煤矿井下保直钻进技术及应用

王 力

煤矿井下保直钻进技术及应用

王 力

介绍了煤矿井下保直钻进技术,根据施工煤矿的岩层性质和钻探设备,采用优选和设计的保直稳定组合钻具,通过穿层孔保直钻进试验,大幅提高了成孔质量和成孔率,较好地解决了钻孔严重偏斜的问题。

煤矿井下,保直钻进技术,巷道对穿钻孔

0 引言

随着煤炭产量快速增长,煤矿井下各种钻孔施工量急剧增加,由于井下钻探精度、瓦斯抽采率和抽采效率要求越来越高,井下勘探孔、瓦斯抽采孔和水文地质孔等钻孔保直钻进施工的问题越来越突出[1]。其中,采用顺层钻孔、顶板高位钻孔和顶底板穿层钻孔进行抽采和消突是瓦斯治理的重要手段,然而随着开采规模扩大和开采深度的增加,钻孔施工地质条件越来越复杂,运用常规钻具施工,往往使得钻孔轨迹偏斜严重,见煤点控制难,导致存在瓦斯抽采、消突盲区,严重影响煤矿安全高效生产。因此,研究煤矿井下瓦斯抽采钻孔的保直钻进技术有重要意义。

1 煤矿井下保直钻进技术

1.1 多级成孔保直钻进

多级成孔保直钻进就是采用内凹式PDC钻头小孔径钻进先导孔至设计孔深,然后采用大一级扩孔钻头扩孔至设计孔深,由于扩孔钻头有导向设计,能保证钻孔轨迹按先导孔轨迹延伸,重复扩孔钻进,依次钻进至设计孔径成孔。该钻进方法可以逐级保直扩孔至较大孔径钻孔,如先导孔采用φ94mm内凹PDC钻头+ φ73mm钻杆,采用φ113mm PDC扩孔钻头+φ73 mm钻杆二级扩孔,采用φ133mm内凹PDC钻头+φ89mm钻杆三级扩孔,但逐级扩孔保直钻进施工方法较为繁琐。

1.2 粗径钻具保直钻进

粗径钻具保直钻进就是采用在常规钻具前端加装一定长度的、与钻头直径差较小的粗径钻具(如岩心管),粗径钻具能保证孔底钻具有较大的刚性和较小的环空间隙,对钻头有扶正作用而起到保直钻进的效果。如采用φ118mm PDC钻头+φ108mm岩心管(1m)+φ73mm钻杆钻进,孔壁光滑,保直效果较好。但粗径钻具处环空间隙小,排渣不畅,宜在完整地层中使用,较软和破碎地层中使用时,常常不能正常返渣。

1.3 稳定组合钻具保直钻进

保直稳定组合钻具一般由 3个～5个稳定器组成,稳定器安装数量和组合结构可以根据钻具级配和地层情况做适当的调整,它基本的防斜原理是：1)稳定器组成的孔底组合钻具刚度大,并能填满钻孔保持钻具在孔内居中,减小钻头的倾斜角;2)在地层横向力的作用下,稳定器支撑在孔壁上,限制钻头的横向移动,同时能在钻头处产生抵抗地层造斜力的纠斜力,从而实现保直钻进,在较完整的地层中,利用合适的稳定组合钻具保直定向钻进,孔深在 150m以内时,钻孔倾角和方位角偏斜可以控制在 1%左右[2],能满足煤矿井下保直定向钻进的要求,且该技术配套设备简单,易于在煤矿井下推广使用。煤矿井下常用的直槽式、螺旋式稳定器见图 1。

如采用φ113mm内凹三翼钻头+φ113mm稳定器+φ73mm外平钻杆(1.5m)+φ113mm稳定器+φ73mm外平钻杆(1.5m)+ φ113mm稳定器的钻具组合,保直稳定组合钻具示意图见图 2。

2 保直钻进技术应用

2.1 试验点地质概况

潘三矿 1792(3)底抽巷标高-690～-715,13-1煤底板以下32m～15m,其中位于 13-1煤底板的花斑状泥岩为主要标志层。煤层赋存稳定,煤厚2.18m～6.2m,均厚3.89m,粉末状及碎块状为主,煤层局部含一层泥岩夹矸。该巷地质构造条件较复杂,巷道附近发育有 0m～5m的断层。在 1792(3)底抽巷采用常规钻具施工穿层孔时,受地层影响,钻孔偏斜严重,见煤点难以控制,成孔率低。

2.2 保直钻进施工用钻机具

施工用钻机具见表 1,钻机选用中国煤炭科工集团西安研究院的ZDY 4000S钻机,钻头用内凹式PDC钻头,保直效果好,稳定器采用直槽式稳定器,镶焊有合金保径和反向切削齿,增加耐磨性和处理孔内事故的能力。

表1 钻进施工用钻机具

2.3 冲洗介质

岩层段钻进采用井下静压水,进入煤层后换用矿井系统风。

表 2 潘三矿保直钻进钻孔施工情况

2.4 钻孔施工情况

采用保直稳定组合钻具在潘三矿 1792(3)底抽巷进行了 9个穿层钻孔保直钻进施工,其中 8个钻孔达到了倾角误差不大于1%,方位误差不大于 1%,大幅度提高了钻孔见煤率和成孔率,完全满足生产施工要求。在试验矿区取得了良好的应用效果。钻孔施工情况如表 2所示。

3 结语

1)针对不同的地层和钻孔类型,多级成孔保直钻进技术,粗径钻具保直钻进技术和稳定组合钻具保直钻进技术都能起到钻孔保直钻进的目的。2)稳定组合钻具的孔壁支撑力强,排渣效果好,在煤矿井下保直钻进施工中应用广泛。3)稳定器上焊接的反切削齿在处理孔内事故时起到了一定作用。稳定器磨损严重时,应立即更换,以保证稳定组合钻具能起到相应作用。

[1] 郝世俊.近水平孔轨迹受控方法及受控机理[D].西安：煤炭科学研究总院西安研究院硕士论文,2001.

[2] 王 力,马沈岐.淮南抽采、消突钻孔高效钻进技术及装备配套研究[A].煤炭科学研究总院西安研究院课题报告[C].2010.

Application and technology of straight guided drilling in underground coalm ine

WANG Li

Straightguided drilling technology is introduced in underground coalmine.According to the rock formation property and drilling equipment of the coalmine,using the assembly drilling toolswhich are developed and optimized,through the drilling experiment,the holequality and the hole success rate is greatly improved,the problem of borehole deviation has been solved better.

underground coalm ine,straight guided d rilling technology,through coal roadway borehole

TU941

A

1009-6825(2011)09-0104-02

2010-12-03

王 力(1981-),男,硕士,助理工程师,中国煤炭科工集团西安研究院,陕西西安 710077