王 力，姚寧平，姚亞峰，王 毅，張 杰，方 俊，魏宏超

煤礦井下碎軟煤層順層鉆完孔技術(shù)研究進(jìn)展

王 力1,2，姚寧平2，姚亞峰1,2，王 毅2，張 杰2，方 俊2，魏宏超1,2

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

我國碎軟煤層賦存層位多、分布廣，普遍存在構(gòu)造應(yīng)力復(fù)雜、瓦斯壓力高、煤體力學(xué)強(qiáng)度低、滲透性差等特點(diǎn)，鉆進(jìn)時(shí)易塌孔、噴孔、孔壁失穩(wěn)，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難、孔內(nèi)事故頻發(fā)、成孔深度淺、鉆孔堵塞、存在抽采盲區(qū)等問題。隨著煤炭開采深度的不斷增加，碎軟煤層瓦斯抽采鉆完孔就更加困難。因此，碎軟煤層高效、深孔、精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)以及增透、增產(chǎn)、護(hù)孔的完孔技術(shù)一直是碎軟煤層瓦斯治理的重大技術(shù)需求和研究熱點(diǎn)。從護(hù)孔、排渣、軌跡控制、完孔等成孔的關(guān)鍵技術(shù)難題方面，總結(jié)了碎軟煤層順層鉆完孔技術(shù)研究現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，分析了目前碎軟煤層鉆進(jìn)技術(shù)存在的問題，提出了改進(jìn)完善建議，分析了內(nèi)控導(dǎo)向式旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)，多孔介質(zhì)充填式篩管、折疊膨脹管完孔技術(shù)等碎軟煤層鉆完孔技術(shù)新進(jìn)展，為進(jìn)一步完善現(xiàn)有碎軟煤層鉆完孔技術(shù)提供了思路。

煤礦井下；碎軟煤層；瓦斯抽采；內(nèi)控導(dǎo)向式旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)；篩管完孔

我國含碎軟煤層的煤礦數(shù)量龐大，占比達(dá)到了50%以上[1-2]。受地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，這類煤層原生結(jié)構(gòu)被破壞，煤體變碎、變軟，煤體力學(xué)強(qiáng)度低，一般定義為抗碎強(qiáng)度(shatter strength)低于 50%、堅(jiān)固性系數(shù)(protodyakonov coefficient)不超過 1.0 的煤層，同時(shí)還具有滲透率低、瓦斯含量大、壓力大等特點(diǎn)[3]。煤礦井下碎軟煤層順層鉆進(jìn)屬于欠平衡鉆進(jìn)，不存在靜液柱壓力平衡地層壓力保護(hù)孔壁的穩(wěn)定性，鉆進(jìn)時(shí)極易發(fā)生噴孔、塌孔、孔壁失穩(wěn)現(xiàn)象，導(dǎo)致鉆進(jìn)困難、孔內(nèi)事故頻發(fā)、成孔深度淺、鉆孔堵塞等問題[4-8]。

隨著煤礦開采深度以8~12 m/a的速度增加[9]，地應(yīng)力、瓦斯壓力等影響鉆進(jìn)效果的因素將更加復(fù)雜，使碎軟煤層成孔愈發(fā)困難，嚴(yán)重影響煤礦瓦斯高效治理[10-11]。因此，碎軟煤層高效、深孔、精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)以及護(hù)孔、增產(chǎn)的完孔技術(shù)一直是碎軟煤層瓦斯治理的重大技術(shù)需求和研究熱點(diǎn)。

近年來，針對(duì)碎軟煤層鉆進(jìn)存在的孔壁易失穩(wěn)、排渣困難、軌跡不可控、完孔方法有限等關(guān)鍵技術(shù)難題，科研和工程技術(shù)人員開展了大量的研究工作，目前在不同礦區(qū)碎軟煤層鉆進(jìn)中應(yīng)用的有中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)[12]，其中針對(duì)中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)時(shí)的降塵、排渣和孔內(nèi)冷卻等問題，開發(fā)了空氣霧化鉆進(jìn)工藝[13]和空氣泡沫鉆進(jìn)工藝及配套裝備[6]，完善了中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)，這2種鉆進(jìn)技術(shù)也屬于空氣鉆進(jìn)范疇。高速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)[14]、空氣套管護(hù)孔鉆進(jìn)技術(shù)[15]、空氣螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)[16-17]、雙頭雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)[18]、篩管完孔技術(shù)[19]等，在提高碎軟煤層鉆進(jìn)孔深、鉆進(jìn)效率、成孔率、鉆孔軌跡控制，提高瓦斯抽采效率方面，都取得了較好的應(yīng)用效果，但在鉆具、鉆進(jìn)工藝方面還需進(jìn)一步改進(jìn)和完善。

目前，煤礦提出了碎軟煤層 “一孔兩消”、遞進(jìn)式抽采的瓦斯治理新模式，且已經(jīng)開始了實(shí)踐探索，同時(shí)《防治煤與瓦斯突出細(xì)則》也提出了可以用定向長鉆孔進(jìn)行煤巷推進(jìn)條帶預(yù)抽。高效、精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)及完孔技術(shù)成為碎軟煤層鉆進(jìn)技術(shù)研究方向。筆者分析了現(xiàn)有鉆進(jìn)技術(shù)的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了碎軟煤層內(nèi)控導(dǎo)向式旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)和填充式、折疊管式篩管完孔技術(shù)思路，對(duì)碎軟煤層鉆完孔技術(shù)研究和應(yīng)用，具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值。

1 碎軟煤層鉆完孔存在的難題

1.1 孔壁易失穩(wěn)破壞

碎軟煤層在形成過程中遭遇多期次的地質(zhì)構(gòu)造作用，具有松軟、破碎、低滲、應(yīng)力復(fù)雜的特點(diǎn)，導(dǎo)致機(jī)械強(qiáng)度低、煤體結(jié)構(gòu)劣化，在碎軟煤層鉆孔施工過程中，受地應(yīng)力、瓦斯壓力、鉆具擾動(dòng)等影響[20-23]，孔壁易發(fā)生局部變形垮孔，瓦斯聚集引起噴孔，繼而發(fā)生煤體失穩(wěn)破壞，造成鉆孔結(jié)構(gòu)性坍塌[24]。鉆進(jìn)工藝對(duì)孔壁穩(wěn)定性的影響主要體現(xiàn)在沖洗介質(zhì)沖刷軟化、鉆進(jìn)速度和鉆具的振動(dòng)效應(yīng)[25]，及時(shí)下入套管能有效降低煤孔壁應(yīng)力值，可預(yù)防孔壁坍塌，?85 mm 是最優(yōu)孔徑[26]，這些工藝因素可以采取技術(shù)措施來預(yù)防和改善孔壁的穩(wěn)定性。孔壁易失穩(wěn)破壞，是碎軟煤層鉆探工藝面臨的客觀地層性質(zhì)難題，只能通過護(hù)孔措施來改善。

1.2 孔內(nèi)煤粉清潔難

采用水力排粉鉆進(jìn)時(shí)，水的沖刷以及軟化作用，使孔壁易坍塌，也不利于瓦斯解吸和緩慢釋放，容易引起瓦斯噴孔，短時(shí)間產(chǎn)生幾倍甚至幾十倍于正常值的煤粉，難以及時(shí)清潔[12]。實(shí)踐證明，采用空氣鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)時(shí)，對(duì)孔壁擾動(dòng)小、不影響瓦斯解吸、孔壁穩(wěn)定性較好、噴孔強(qiáng)度也較弱，是碎軟煤層鉆進(jìn)的有效方法，在空氣作為沖洗介質(zhì)攜粉時(shí)，當(dāng)塌孔煤粉堆積形成“沙丘”時(shí)，氣體移動(dòng)“沙丘”能力就比較弱，常常需要長時(shí)間回轉(zhuǎn)鉆具、倒桿排粉。另外，鉆進(jìn)時(shí)塌孔形成了“鉆穴”，空氣在“鉆穴”中形成渦流，降低風(fēng)速，影響煤粉清潔效率[22]。螺旋鉆進(jìn)時(shí)，排粉不暢時(shí)的現(xiàn)象是“吸鉆”，同時(shí)鉆機(jī)轉(zhuǎn)矩急劇上升，直至卡死鉆具。因此，碎軟煤層鉆進(jìn)時(shí)難以清潔的煤粉主要來自瞬間塌孔、噴孔產(chǎn)生的粒徑極不均一的煤粉，而非正常鉆進(jìn)產(chǎn)生的鉆屑，鉆孔清潔是碎軟煤層鉆進(jìn)工藝的技術(shù)層面難題，可以通過改進(jìn)工藝方法、優(yōu)化鉆具來改善。

1.3 軌跡不能精確控制

目前，大多數(shù)碎軟煤層礦區(qū)采用回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行順層孔施工，根據(jù)煤層產(chǎn)狀，按設(shè)計(jì)從確定鉆孔的開孔高度、傾角以及方位角等方面，來確定鉆進(jìn)方向，鉆進(jìn)過程中采用不同的鉆壓、轉(zhuǎn)速、沖洗液量等鉆進(jìn)工藝參數(shù)來調(diào)整鉆進(jìn)趨勢，屬于理論或經(jīng)驗(yàn)試錯(cuò)的控制方法，可靠性差。采用穩(wěn)定組合鉆具(圖1)可以對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行粗略控制，主要是調(diào)節(jié)近鉆頭處的穩(wěn)定器位置，使鉆頭產(chǎn)生上側(cè)、下側(cè)切削力，從而達(dá)到控制鉆進(jìn)方向的目的[27]，這種控制方法的效果與地層性質(zhì)、穩(wěn)定器安裝位置、鉆進(jìn)工藝參數(shù)等某一個(gè)或者多個(gè)因素相關(guān)，帶有不確定性。筆者研究了一種采用撓性蛇骨鉆桿定向鉆進(jìn)技術(shù)，它采用多個(gè)具有大變形的撓性接頭的鉆桿(圖2)，沿煤層鉆進(jìn)時(shí)，撓性鉆桿在重力的作用下，強(qiáng)力向下造斜，一般用在強(qiáng)力糾斜或者穿層孔煤層段鉆進(jìn)中，這種方法只能控制鉆孔傾角，無法控制鉆進(jìn)方位，且鉆進(jìn)深度有限[28]。

圖1 組合鉆具[27]

圖2 撓性鉆桿強(qiáng)造斜鉆進(jìn)

上述的理論經(jīng)驗(yàn)型、弱作用造斜工具型軌跡控制方法都存在一定程度的不確定性，無法確保鉆孔軌跡的精準(zhǔn)性，使鉆孔抽采無法均勻覆蓋控制區(qū)域，造成瓦斯治理空白帶。軌跡控制是碎軟煤層鉆進(jìn)工藝的技術(shù)層面難題，可以通過創(chuàng)新鉆進(jìn)方法來解決。

1.4 完孔方法有限

碎軟煤層鉆孔的目的是抽采瓦斯，成孔后如何完孔，保證鉆孔在相當(dāng)一段抽采時(shí)間內(nèi)保持暢通是瓦斯抽采孔施工的重要環(huán)節(jié)。一直以來煤礦都是采取裸眼完孔，即鉆孔終孔提鉆后，不采取任何護(hù)孔措施，直接封孔抽采，抽采過程中往往出現(xiàn)鉆孔塌孔，通道堵塞后抽采量急劇衰減使鉆孔失效。針對(duì)這一問題，出現(xiàn)了提鉆后下入PVC或者PE篩管的完孔方法，但碎軟煤層鉆孔提鉆后，易出現(xiàn)塌孔，篩管下入深度有限。2012年后，中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司(以下簡稱西安研究院)、中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司(以下簡稱重慶研究院)[19,29]相繼成功開發(fā)了不提鉆篩管完孔技術(shù)，解決了“鉆到位、管到底”的鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)難題，迅速在全國碎軟煤層礦區(qū)推廣應(yīng)用起來，現(xiàn)已成為碎軟煤層鉆孔施工的標(biāo)準(zhǔn)，這也是截至目前唯一最可靠的篩管完孔技術(shù)，但仍然存在完孔直徑小、防堵性能差、鉆孔二次修復(fù)等一些問題，需要進(jìn)一步完善。

2 碎軟煤層順層孔鉆進(jìn)技術(shù)現(xiàn)狀

2.1 中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)

空氣鉆進(jìn)具有擾動(dòng)小，有利于孔壁穩(wěn)定和瓦斯解吸等優(yōu)勢，成為碎軟煤層的有效鉆進(jìn)技術(shù)。隨著煤礦對(duì)鉆孔鉆進(jìn)效率和孔深需求不斷提高，礦井風(fēng)壓(小于0.8 MPa)條件下的鉆進(jìn)效果已不能滿足生產(chǎn)需要，因此，從提高排粉效率的角度出發(fā)，開發(fā)了中風(fēng)壓鉆進(jìn)技術(shù)及配套裝備，以專用移動(dòng)式防爆空壓機(jī)(1.25 MPa)、大通孔寬翼片螺旋鉆桿、孔口除塵裝備為特征，在推廣應(yīng)用中，根據(jù)煤層特點(diǎn)，也有使用三棱鉆桿和三棱螺旋鉆桿，同樣取得了良好的應(yīng)用效果。中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)把碎軟煤層的鉆孔深度普遍提高到了150 m以上，在淮南、淮北、韓城等碎軟煤層礦區(qū)廣泛應(yīng)用，最深孔達(dá)到了230 m，已成為碎軟煤層鉆孔施工的主要技術(shù)[30-32]，中風(fēng)壓鉆進(jìn)系統(tǒng)示意如圖3所示。目前該技術(shù)存在的主要問題是孔口除塵問題，鉆進(jìn)時(shí)高速含塵氣流在返出孔口時(shí)集塵和除塵難度大，在巷道有限空間條件下，環(huán)境污染嚴(yán)重，也存在一定安全隱患，西安研究院在中風(fēng)壓鉆進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上開發(fā)了霧化鉆進(jìn)工藝和空氣泡沫鉆進(jìn)工藝，嘗試在鉆進(jìn)過程中抑制煤塵，取得了一定應(yīng)用效果。

圖3 中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)系統(tǒng)

2.1.1 空氣霧化鉆進(jìn)工藝

空氣霧化鉆進(jìn)具備空氣鉆進(jìn)的優(yōu)勢，同時(shí)霧化液滴可以在孔底產(chǎn)塵點(diǎn)、在含塵氣流從環(huán)空返回孔口的過程中與細(xì)微顆粒煤塵結(jié)合變成較大顆粒煤塵，起到捕塵的作用，采用專用霧化裝置產(chǎn)生霧粒直徑在50 μm左右[33-34]，可以對(duì)危害最大的呼吸性粉塵起到較好的抑制效果，另外，霧化液滴又起到冷卻鉆具以及孔內(nèi)防燃的效果，是井下松軟煤層空氣鉆進(jìn)技術(shù)的有益完善[13]。

西安研究院根據(jù)中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)供風(fēng)參數(shù)和碎軟煤層鉆進(jìn)排粉特點(diǎn)，研究了霧化方法、霧化壓力、霧化液量等關(guān)鍵參數(shù)，研制了礦用霧化系統(tǒng)(圖4)，并進(jìn)行了井下現(xiàn)場鉆進(jìn)試驗(yàn)。結(jié)果表明：鉆進(jìn)現(xiàn)場的粉塵濃度有了較大幅度的降低，明顯改善了現(xiàn)場施工環(huán)境，霧化液量與孔深大致呈線性關(guān)系；孔深200 m左右時(shí)，最大霧化液量3.5 L/min；鉆進(jìn)返風(fēng)不暢的情況下，也未出現(xiàn)孔內(nèi)高溫現(xiàn)象；相比干空氣中風(fēng)壓鉆進(jìn)工藝，從抑制鉆場粉塵污染、防止孔內(nèi)高溫等方面都有了明顯效果。目前針對(duì)應(yīng)用過程中的問題，正在進(jìn)行深入研究。

霧化液量少，影響抑塵，霧化液量過多，則會(huì)引起煤層潮濕、團(tuán)聚，影響排渣，因此，煤粉性質(zhì)、空氣流量、孔深與霧化液量的映射關(guān)系還需進(jìn)一步進(jìn)行研究和試驗(yàn)總結(jié)。

圖4 煤礦井下霧化鉆進(jìn)霧化系統(tǒng)[13]

在高速含塵氣流中，清水霧滴對(duì)煤塵顆粒的浸潤性和浸潤效率不高。加入活性劑后的霧滴對(duì)煤粉浸潤效率大幅提高，實(shí)驗(yàn)室中試驗(yàn)表明，在霧化液中加入OP-10、SDBS、SDS類表面活性劑后，霧化液現(xiàn)場試驗(yàn)宏觀觀察也印證了上述結(jié)論，表面活性劑加入后對(duì)煤粉的浸潤效率明顯提高(圖5)，但針對(duì)不同典型煤粉，活性劑配方、加入比例、效果定量化評(píng)價(jià)還需在實(shí)鉆試驗(yàn)中進(jìn)一步研究。

圖5 同一煤粉在不同表面活性劑中沉降時(shí)間

采用井下系統(tǒng)壓風(fēng)驅(qū)動(dòng)風(fēng)動(dòng)馬達(dá)作為霧化動(dòng)力不穩(wěn)定，導(dǎo)致霧化壓力不穩(wěn)定，影響霧粒大小，最終影響霧化效果，下一步應(yīng)進(jìn)行液壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)霧化系統(tǒng)的開發(fā)。

2.1.2 空氣泡沫鉆進(jìn)工藝

空氣泡沫鉆進(jìn)工藝屬于空氣鉆進(jìn)工藝的范疇，采用專用的發(fā)泡裝置、灌注系統(tǒng)把泡沫作為沖洗介質(zhì)注入孔內(nèi)，攜煤粉返回孔口后，經(jīng)過消泡系統(tǒng)消泡、分離煤粉，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)。適用于碎軟不穩(wěn)定地層、含水或水敏性強(qiáng)等地層鉆進(jìn)，在煤礦井下碎軟煤層鉆進(jìn)應(yīng)用時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn)[35-36]：

①相比空氣霧化鉆進(jìn)，泡沫與煤塵結(jié)合能力強(qiáng)，能夠更有效抑制孔口煤粉塵污染；

②相比霧化空氣沖洗介質(zhì)，泡沫的攜粉能力更強(qiáng)，孔內(nèi)清潔效率更高；

③泡沫介質(zhì)密度大，較低流速就可以滿足攜粉要求，對(duì)孔壁沖刷作用小，有利于孔壁穩(wěn)定；

④泡沫的冷卻性能更好，降低孔內(nèi)高溫燃燒的風(fēng)險(xiǎn)。

2005年開始，西安研究院、吉林大學(xué)在煤礦井下泡沫鉆進(jìn)工藝及配套裝置方面進(jìn)行了研究，提出了煤礦井下泡沫鉆進(jìn)工藝系統(tǒng)方案，分析了泡沫鉆進(jìn)技術(shù)解決煤層瓦斯抽采孔施工的可行性和經(jīng)濟(jì)性[37]。冀前輝等[6]研究了泡沫配方和泡沫灌注系統(tǒng)(圖6)，中風(fēng)壓空氣–穩(wěn)泡復(fù)合鉆進(jìn)工藝，并在淮北某礦進(jìn)行井下鉆進(jìn)試驗(yàn)，施工孔深200 m以上，施工過程中排粉順暢，鉆具回轉(zhuǎn)、起拔力低，孔口粉塵污染小。該技術(shù)具有良好的應(yīng)用前景，但目前還沒有規(guī)?；茝V應(yīng)用，主要原因有兩點(diǎn)。

①泡沫性能的平衡問題 鉆進(jìn)過程中從注入孔內(nèi)到返出孔口期間，要求泡沫具有較高的強(qiáng)度，不易破碎，以達(dá)到較好的攜粉效果，當(dāng)泡沫返出孔口后，又需要泡沫能及時(shí)消泡，否則大量的泡沫堆積在井下巷道內(nèi)，會(huì)造成通風(fēng)安全問題。需要進(jìn)一步研究性能平衡的泡沫配方，高效發(fā)消泡裝置，以滿足煤礦井下鉆進(jìn)條件的要求。

②泡沫鉆進(jìn)輔助設(shè)備多、工藝復(fù)雜 泡沫鉆進(jìn)需要配備泡沫液罐、泡沫泵、空壓機(jī)、發(fā)泡裝置、消泡裝置等輔助設(shè)備，鉆進(jìn)過程中還要調(diào)節(jié)氣液比例、操作泡沫泵、空壓機(jī)等，操作流程復(fù)雜，造成施工工藝復(fù)雜，需要進(jìn)一步開發(fā)流量自動(dòng)控制泡沫灌注系統(tǒng)，簡化操作，提高可推廣性。

2.2 高速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)

常規(guī)螺旋鉆進(jìn)技術(shù)的轉(zhuǎn)速(小于200 r/min)，排渣效率低，施工孔深淺，高速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)(大于400 r/min)利用高速旋轉(zhuǎn)的螺旋葉片能把塌孔、噴孔產(chǎn)生的大量煤粉及時(shí)排出孔外，孔內(nèi)清潔效率高，有效地提高了鉆孔深度和鉆進(jìn)效率。研究表明：高速螺旋鉆進(jìn)時(shí)，一定的轉(zhuǎn)速對(duì)應(yīng)著臨界給進(jìn)速度；一定的給進(jìn)速度也對(duì)應(yīng)著臨界轉(zhuǎn)速；在一定的給進(jìn)速度下，增大轉(zhuǎn)速可以提高其排粉效率，但當(dāng)轉(zhuǎn)速增大到臨界轉(zhuǎn)速后，繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速對(duì)排粉效率的影響趨于不變，排粉質(zhì)量流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖7所示。

圖6 煤礦井下泡沫鉆進(jìn)灌注系統(tǒng)[6]

圖7 排粉質(zhì)量流與轉(zhuǎn)速的關(guān)系

國內(nèi)引進(jìn)德國哈澤瑪格EH260鉆機(jī)配套螺旋鉆桿，鉆進(jìn)效率和成孔率得到顯著提高。西安研究院和重慶研究院相繼研制出相應(yīng)性能參數(shù)的軟煤高轉(zhuǎn)速鉆機(jī)，最大轉(zhuǎn)速達(dá)800 r/min，配套應(yīng)用主要為小螺距、低螺旋升角、插接式結(jié)構(gòu)的高轉(zhuǎn)速螺旋鉆桿(圖8)，而且實(shí)現(xiàn)能夠中心通風(fēng)，如?100/63.5 mm、?110/63.5 mm螺旋鉆桿；配套鉆頭有?110 mm、?120 mm三翼合金螺旋鉆頭。

圖8 螺旋鉆桿

2013年先后在陽泉地區(qū)、晉城地區(qū)進(jìn)行試驗(yàn)和應(yīng)用，取得很好的效果。2014年在陽泉新元礦采用高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)開展試驗(yàn)，鉆進(jìn)最大孔深 330 m，最高單班進(jìn)尺202.5 m，刷新了國內(nèi)螺旋鉆孔深度記錄。針對(duì)晉城地區(qū)趙莊礦、長平礦以及成莊礦軟硬復(fù)合破碎煤層，應(yīng)用高轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)及空氣輔助排渣高效鉆進(jìn)工藝，在長平礦鉆進(jìn)試驗(yàn)最大孔深216 m，平均孔深達(dá)180.5 m，實(shí)現(xiàn)了晉城地區(qū)工作面兩側(cè)順層長鉆孔交叉無盲區(qū)施工。

實(shí)踐表明，高速螺旋鉆進(jìn)保直效果較好，在賦存穩(wěn)定、相對(duì)完整的碎軟煤層中應(yīng)用效果較好，但還存在一些問題需要改進(jìn)，一是鉆桿采用插接式連接方式，需要人工加接鉆桿，而螺旋鉆進(jìn)效率高，加接鉆桿頻繁，勞動(dòng)強(qiáng)度大，操作安全隱患多，應(yīng)開發(fā)配套的鉆桿加接輔助裝置。二是插接式螺旋鉆桿連接間隙大，高速旋轉(zhuǎn)下同軸性差，鉆桿擺動(dòng)幅度大，對(duì)孔壁擾動(dòng)強(qiáng)烈，應(yīng)提高鉆桿插接配合精度，或開發(fā)絲扣連接可反轉(zhuǎn)的螺旋鉆桿，提高鉆具的同軸度。

2.3 空氣套管護(hù)孔鉆進(jìn)技術(shù)

空氣套管護(hù)孔鉆進(jìn)采用孔底可打撈式孔底組合鉆具，如圖9所示。

1—領(lǐng)眼鉆頭；2—擴(kuò)眼翼片；3—套管靴；4—鉆具鎖；5—打撈接頭

套管鉆進(jìn)或者鉆桿與套管雙管鉆進(jìn)至安全設(shè)定孔深后把套管留在孔內(nèi)護(hù)孔，再采取鉆桿和可打撈式組合鉆具二級(jí)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深，采用空氣或者霧化空氣作為沖洗介質(zhì)，整個(gè)鉆進(jìn)施工流程如下。

①套管鉆進(jìn)采用?102/108 mm套管+?133 mm孔底組合鉆具，套管通過鉆具鎖傳遞扭矩和給進(jìn)力，帶動(dòng)孔底組合鉆具回轉(zhuǎn)碎巖鉆進(jìn)，煤粉沿著套管與孔壁之間的環(huán)空間隙返出孔外，鉆進(jìn)至安全扭矩設(shè)定孔深時(shí)停止鉆進(jìn)，套管留在孔內(nèi)護(hù)孔，如圖10所示。

圖10 套管鉆進(jìn)

②將套管鉆具提離孔底500 mm左右，下入?63.5 mm二級(jí)鉆桿連接?133 mm孔底組合鉆具可打撈部分正轉(zhuǎn)解鎖，接著進(jìn)行二級(jí)鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)終孔深度時(shí)停止鉆進(jìn)，如圖11所示。

圖 11 鉆具提離孔底解鎖二級(jí)鉆進(jìn)

③鉆進(jìn)至設(shè)計(jì)孔深后，先提出二級(jí)鉆具，再提出套管終孔。

該技術(shù)利用套管鉆進(jìn)護(hù)孔、二級(jí)鉆進(jìn)的方法，把碎軟煤層一次鉆進(jìn)成孔進(jìn)行了二次分解，降低了深孔一次鉆進(jìn)成孔的施工難度，同時(shí)二級(jí)鉆進(jìn)時(shí)，前段鉆孔已經(jīng)有套管護(hù)孔，減少了沖洗介質(zhì)對(duì)孔壁的擾動(dòng)，結(jié)合空氣鉆進(jìn)的優(yōu)勢，提高了碎軟煤層的鉆孔深度和成孔率。采用套管護(hù)孔鉆進(jìn)技術(shù)在淮南礦業(yè)集團(tuán)某礦下工作面11-2煤層進(jìn)行了應(yīng)用，該煤層瓦斯壓力1.5~2.5 MPa，堅(jiān)固性系數(shù)=0.45~0.68。煤厚平均1.9 m，傾角平均8°，施工平均孔深210 m，最大孔深262 m，成孔率79%。

空氣套管護(hù)孔鉆進(jìn)技術(shù)集成了空氣鉆進(jìn)、套管護(hù)孔等工藝優(yōu)勢，既可應(yīng)用于碎軟煤層順層鉆孔施工，也可以用于復(fù)雜地層過破碎帶鉆進(jìn)，具有復(fù)雜地層鉆進(jìn)的技術(shù)優(yōu)勢，但在操作便利性、鉆進(jìn)精確性方面還需升級(jí)迭代。

目前套管鉆機(jī)為單動(dòng)力頭，鉆進(jìn)過程中只能單動(dòng)鉆具，操作切換時(shí)需要更換主動(dòng)鉆桿，無法隨時(shí)在二級(jí)鉆進(jìn)時(shí)活動(dòng)套管鉆具，操作復(fù)雜，且長時(shí)間靜置套管，存在埋鉆的風(fēng)險(xiǎn)。套管鉆進(jìn)為回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝，鉆孔軌跡無法精確控制，只適合賦存穩(wěn)定、起伏變化小，孔深在300 m以內(nèi)的碎軟煤層鉆孔施工。

2.4 氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)

隨著煤礦對(duì)碎軟煤層鉆孔深度的需求不斷增加，鉆孔軌跡不可控、煤層鉆遇率低等問題逐漸顯現(xiàn)。氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合了中風(fēng)壓鉆進(jìn)工藝和螺桿鉆具定向鉆進(jìn)工藝的技術(shù)優(yōu)勢。采用井下防爆空壓機(jī)或制氮機(jī)提供動(dòng)力，驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)螺桿鉆具旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)鉆頭回轉(zhuǎn)切削鉆進(jìn)，同時(shí)，壓縮氣體將鉆進(jìn)過程中產(chǎn)生的熱量和煤渣從環(huán)空排出孔外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)定向鉆進(jìn)[38]，鉆進(jìn)系統(tǒng)如圖12所示。該技術(shù)能實(shí)現(xiàn)碎軟薄煤層、起伏煤層順煤層長距離定向鉆進(jìn)，提高了鉆孔精度，對(duì)于碎軟煤層抽采均勻覆蓋，消除治理盲區(qū)有重大意義。

2017—2018年，西安研究院在淮南礦區(qū)進(jìn)行了氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)試驗(yàn)和應(yīng)用，完成了220 m以上試驗(yàn)鉆孔22個(gè)，最大孔深300 m，平均煤層鉆遇率90%以上，且全程篩管完孔，抽采量是常規(guī)鉆孔的3~4倍。在貴州青龍煤礦進(jìn)行的鉆進(jìn)應(yīng)用，完成7個(gè)主孔和2個(gè)分支孔，最大孔深達(dá)406 m[39]，300 m以上鉆孔成孔率達(dá)88.9%，抽采量是常規(guī)鉆孔的10倍以上，應(yīng)用效果顯著。

2019年以來，陸續(xù)在安徽淮北朱莊礦、桃園礦、淮南潘三礦、張集礦、河北邢臺(tái)東龐礦、山西陽泉段王礦、晉城長平礦、貴州畢節(jié)東風(fēng)礦、六盤水發(fā)耳礦、黔西南糯東礦等10余個(gè)礦井開展工業(yè)性應(yīng)用試驗(yàn)，在淮北朱莊礦Ⅲ3635工作面施工300 m以上順層定向孔7個(gè)，最大孔深372 m，實(shí)現(xiàn)了300 m煤巷條帶預(yù)抽(圖13)。2020年在淮南潘三煤礦完成了順層定向鉆孔深度423 m，創(chuàng)行業(yè)碎軟煤層定向鉆孔最大孔深記錄。

圖12 空氣螺桿鉆具定向鉆進(jìn)系統(tǒng)

圖13 淮北朱莊礦條帶預(yù)抽定向鉆孔平面圖

目前，這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢明顯，具有良好的應(yīng)用前景，一些關(guān)鍵技術(shù)還需持續(xù)改進(jìn)優(yōu)化，主要包括3個(gè)方面。

① 改進(jìn)優(yōu)化空氣螺桿鉆具。從鉆具本身提高定子橡膠耐高溫性能，提高主軸潤滑密封性能。從配套冷卻潤滑裝置方面，提高裝置計(jì)量的精確性、操作便利性以及潤滑介質(zhì)的優(yōu)選，螺桿鉆具防瓦斯反噴裝置，防止煤粉反噴進(jìn)入鉆具內(nèi)部。

②氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)過程的除塵問題。還需進(jìn)一步根據(jù)鉆具冷卻潤滑、排粉等需求，結(jié)合霧化、泡沫鉆進(jìn)工藝進(jìn)行研究和試驗(yàn)。

③ 定向鉆進(jìn)工藝規(guī)程。風(fēng)壓、風(fēng)量隨孔深的變化規(guī)律和指導(dǎo)參數(shù)，復(fù)合鉆進(jìn)與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)比例關(guān)系和規(guī)程參數(shù)等需要進(jìn)一步總結(jié)形成區(qū)域性鉆進(jìn)工藝規(guī)程。

3 碎軟煤層完孔技術(shù)現(xiàn)狀

3.1 不提鉆篩管完孔技術(shù)

在不提鉆篩管完孔技術(shù)開發(fā)之前，煤礦采用裸眼完孔或成孔后人工從裸眼中下入篩管完孔。裸眼完孔無法控制鉆孔塌孔，很快就會(huì)因塌孔堵塞抽采通道，導(dǎo)致鉆孔失效。人工裸眼下入篩管的長度不確定，無法保證“管到底”，導(dǎo)致鉆孔有效利用率低，人工裸眼下篩管如圖14所示。

圖14 人工下入篩管完孔

煤礦井下不提鉆篩管完孔技術(shù)有效地解決了碎軟煤層瓦斯抽采孔提鉆后塌孔堵塞抽采通道的問題。該技術(shù)通過不提鉆從鉆桿內(nèi)通孔中下入篩管，通過對(duì)篩管施加軸向推力頂開開閉式鉆頭，篩管前端安裝的懸掛裝置把篩管固定在孔內(nèi)，提鉆后將篩管留在孔內(nèi)護(hù)孔，作為瓦斯抽采通道，提高了瓦斯抽采效果，篩管完孔技術(shù)主要配套裝備有大通孔鉆桿、開閉式鉆頭、護(hù)孔篩管及孔底懸掛裝置等，如圖15所示。實(shí)現(xiàn)了“鉆到位、管到底”，篩管下入率可達(dá)95%以上。該技術(shù)不改變現(xiàn)有裝備，操作簡單、可靠；通過鉆柱內(nèi)通孔下入篩管，保證了下入深度和成功率；篩管護(hù)孔保證抽采通道有效性，提高了瓦斯抽采率和鉆孔壽命。針對(duì)篩管完孔工藝可靠性的篩管抗擠毀強(qiáng)度[40]、篩管懸掛裝置力學(xué)性能[41]、篩管縫型與防堵性能[42]等進(jìn)行了研究。

圖15 篩管完孔工藝原理

2013年在淮南丁集礦篩管下入深度100 m；2015年在山西原相礦篩管下入深度217 m；2016年首次試驗(yàn)了螺旋鉆進(jìn)篩管完孔，下入深度200 m；2019年在貴州龍鳳礦下入篩管360 m；2020年在淮南潘三礦423 m定向鉆孔中成功下入422 m篩管，實(shí)現(xiàn)了定向孔全孔篩管完孔，提高了篩管完孔技術(shù)的應(yīng)用水平。

篩管完孔技術(shù)是目前碎軟煤層最可靠有效的完孔技術(shù)，還存在2個(gè)方面的問題需要進(jìn)一步進(jìn)行完善。一是受限于鉆桿結(jié)構(gòu)，完孔篩管直徑偏小，目前碎軟煤層鉆孔的孔徑?94 mm、?113 mm、?108 mm，根據(jù)鉆具規(guī)格，下入篩管的直徑有?25 mm、?32 mm、?40 mm等，確定的抽采通道小，尚未充分利用鉆孔空間。二是抽采一段時(shí)間后難免存在塌孔情況，會(huì)堵塞篩管篩眼，沒有開發(fā)配套的鉆孔修復(fù)解堵技術(shù)，來維護(hù)抽采通道。

3.2 水力沖孔完孔技術(shù)

水力沖孔完孔技術(shù)是碎軟低滲煤層鉆孔完孔的常用技術(shù)手段，常用于順層孔、穿層孔的煤層快速卸壓消突，該技術(shù)在鉆孔內(nèi)利用高壓水射流沖擊破碎煤體，排出大量的煤與瓦斯，在煤層中形成直徑較大的孔洞，洞室周圍煤體在應(yīng)力作用下原生裂隙擴(kuò)展和產(chǎn)生新的裂隙，達(dá)到卸壓增透，強(qiáng)化抽采的目的。國內(nèi)對(duì)水力沖孔破煤壓力、破煤機(jī)理、卸壓范圍、煤層透氣性變化、瓦斯排放機(jī)理等進(jìn)行了大量研究，為水力沖孔的工程應(yīng)用奠定了理論基礎(chǔ)[43-45]。近些年，水力沖孔技術(shù)在我國許多煤礦區(qū)，諸如兩淮、河南、山西等本煤層及穿層鉆孔卸壓增透中進(jìn)行了大量試驗(yàn)與應(yīng)用，從試驗(yàn)效果來看，水力沖孔能有效提高煤層滲透性，成倍提高有效抽采半徑，縮短瓦斯達(dá)標(biāo)抽采時(shí)間[46-47]。河南鐵福來、西安研究院都開發(fā)了鉆沖一體化裝備，在鉆完成后不提鉆，通過泵壓變化切換成沖孔模式，每米煤孔沖煤量0.5 t左右，施工效率較傳統(tǒng)成孔后提鉆再下入沖孔鉆具沖孔提高25%以上。

目前，水力沖孔完孔后普遍采用裸孔抽采，而破碎煤層易塌孔，特別是沖孔完孔后鉆孔孔徑擴(kuò)大，形成多個(gè)不規(guī)則空洞，在負(fù)壓抽吸作用下更易坍塌影響抽采效果，現(xiàn)有的水力沖孔完孔技術(shù)還無法實(shí)現(xiàn)沖孔后直接護(hù)孔，提鉆后難以在裸孔內(nèi)下入篩管護(hù)孔抽采，因此，尚需進(jìn)一步研究鉆、沖、護(hù)一體化的水力沖孔完孔技術(shù)，保障沖孔后的瓦斯抽采。

4 碎軟煤層鉆完孔技術(shù)研究新進(jìn)展

4.1 基于空氣螺桿鉆具雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)

針對(duì)“十二五”空氣套管護(hù)孔鉆進(jìn)技術(shù)存在的局限性，以及氣動(dòng)螺桿鉆具應(yīng)用的可行性，在“十三五”國家科技重大專項(xiàng)資助下，西安研究院提出了雙管定向鉆進(jìn)的工藝方法，開發(fā)了雙動(dòng)力頭雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)裝備[18,48]。鉆機(jī)具有雙動(dòng)力頭，可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)套管和定向鉆具，復(fù)合夾持器可分別夾持套管、鉆桿，并具備卸扣功能，采用自動(dòng)中間加桿方式，可以自動(dòng)同時(shí)加裝套管和鉆桿，鉆機(jī)及鉆具組合示意如圖16所示。

圖16 雙動(dòng)力頭雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備

雙頭雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)分為定向鉆進(jìn)和復(fù)合鉆進(jìn)兩個(gè)工藝過程。定向鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿動(dòng)力頭帶動(dòng)螺桿鉆具滑動(dòng)定向鉆進(jìn)，同時(shí)套管動(dòng)力頭帶動(dòng)套管以較低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)，實(shí)現(xiàn)套管隨鉆護(hù)孔，鉆屑從內(nèi)外環(huán)空排出孔外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)。復(fù)合鉆進(jìn)時(shí)，鉆桿動(dòng)力頭帶動(dòng)螺桿鉆具復(fù)合鉆進(jìn)，同時(shí)套管動(dòng)力頭帶動(dòng)套管以較低轉(zhuǎn)速回轉(zhuǎn)跟管鉆進(jìn)，并隨鉆護(hù)孔，鉆屑主要從內(nèi)環(huán)空排出孔外，實(shí)現(xiàn)連續(xù)鉆進(jìn)。鉆進(jìn)結(jié)束后，先將鉆桿從套管內(nèi)提出，套管暫時(shí)留在孔內(nèi)，然后從套管內(nèi)通孔下入篩管，完成后將套管提出，把篩管留在孔內(nèi)終孔。

2020年3月開始，在淮北碎軟煤層礦井開展工業(yè)性試驗(yàn)，完成了裝備的功能、性能試驗(yàn)，在兩個(gè)不同煤層中采用雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)施工鉆孔深度達(dá)到了252、354 m，目前正處于完善推廣應(yīng)用階段。

4.2 內(nèi)控導(dǎo)向式旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)

基于氣動(dòng)螺桿鉆具的碎軟煤層定向鉆進(jìn)技術(shù)在造斜鉆進(jìn)時(shí)處于滑動(dòng)鉆進(jìn)狀態(tài)，此時(shí)排粉主要靠空氣流速，排粉效率低，需要采取復(fù)合鉆進(jìn)工藝進(jìn)行強(qiáng)力排粉，影響鉆進(jìn)效率。石油鉆井系統(tǒng)已經(jīng)成熟應(yīng)用的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向系統(tǒng)造斜鉆進(jìn)時(shí)需要孔壁有支撐力，適合在巖層中應(yīng)用。

根據(jù)碎軟煤層鉆探工程性質(zhì)和高效、精準(zhǔn)鉆進(jìn)技術(shù)的需求，提出了內(nèi)控導(dǎo)向式旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)，鉆具試驗(yàn)如圖17所示。采用礦井系統(tǒng)風(fēng)作為沖洗介質(zhì)，不需要專用風(fēng)源；鉆進(jìn)過程鉆具始終處于回轉(zhuǎn)狀態(tài)，排粉效率高；通過內(nèi)控導(dǎo)向軸調(diào)整工具面，不需要孔壁支撐力。該技術(shù)集成了空氣鉆進(jìn)、回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)等各個(gè)鉆探方法針對(duì)碎軟煤層鉆進(jìn)的優(yōu)勢，是未來碎軟煤層鉆進(jìn)的研究方向。西安研究院已經(jīng)進(jìn)行了樣機(jī)試制和地面功能試驗(yàn)，驗(yàn)證了該技術(shù)原理上的可行性。

圖17 內(nèi)控導(dǎo)向式旋轉(zhuǎn)定向鉆具功能試驗(yàn)

4.3 鉆孔大通道完孔技術(shù)探索

如前所述，不提鉆篩管完孔技術(shù)是碎軟煤層瓦斯抽采孔完孔的可靠技術(shù)，但存在的主要問題是完孔篩管直徑小，抽采通道受限。在該技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，使整個(gè)鉆孔全通道成為抽采通道，是篩管完孔技術(shù)的研究方向。筆者提出了多孔介質(zhì)充填式篩管完孔和折疊膨脹篩管完孔的思路，并進(jìn)行了方案研究。

4.3.1 多孔介質(zhì)充填式篩管完孔

多孔介質(zhì)充填式篩管完孔的技術(shù)思路是在常規(guī)篩管完孔下完篩管后，在提鉆的過程中注入可膨脹的多孔聚合物介質(zhì)，一是起到支撐孔壁的作用，保持鉆孔全通道；二是多孔介質(zhì)孔隙溝通不影響篩管抽采。這樣既利用了原有完孔技術(shù)的可靠性，篩管與多孔介質(zhì)填充物構(gòu)成了復(fù)合抽采大通道，又起到了支撐孔壁的作用，但在施工工藝上、多孔介質(zhì)材料方面還需進(jìn)一步進(jìn)行研究，多孔介質(zhì)充填式篩管完孔示意如圖18所示。

1—頂板巖層；2—煤層；3—篩管；4—鉆孔內(nèi)多孔充填材料； 5—底板巖層

4.3.2 折疊膨脹管完孔技術(shù)

對(duì)于煤礦井下篩管完孔技術(shù)條件來說，折疊膨脹篩管技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大通道完孔新思路，折疊膨脹管完孔示意如圖19所示，它是將雙層的套管管坯制成W形結(jié)構(gòu)，大幅減小了套管寬度和橫截面積，方便順利下入孔內(nèi)，而且是連續(xù)結(jié)構(gòu)，不需要考慮接頭，下入后使用液壓將其膨脹成形，這種變形主要依靠自身的形狀變形，壁厚變化相對(duì)很小，達(dá)近似全孔徑護(hù)孔效果。借鑒上述技術(shù)思路，將符合煤礦井下安全要求的聚合物類材料篩管，制成適合鉆桿內(nèi)通孔尺寸的折疊膨脹篩管，下入鉆孔通過空氣膨脹后，二次在套管里進(jìn)行射孔或割縫，形成篩管。關(guān)鍵在于符合煤礦安全認(rèn)證要求，且不影響采煤的套管材料的優(yōu)選。套管的膨脹率和膨脹后抗擠毀強(qiáng)度是形成抽采大通道的關(guān)鍵，目前在進(jìn)行材料優(yōu)選和功能性試驗(yàn)。

圖19 折疊膨脹篩管完孔

5 結(jié)論

a.碎軟煤層鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展從水力排粉鉆進(jìn)開始，依次開發(fā)了空氣鉆進(jìn)技術(shù)(礦井系統(tǒng)風(fēng)壓鉆進(jìn)、中風(fēng)壓鉆進(jìn))、螺旋鉆進(jìn)技術(shù)(常規(guī)螺旋鉆進(jìn)、高速螺旋鉆進(jìn))、空氣套管護(hù)孔鉆進(jìn)技術(shù)、空氣螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)。至此，從工藝方法適應(yīng)性、鉆進(jìn)高效率、鉆孔軌跡精確控制等方面取得了長足的進(jìn)步，同時(shí)不提鉆篩管完孔技術(shù)保證了鉆孔的有效性，這些鉆完孔技術(shù)大幅提高了碎軟煤層瓦斯治理水平。

b. 目前碎軟煤層鉆進(jìn)技術(shù)都不同程度地存在著粉塵污染、鉆具壽命低、操作復(fù)雜以及鉆進(jìn)工藝仍需優(yōu)化等問題。如中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)亟需解決高速、大風(fēng)量含塵氣流孔口除塵難題；高速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)需要進(jìn)一步開發(fā)同軸度高的鉆桿和機(jī)械化上卸鉆桿裝置；氣動(dòng)螺桿鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)核心是開發(fā)耐高溫、主軸潤滑可靠、振動(dòng)小的氣動(dòng)螺桿鉆具；碎軟煤層瓦斯抽采孔完孔需要根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)條件，從最大限度利用鉆孔空間角度，開發(fā)充填式、膨脹管式大通道完孔工藝和材料。

c.從鉆探技術(shù)的角度，基于空氣螺桿鉆具的雙管定向鉆進(jìn)技術(shù)、內(nèi)控導(dǎo)向式旋轉(zhuǎn)定向鉆進(jìn)技術(shù)、鉆孔大通道完孔技術(shù)已成為新的研究方向，再融入監(jiān)測監(jiān)控、5G通信、人工智能等新技術(shù)，將會(huì)把碎軟煤層鉆完孔技術(shù)的研究與應(yīng)用推向更高的水平，以滿足智慧礦山建設(shè)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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語音講解

TD41

A

1001-1986(2021)01-0285-12

2021-01-09；

2021-01-19

國家科技重大專項(xiàng)任務(wù)(2016ZX05045-003-002)；陜西省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018GY-078)；中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(2018XAYMS13)

王力，1981年生，男，陜西眉縣人，博士研究生，副研究員，從事煤礦井下鉆探技術(shù)研究與推廣應(yīng)用工作. E-mail：wangli2@ cctegxian.com

姚寧平，1970年生，男，甘肅涇川人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，從事煤礦鉆探技術(shù)與裝備的研究與推廣應(yīng)用工作. E-mail：yaoningping@cctegxian.com

王力，姚寧平，姚亞峰，等. 煤礦井下碎軟煤層順層鉆完孔技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，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

(責(zé)任編輯 聶愛蘭)