顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术.pdf

工矿自动化 Indus ryand MineAuo maio n 第46卷第8期 2020年8月 Vo l. 46 No . 8 Aug.2020 文章编号1671-251X202008-0117-06DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x . 2020010044 顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术 贾明群 （中煤科工集团西安研究院有限公司％陕西西安710077） 扫码移动阅读 摘要顶板高位定向钻孔是煤矿井下采动卸压瓦斯治理的重要手段，受钻进装备限制，顶板高位定向钻 孔一次成孔直径小，需孔群布置才能达到良好的抽采效果％针对该问题，开发了先施工定向先导孔、再利用 钻机回转钻杆带动孔内扩孔钻头对先导孔进行分级增扩的顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术％基 于等转矩原理分析确定了扩孔直径级配参数，研制选配了螺旋刀翼型组合式扩孔钻头、高强度高韧性扩孔钻 杆、大功率定向钻机、高压大流量泥浆泵车等钻进装备。在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河矿 W1304工作面进行现场试验，结果表明采用正向多级大直径扩孔技术可使顶板高位定向钻孔直径由96 mm 增大至153 mm,工作面回采期间回风最大瓦斯体积分数为0.47，直径153 mm钻孔瓦斯抽采流量为直径 96 mm钻孔的近3倍，瓦斯抽采效果显著％ 关键词煤矿瓦斯治理；采动卸压瓦斯治理；瓦斯抽采；顶板高位定向钻孔；正向多级大直径扩孔；等 转矩扩孔；扩孔转矩；扩孔装备 中图分类号TD712 文献标志码A Fo rward muli-sagelarge-diameerreamingec hno lo gyfo r direc io nalhigh-levelbo reho leinro o f JIA Mingqun Xfn Researc h Inst it ut e o f China Co al Tec hno lo gy j Engineering Gro up, Xan 710077, China Abstract Direc t io nal high-level bo reho le in ro o f is an impo rt ant means t o c o nt ro l mining pressure- releasegasinc o a lmineundergro und.Dueo limiaio no fdrilingdevic e,hebo reho lediameerissmalin o nc e-hro ughdriling,andbo reho legro uparrangemenisneededo ac hievego o ddrainageefec .Ino rder t o so lve t he abo ve pro blem, a fo rward mult i-st age large-diamet er reaming t ec hno lo gy fo r direc t io nal high- levelbo reho leinro o fwasevelo pe,whic hc o nst ruc t eirec t io nalpilo t ho lefirst lyant henenlarget he pilo t ho le level by level t ho ugh ro t at ing drill pipe in drilling mac hine driving reaming bit in bo reho le. Reaming diamet er gradat io n paramet ers were analyzed and det ermined o n t he basis o f equal t o rque princ iple,anddrilingdevic esweredevelo pedandselec edinc ludingspiralbladeandc o mbinaio nreaming bi , reaming dril pipe wih high-srengh and high-o ughness, high-po wer direc io nal dril ing mac hine, mud pumpruc k wi h high-pressure and large-flo w, ec . The fieldeswas c arried o uaW1304 wo rking fa c eo fSihe Mineo fShanx iJinc heng Anhrac ie Mining Gro upCo .,Ld.Theesresulssho whahe diamet er o f direc t io nal high-level bo reho le in ro o f c an be inc reased fro m 96 mm t o 153 mm by use o f t he fo rward muli-sage large-diameer reamingec hno lo gy, he max imum reurn-air gas vo lume frac io n is 0. 47 during t he wo rking fac e mining, and gas drainage flo w o f 153 mm bo reho le is nearly t hree t imes t han t hat o f 96 mm bo reho le, whic h verifies 153 mm bo reho le has salient gas drainage effec t . 收稿日期收稿日期2020-01-13;修回日期修回日期 2020-07-27 mining pressure-release gas c o nt ro l; gas drainage; direc t io nal high- level bo reho le in ro o f; fo rward mult i-st age large-diamet er reaming; equal t o rque reaming; reaming t o rque; reamingdevic e 0引言引言 随着煤炭供给侧改革持续推进，大型现代化煤 矿已经成为我国 生 主体，综合机 采煤 技术 推广 「门。但机 采 采 动卸压瓦斯 许多低瓦斯矿 瓦斯超 限风险，成为矿井瓦斯灾害 难题。 采动卸压瓦斯 ，国内外开展了大 量研究工作。在基础理论方面，文献［2-6］研究了采 动裂隙场发育和瓦斯运移 ，分析了采动卸压瓦 斯运移优势通道和流动活跃区，提出了采动稳定区 层气资 . 隙隙体 ，为采动 压瓦斯 工程布 供了基础 。在瓦斯治 理技术方面，目前主要有3种方法①增加进风巷 和回风 ，优化通风 ，增大矿井通风量，直 接稀释释采煤工作面和采空区内瓦斯 ，确保瓦斯 不超限，但矿井通风 限，较难满足瓦斯稀释稀释 要求「7-。②在采空区 或回风巷内埋管进行瓦 斯抽采，降低工作面上隅角瓦斯 ，但插/埋管抽 采瓦斯 低、效率差，且抽采 易被压破「8切- ③在工作 隙带内布 抽巷、高位钻孔、 定向 、地面“L”形 等 工程，抽采顶 隙带内积聚聚的瓦斯，避免 瓦斯进入回风 上隅角，但高抽巷、地面“L”形 瓦斯 方式 成本咼，咼位定向 抽巷和地面钻 成为煤矿 采动卸压瓦斯 重要 手段「10皿- 顶板高位定向钻孔可进行超前施工，具有抽采 、施工成本低等优点，但受钻进装备限制，其 成孔直径小，需要 布置才能达到良好的抽采效 果。本文 定向 大 直 I 需要，开发了正向多级大直 技术，并对其扩孔 工艺 和装备进 研究。 1顶板高位定向钻孔瓦斯抽采原理顶板高位定向钻孔瓦斯抽采原理 工作面开采时，开采煤层及邻近煤层瓦斯卸压 释放和采空区内遗遗留煤体瓦斯释放，采空区内瓦斯 大量积聚聚。 瓦斯气体 气，在工作 通风作 ，将沿采动裂隙进 隙带；在通 风负压作用和大气压 情况下， 隙带内 积聚聚的瓦斯 会通过 墙墙或煤柱柱裂隙进入采区 通风负担担和不 因素。 采 定向 进 采动 压瓦斯 的基本原理如图1所示。在工作面回采前，在回风 内设 场，大 上仰钻进至煤层 ；然后 采 定向钻进技术 轨迹进行精确测 和控制， 轨迹 进入工作面采动离层区 内 隙带并 伸。煤层回采时，采动压力形 成的裂隙与 导通，通过 抽采采动释释 瓦斯，降低回风巷道内瓦斯 ，避免瓦斯超限 或爆炸 ，确保工作面回采 。 图1顶板高位定向钻孔采动卸压瓦斯治理原理 Fig.1 Miningpressure-releasegasc o nt ro lprinc ipleo f direc t io nalhigh-levelbo reho leinro o f 瓦斯流动方向、 顶板咼位定向钻蛙 二二二 2 二 受煤矿井下定向钻进装备限制，顶板高位定向 钻孔直径一般为96,120 mm。为保证抽采效果，目 采 型钻孔群布置，根据矿井条件不 至 个孔组一般有4〜7个钻孔。 2正向多级大直径扩孔技术正向多级大直径扩孔技术 直 采动 压瓦斯抽采 重要 因素。 深度和抽采压 情况下，随着 直 大，瓦斯抽采流 著增大「14-。为了 定向 瓦斯抽采 ，应尽 大 直径。 向多级大直径扩孔技术原理如图2所示。先 施工定向先导孔，然后以 机为动 机回 杆，带动孔内 导孔进行分级 通过 ，， 大至设计值。 Fig.2 Princ ipleo ffo rward mult i-s t agelarge-diamet er reamingt ec hno lo gy 向 级大直 技术与大直 一 回拉 拉 等技术 ，具有以 点。 2020 8 贾明群顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术・119・ 1 减小了单级碎岩扩孔需要的转矩和孔内钻 具受力变形，保障了钻进装备施工安全，有利于实现 大直径钻孔施工。 2 不需要研制专用的回拉扩孔钻具和大直径 扩孔钻具，减少了施工需要的钻具种类，降低了钻进 装备性能参数要求和成本。 3 分级扩孔时可形成多个卸荷自由面，提高 了扩孔碎岩效率;小尺寸钻具安装拧卸方便,减少了 辅助作业时间，提高了综合钻进效率。 3正向多级大直径扩孔参数设计正向多级大直径扩孔参数设计 顶板高位定向钻孔各级扩孔直径级配设计是正 向多级大直径扩孔技术的关键，也是正向多级大直 径扩孔装备研究的基础。扩孔直径级配参数主要包 括终孔直径、扩孔级数次数和每级扩孔直径。 扩孔方式主要有等值扩孔、等面积扩孔和等转 矩扩孔3种。等值扩孔是指每次扩孔的厚度相同， 每次扩孔转矩逐级增加，且增加速度较快。等面积 扩孔是指每级扩孔的钻孔截面积相同，与等值扩孔 相比，每级扩孔转矩有所降低，但随着扩孔直径增 大，钻头和钻杆所承受的转矩仍然增加。以上2种 方式中每级扩孔转矩都会增大，对钻机钻进能力和 配套钻具强度要求较高，不适用于煤矿井下施工。 等转矩扩孔基于等转矩原理，在进行每一级扩 孔时，钻头和钻杆所承受的转矩相等。钻机钻进能 力和配套钻具强度如果能满足定向先导孔施工需 要，一般也能满足下一级扩孔施工需要，适用于煤矿 井下顶板高位定向钻孔扩孔直径级配设计。 定向 需要 定 定向 钻机钻进能力和配套钻具强度研究选配，以及扩孔 直径级配设计。孔底钻头破岩时所受转矩为「15- T 6.07X10-1 式中W为钻头所受钻压,kN；D为钻头直径,mm。 当采用等转矩扩孔方法进行扩孔级配设计时， 根据式1获取的先导孔钻进转矩即扩孔转矩。 钻孔扩孔截面如图3所示，假设切削dA面积 地层所需的剪切力为0，则钻孔扩孔过程中所需转 为 T P0rdA 02-厂2d厂 2 J N0 J r0 式中厂0为钻孔原始半径，mm；R为终孔半径，mm； r为扩孔半径,mm。 假设钻孔第1,2，・・・ 级扩孔半径分别为ri， r2，，r，若使各级扩孔所需转矩Ti T2 Tn，应满足式3。 图3钻孔扩孔截面 Fig 3 Reamingsec t io n r1 r r r1 r3 厂二13 3 得 r n厂 1 n1 r304 直 d r 得 d nd1 n1d35 将先导孔看作由0 mm扩孔得到，即Z0，则 由式5可得 dn 3nd1 6 在先导孔直径确定的基础上，利用式6可获取 各级扩孔施工后的钻孔直径。以目前煤矿井下顶板 高位定向钻孔常见直径为例，先导孔直径为96 mm 时，15级扩孔直径分别为120. 95，138. 46， 152. 39,164. 16,174. 44 mm；先导孔直径为 120 mm 时，15级扩孔直径分别为151. 19，173. 07， 190. 49,205. 20,218. 05 mm。 根据上述计算结果，结合常用钻头规格尺寸，直 径为96 mm的先导孔可采用直径为120，153 mm 的组合式扩孔钻头，分两级将钻孔直径扩大至 153 mm；直径为120 mm的先导孔可直接采用直径 为120/153 mm扩孔钻头一次扩孔至153 mm。若 需要施工更大直径钻孔，可按上述计算结果设计扩 。 4扩孔装备研制选配扩孔装备研制选配 为 定向 大直 研 制选配了螺旋刀翼型组合式扩孔钻头、高强度高韧 性扩孔钻杆、大功率定向钻机、高压大流量泥浆泵车 等 备。 4. 1 螺旋刀翼型组合式扩孔钻头 常规扩孔钻头主要用于孔口套管段施工，以便 下入套管,但其用于顶板高位定向钻孔施工时，存在 以下问题①导向器较短且较重，在扩孔钻进过程 中，容易偏离先导孔轨迹。②各刀翼切削齿为同轨 层中 定 进 但 层中 钻进时，容易对孔底进行重复切削，扩孔效率较低。 ③导向器不参与切削，几乎不产生磨损，但导向器 与钻头间为焊接式，不能重复利用，容易造成浪费。 ・120・ 工矿自动化 46 ④扩孔本体采用钢体式结构，耐磨性差，用于岩层 寿命短。 以上问题，从钻头导向结构、冠部形状、切 布、 等 研究，研制了螺旋 刀翼型组合 ，如图4所示。 以下 特点。 图4螺旋刀翼型组合式扩孔钻头 Fig 4 Spiralbladeandc o mbinat io nreamingbit 1 整体采用组合式结构，导向器与 本体 通过螺纹连接，导向 循环利用。 2 导向器采 球形导向头及螺旋型导向结 构，且镶焊 错排布的柱状保径合金，一 导向 ， 更容易 轨迹进 ，另 一 螺旋型导向槽有助 渣，避免先导孔内残 留钻渣或 坍塌物导致导向器无法进 导孔， 此外 著降低导向器所受 ，提高导向 辅 助 和保 。 3 本体的刀翼采用双圆弧形剖面冠部设 计，更 采用等 错峰布 且 轨道不同， 进 与 寿命， 更适用于顶板岩层钻进；PDC Po lyc ryst alline Diamo nd Co mpac t，聚晶金刚石复合片采用球面长 柱型复合片，齿窝采 包镶结构，本体采用胎体式 结构 寿命和本体耐磨 止复合片易掉 。 4.2 高强度高韧性扩孔钻杆 与定向钻进工况不同，扌 进时，钻杆直径远 直径，钻杆受力更加复杂，易发生断 匚 杆 扭和 出了更高要求 研制 韧 杆，如图5所示。 ’ 有以下特点。 图5高强度高韧性扩孔钻杆 Fig 5 Rea mingdrilpipewit hhigh-st rengt ha nd high-t o ughness 1 整体采用外平结构，由公接头、母接头和管 体三部分通过摩擦焊接方式焊接为一体。钻杆长度 设计为3 m,减 杆柱的连接点。 2 接头采用双顶结构，即在公母接头螺纹小 端增加1 肩，使公母接头连接拧紧后有主副 2个台肩。当接头初步拧紧时，主台肩先接触，公接 和母接头副台肩 一定间隙。之后在预紧 作 ，公母接头螺纹发生弹 形，使得接 I 副台肩相互接触。该结构 接 肩接触面 积，降低了接 中程度， 螺纹各牙 分布， 杆整体 及密封 。 3 适 大接头螺纹螺距，扌 螺纹根部 断面积和螺纹连接 接触面积。螺纹牙底采用 平面圆弧过渡结构，降低 中，增强了螺纹 接 定 及 接 杆 和 形 ，便于施加钻压和转矩。 4 管体选用韧 、抗弯能力强的高强度无 杆管体 。 利用静扭试验机对高强度高韧性扩孔钻杆性能 进 中 直 73 mm 杆 扭 大 22kN・ m 直 89 mm 杆 扭 大 36 kN・m，抗弯能力均达到1 /mo 4. 3 大功率定向钻机 定向 进 主要 供，定向钻机提供的动力主要 姿 和施 压 机 要求不 o 进 时，定向钻机既要施 压，又要提供 回 「岩 机 要求更高。为满足 定向钻孔大直径扩孔需要，研制了 ZDY12000LD, ZDY15000LD，ZDY20000LD系列大功率定向钻机, 采用双动 驱动结构，最大主轴输出 达 12 000 N・m以上，具有整机功率大、回转动力充 足、工艺适应性广等优点，， 大直 动 力输出难题。 4. 4 高压大流量泥浆泵车 定向钻进时，泥浆 驱动造斜钻具的动力来 源，要求 压输出特性 进 孔直径与钻杆直 大，泵量过小无法丿顺 出钻渣，易导 埋 ，所以要求泥浆 出冲 洗液流 大。 以上2种工况，研制了 BLY390/12 BLY460/13 BLY500/10 列 压大 流量泥浆 ，采 压驱动，泵量大且可无级调 节，泵压高且工作 定，既可为 造斜钻具性 能发 供充足水动力，又可满足大直 环 渣需求。 5现场试验现场试验 5. 1 矿井基本情况 在山西晋城无烟煤矿业集团有限责任公司寺河 矿W1304工作面进行现场试验。该工作面采用 3进1回偏Y型通风方式；走向长度为908.7 m，倾 2020 8 贾明群顶板高位定向钻孔正向多级大直径扩孔技术・121・ 斜长度为169〜183 m,采用走向长壁大采高自然垮 落后退式综合机械化采煤方法；煤层平均厚度为 6. 5 m,瓦斯含量达16. 6 m3/t,最大瓦斯压力达 2. 12 MPa,为煤与瓦斯突出煤层；煤层顶板依次为 炭质泥岩、砂质泥岩、中粒砂岩，时见粗粒砂岩。 5. 2 钻孔设计与施工 在W1304工作面内 W13042巷1号、3号、 5号、10号横川设立4个钻场，每个钻场布置4个顶 板高位定向钻孔，如图6所示。钻孔主抽采孔段在 平面上沿工作面走向布置在W13041巷内帮15〜 60 m范围内，剖面上布置在顶板以上30〜48 m范 围内。10号横川钻场钻孔采用正向多级大直径扩 孔技术将钻孔直径扩大至153 mm,其他钻场钻孔 直径为96 mm。 W13044巷 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 W13043巷 W1304工作面 G厂『亠％号 图6 平 Fig 6 Tes t bo reho les plane 5. 3 瓦斯抽采效果 W1304工作面目前已完成回采，回采期间未发 生任何瓦斯事故。2018 08 1812 16工作面回 采进度及回风瓦斯体积分数变化曲线如图7所示。 可看出随着回采速度增加，回风瓦斯体积分数增大, 但最大值为0. 47，远低于允许值，证明顶板高位 定向 工作 回采期 工作 瓦斯 发 重要作 。 图7 W1304工作面回采进度及回风瓦斯体积分数 Fig 7 Minings peeda ndret urn-airgasvo lumefrac t io no n W1304 wo rkingfac e 以10号钻场1号钻孔和5号钻场1号钻孔瓦 斯抽采数据为例，对布孔层位和平面布置位置相近 直 153 mm 与直 96 mm 抽采 果进行对比，如图8所示。可看出直径153 mm钻 孔瓦斯抽采流量为直径96 mm钻孔的近3倍，瓦斯 抽采 著。 U * eul、*垢 毎撷阻 图8不同直径顶板高位定向钻孔瓦斯抽采流量对比 Fig 8 Gasdrainageflo wc o mpariso no fdirec t io nalhigh- levelbo reho les inro o fwit hdiferent diamet ers 6结论结论 1 顶板高位定向钻孔是工作面采动卸压瓦斯 治理的重要技术手段，应用效果显著，不仅能大幅度 降低回风巷道内瓦斯浓度，还能提高瓦斯资源利用 率，保障煤矿安全高效开采。 2 基于等转矩扩孔原理，确定了扩孔直径级 配参数，研制选配了扩孔装备，并开展了工程实践， 证明采用正向多级大直径扩孔技术可将顶板高位定 向钻孔直径增大至153 mm,且瓦斯抽采效率显著 提升。 3 正向多级大直径扩孔技术的扩孔动力完全 来自于孔口定向钻机，随着孔深增加，钻进动力传递 效率下降。可考虑研制孔底辅助动力钻具，实现多 动力扩孔，提高扩孔效率。 参考文献References 1 -宋晓波，杨涛，宋晓锋.新时代下煤炭行业高质量发展 策略研究［J-.煤炭工程，2018,5012163167. 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