寺河矿ZDY6000L型钻机定向钻进技术

曹 锐

（晋能控股煤业集团寺河矿）

近年来随着开采强度、规模的不断扩大和矿井开采深度的不断增加，安全高效地治理瓦斯成为全国各高瓦斯矿井的首要任务［1］。以寺河矿为例，该矿瓦斯赋存和涌出量大，瓦斯地质条件十分复杂。寺河矿的瓦斯治理工程技术人员利用定向钻机的钻杆通讯功能、电脑实时显示钻进轨迹功能、孔底钻进马达修正钻进轨迹方向功能，实现了抽放钻孔对预抽煤层的全方位、全煤厚立体式覆盖。这种抽放模式既消除了抽放盲区，提高了煤体瓦斯抽放效果，降低了煤体瓦斯含量，同时又可以依据钻进过程中的返渣、瓦斯涌出、返水量来对煤层中的构造进行探测分析、对瓦斯异常区域进行圈定、对煤层进行探放水［2］。

然而，寺河矿在定向钻机使用中，仍存在一些问题亟待解决，如寺河煤矿早期购买的进口定向钻进装备已陈旧，使用过程中故障频发，影响生产效率的同时钻机维护成本也明显增加。寺河矿为了满足生产需要，急需利用矿上现有的国产非定向钻机进行定向钻进技术与装备的研究和开发，从而满足400 m以上区域递进式本煤层瓦斯抽采钻孔的施工，实现技术与装备改造升级，降低瓦斯抽放成本，提高钻孔施工效率。

1 基础钻机选型

本次定向钻进技术与装备开发是以ZDY6000L型煤矿用履带式全液压坑道钻机为基础进行的。ZDY6000L型钻机属于自行式、低转速、大转矩类坑道钻机，由履带车体、主机、泵站和操纵台4大部分组成，主机、泵站、操纵台之间用高压胶管连接，共同安装在履带车体之上，便于井下搬迁运输，适于采用复合片钻头施工深度约600 m的大直径钻孔，钻机实物如图1所示。

2 钻机定向功能开发

实现钻机定向功能的关键在于马达驱动装置和配套的随钻测量技术［3］。孔底马达在高压水的作用下带动钻头旋转钻进，随钻测量系统测定孔底方位角、倾角和弯头方向，并将测量参数显示在钻机自带的防爆电脑上，通过电脑调整弯头方向，使钻进轨迹和设计轨迹尽量一致。定向钻机各关键系统如图2所示。

2.1 马达驱动装置选用

钻机水泵产生的高压清水通过中空钻杆送至孔底马达，孔底马达内部的转子在高压水的冲击作用下旋转，再通过前端轴承带动钻头旋转，达到破煤钻进的效果［4］。螺杆马达的弯头是实现定向功能的关键部件，它和钻杆之间有一定的夹角，如图3所示。由于弯头的作用，定向钻孔的轨迹不再是传统钻机形成的略带抛物的直线轨迹，而成为1条空间曲线，如图4所示。寺河矿通过考察调研和性能分析，选用国产1.25°φ73 mm三级螺杆马达，满足煤层内定向钻进需要，如图5所示。

2.2 随钻测量系统开发

随钻测量系统是保证定向钻孔按照设计施工的关键，该系统主要测量钻孔的方位角、倾角和螺杆马达弯头方向，测量数据在钻机自带的防爆电脑上通过三角函数计算出每一个测量点的坐标，还能够绘制出钻孔轨迹在水平和垂直平面上的投影图，如图6所示。并且可以与钻孔设计轨迹进行对比，根据施工偏差来调整弯头方向，使钻进轨迹与设计轨迹最大限度重合［5］。目前国内外使用的定向钻机无线随钻测量系统主要利用泥浆脉冲、电磁波、声波、智能钻杆、光纤5种方式传输孔底马达钻进轨迹信号，其中泥浆脉冲信号传输技术最为成熟、可靠［6］。因此寺河矿本次钻机改造采用泥浆脉冲作为信号传输方式，结合寺河矿井下钻孔施工工艺和施工环境特点，寺河矿联合相关科研院所研制出了相应的泥浆脉冲无线随钻测量装置。

通过泥浆脉冲无线信号来实现随钻测量的原理在螺杆马达钻进时，将探管连接在螺杆马达后面，当探管检测到泥浆泵停运的信号以后，立即启动测量短节，采集钻孔参数和螺杆马达弯头方向等数据并进行编码［7］；当探管检测到泥浆泵开启信号后，立即将测量到的数据传递给驱动短节，驱动短节根据数据信号编码控制电磁阀动作使脉冲发生器改变钻杆内水力通道的面积，限制部分清水流入钻杆，从而产生泥浆压力正脉冲信号并将信号传递至孔口，泥浆泵出水口的压力变送器能够检测来自孔内探管的压力脉冲信号，并通过有线方式将脉冲信号传递到防爆计算机，计算机通过软件按预先设定的编码规则对压力脉冲信号进行解码，得出正确的钻孔轨迹和螺杆马达弯头的状态信息，并显示在防爆计算机上（图6），为施钻人员提供参考数据［8］，泥浆脉冲无线传输系统运行原理如图7所示。

3 现场试验

3.1 寺河矿W23024巷8#横川钻场实验定向钻机施工情况

W23024巷8#横川钻场完成试验钻孔3个，孔深均大于400 m，钻孔主孔施工轨迹与设计轨迹基本重合，各项技术指标已达预期指标要求。钻孔设计平面位置如图8所示，钻孔施工详细数据见表1，钻孔施工轨迹平面位置如图9所示。

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4 结 论

（1）成功完成钻机定向功能开发，通过现场试验形成了一套适合无线随钻测量定向钻进的成套钻探装备，具有钻进能力大、适用范围广和运输安装方便的特点，能够适应寺河矿巷道条件施工。

（2）研究选配了螺旋螺杆马达等适用于泥浆脉冲无线随钻测量系统的定向钻进机具，理论与实验相结合分析了其可行性和安全性，并进行了现场试验。试验结果表明，该套钻进装备可以满足泥浆脉冲无线随钻测量的钻进要求。

（3）试验钻孔孔深均大于400 m，满足寺河煤矿400 m以上区域递进式本煤层瓦斯抽采钻孔施工的要求，实现了现有钻进技术与装备的改造升级。

（4）本次改造后，相较于进口定向钻机每套设备可节约采购成本600万元，为后续钻机批量改造和配套提供依据。采用无线随钻测量定向钻进技术降低钻杆采购和维护成本60%以上，有效解决了寺河矿定向钻机数量不足和运行成本偏高的问题，同时有效提高定向钻孔在寺河矿井下钻孔总进尺中的比例，对于提高瓦斯抽效率、实现安全高效开采具有积极意义。