王 力

(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)

碎軟煤層的煤體力學(xué)強(qiáng)度低，成孔后易塌孔導(dǎo)致鉆孔堵塞失效，嚴(yán)重影響瓦斯抽采[1-4]。近年來開發(fā)的煤礦井下篩管完孔技術(shù)有效地解決了碎軟煤層鉆孔塌孔堵塞抽采通道的問題，實(shí)現(xiàn)了“鉆到位、管到底”，保證了抽采通道有效性，顯著提高了瓦斯抽采效率，在順層孔完孔中取得了良好的應(yīng)用效果[5，6]，目前已成為井下碎軟煤層順層孔最可靠、有效的完孔技術(shù)。但是在碎軟煤層穿層孔應(yīng)用該技術(shù)時(shí)還存在以下問題：一是穿層孔傾角大，篩管下入后在孔內(nèi)固定難度大，順層孔用篩管懸掛裝置不滿足穿層孔使用要求；二是穿層孔大部分為巖層孔段，開閉式鉆頭要能同時(shí)滿足巖層鉆進(jìn)和煤層鉆進(jìn)要求，完成“一趟鉆”鉆進(jìn)和下篩管完孔，現(xiàn)有開閉式鉆頭在穿層孔鉆進(jìn)時(shí)壽命低、開閉動(dòng)作可靠性差。

針對(duì)篩管完孔技術(shù)在穿層孔應(yīng)用時(shí)存在的問題和不足，本文分析了影響懸掛裝置錨固力的因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)了懸掛裝置，優(yōu)化了開閉式鉆頭，通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，分析了穿層孔篩管完孔抽采效果。從節(jié)約篩管成本的角度，提出了穿層孔煤孔段定位篩管完孔方法，研究了穿層孔煤孔段可脫式定位接頭，對(duì)于完善煤礦井下篩管完孔技術(shù)，提高穿層孔篩管完孔的可靠性、降低篩管完孔成本和提高穿層孔瓦斯治理效率有重要意義。

1 篩管完孔技術(shù)

煤礦井下篩管完孔技術(shù)是采用大通孔鉆桿和開閉式鉆頭鉆進(jìn)成孔后不提鉆，從鉆桿內(nèi)通孔中下入篩管并通過對(duì)篩管施加軸向推力頂開開閉式鉆頭，由篩管前端安裝的懸掛裝置將篩管錨固在孔內(nèi)，然后提出鉆具把篩管留在孔內(nèi)護(hù)孔作為瓦斯抽采通道[7-10]，實(shí)現(xiàn)了鉆孔抽采孔“鉆到位、管到底”。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)就是不改變現(xiàn)有鉆進(jìn)裝備，不提鉆通過鉆桿內(nèi)通孔下入篩管，能有效保證下入深度和成功率，篩管下入率可達(dá)95%以上，孔內(nèi)篩管保證了抽采通道的有效性，提高了瓦斯抽采效率和鉆孔壽命。目前篩管完孔技術(shù)也已拓展應(yīng)用到了碎軟煤層定向鉆孔完孔、防滅火注漿鉆孔以及地球物理勘探鉆孔埋線等鉆孔施工方面。

穿層孔篩管完孔時(shí)，懸掛裝置錨固在巖石孔段，如圖1所示，篩管在重力的作用下會(huì)向孔口下滑，鉆孔傾角越大，下滑力就越大。另外，一般穿層孔篩管完孔時(shí)需要采用常規(guī)PDC鉆頭鉆進(jìn)至成孔后提出鉆具，還需再次下入帶開閉式鉆頭的鉆具才能完成篩管完孔，施工程序復(fù)雜、效率低。

圖1 穿層孔篩管完孔

2 配套裝備優(yōu)化

2.1 懸掛裝置優(yōu)化

懸掛裝置在孔內(nèi)錨固可靠性關(guān)系到篩管懸掛的穩(wěn)定性、下完篩管提鉆的效率等，對(duì)于近水平的煤層順層孔來說，懸掛裝置不必承受篩管的重力，且卡爪比較容易楔入煤層孔壁，只要克服提鉆時(shí)初始的摩擦力，就可以保證孔內(nèi)篩管錨固的可靠性，但由于穿層孔傾角大、懸掛孔段為巖石等特點(diǎn)，需要對(duì)懸掛裝置進(jìn)行優(yōu)化，以提高穿層孔懸掛裝置錨固的可靠性[11]。

懸掛裝置卡爪是錨固的關(guān)鍵部件，它在彈簧的作用下打開支撐在孔壁上，提鉆時(shí)懸掛裝置受到鉆桿內(nèi)通孔壁與篩管外壁的摩擦力和篩管自重的合力，該合力通過卡爪傳遞到孔壁。要提高穿層孔篩管懸掛的可靠性，需要對(duì)近水平順層鉆孔常用的懸掛裝置卡爪尺寸根據(jù)穿孔孔徑、孔壁巖性、工況等因素進(jìn)行優(yōu)化，以傾角90°的穿層孔為極限工況條件，建立了其受力模型，如圖2所示。懸掛裝置軸線與卡爪的夾角α，卡爪長度L，卡爪與受篩管重力G和提鉆時(shí)篩管與鉆桿內(nèi)壁產(chǎn)生的摩擦力而形成的對(duì)懸掛裝置的軸向拉力F拉合力F，可分解為對(duì)稱的兩個(gè)作用在孔壁上的分力F1、F2，它們的垂直和平行于孔壁分力分別為F1x、F1y和F2x、F2y，F(xiàn)t為卡爪在彈簧作用下的張開力，f為卡爪與孔壁的摩擦系數(shù)。根據(jù)力學(xué)原理，若f·(F1x+Ft)>F1y，f·(F2x+Ft)>F2y同時(shí)滿足，則懸掛裝置工作可靠，否則失效。

圖2 穿層孔用懸掛裝置受力分析

因此，當(dāng)穿層孔的傾角一定時(shí)，煤層孔段的長度也就確定了，下入篩管的重力就是確定的，它的水平分力F1x、F2x也就是確定的，那么根據(jù)上述力學(xué)原理，決定懸掛可靠性的就是Ft，F(xiàn)t與懸掛裝置的彈簧強(qiáng)度和α有關(guān)，而在鉆孔孔徑確定的情況下，α與卡爪長度有關(guān)，因此在有利于下篩管時(shí)，考慮懸掛裝置卡爪在彈簧的作用下與鉆桿內(nèi)壁摩擦力較小，且能懸掛可靠，就存在較優(yōu)的卡爪長度L，這個(gè)較優(yōu)值可由孔壁巖石的最小壓入強(qiáng)度和較小下入摩擦力綜合分析。

采用靜力學(xué)有限元方法將卡爪壓入巖層建立模型進(jìn)行分析，卡爪的材料參數(shù)采用軟件材料庫的結(jié)構(gòu)鋼參數(shù)，巖石的模擬參數(shù)為：密度為2.5kg/cm3，抗壓強(qiáng)度為80MPa，抗拉強(qiáng)度為1.9MPa，內(nèi)摩擦角為38°，粘聚力為15MPa，彈性模量為19.3GPa，泊松比為0.3，由于巖石為脆性材料，采用莫爾強(qiáng)度理論，當(dāng)施加80N壓入力時(shí)，卡爪與孔壁的接觸應(yīng)力81.8MPa，大于孔壁巖層的抗壓強(qiáng)度(研究區(qū)巖石抗壓強(qiáng)度為60MPa)，模擬結(jié)果等值線如圖3所示，此時(shí)懸掛裝置卡爪可以壓入孔壁巖石，實(shí)現(xiàn)可靠懸掛。

圖3 卡爪與孔壁接觸應(yīng)力等值線(MPa)

由力學(xué)分析圖可知，L越小，則α越大，所需的卡爪張開力Ft越??；反之，L越大，則α越小，所需的卡爪張開力Ft越大；優(yōu)化目標(biāo)是在盡量小的Ft下，可將卡爪壓入孔壁，即卡爪張開與鉆桿孔壁摩擦力較小、容易下入情況下，同時(shí)還滿足壓入孔壁的要求。以常用?103mm鉆孔為例，以最小壓入力為條件，結(jié)合順層孔用懸掛裝置的尺寸，計(jì)算卡爪長度從50mm到100mm之間，每間隔5mm情況下的α和Ft。綜合以上分析和計(jì)算，當(dāng)卡爪長度取95mm時(shí)，α為29°，卡爪張開力Ft為90N，為較優(yōu)值，優(yōu)化后的懸掛裝置如圖4所示。

圖4 優(yōu)化后懸掛裝置

2.2 開閉式鉆頭優(yōu)化

開閉式鉆頭在鉆完孔后能否在下篩管的推力下頂開中心翼片是篩管完孔技術(shù)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。特別是對(duì)穿層孔來說，開閉式鉆頭要經(jīng)歷整個(gè)巖石孔段鉆進(jìn)，相比煤層鉆進(jìn)工藝，在較大鉆壓和大扭矩的巖層段鉆進(jìn)參數(shù)下，鉆頭受力條件更加苛刻，容易產(chǎn)生變形，中心翼片的可開閉機(jī)構(gòu)的可靠性、鉆頭巖層鉆進(jìn)的壽命成為穿層孔開閉式鉆頭設(shè)計(jì)的重點(diǎn)[12，13]。

順煤層孔完孔常用的四翼開閉式鉆頭的中心翼片固定在鉆頭體上通槽內(nèi)[14]，如圖5(a)所示，鉆進(jìn)時(shí)鉆頭通槽相鄰兩翼處于懸臂工作狀態(tài)，導(dǎo)致鉆頭易變形，造成中心翼片無法在下篩管的推力下打開，另外，四翼開閉式鉆頭為平行布齒，鉆頭所需鉆壓大，鉆進(jìn)效率低。

針對(duì)上述問題，結(jié)合三翼內(nèi)凹式PDC鉆頭適用于中硬巖層鉆進(jìn)的特點(diǎn)，借鑒其結(jié)構(gòu)，對(duì)開閉式鉆頭進(jìn)行了優(yōu)化：一是三翼開閉式鉆頭中心翼片的鉸接固定槽采用半通盲槽式設(shè)計(jì)，改善了鉆頭翼片受力情況；二是采用三翼內(nèi)凹式結(jié)構(gòu)和階梯式布齒，由靠近中心的切削齒先行破巖，增加切削自由面，提高了鉆頭的巖層鉆進(jìn)適用性和鉆進(jìn)效率；三是中心翼片采用球形鉸接方式，使鉸接點(diǎn)受力分散，有效解決了銷軸變形導(dǎo)致中心翼片無法打開的問題，提高了開閉式鉆頭的巖層鉆進(jìn)適應(yīng)性，如圖5(b)所示。

圖5 開閉式鉆頭

3 應(yīng)用情況

在淮北蘆嶺煤礦進(jìn)行穿層孔篩管完孔技術(shù)應(yīng)用，該礦煤層屬于突出煤層，瓦斯含量15m3/t，瓦斯壓力2.83MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.00299m2/(MPa2·d)，屬于典型的碎軟低透氣性煤層。煤層頂?shù)装逡阅鄮r、粉砂巖為主，堅(jiān)固性系數(shù)f=6.0左右。

3.1 鉆孔孔設(shè)計(jì)

在距煤層底板法距25～40m位置的瓦斯抽放巷內(nèi)每隔20～35m布置一個(gè)底板鉆場(chǎng)，在底板鉆場(chǎng)內(nèi)施工穿層鉆孔，鉆孔在煤層內(nèi)呈網(wǎng)格式均勻布置，鉆孔設(shè)計(jì)傾角15°～80°，方位角變化區(qū)間120°，鉆孔設(shè)計(jì)穿過9#煤層進(jìn)入8#煤層頂板0.5m終孔，如圖6所示。

圖6 穿層瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)

3.2 施工裝備

根據(jù)穿層孔施工工藝以及完孔技術(shù)要求，采用了優(yōu)化后的?32～95mm懸掛裝置及?103mm三翼開閉式鉆頭，配套施工裝如下：

1)鉆機(jī)。采用ZDY4000S全液壓坑道鉆機(jī)，分體式設(shè)計(jì)，體積小，調(diào)角幅度大，適合在底抽巷道里進(jìn)行穿層孔施工。

2)鉆桿。采用?73mm大通孔寬翼片螺旋鉆桿，鉆桿內(nèi)平設(shè)計(jì)，通孔直徑達(dá)35mm，滿足下篩管需要，且螺旋翼片有輔助排粉作用，能同時(shí)滿足巖層鉆進(jìn)和煤層鉆進(jìn)。

3)篩管。采用?32mm抗靜電阻燃PVC篩管，篩眼直徑6mm，相位角為90°，篩眼間距14mm，過流面積比8%，相比插接式連接，絲扣式方式連接單根下管效率低，但針對(duì)大傾角穿層孔，絲扣式篩管連接更可靠[15]。

3.3 施工情況

應(yīng)用上述施工裝備，采用三翼開閉式鉆頭在巖層中使用清水鉆進(jìn)，煤層段換用空氣鉆進(jìn)的施工工藝。在3#鉆場(chǎng)施工了70個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺3290m，平均孔深47m，最深鉆孔88m，除8個(gè)孔因噴孔無法鉆進(jìn)或開閉式鉆頭失效無法打開未能全孔下入篩管外，其余62個(gè)鉆孔全孔下入篩管，并且懸掛可靠，未出現(xiàn)篩管滑脫現(xiàn)象。三翼開閉式鉆頭較四翼開閉式鉆頭在鉆進(jìn)效率和中心翼片打開的可靠性方面明顯提高。為了驗(yàn)證穿層孔完孔后的抽采效果，在相鄰2#鉆場(chǎng)施工了68個(gè)穿層鉆孔裸眼完孔，采用相同封孔工藝和抽采工藝，以鉆場(chǎng)為單位進(jìn)行抽采效果考察。

3.4 抽采效果

在3#鉆場(chǎng)選取了68個(gè)篩管完孔鉆孔與2#鉆場(chǎng)68個(gè)裸眼完孔鉆孔進(jìn)行了為期9個(gè)月的抽采濃度、抽采量考察。

1)抽采濃度方面。篩管完孔鉆孔平均抽采濃度達(dá)75%，裸眼鉆孔平均抽采濃度59%，抽采濃度提高了27%。在抽采后期，裸眼完孔鉆孔抽采濃度有明顯下降趨勢(shì)，而篩管完孔鉆孔抽擦濃度依舊維持在較高水平。篩管完孔鉆孔的瓦斯抽采通道始終暢通，噴孔等瓦斯集中釋放不影響抽采，在相同封孔條件下，鉆孔瓦斯涌出量越多，瓦斯?jié)舛染驮礁?，且在高位振蕩明顯。裸眼完孔的鉆孔，由于煤層塌孔后堵塞抽采通道，影響瓦斯抽采，濃度相對(duì)穩(wěn)定，但維持在較低水平，后期堵塞嚴(yán)重后，會(huì)成明顯下降趨勢(shì)。從抽采濃度方面反映了篩管完孔的優(yōu)勢(shì)，瓦斯抽采濃度對(duì)比如圖7所示。

圖7 瓦斯抽采濃度對(duì)比

2)抽采量方面。篩管完孔鉆孔的平均抽采流量達(dá)1.4m3/min，最高達(dá)到2.28m3/min，裸眼完孔鉆孔的平均抽采流量0.79m3/min，抽采流量提高了78%。伴隨著整個(gè)抽采過程，孔內(nèi)會(huì)不時(shí)地發(fā)生噴孔而集中釋放瓦斯，使得兩種完孔方法的鉆孔抽采量振蕩變化幅度都比較大，如圖8所示。由于時(shí)常發(fā)生的瓦斯噴孔以及后期采掘活動(dòng)對(duì)瓦斯解吸的影響，在抽采后半期，篩管完孔鉆孔的抽采量平均增幅還提高了25%左右，進(jìn)一步表明了完孔篩管在不斷噴孔、塌孔的抽采過程中起到護(hù)孔、保持抽采通道暢通的重要作用。

圖8 瓦斯抽采流量對(duì)比

4 穿層孔煤孔段定位篩管完孔改進(jìn)

采用順層孔篩管完孔技術(shù)，針對(duì)穿層孔篩管完孔的技術(shù)要求，優(yōu)化了懸掛裝置和開閉式鉆頭，取得了良好的應(yīng)用效果，但穿層孔巖層孔段占比較大，煤孔段長度占比較小[16，17](15%左右)，巖孔孔壁穩(wěn)定性好，不需要篩管護(hù)孔，只在煤孔段下入篩管，可以節(jié)約篩管成本80%以上，且不影響完孔效果。針對(duì)上述問題，提出了穿層孔煤孔段定位篩管完孔技術(shù)方案。

根據(jù)穿層孔只需在煤孔段下入篩管的需要，設(shè)計(jì)了可脫式篩管定位接頭，該接頭可以進(jìn)行軸向推力傳遞和順時(shí)針扭矩傳遞，通過反轉(zhuǎn)可以實(shí)現(xiàn)只在煤孔段留下篩管，其余巖石孔段篩管可以提出來。穿層孔煤孔段定位篩管完孔的施工流程為：采用三翼開閉式鉆頭、寬葉片螺旋鉆桿鉆進(jìn)，穿過煤層后在頂板繼續(xù)鉆進(jìn)500mm左右停止鉆進(jìn)，根據(jù)煤孔段長度，將可脫式定位接頭安裝在預(yù)留長度篩管后端，定位接頭由公母接頭組成，下入篩管到位后，反轉(zhuǎn)操作將篩管從可脫式定位接頭處分離，提出巖孔段篩管，然后提出鉆具，將預(yù)留的煤孔段篩管留在孔內(nèi)護(hù)孔，即可實(shí)現(xiàn)只在煤孔段定位篩管完孔，技術(shù)原理如圖9所示，可脫式定位接頭如圖10所示。經(jīng)過試驗(yàn)，完孔時(shí)可脫式定位接頭可以順利實(shí)現(xiàn)推送篩管下入、篩管分離，達(dá)到只在煤孔段下入篩管的目的，也為類似在目標(biāo)層位下入篩管的需求提供了方法。

圖9 穿層孔煤孔段定位篩管完孔原理

圖10 可脫式定位接頭

5 結(jié) 論

1)在穿層孔孔徑103mm、懸掛裝置的卡爪長度為95mm時(shí)，篩管的下入阻力適中，在巖層孔壁的懸掛可靠性較好，能滿足篩管錨固的要求。

2)采用巖層段清水鉆進(jìn)、煤層段空氣鉆進(jìn)工藝，三翼開閉式鉆頭可以滿足巖層段鉆進(jìn)和煤層段鉆進(jìn)，中心翼片打開可靠性較高，能滿足穿層孔“一趟鉆”鉆完孔需要。

3)穿層孔篩管完孔相比裸眼完孔，抽采濃度提高27%，抽采量提高了78%，由于有護(hù)孔篩管始終保持著抽采通道的暢通，在抽采后期，平均抽采量還提高了25%左右。

4)穿層孔煤孔段長度占全孔深度比例小，提出的基于可脫式定位接頭的煤孔段定位篩管完孔工藝，可以完成只在煤孔段下入篩管，節(jié)約篩管成本。