高转速复合排渣钻进技术在松软突出煤层中的应用

ｄｏｉ：１０􀆰１１７９９／ｃｅ２０１９０３０１２　　收稿日期：２０１８－０４－０４　　基金项目：陕西省科技统筹创新工程计划项目（２０１６ＫＴＣＱ０１－６８）　　作者简介：杨虎伟（１９８７—），男，陕西榆林人，硕士，助理研究员，主要从事钻探机具的设计及推广工作，Ｅ－ｍａｉｌ：ｙａｎｇｈｕｗｅｉ＠ｃｃｔｅｇｘｉａｎ􀆰ｃｏｍ。　　引用格式：杨虎伟，范运林．高转速复合排渣钻进技术在松软突出煤层中的应用［Ｊ］．煤炭工程，２０１９，５１（３）：５０－５３．高转速复合排渣钻进技术在松软突出煤层中的应用杨虎伟，范运林（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安　７１００７７）　　摘　要：针对松软突出煤层钻孔施工中钻孔深度浅、成孔率低的难题，分析并总结了松软突出煤层钻孔施工的几种工艺方法及存在问题，提出高转速压风—螺旋复合排渣技术。阐述了该工艺技术原理并分析确定了高转速复合排渣钻进工艺参数。现场实践表明，采用高转速钻机并配套Φ９５／６０􀆰３ｍｍ插接密封式螺旋钻杆及Φ９８ｍｍ胎体弧角ＰＤＣ钻头的钻具组合进行施工，成孔率提高到７０􀆰６％，钻孔深度也显著提高，为松软突出煤层钻孔施工提供参考。　　关键词：高转速；复合排渣；钻进技术；松软突出煤层；螺旋钻杆　　中图分类号：ＴＤ７１２＋􀆰６　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１６７１－０９５９（２０１９）０３－００５０－０４ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＨｉｇｈＲｏｔａｔｉｏｎＳｐｅｅｄＣｏｍｐｏｕｎｄＳｌａｇＤｒｉｌｌｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｉｎＣｏｍｐｌｅｘＣｏａｌＳｅａｍＹＡＮＧＨｕ－ｗｅｉ，ＦＡＮＧＹｕｎ－ｌｉｎ（ＣＣＴＥＧＸｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ’ａｎ７１００７７，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｌｏｗｄｒｉｌｌｉｎｇｄｅｐｔｈａｎｄｌｏｗｐｏｒｏｓｉｔｙｉｎｂｏｒｅｈｏｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｏｕｔｂｕｒｓｔｃｏａｌｓｅａｍ，ｔｈｅａｕｔｈｏｒａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｓｏｍｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｓａｎｄｐｒｏｂｌｅｍｓｉｎｄｒｉｌｌｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔｏｕｔｂｕｒｓｔｃｏａｌｓｅａｍ，ａｎｄｐｕｔｆｏｒｗａｒｄａｈｉｇｈｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄｗｉｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｓｐｉｒａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｌａｇｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅｗａｓｅｘｐｏｕｎｄｅｄａｎｄｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｈｉｇｈｓｐｅｅｄｃｏｍｐｏｕｎｄｓｌａｇｄｒｉｌｌｉｎｇｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ．ＴｈｅｐｒａｃｔｉｃｅｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｈｉｇｈｓｐｅｅｄｄｒｉｌｌｉｎｇＢＨＡａｎｄｓｕｐｐｏｒｔｉｎｇｗｉｔｈ９５／６０􀆰３ｍｍｐｌｕｇ－ｉｎｓｅａｌｉｎｇｔｙｐｅｓｐｉｒａｌｄｒｉｌｌｐｉｐｅａｎｄ９８ｍｍａｒｃ－ｓｈａｐｅｄｍａｔｒｉｘＰＤＣｂｉｔ，ｈｏｌｅ－ｆｏｒｍｉｎｇｒａｔｅｉｎｃｒｅａｓｅｄｔｏ７０􀆰６％，ｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｄｅｐｔｈｗａｓａｌｓｏｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ，ａｌｓｏｉｔｐｒｏｖｉｄｅｄｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓｆｏｒｄｒｉｌｌｉｎｇｉｎｓｏｆｔｏｕｔｂｕｒｓｔｃｏａｌｓｅａｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈｉｇｈｒｏｔａｔｉｏｎｓｐｅｅｄ；ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓｌａｇｄｉｓｃｈａｒｇｉｎｇ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｃｏｍｐｌｅｘｃｏａｌｓｅａｍ；ｓｐｉｒａｌｄｒｉｌｌｐｉｐｅ　　松软煤层瓦斯抽采是制约我国煤矿安全高效开采的技术难题。我国大多数矿井属于松软突出煤层，约占煤炭总产量的４２％［１］。松软煤层是指煤体普氏硬度系数ｆ＜１的煤层或分层，它是地质构造的产物，主要是由于断层和层滑等原因所形成，所以也称松软煤层为构造煤层。松软煤层具有煤体力学强度低、瓦斯解吸速度快、瓦斯含量及瓦斯压力高的特征，厚度变化较大，可以从几厘米到几米。由于受到地应力、瓦斯压力和钻杆扰动力作用，采用常规钻杆施工容易出现喷孔、卡钻、埋钻等事故，成孔率低、钻孔深度浅（一般钻孔深度小于１００ｍ），所以松软煤层成孔难、钻孔深度浅一直是困扰煤矿安全高效开采的重大难题［２－５］。目前，普氏硬度系数ｆ＜０􀆰３的煤层中，成孔深度不足１００ｍ，严重制约了瓦斯抽采效率。为了解决松软突出煤层成孔率低，钻孔深度浅的难题，提出了采用机械和风力复合排渣工艺，通过现场实践，采用该工艺钻进效果良好，可为今后松软突出煤层钻孔施工提供了实践经验。１　松软突出煤层钻进工艺对比及难点分析根据排渣方式的不同，目前松软突出煤层钻进施工主要分为干式螺旋钻进、水力排渣钻进及空气０５第５１卷第３期　　　　　　　　　　　　煤　炭　工　程ＣＯＡＬＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ􀆰５１，Ｎｏ􀆰３钻进３种工艺方法［６－９］，具体见表１。干式螺旋钻进采用插接式螺旋钻杆，利用机械方式排渣，由于低转速时排渣慢，若孔内瓦斯含量大、解吸速度过快，孔内煤渣量大，无法及时排出钻渣，导致成孔困难或钻孔深度有限。空气钻进即利用空气作为排渣介质，空气经钻杆内孔和钻头进入孔底，在孔内形成高速气流，孔内煤屑颗粒在风力作用下被携出孔外；但是由于纯风力作用下，煤粉颗粒在水平钻孔内悬浮并随气流跳跃式向前推进，钻遇含硬结核煤层时，局部大块钻渣堆积，风力无法排出孔外。水力排渣是用水作为排渣介质，主要适用于较稳定煤层，利用静压水作为冲洗介质，同时在宽翼片螺旋钻杆螺旋槽辅助排渣作用下完成钻进。单纯的机械排渣或单纯的流体排渣均存在弊端，而且煤矿井下所采用的钻机，在转速与扭矩上不能兼顾，瓦斯抽采钻孔施工中，通常以降低转速、提高扭矩的方法保障煤屑顺利排出，如遇施工区地应力大、孔内瓦斯压力大、瓦斯含量高、含硬结核等复杂情况，孔内出渣量大，大块硬结核无法通过钻头进行破碎，堆积在钻孔底部无法返出，在现有排渣工艺的基础上，无法满足钻孔深度要求。所以，松软突出煤层钻进，提高钻孔深度的关键是解决排渣问题。国内学者孙玉宁提出“钻穴”理论［１０］，指出钻孔截面积越大，排渣通道尺寸越小，排渣越不利；纯流体排渣情况下，松软、突出煤层的钻孔深度几乎与钻机动力大小无关，而取决于危害型“钻穴”的发生位置和“钻穴”的体积大小。经过大量证明实践，复合双动力排渣能有效提高松软突出煤层钻进深度。因此，在复合排渣技术基础上结合钻机高转速特点，形成了一种高转速压风—螺旋双动力排渣的钻进工艺。表１　松软突出煤层钻孔成孔工艺及钻具成孔工艺优点缺点应用情况配套钻具干式螺旋钻进不需要排渣介质，对孔壁扰动小，可正反转，便于处理孔内事故钻进时遇孔内瓦斯压力大、涌出量大时易发生卡钻、抱钻现象，成孔深度不够硬度系数ｆ＜１的松软突出煤层，具有一定稳定性，不宜在含水及夹矸地层用插接式螺旋钻杆清水回转钻进水冷却钻头速度快，夹持器卡盘直接夹持钻杆，操作方便遇瓦斯压力大、瓦斯含量高或不稳定的煤层易糊死钻孔，抱钻严重硬度系数ｆ＜１的较稳定松软煤层宽翼片螺旋钻杆低风压或中风压空气钻进利用压风冷却钻头，排粉能力强风压对孔壁扰动作用大，遇含水及硬结核地层排渣困难比较适用于硬度系数０􀆰３≤ｆ＜０􀆰５的高瓦斯松软突出煤层钻进宽翼片螺旋钻杆或三棱螺旋钻杆２　高转速复合排渣技术２􀆰１　排渣原理高转速压风—螺旋复合排渣主要是钻进过程中利用钻机动力头高速回转螺旋钻杆，压风从钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔内形成高速气流，同时煤粉颗粒在高速离心力作用下被悬浮起来，依靠风力作用和螺旋辅助排渣作用将钻屑输送至孔外，保证钻孔排渣通道顺畅，实现安全高效钻进。具体排渣原理如图１所示。图１　高转速复合排渣原理图２􀆰２　转速根据气力输送原理，在水平钻孔中，气流对钻进产生的煤屑颗粒的推力为水平方向，颗粒的重力为铅垂方向，单纯对每个方向进行分析，钻渣颗粒不能够悬浮。实际钻进过程中煤屑颗粒在气流水平流动和钻杆转动的作用下，使钻孔产生的煤屑颗粒悬浮，实现了风力排渣的作用。根据孔内气流速度不同，煤屑颗粒在孔内运动状态一般有悬浮流、底密流、疏密流及停滞流４种状态［１１］。施工过程中由于钻具旋转扰动，往往会出现孔内局部坍塌，另外孔壁的粗糙程度较大，不利于钻进过程中的顺利排渣，因此钻进中应尽量使钻孔产生的煤粉颗粒处于悬浮流和底密流状态。高转速压风—螺旋复合排渣时，要使煤屑顺利返出孔外，钻杆的转速必须大于临界转速ｎｍａｘ，但转速不能过高，转速过高时螺旋叶片将煤屑推动作用减小，也不利于排渣，所以需要根据实践工况确定最优转速。根据经验公式［１２］：ｎｍｉｎ≥ＡＤ·ｃｏｓβｓｉｎα·ｓｉｎ（α＋β）１５　２０１９年第３期　　　　　　　　　　煤　炭　工　程　　　　　　　　　　施工技术　　　式中，Ａ为煤粉的综合系数，由于煤粉粒径较小，呈粒状或小块状，取５０［１３］；ｎｍａｘ为螺旋钻杆临界转速，ｒ／ｍｉｎ；Ｄ为螺旋钻杆外径，取０􀆰０９５ｍ；β为叶片与煤粉的摩擦角，松软煤层摩擦系数较大，故摩擦角β取３０°［１４］；α为螺旋叶片升角，距芯杆处外径为６０􀆰３ｍｍ，计算得α＝２５􀆰４°。因此，经计算高转速下排渣理论转速ｎｍｉｎ≥３９８ｒ／ｍｉｎ，实际转速在３００～３５０ｒ／ｍｉｎ。２􀆰３　风量为了满足高转速复合排渣钻进排渣要求，需要确定空气排渣的供风流量。生产实践与理论计算表明，返风速度应达到１５ｍ／ｓ以上，最佳风速２３ｍ／ｓ左右［１５］。采用Φ９５／６０􀆰３ｍｍ插接式螺旋钻杆，钻孔直径１００ｍｍ，风速为２３ｍ／ｓ时，其中风量Ｑ＝ｖＡｔ，式中，Ｑ为钻进时所需最小风量，ｍ３／ｍｉｎ；ｖ为排渣上返风速，ｍ／ｓ；Ａ为钻孔与钻杆外壁环空面积，ｍ２。经计算Ｑ＝６􀆰９ｍ３／ｍｉｎ，同时应考虑到压风和钻屑沿程压力损失及钻屑加速至悬浮速度的压力损失等因素，才能使钻孔过程中的钻屑顺利和连续地排出钻孔。因此，要求空气钻进过程中风量不小于６􀆰９ｍ３／ｍｉｎ，最佳风量８～１０ｍ３／ｍｉｎ以上；空气压力应不小于０􀆰５ＭＰａ，实际钻孔风压控制在０􀆰５～０􀆰７ＭＰａ，大于排粉总压力损失，满足正常钻进需求。３　工程试验３􀆰１　工程地质概况义安矿位于新安煤田正村井田中部，煤层埋藏比较深，地质条件复杂，属于高瓦斯矿井，施工区位于二１１１０８０工作面上巷，该工作面为倾向长壁综采工作面，巷道沿二１煤层顶板掘进，主采煤层为二１煤层，煤质呈粉末状、鳞片状、局部见块状以亮煤为主含暗煤条带，弱玻璃光泽，属半亮型煤；煤层结构复杂，厚度变化较大，属不稳定煤层，含ＦｅＳ２结核，煤厚１～１２􀆰１ｍ，平均厚４􀆰４５ｍ，局部含１层夹矸，夹矸岩性为黑色砂质泥岩、泥岩或炭质泥岩。煤层赋存结构为典型的“三软”煤层，构造软煤整层发育，煤层硬度系数ｆ值为０􀆰１５～０􀆰４６，瓦斯含量高，地应力大，煤层透气性差，属于较难抽采煤层。该工作面二１煤层伪顶为碳质泥岩，局部发育，直接顶为砂质泥岩，裂隙发育，厚０～７􀆰０ｍ。老顶为中粒石英砂岩，厚６􀆰０～１４􀆰６ｍ。直接底为粉（细）砂岩，厚度１􀆰０～５􀆰７ｍ，平均厚４􀆰８ｍ，老底为深灰色Ｌ７灰岩。顺层钻孔施工时塌孔、卡钻现象时有发生，钻孔深度不超过７５ｍ。３􀆰２　施工工艺及试验效果３􀆰２􀆰１　前期试验为了解决该矿顺层钻孔施工成孔深度浅的难题，通过优选和改进钻具组合，采用不同钻进工艺，探索出适用于义安矿顺层瓦斯钻孔施工的高效钻进工艺，具体试验情况如下。１）第１阶段试验。钻机为ＺＤＹ３５００ＬＰ型全液压履带钻机，配套钻具组合为：Φ７３／６３􀆰５ｍｍ宽翼片螺旋钻杆＋Φ９４ｍｍ三翼弧角ＰＤＣ钻头（简称Ａ型钻具）；Φ７３ｍｍ整体式宽翼片螺旋钻杆＋Φ９４ｍｍ三翼弧角ＰＤＣ钻头（简称Ｂ型钻具）。采用中风压空气钻进工艺配套Ａ、Ｂ两种钻具组合钻进时，钻渣排出困难，共施工钻孔８个，最深２５ｍ。分析排渣不畅主要原因：一是钻进时出渣量与排渣速度失衡，尤其是钻遇高应力区域时，塌孔严重并伴有瓦斯大量涌出，钻孔环空瞬间被堵死；二是煤层中ＦｅＳ结核含量较大（直径达４