复杂软弱煤层条件下高速螺旋复合钻进技术研究及实践

李迎喜

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048021）

矿井瓦斯危害极大，严重影响矿井安全生产[1-2]。随着煤炭开采强度不断增加，矿井瓦斯涌出量也越来越大[3]。近年来，随着钻探技术的不断发展，煤矿井下坑道钻探设备已逐渐成为矿井灾害治理的重要手段，取得了较好的应用效果[4-12]。复杂软弱煤层在我国高瓦斯矿井中分布十分广泛，煤层破碎、渗透性低、瓦斯含量高、瓦斯压力大、成孔难度大是其最主要的特征[13]。尽管此前已研发出多种钻探设备和工艺并成功运用[14-17]，但煤层地质条件的复杂程度不一，本煤层顺层钻孔施工难度仍然较大。所以，软弱煤层瓦斯抽采钻孔仍多采用短钻孔进行煤层预抽，其覆盖范围小、综合成本高，设备效率低的缺点也是显而易见的。为此，针对复杂软弱煤层钻进难题，研究了螺旋钻进的工艺及钻具组合，以提高顺层钻孔施工效率及成孔率。

1 高速螺旋复合钻进技术

复杂软弱煤层力学强度低、煤层瓦斯含量及压力大，钻探施工过程中常出现塌孔、顶钻及喷孔等瓦斯动力现象，轻则钻孔报废，重则出现安全事故[18]。王坡煤矿地处沁水盆地，设计生产能力3 Mt/a，煤层瓦斯含量高，属高瓦斯矿井[19-20]。井田内煤层赋存较稳定，倾角平缓，构造简单，主采煤层为山西组3#煤，平均埋深度约500 m，平均厚度为5.76 m。由于煤层极为弱面发育，煤层自身承载能力极小，钻探施工过程中极易出现塌孔卡钻现象，成孔困难。针对钻进过程中易塌孔、喷孔，钻杆携渣能力差等问题，采用高转速螺旋机械排渣为主、风力排粉为辅的螺旋复合钻进技术，探索通过该技术解决王坡煤矿顺层钻孔施工中遇到的难题。

1.1 螺旋钻进

螺旋钻进是一种将钻机动力通过螺旋钻杆传递至孔底钻头，从而达到破岩钻进目的，而孔底及孔壁产生的岩粉由螺旋钻杆叶片转动向后输送排出的钻进方法。

近水平螺旋钻进的优点：

1）螺旋钻杆仅由钻杆叶片与钻孔孔壁接触，对钻孔的孔壁扰动较小，有利于软弱煤体的钻孔孔壁稳定。

2）螺旋钻杆高旋转过程中，能够及时将孔内产生的煤粉排出，确保了孔内顺畅，可以有效减少孔内事故。

1.2 高速螺旋钻进排渣分析

煤矿井下近水平孔钻进过程中，煤渣因重力积聚到孔壁下侧，靠叶片推动实现向孔口移动。高速螺旋钻进过程中，煤渣在有孔壁约束的情况下，受到来自钻杆高速回转产生的离心力，在较大离心力的作用下煤渣被压实。高速螺旋排粉运动示意图如图1，螺旋钻杆排粉截面示意图如图2。

图1 高速螺旋排粉运动示意图Fig.1 Schematic diagram of high-speed spiral powder discharge

图2 螺旋钻杆排粉截面示意图Fig.2 Schematic diagram of section of spiral drill pipe discharging powder

煤渣内部不会产生相对运动，可将煤渣的运动分为钻杆回转的牵引速度V1和煤渣与螺旋槽的相对滑动速度V2，其合成速度Vh沿着钻杆轴向方向指向孔口，合成速度为：

式中：R0为煤渣微元质心与钻杆芯杆中心距离，m；n 为螺旋钻杆的转速，r/min；β 为O 点的螺旋升角，（°）。

由式（1）可知，煤渣向外排的速度与钻杆的回转转速成正比。

由图2 可以看出，钻杆由于自重总是紧贴着孔壁下侧，在高速回转时没有支撑力将会有部分乃至全部逃逸出螺旋槽。钻头与钻杆的配比越大，环空间隙越大，所形成的可逃逸部分空间就越大。实际工作中钻头通常只比钻杆外径大10 mm，所以可逃逸部分所占比例非常小，绝大多数煤渣将随钻杆的转动向外移动。

1.3 空气钻进

空气循环钻进是将压缩空气通过钻杆传递到孔底，在孔内形成高风流并通过风流将岩粉排出钻孔的施工方法。同时，空气钻进过程中高风流也能够加速孔内解吸瓦斯的排出。在复杂软弱煤层钻进中，风力排粉具有以下优点：

1）高风流通过钻杆进入孔底，可以冷却钻头，避免长时间煤层中钻进造成孔内煤层燃烧产生有毒有害气体。

2）高风流能够有效将悬浮于孔内煤粉排出，避免粉煤累计过多造成钻头堵塞。

3）高风流对孔壁影响小，孔壁不易失稳。

1.4 高速螺旋复合钻进

高速螺旋复合钻进技术是以高回转钻机带动螺旋钻杆作为主要动力源，采用螺旋钻杆高旋转排渣工艺排出孔内煤粉，并辅助采用压风排粉。高速螺旋复合钻进主要特点如下：

1）高速螺旋复合钻进结合了螺旋钻进及空气钻进二者的优点，能够显著提高钻孔成孔率。

2）钻进过程中通过控制钻杆转速及风量大小，能够及时排出孔内岩粉，减少孔内堆积，有效提高了排渣量。

3）高风流能够冷却钻头，及时排出孔内有毒有害气体及瓦斯，使孔内气体不易积聚，减少钻孔事故。

2 钻具改进及设计

根据高速螺旋钻进的技术要求及矿井煤层情况，设计了以下3 种钻具组合：

1）ϕ110/63.5 mm 螺旋钻杆+ϕ120 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头。此钻具组合：施工钻孔孔径大，有利于瓦斯抽采；钻杆强度高，不易断裂损坏，钻杆采用双头螺旋结构设计，能够提高排渣效率；三翼锥形刮刀PDC 钻头强度高，在煤层中钻进不易损坏，能够有效延长使用寿命，排粉顺畅，利于成孔。

2）ϕ95/60.3 mm 螺旋钻杆+ϕ110 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头。此钻具组合：钻杆采用宽叶片结构，减少对孔壁扰动，较宽的螺旋叶片，能够促使大量煤粉及较大煤块被转动带出。

3）ϕ88/50 mm 螺旋钻杆+ϕ98 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头。此钻具组合：成孔直径小，有利于成孔；钻杆设计为双头螺旋结构，提高了排渣效率。

研究表明具有宽叶片、单头螺旋特征的钻具组合有利于钻孔成孔，这是因为宽叶片有利于孔壁稳定性，而单头螺旋结构则对较大质量及颗粒煤粉的排出有利。但该钻具组合使用过程中会出现“U”型销及螺母磨损严重、不易拆卸等为难题，且传统的三翼合金钻头破岩能力弱，磨损较快，需进行改进。

针对钻杆使用中存在磨损严重问题，对其设计和材质2 方面进行改进。①设计方面：在保证钻杆接头强度前提下，适当缩小接头内通孔直径，并将台肩深度加深，使得螺母拧紧后能够得到螺旋槽更好的保护；②材质方面：选用具有高抗拉强度、高弹性极限、高疲劳强度特性的弹簧钢取代锰钢。

针对三翼合金钻头在其中钻进磨损较快的问题，选用三翼刮刀PDC 钻头，钻进过程中不易损坏，有利于成孔，经过改进的钻具组合，减少了施工过程中的机械磨损，延长了使用寿命。

3 钻进工艺参数控制

3.1 给进速度

给进速度是影响高速螺旋钻进技术的因素之一，合理的给进速度，是确保钻孔实现高效钻进的关键。施工过程中，给进速度V 应当满足：

式中：W 为排粉量，m3；D 为钻头直径，m。

通常钻进时，给进速度应当与煤岩层强度匹配，避免钻遇软弱岩层时，切削产生煤粉量大，钻孔内煤粉堆积造成卡钻埋钻现象。当钻机出现扭矩突然增大等现象时，考虑多由塌孔埋钻引起，此时应当立即停止给进，反复滑动钻具，待孔内煤粉排出后在进行钻进。

3.2 钻杆转速

钻杆转速同样影响高速螺旋钻进的效果，通常，钻杆转速应当与给进速度相匹配，钻进时，若孔内排粉不畅，应当立即停止向前钻进，采用来回滑动钻具并配合钻杆旋转的方式排出孔内煤粉，待孔内安全后再进行钻进。钻进时，如若遇到孔内煤体失稳，出现塌孔，返渣颗粒较大、出现喷孔、瓦斯压力高等异常现象时，为避免卡钻等孔内事故，此时可采用螺旋钻杆反转的方式排出孔内煤粉，并通过钻杆充分旋转充分排除煤粉，待孔中动力平衡后继续钻进。

随着钻孔深度不断延伸，钻杆排粉能力也逐渐减弱，排粉距离及难度相应加大，孔内积聚的煤粉也越来越多，为保障钻孔顺利成孔，可采用缓进高转的方式进行排粉，并辅助采用螺旋钻杆的反复退进、来回扫孔进行排粉，待到孔内阻力降低后再进行钻进。

3.3 风 量

空气钻进过程中，风量可以起到辅助排渣及排出孔内气体的作用。当高压风流作用于煤粉上时，煤粉受到气流的冲击其呈悬浮状态，当风流速度大于煤粉的自由悬浮速度时，煤粉便被排出孔外。试验过程中，所需风量与钻进速度呈正相关，同时为了确保孔内煤粉排出及钻头畅通，风流还应当满足不堵塞条件。空气钻进中风速Vf应满足：

式中：Vfb为满足不堵塞条件的临界风速，m/s；Vn为钻屑的自由悬浮速度，m/s；m 为煤粉流量与空气流量质量比。

在高速螺旋复合钻进过程中，考虑到煤体松软破碎，煤粉大量产出等因素，钻机回转压力控制在5～18 MPa 之间，给进速度随压力增大而逐渐减小。转速控制在80～300 r/min 之间，当钻机压力稳定时转速应当保持均匀，且转速随孔深增大而减小。合适的风量能够促进孔内排粉作用。若风量过小，排粉效果差，孔内瓦斯煤粉等易积聚，会造成卡钻埋钻事故；若风量过大，风流对孔壁扰动作用加强，容易造成孔壁失稳，因此风量应当控制在常规空气钻进所用风量的50%～60%。

4 钻探设备选型

针对王坡煤矿复杂软弱煤层钻孔的钻进特点，为提高钻机通过破碎带及应力集中区的能力，本次试验选用ZDY6000LR 型钻机。该型钻机具备高转速、大功率、大扭矩的钻探设备，其最大扭矩6 000 N·m，最大转速400 r/min。起拔压力大，遇卡钻、塌孔可采用强力起拔、回转强排粉，提高施工能力。设计研发的钻机变幅机构调节范围大，操作简单，钻场适应性强。可根据孔内阻力变化自动切换给进起拔状态，有效避免卡、埋钻事故发生，提高了施工效率。钻机操作台各手把采用单动操控，操作简单，夹持器开口量大，配合扶正器使用防止高钻进时卡瓦与钻杆摩擦产生火花，液压系统采用恒功率及恒压变量技术，减少系统发热现象，ZDY6000LR 钻机主要技术参数见表1。

表1 ZDY6000LR 钻机主要技术参数Table 1 Main technical parameters of drilling rig of ZDY6000LR

5 现场工业性试验

本次钻孔施工区域选择为王坡煤矿3206 工作面，3206 工作面位于二采区四条集中巷南侧，为孤岛工作面，工作面走向长度2 092 m，宽度147 m，切眼长度153 m，平均煤厚4.45 m。工作面共布置有3条巷道，分别为3206 运输巷、3206 回风巷和3206高抽巷，3206 回风巷位于二采区南翼。

5.1 钻孔设计和钻具组合选用

钻孔施工地点选取在3206 工作面回风巷，依据巷道和ZDY6000LR 钻机尺寸，不需布置钻场，可直接在巷道内施工。

钻孔沿巷道平行布置，垂直巷道向3206 工作面施工，考虑煤层稳定性及透气性，设计钻孔间距4 m，开孔倾角依据煤层赋存情况初步设计0°～-10°。钻孔设计孔深132 m，钻孔孔径设计为ϕ98、ϕ110、ϕ120 mm。煤层顺层钻孔设计参数见表2。钻孔平面布置图如图3。

表2 煤层顺层钻孔设计参数Table 2 Design parameters of coal seam bedding drilling

图3 3206 工作面煤层顺层钻孔平面布置图Fig. 3 Coal seam bedding drilling plan of 3206 coal face

根据3206 工作面煤层赋存条件、钻机能力及钻孔参数设计等，本次试验拟采用的钻具组合如下：

1）开孔段。ϕ98 mm 钻头+主动钻杆回转开孔后更换扩孔钻头逐级扩孔至终孔孔径，局部条件允许时采用ϕ300 mm 钻头+ϕ114/260 mm 大螺旋钻杆一次开孔。

2）裸孔段。根据不同钻孔孔径可分别选择ϕ98 mm 三翼钻头+ϕ88/50 mm 螺旋钻杆，或ϕ110 mm 三翼钻头+ϕ95/60.3 mm 螺旋钻杆，或ϕ120 mm 三翼钻头+ϕ110/63.5 mm 螺旋钻杆。

5.2 钻孔施工过程

尽管试验钻孔选取了不同钻具组合，但总体施工工艺流程基本相同，即：开孔→扩孔→下孔口管注浆固管→安装孔口装置→回转钻进→终孔退钻→封孔连抽。

1）开孔扩孔。钻孔施工时严格按照设计参数要求，开孔倾角、方位角在设计±2°范围内，开孔时操作要稳，遵循轻压慢转的原则。扩孔时采用带导向的钻头进行扩孔，保持匀速钻进，确保孔壁平滑，扩孔结束后来回划眼，排出孔内岩粉。选取开孔点时应避开煤壁支护锚索。

2）下孔口管。其目的主要是保护钻孔开孔段稳定性、配合安装孔口装置进行瓦斯抽采及孔口除尘。孔口管选取ϕ159 mm×1.5 m 钢套管，钻孔扩孔后，将孔口管丝扣紧密连接，人工推送至孔内，孔口外露0.2 m，用聚氨酯将护孔管与孔壁封堵稳固。

3）安装孔口装置。将孔口四通通过管箍或法兰与护孔口连接固定，孔口四通抽放端连接瓦斯抽采负压管路，下端出渣口依此连接除尘器-汽水分离器，汽水分离器上端连接负压管路。

4）正常钻进。正常钻进时，要注意孔口返渣情况及钻进各项参数，如遇异常情况，不可盲目钻进，需来滑动钻具扫孔排渣，确保压力参数正常后，方可继续钻进。

5）提钻终孔、连抽。钻进至设计深度后，提钻拆卸钻具，卸下孔口装置，拔出护孔管，钻孔封孔连抽。

5.3 试验情况

现场试验完成23 个钻孔施工，累计进尺2 022 m，平均孔深87.9 m，单孔最大孔深132 m，百米以上钻孔占比73.9%。钻孔施工情况见表3，钻孔实钻平面图如图4。

图4 3206 工作面钻孔施工平面图Fig. 4 Drilling construction plan of 3206 coal face

表3 3206 工作面煤层顺层钻孔施工情况表Table 3 Coal seam bedding drilling construction in 3206 coal face

本次试验中施工ϕ98 mm 孔径钻孔6 个，平均孔深45.8 m，成孔率33.3%；施工ϕ110 mm 孔径钻孔11 个，平均孔深111.2 m，成孔率90.9%；施工ϕ120 mm 孔径钻孔6 个，平均孔深94.7m，成孔率83.3%。

判断钻孔成孔率除受煤层条件影响外，还与钻孔孔径大小有关，煤层孔由于产渣量大，小孔径钻孔排渣能力相对较弱，钻杆杆体与孔壁环空间隙小，遇塌孔或孔内煤粉积聚时无法及时排渣，容易形成埋钻导致成孔困难。而较大孔径钻孔则有效解决了这一问题，但钻孔孔径也不宜过大，钻孔孔径过大容易因孔壁失稳造成成孔困难。根据上述试验结果，可在后期施工过程中优选ϕ95/60.3 mm 螺旋钻杆+ϕ110 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头钻具组合或ϕ110/63.5 mm 螺旋钻杆+ϕ120 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头钻具组合，以提高成孔率，确保施工效果。

6 结 语

1）针对复杂软弱煤层钻孔排渣难、成孔率低等难题，提出高速螺旋复合钻进技术，并研究其给进速度，钻杆转速及风量等关键参数，明确了钻进过程中施工参数范围。该工艺采用螺旋钻杆的高速旋转及压风进行排粉，有利于提高排粉效果，减少孔内阻力。

2）为满足钻孔成孔要求，设计了ϕ98 mm 三翼钻头+ϕ88/50 mm 螺旋钻杆、ϕ110 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头+ϕ95/60.3 mm 螺旋钻杆、ϕ120 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头+ϕ110/63.5 mm 螺旋钻杆3 种钻具组合，改进了钻杆材质并选用了三翼锥形刮刀PDC 钻头，有效延长了钻具使用寿命。试验采用ZDY6000LR 型钻机，能够更好满足深孔钻进要求。

3）在王坡煤矿3206 工作面软弱破碎煤层现场工业性试验表明，百米以上钻孔成孔率超过70%，其中较大孔径钻孔可更好解决施工过程中排渣难及埋钻的问题，建议在后期施工中优选ϕ110 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头+ϕ95/60.3 mm 插接螺旋钻杆或ϕ120 mm 三翼锥形刮刀PDC 钻头+ϕ110/63.5 mm插接螺旋钻杆的钻具组合，以提高成孔率。