千米定向钻机使用循环水打钻工艺研究

陆永强

（山西晋能控股煤业集团沁秀公司， 山西 晋城 048006）

引言

随着当前煤炭开采条件不断复杂和开采深度的不断增加，瓦斯已成为制约矿井生产的主要因素。为提高瓦斯抽放效率及效果，保障煤矿安全、高效生产，井下一般采用千米定向钻机区域抽采治理瓦斯[1]。但定向钻孔在钻进期间要返出大量煤屑，要想重复利用循环水就必须将循环水中的煤屑分离出来，确保循环水在钻进期间携沙正常、泵压无明显异常。此外，定向钻进工艺对钻井也要求较高，需确保螺杆马达在定向钻进的数百小时内稳定工作，避免退钻造成孔内事故[2]。因此，研究定向钻机打钻的水循环工艺具有较高的推广价值和社会意义。

1 现场概况

岳城煤矿为晋能控股煤业集团下属高瓦斯矿井。目前该矿已全面推广定向钻孔工艺，现使用ZYWL-6000D、ZDY6000LD、GDST15-38、ZDY12000LD型定向钻机，保有量已超过20 台，每年打钻进尺超过1 000 km。为确保定向钻机正常钻进，岳城煤矿在现有定向钻机施工定向钻孔时，使用的是无污染的清水钻进，同时孔内返出的污水采用污水泵直接从排污管内排走，为此，必须为施工钻场铺设专用供水管路和排污管路。定向钻机每天累计的耗水量非常大，打钻后的废水通过排污泵直接排走，造成水资源的浪费，不符合当前国家和集团公司的相关标准要求。

2 问题分析

原供水系统流程如图1 所示。

由图1 可知，原先千米钻机工作面产生的污水，经5 次转载（用水点→集中排水点→盘区水仓→主水仓→污水处理厂→地面蓄水池）送至地面污水处理厂，污水处理厂通过加药沉淀、过滤等工序，净化出的清水净化后再返回井下用水点，煤泥水送往洗煤厂处理。原系统存在的问题：一是地面污水和处理站能力有限，极易造成千米钻机待水停机现象，制约抽掘采进度；二是千米钻机用水量大，造成排水系统压力增加，影响其他用水点的供需；三是经过5 次转载，水处理费用很高，约5.8 元/m3；四是排水管路安装工程量、排水仓施工工程量大，还存在环保方面的隐患，处理费用高。

图1 原千米钻机污水处理系统流程

3 系统流程

设计一种新型水循环净化系统，即在中水回用模组内采用平板陶瓷膜组作为净化装置的核心技术[3]，只通过模板表面进行过滤，容易实现自动清洗；采用全气源作为驱动动力，有效避免千米钻场高瓦斯突出造成的火灾危险；通过自动气控元件进行延时控制，实现现场一键启动要求。其工艺流程如下页图2 所示。

由图2 可知，系统在千米钻机工作面增加振动筛与中水回用装置，污水先经过振动筛预处理，分离出大颗粒煤粉回收，同时起到改善中水回用膜组工况条件的作用，再经由沉淀池进行二次沉降净化，沉淀出筛分水中的细小颗粒，然后进入系统的中水回用装置[4]。污水通过中水回用装置，在外压内吸作用下，粒径小的水分子团和离子透过平板陶瓷膜，粒径大的固体杂质被阻挡在陶瓷膜表面，从而达到固液分离净化的效果。千米钻机工作面产生的污水就可以进行就地处理，净化后的水质可以满足钻机循环使用要求，达到就地处理、循环利用的目的。

图2 设计水循环净化系统流程图

4 核心部件设计

4.1 振动筛筛分装置

系统筛分装置采用脱水振动筛，主要作用是脱水、脱泥、脱介质，其中激振器采用进口气动式驱动，其功率可根据调节进气量的大小，满足各环境下的使用要求。同时为保证筛选效率，增加了反冲洗功能，可及时处理筛分过程中的网眼堵塞。

4.2 平板陶瓷膜过滤系统

平板陶瓷膜是采用无机陶瓷材料烧制而成，具有中空结构，膜面布满一定数量和直径的通透滤道。其工艺流程如图3 所示。

图3 平板陶瓷膜过滤系统工艺流程图

由图3 可知，平板陶瓷模组的主要作用是将单片的平板陶瓷膜进行组装黏合，使其可以多膜片同时工作，提高净化指标，同时将过滤清洗循环装置集成到模组内，做到设备的小型化与集成化。为保证设备净化指标和速度满足钻机用水要求，保证7.5 t/h 的膜组净水效率，将膜板拆分为400 片，每片净化能力为0.5 t/h，同时为避免膜组破损后由串联效应引起的设备故障，每片膜组均有逆止阀门，单片膜组破损后可通过逆止阀将单片破损膜组隔离，每破损一片影响装置处理能力0.25%，破损20 片影响装置处理能力5%，且每片膜板都可独立密封，破损后的膜板不影响运行，不影响设备净水效率。

4.3 自动补水装置

自动补水装置工艺流程示意图，如图4 所示。

图4 高压自动补水装置工艺流程示意图

由图4 可知，高压自动补水装置可根据受水容器（水箱、水塔等）的液位升降，实现高压水自动补充，保持受水容器液位稳定。部件全部由机械和气动元器件组成，适应各种补水环境，尤其适应防爆环境的自动补水。自动补水不受水压限制，不但适用于水的自动补充，而且适用于其他溶液和腐蚀性液体的液位自动补充。

5 效果验证

该项目于2020 年11 月21 日在矿东五盘区抽放措施一巷实施，由千米钻机一队负责该系统试验，至2021 年4 月2 日完成全部试运行进尺10 000 m。千米钻机（每台）日正常用水量为12～15 m3/h，回水经除砂装置处理后，除砂率≥96%，颗粒物粒度在90～110 μm，杂质总含量小于1%。按每天工作20 h 计算，日耗水量为240～300 m3。循环水箱日产水量为钻机用水量的80%～90%，补水量为10%～20%，每日补充清水量与回收上井废水相同，极大地减小了矿井排水管路压力，满足了生产要求。

6 结语

在不降低钻孔钻进效率和螺杆马达使用寿命的前提下，优化现有打钻工艺，研究水循环系统，减少定向钻进专用排水管路的铺设，节约用水，降低定向钻孔的钻进成本。目前岳城煤矿全面推广定向钻孔工艺，按每天工作20 h 计算，日耗水量为240～300 m3，排污泵功率22.5 kW，日耗电量为450 kW·h，岳城煤矿每天开工钻机约为30 台，钻机每天的耗水成本为840～1 050 元，耗电成本为675 元，水力成本和电力成本合计1 515～1 725 元，一年按300 个工作日计算，总成本约50 万元。因此研究定向钻机循环水打钻工艺，可以有效减少劳动强度、节约水资源，具有良好的市场前景和推广价值。