(fā)了一系列長(zhǎng)鉆孔定向鉆進(jìn)技術(shù)與配套裝備，并在井下瓦斯抽采中進(jìn)行了大量的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和應(yīng)用，取得了顯著的成果[1-3]。目前在一些煤層賦存條件較好的礦區(qū)，順煤層瓦斯抽采定向鉆孔深度可普遍達(dá)到1500m以上，對(duì)于長(zhǎng)度3000m左右的超長(zhǎng)工作面，采用對(duì)接式鉆孔施工方案，即在工作面形成前，從其兩端的盤區(qū)大巷分別朝工作面內(nèi)施工順煤層定向長(zhǎng)鉆孔，利用兩個(gè)相向施工的定向長(zhǎng)鉆孔覆蓋工作面長(zhǎng)度范圍，可基本實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)工作面瓦斯區(qū)域超前抽采。但對(duì)接式施工方案存在設(shè)備頻繁搬遷、抽采系統(tǒng)成本投入大、工作面開采后切眼一側(cè)鉆孔即失效等問題。為此，有必要開展順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔技術(shù)與裝備研究和工程實(shí)踐、探索超長(zhǎng)工作面瓦斯治理新模式?；诖耍疚姆治隽耸┕ろ樏簩映L(zhǎng)定向鉆孔對(duì)關(guān)鍵鉆進(jìn)裝備的技術(shù)要求，總結(jié)對(duì)比了國(guó)內(nèi)外幾款典型的順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔關(guān)鍵裝備性能特點(diǎn)，結(jié)合工程實(shí)踐分析了關(guān)鍵裝備應(yīng)用效果和局限性，并對(duì)進(jìn)一步提高順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔裝備能力進(jìn)行了展望，以期促進(jìn)超長(zhǎng)工作面瓦斯治理水平發(fā)展進(jìn)步。

1 順煤層超長(zhǎng)孔定向鉆進(jìn)關(guān)鍵裝備

1.1 定向鉆機(jī)

定向鉆機(jī)是施工定向鉆孔的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為孔內(nèi)鉆具提供給進(jìn)、起拔、回轉(zhuǎn)及制動(dòng)作用力。煤礦井下順煤層超長(zhǎng)孔定向鉆進(jìn)主要采用復(fù)合定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)，即在造斜時(shí)采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，在穩(wěn)斜時(shí)采用復(fù)合鉆進(jìn)。鉆進(jìn)過程中，隨著鉆孔深度和孔內(nèi)鉆具長(zhǎng)度增加，鉆具與孔壁間摩阻力增大，鉆進(jìn)危險(xiǎn)性提高、鉆進(jìn)效率降低。因此，根據(jù)煤礦井下順煤層超長(zhǎng)孔定向鉆進(jìn)需要，定向鉆機(jī)需具備以下功能：①具備輸出大扭矩和大給進(jìn)/起拔力的能力，可克服超長(zhǎng)孔鉆進(jìn)時(shí)孔內(nèi)摩阻為孔底持續(xù)加壓；②滿足回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、滑動(dòng)定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)等多種鉆進(jìn)工藝，符合超長(zhǎng)孔定向鉆進(jìn)工藝要求；③可配套常規(guī)鉆桿、通纜鉆桿和打撈鉆桿等多種規(guī)格鉆具，提高工藝適應(yīng)性和超長(zhǎng)孔鉆進(jìn)安全性。目前，國(guó)內(nèi)外用于施工順煤層超長(zhǎng)孔的定向鉆機(jī)均采用履帶式結(jié)構(gòu)，幾款典型鉆機(jī)及其參數(shù)見表1[4-6]。

表1 典型鉆機(jī)及其主要性能參數(shù)

1.2 泥漿泵

目前煤礦井下主要通過泥漿泵提供高壓沖洗液驅(qū)動(dòng)螺桿馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭旋轉(zhuǎn)碎巖，該高壓沖洗液同時(shí)具有冷卻孔內(nèi)鉆具和攜帶孔內(nèi)鉆渣等多重作用。泥漿泵輸出的高壓沖洗液經(jīng)孔口管路和孔內(nèi)鉆具到達(dá)孔底，受沖洗液沿程水壓損耗影響，到達(dá)孔底的沖洗液能量隨鉆孔深度增加而逐漸降低，這將直接影響深孔鉆進(jìn)時(shí)孔底螺桿馬達(dá)動(dòng)力輸出和孔內(nèi)排渣效果。因此，施工順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔要求泥漿泵具有：①額定流量大，滿足孔底螺桿馬達(dá)旋轉(zhuǎn)及孔內(nèi)排渣需要；②額定壓力高，可為超長(zhǎng)定向鉆孔施工提供強(qiáng)勁動(dòng)力；③運(yùn)行平穩(wěn)，避免對(duì)螺桿馬達(dá)動(dòng)力輸出和無(wú)線隨鉆測(cè)量?jī)x器信號(hào)傳輸造成影響。

煤礦井下定向鉆進(jìn)用泥漿泵分為電驅(qū)式和液驅(qū)式兩種形式，額定流量主要介于200～500L/min，額定壓力介于10～13MPa。近年來，為適應(yīng)井下大直徑、長(zhǎng)鉆孔施工對(duì)沖洗液流量和壓力的需求，同時(shí)為了井下移動(dòng)搬遷方便，相關(guān)機(jī)構(gòu)研制出系列化履帶式液驅(qū)泥漿泵車，其型號(hào)和主要性能參數(shù)見表2[7]。

表2 系列化泥漿泵車及其主要性能參數(shù)

1.3 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

煤礦井下隨鉆測(cè)量系統(tǒng)按照信號(hào)傳輸方式分為有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)兩種類型。

1)有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)是指利用通纜鉆桿傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)的隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，按照測(cè)量系統(tǒng)供電形式分為孔內(nèi)電池筒供電和孔口計(jì)算機(jī)供電。目前，煤礦井下有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)已普遍采用孔口供電形式，即通過孔口的防爆計(jì)算機(jī)經(jīng)通纜鉆桿向孔底測(cè)量探管供電并下達(dá)工作指令，探管測(cè)量鉆孔參數(shù)后通過通纜鉆桿傳輸測(cè)量信號(hào)給防爆計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)和顯示[8]。有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)工作時(shí)間不受限制、信號(hào)傳輸速度快、穩(wěn)定性好，但必須配套特制的通纜鉆桿。

2)無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)?，F(xiàn)有礦用無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)主要有泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)。泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)利用孔底探管測(cè)量鉆孔數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)編碼，以水壓脈沖的形式通過沖洗液傳輸至孔口，由孔口水壓傳感器將數(shù)據(jù)傳遞給防爆計(jì)算機(jī)解碼并顯示[9]；電磁波無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)由孔底探管測(cè)量鉆孔數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)以電磁波的形式通過鉆桿和煤系地層傳輸至孔口，由孔口接收電極傳遞給防爆計(jì)算機(jī)解碼和顯示[10]。無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)擺脫了對(duì)通纜鉆桿的依賴，適配鉆具類型更廣，但因均采用孔內(nèi)電池筒供電，一次使用時(shí)間有限，且信號(hào)傳輸速度慢于有線傳輸系統(tǒng)。

目前，國(guó)內(nèi)外煤礦井下定向鉆進(jìn)主要采用有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)，近年來無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)煤礦井下開始逐步推廣，并取得了良好的應(yīng)用效果。幾款典型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及其性能參數(shù)見表3[11，12]。

表3 典型隨鉆測(cè)量系統(tǒng)及其主要性能參數(shù)

2 工程實(shí)踐

2.1 工程概況

保德煤礦是神東煤炭集團(tuán)下屬的現(xiàn)代化大型礦井之一，屬高瓦斯礦井，目前主采8#煤層，煤厚約8m，含兩層夾矸，單層夾矸最大厚度約0.4m。保德煤礦規(guī)劃的二、三盤區(qū)工作面走向長(zhǎng)度普遍超過3000m，煤層普氏硬度系數(shù)f≈0.72，原始瓦斯含量4.87～8.96m3/t。為了在工作面形成前預(yù)抽煤層瓦斯，保德煤礦積極尋求利用順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔解決超長(zhǎng)工作面瓦斯問題[13]。

2.2 施工情況

針對(duì)保德煤礦二盤區(qū)規(guī)劃的81210和81209工作面瓦斯治理需要，結(jié)合保德煤礦現(xiàn)有鉆進(jìn)裝備情況，經(jīng)鉆進(jìn)裝備性能對(duì)比，優(yōu)選了ZDY12000LD定向鉆機(jī)、BLY460/13泥漿泵車、YHD2-1000(A)有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)和YHD3-1500泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)等關(guān)鍵裝備，配套Ф89mm中心通纜式鉆桿、Ф89mm螺桿馬達(dá)和Ф120mm定向鉆頭，完成了3個(gè)孔徑120mm、孔深超過2000m的順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔，其中2#鉆孔深度達(dá)到2570m，創(chuàng)造了煤礦井下順煤層定向鉆孔深度的新紀(jì)錄。鉆孔平面圖如圖1所示，鉆孔信息見表4。

圖1 鉆孔軌跡平面圖

2.3 應(yīng)用效果分析

2.3.1 定向鉆機(jī)

ZDY12 000LD定向鉆機(jī)性能優(yōu)越、運(yùn)行穩(wěn)定，在孔深超過2000m后，采用滑動(dòng)定向鉆進(jìn)時(shí)給進(jìn)壓力接近鉆機(jī)額定給進(jìn)力，而采用復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)給進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力分別低于額定壓力的25%和50%，說明鉆進(jìn)系統(tǒng)壓力儲(chǔ)備富余，具備施工深度2500m順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔的鉆進(jìn)能力。但隨著定向鉆孔深度繼續(xù)增加，孔內(nèi)摩阻效應(yīng)持續(xù)增強(qiáng)，最終將超過鉆機(jī)所能提供的最大給進(jìn)力而無(wú)法繼續(xù)實(shí)施滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，如2#鉆孔鉆進(jìn)至2274m后，滑動(dòng)鉆進(jìn)已無(wú)法有效進(jìn)尺，雖通過復(fù)合鉆進(jìn)可在一定范圍內(nèi)調(diào)控鉆孔軌跡繼續(xù)鉆進(jìn)，但若軌跡偏離過大，則只能停止鉆進(jìn)，這成為限制順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔深度的關(guān)鍵因素。

表4 順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔信息表

2.3.2 泥漿泵

泥漿泵輸出的高壓沖洗液是定向鉆進(jìn)的重要?jiǎng)恿碓?。受中心通纜式鉆桿特殊結(jié)構(gòu)和沖洗液管路損耗影響，開始鉆進(jìn)時(shí)，控制泥漿泵流量300L/min，泵壓已達(dá)2.5～3MPa，并隨孔深增長(zhǎng)按0.5MPa/hm呈線性增長(zhǎng)；當(dāng)孔深達(dá)到1700m時(shí)，泥漿泵壓接近額定壓力13MPa，為避免泥漿泵長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，人為降低流量至250～280L/min，泵壓維持在10～11MPa，能夠滿足深度2500m定向鉆孔對(duì)螺桿馬達(dá)啟動(dòng)和正常運(yùn)轉(zhuǎn)以及鉆孔排渣需要。但降低流量對(duì)螺桿馬達(dá)動(dòng)力輸出和孔內(nèi)排渣有不利影響，這可能成為限制超長(zhǎng)鉆孔深度的重要因素。

2.3.3 隨鉆測(cè)量系統(tǒng)

1#和1-1#鉆孔施工采用YHD2-1000(A)有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)完成，2#鉆孔施工中受通纜鉆桿影響，有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定傳輸測(cè)量信號(hào)，更換YHD3-1500泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量至2570m。1#和2#鉆孔采用YHD2-1000(A)有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)施工期間測(cè)量信號(hào)電壓隨孔深變化關(guān)系如圖2所示，由圖2可看出，1#和2#鉆孔測(cè)量信號(hào)電壓均隨鉆孔深度的遞增而遞減，且表現(xiàn)出明顯的線性分布規(guī)律。究其原因，YHD2-1000(A)有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)采用多根相互連接的通纜鉆桿進(jìn)行信號(hào)傳輸，隨著鉆孔深度的延伸，傳輸線路中的阻抗逐漸增大，導(dǎo)致電壓信號(hào)傳輸強(qiáng)度逐漸衰減，各鉆桿連接點(diǎn)出現(xiàn)的不均勻、不連續(xù)的接觸也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)傳輸強(qiáng)度損耗；其次，通纜鉆桿內(nèi)部結(jié)構(gòu)零件磨損老化和密封性下降，相當(dāng)于傳輸線路中產(chǎn)生若干個(gè)電阻源，造成電壓信號(hào)在傳輸過程中在局部連接點(diǎn)被分壓，也會(huì)導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)電壓衰減[8]。

圖2 測(cè)量信號(hào)電壓與孔深變化關(guān)系

實(shí)踐表明：YHD2-1000(A)有線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)傳輸速度快、測(cè)量數(shù)據(jù)精確，但隨著通纜鉆桿長(zhǎng)度的增加和使用時(shí)間延長(zhǎng)，信號(hào)傳輸強(qiáng)度逐漸衰減；YHD3-1500泥漿脈沖無(wú)線隨鉆測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)傳輸穩(wěn)定，但隨著泥漿泵壓力逐漸接近額定值，測(cè)量信號(hào)傳輸強(qiáng)度和穩(wěn)定性逐漸下降。因此，隨鉆測(cè)量系統(tǒng)的信號(hào)傳輸強(qiáng)度也是超長(zhǎng)孔定向鉆進(jìn)值得高度關(guān)注的問題。

3 展 望

現(xiàn)階段，制約順煤層超長(zhǎng)孔定向鉆進(jìn)的最大因素是深孔段滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)鉆壓的傳遞問題，其實(shí)質(zhì)是滑動(dòng)鉆進(jìn)給進(jìn)力與孔內(nèi)摩阻力相抗衡的問題，解決這一問題應(yīng)從增大傳遞至孔底的鉆進(jìn)壓力、降低孔內(nèi)摩阻效應(yīng)、減小鉆具拖壓等角度出發(fā)，從鉆進(jìn)裝備方面考慮，近期可從以下三方面開展研究。

1)現(xiàn)有裝備升級(jí)改造?，F(xiàn)有煤礦井下定向鉆進(jìn)裝備中，定向鉆機(jī)向鉆具施加的給進(jìn)力是孔底鉆壓的主要來源，因此首先應(yīng)研制能提供更大給進(jìn)力的定向鉆機(jī)，增大孔口輸入端給進(jìn)壓力；其次，應(yīng)研制更大額定流量和額定壓力的泥漿泵，同時(shí)優(yōu)化沖洗液孔口管路并研發(fā)大通孔隨鉆測(cè)量鉆桿，增強(qiáng)泥漿泵輸出能力并降低沖洗液在流通過程中的能量損耗，以提高孔內(nèi)清潔效果，降低孔內(nèi)摩阻效應(yīng)。

2)研制孔內(nèi)加壓減阻工具。針對(duì)深孔水平段滑動(dòng)定向鉆進(jìn)困難的問題，石油鉆井領(lǐng)域研究形成了水力加壓器、水力振蕩器和液動(dòng)沖擊器等孔內(nèi)加壓減阻工具，并在實(shí)際應(yīng)用過程中取得了良好效果，目前已有大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用的產(chǎn)品[14]。但限于石油鉆井中使用的相關(guān)工具直徑較大，無(wú)法直接應(yīng)用于煤礦井下，因此急需研制適用于煤礦井下的配套孔內(nèi)工具，改善深孔鉆進(jìn)時(shí)鉆壓傳遞效果。

3)研發(fā)新型鉆具扭擺系統(tǒng)。鉆具扭擺系統(tǒng)是石油鉆井領(lǐng)域近年來形成的一種新型鉆進(jìn)系統(tǒng)，其基本原理是在鉆機(jī)頂驅(qū)上增設(shè)自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)，在深孔段滑動(dòng)鉆進(jìn)時(shí)利用該機(jī)構(gòu)控制孔口鉆具小幅度持續(xù)正反轉(zhuǎn)，并保證正反轉(zhuǎn)扭矩能傳遞至孔內(nèi)一定距離的拖壓段而不傳遞至孔底，從而使部分鉆具的靜摩擦力轉(zhuǎn)變?yōu)榛瑒?dòng)摩擦力以減緩?fù)蠅含F(xiàn)象[15]。鉆具扭擺系統(tǒng)不需改變現(xiàn)有定向鉆具組合結(jié)構(gòu)，且煤礦井下定向鉆機(jī)常用的液壓動(dòng)力頭形式類似于石油鉆機(jī)的頂驅(qū)，因此將該系統(tǒng)引入煤礦井下具有較高的可移植性，對(duì)于減小鉆具拖壓和降低孔內(nèi)摩阻將起到顯著作用。

4 結(jié) 語(yǔ)

順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔可減少超長(zhǎng)工作面瓦斯抽采鉆孔工程量、降低瓦斯治理周期和成本、提高瓦斯抽采效率和抽采量，是進(jìn)行超長(zhǎng)工作面瓦斯區(qū)域超前治理的有效技術(shù)手段。煤礦井下定向鉆進(jìn)裝備是施工順煤層超長(zhǎng)定向鉆孔的重要保障，隨著國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)和科研單位在該領(lǐng)域的長(zhǎng)期投入和持續(xù)研發(fā)，井下定向鉆進(jìn)裝備型式、性能都有了很大進(jìn)步，代表鉆進(jìn)裝備優(yōu)越性的鉆孔深度記錄也不斷被刷新，但在工程應(yīng)用和實(shí)踐中也遇到了新的問題，需要繼續(xù)加大資源投入和研發(fā)力度，突破技術(shù)裝備瓶頸，為煤礦企業(yè)安全高效生產(chǎn)提供有力支撐。