软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备！

软煤气动螺杆钻具定向钻进技术与装备！

1技术原理

根据松软煤层顺层定向钻孔施工需要，以工作面巷道为钻场，利用窄体定向钻机垂直工作面进行施工，采用气动螺杆钻具为孔底动力钻具，配套随钻测量系统进行定向钻进，从而使瓦斯抽采钻孔沿松软煤层延伸并覆盖工作面和待掘巷道，钻孔成孔后采用筛管完孔，钻具实现全孔段安设筛管[10]。

采用井下防爆空压机或制氮机作为动力源，提供压缩空气(氮气)作为动力介质和排渣介质，压缩空气通过供风管路和钻杆到达孔底后，驱动气动螺杆钻具回转从而带动钻头回转，实现对孔底煤体的切削破碎；同时，压缩气体将运转和钻进过程中产生的热量带走，并将孔内产生煤渣沿钻具与孔壁之间环空间隙排出孔外[13-14]。

钻进过程中，电磁波随钻测量系统将钻孔轨迹参数如倾角、方位角等数据通过电磁波传输至孔口，孔口接收装置接收数据并处理后，将钻孔数据和钻孔轨迹显示出来，根据轨迹变化情况进行调整和控制。当滑动定向钻进时，通过定向钻机转动钻杆，改变气动螺杆钻具工具面向角，来改变钻头切削方向，此时整个钻杆不回转，仅钻头回转，在钻机给进作用下，实现轨迹定向控制；复合钻进时，钻机带动钻杆回转，此时钻孔按照原来轨迹延伸，钻具回转有利于排渣。

钻进完成后，提出定向钻具，重新下入筛管完孔钻具，然后通过钻杆内部安设护孔筛管，后提出钻具，筛管留在孔内并封孔，终实现定向顺层钻孔的可靠护孔和有效利用。

2钻进装备

2.1气动螺杆钻具

研制出适用于煤矿井下松软煤层钻进用小直径气动螺杆钻具，气动螺杆钻具直径73/82 mm，螺杆马达外管为螺旋结构，提高软煤排渣效率，芯杆直径73mm，螺旋结构外径82mm，转矩256N·m，转速165r/min，满足回转复合钻进和滑动定向钻进工艺要求，填补了国内外空白[15]。该钻具性能参数见表1。

2.2巷道“T”型窄体定向钻机

适用于狭窄巷道内垂直巷道施工的ZDY4000 LD(B)型窄体定向钻机(图2)，采用“T”型前挂机身、转盘多角度调节、窄机身结构，该钻机体积小、能力大，其开孔倾角、开孔方位和开孔高度均可根据需要调节，解决了常规定向钻机不适合垂直巷道施工、需开拓专用钻场的难题。

2.3气动电磁波随钻测量仪器

根据气动螺杆钻具钻进施工需要，改造设计低压气体检测装置、流量开关和减振装置，研制出气动螺杆钻具定向钻进用电磁波随钻测量系统。该系统由测量探管、孔口装置和无磁钻杆等部分组成(图3)。测量系统的电池采用智能管理技术，通过压力检测智能控制仪器休眠或工作，降低电源电量消耗，工作时间由原来连续工作80 h延长为260 h。探管内设计主动减振装置，抑制振动振幅，减小钻进时对仪器的振动，保证测量精准，抗振能力由一般抗振设计要求的8g提升为24g。

2.4配套软煤钻具

针对松软煤层压风钻进特点，对气动螺杆定向钻具进行配套研制和选型。其中，外径82mm大通孔整体螺旋钻杆(图4)满足定向钻进和筛管完孔需求，外螺旋结构有利于排渣，大通孔结构减少风阻，同时能够实现钻杆内下筛管。

钻头采用108mm定向钻头(图5)，合理钻具级配，有利于钻进排渣；通过优化钻头水眼和切削齿的布置，利于钻头冷却、保径并减少孔壁扰动，满足定向钻进施工和开分支工艺要求。

2.5空压机/制氮机

由于气动螺杆钻具钻进要求的风压风量均较高，因此，采用井下防爆空压机或制氮机进行供风。为确保深孔钻进和排渣需要，采用矿用空压机的额定风压为1.25MPa，额定排量17m3/min。

3软煤定向钻进成孔与护孔工艺

3.1定向成孔工艺

气动螺杆钻具定向钻进不同于液动马达定向钻孔施工，在松软煤层钻进过程中，由于煤层松软破碎、钻渣较多，为保证排渣和成孔效率，采用复合钻进与滑动定向钻进相结合的方式，其中以复合钻进方式为主、滑动定向纠偏为辅的施工方法。

a.复合钻进 钻进时，钻机带动钻杆回转，同时孔内压风驱动气动螺杆钻具运转，从而带动钻头回转(图6a)。此时，在整体式螺旋钻杆螺旋翼片搅动作用下，提高排渣效果，确保孔内畅通。

仿真分析表明，细颗粒煤粉，其沉渣程度主要受风量影响；一定直径大颗粒煤粉，沉积程度受风量和转速双重影响。当风量为600 m3/h时，转速达80r/min才没有沉渣；当风量为350m3/h时，转速达120r/min才没有沉渣；当风量为300m3/h时，转速120r/min时，底部有少量沉渣。因此，采用复合钻进回转速度60~120r/min，是液动螺杆钻具复合钻进转速的两倍甚至三倍以上。为保证排渣效果，减少煤粉沉积，风量要求达到350m3/h以上。

复合钻进时，由于螺杆钻具工具面随着钻杆回转不断变化，在一定给进压力和速度下，钻具不起造斜作用，钻孔大致沿原轨迹方向延伸；当采用较快的给进速度时，由于煤层堆积和支撑作用，会出现倾角上升；给进很慢时，由于充分排渣，在自重作用下会有一定降斜效果。

b.滑动定向钻进 当钻孔偏离设计轨迹时，采用滑动定向钻进方式钻进施工，即通过调整气动螺杆钻具工具面来进行轨迹调整或纠偏(图6b)。为了保证充分排渣，不造成堆积及不返风情况出现，一般滑动定向钻进3m后需要回转排渣，再进行滑动定向钻进，如此依次循环钻进。定向纠偏完成后，则停止滑动定向钻进，更换复合钻进方式钻进。

滑动定向钻进时，钻杆不回转，煤粉依靠压风向孔外排出，要求保证大风量减少沉积，确保一定的排渣能力，风量应达到600m3/h以上，当风量低于350m3/h时，应当充分回转扫孔排渣，确保孔内顺畅和施工平安。

3.2筛管完孔工艺

针对松软煤层筛管护孔问题，主要存在筛管完孔钻具在坍塌钻孔能否沿主孔轨迹顺利下入及筛管防堵塞两方面难题。为了防止二次下入开出新分支孔，研制设计了“子弹头”形可开闭式导向钻头，保障钻具重入；针对圆筛管易堵塞难题，研究煤粉特性，开发了缝宽2mm×缝长30mm割缝筛管，在同等过流面积条件下，煤粉通过量仅为常规圆眼筛管的1/10，解决传统常规的圆形筛眼因煤粉堵塞抽采通道影响抽采效率的问题。

下筛管钻具组合：89 mm可开闭式导向钻头+73/63.5 mm整体式大通孔螺旋钻杆。定向钻孔的筛管安设工艺：定向钻孔成孔后，提出孔内定向钻具，然后下入筛管完孔钻具至孔底，再从筛管完孔钻具内部下入筛管，筛管下到位后提出钻具，筛管留在孔内(图7)。该技术实现了定向钻孔全孔段安设筛管，提高了瓦斯抽采效果。

4 现场试验

在安徽淮南某矿开展了松软煤层气动螺杆钻具定向钻进试验，施工定向钻孔横穿工作面，同时对待掘巷道条带和工作面预抽消突，探索松软煤层气动螺杆钻具定向孔横穿工作面递进式瓦斯抽采模式可行性。

a.试验目的 试验点选择17102(3)工作面，以工作面长×宽为100 m×200 m为试验区域，不再施工穿层孔进行条带预抽，试验采用横穿工作面顺层钻孔对掘进巷道和工作面进行瓦斯预抽以实现消突，通过掘进和回采检验定向孔区域瓦斯抽采效果，验证该瓦斯抽采模式的可行性。

试验煤层为13-1煤，煤层平均厚度4.0m，硬度f系数0.3~0.5，属于突出危险区，实测瓦斯压力2.8MPa、含量8.4 m3/t。钻孔设计穿过工作面和另一侧运输巷道后继续钻进20m，因而，钻孔设计深度220m。

b.钻孔瓦斯抽采 试验共施工22个钻孔，18个220m以上钻孔，钻孔平均见煤率92.9%；终孔段60m，见煤率100%，钻孔全孔段安设筛管。

钻孔施工完成后连接管路进行瓦斯抽采，巷道掘进前考察其中14个钻孔累计抽采瓦斯纯量32.2万m3。通过施工的6个校验孔测得运顺巷道平均瓦斯含量由8.4 m3/t降至3.4 m3/t，瓦斯预抽率达60%，瓦斯压力由2.8 MPa降至0.38 MPa。

c.煤巷掘进和工作面回采 2018年5月，试验区域内101.9 m巷道掘进贯通，平均日进尺9.3 m，实现了平安有效掘进。巷道掘进期间执行循环预测，回风瓦斯及预测指标“两不超”，T2探头大瓦斯体积分数0.23%(图8)。

结果表明，气动螺杆钻具定向孔可对工作面和待掘进巷道进行区域瓦斯预抽消突，其横穿工作面递进式瓦斯抽采模式具有可行性。

5 结论

a.针对碎软煤层常规回转钻进瓦斯治理效率低、成本高等问题，提出气动螺杆钻具定向钻进技术，并开发了由气动螺杆钻具、窄体定向钻机、随钻测量系统等组成的煤矿井下气动定向钻进技术装备，解决了松软煤层顺层定向钻孔长距离定向成孔和可靠护孔难题。

b.试验表明，松软煤层中气动螺杆钻具定向成孔和筛管护孔工艺可行，瓦斯抽采效果好，可有效掩护煤巷掘进和工作面瓦斯预抽，满足软煤井下瓦斯有效治理需要。

c.气动螺杆钻具定向钻进技术为松软煤层采前瓦斯预抽治理提供了新的技术手段，对提高瓦斯抽采效果和保障煤矿平安有效生产起到积极推动作用。