气动定向钻进技术在松软煤层条带瓦斯预抽中的应用

张 杰

(中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

我国松软煤层分布广泛，随着煤层开采深度逐年增加，松软煤层在我国煤层开采所占比例越来越大。其中淮北矿区因断层多、地质构造复杂、瓦斯含量高、地应力大等因素被作为松软煤层典型矿区，其瓦斯治理是诸多矿井安全高效生产面临的最大障碍之一。井下顺层长钻孔抽采是瓦斯治理最有效的技术手段[1-5]，煤矿井下钻孔常用清水排渣，但淮北矿区煤质松软，遇水冲刷易塌孔，常因煤层瓦斯含量高而喷孔卡钻，造成钻场瓦斯超限，因此，液动定向钻进技术采用高压水，在软煤中难成孔。通过多年攻关，压风钻进可有效解决松软煤层成孔难题。但现有压风钻进采用回转钻进，其钻孔轨迹不可控，常因钻遇煤层顶板或底板而终孔，一般孔深不超过120 m，且易形成抽采空白带、瓦斯治理盲区，目前不能满足300 m 以上超前区域抽采需要；300 m 巷道消突掩护，需分3 次“钻孔—抽采—掘进”阶梯式掩护煤巷消突，无法实现瓦斯抽采与掘进平行作业，抽采时间较长，钻孔轨迹不可控，无法精准消突，造成掘进设备闲置等待抽采[6-10]。目前软煤矿区煤巷条带瓦斯治理一般采用“底板巷—穿层钻孔”预抽消突，需要掘进底板巷，施工大量穿层钻孔(有效进尺不足30%)，致使施工周期长、成本高，严重影响了生产接替，降低了煤矿生产效率[11-12]。

根据现有压风钻进技术能成孔不能定向、液动定向钻进技术能定向但松软煤层无法成孔特点，通过技术创新攻关实现了煤矿井下气动定向钻技术[13]。该技术采用压风驱动气动螺杆钻具定向钻进，利用单弯螺杆钻具实现松软煤层中钻孔轨迹控制，解决顺层钻孔定向成孔与筛管完孔难题。本文利用气动螺杆钻具定向钻进技术沿煤巷条带施工顺煤层定向长钻孔，实现孔深300 m 以上顺层钻孔超前精准瓦斯抽采消突，替代现有的“底板巷—穿层钻孔”预抽消突，达到煤矿安全生产减人增效目的。以淮北某煤矿首次试验为例，验证了气动定向钻孔煤巷条带消突技术可行。

1 煤巷条带预抽瓦斯定向孔设计

1.1 煤巷条带地质条件

气动定向钻孔煤巷条带消突技术受限于轨迹控制和钻进返渣的需要，影响成孔的地层条件主要有：

①坚固性系数f值 孔深达到300 m 以上才能满足“定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施”的钻孔长度要求。而过于松软的煤层，螺杆钻具滑动定向钻进(控制钻孔轨迹变化，简称“造斜”)时，没有足够强度的支撑面，将大大降低造斜率(单位孔深长度钻孔轨迹全弯曲角变化值)，极大增加钻孔轨迹控制的难度。为此，对坚固性系数f≥0.4 松软煤层施工效果最佳，孔壁稳定性较好。

② 煤层厚度 顺煤层施工，施工前一般没有精确的煤层顶底板剖面图，导致钻进时需频繁探顶板施工，确保一定的煤层钻遇率(钻孔在煤层段累计长度占全孔长度比率)，因此，根据定向钻进施工经验，煤层厚度2 m 以上才能满足定向孔轨迹在煤层中频繁探顶板施工空间需求。当煤层顶底板岩性能明确分辨时，煤层厚度可以更薄。

③局部构造带 煤层中遇构造破碎带时，钻进返渣量非常大，且塌孔严重，钻孔轨迹亦不受控制，无法正常钻进。此外气动螺杆钻具输出扭矩一般200 N·m(风压1.0 MPa、风量9 m3/min)，随着孔深、排渣风阻增加，有效驱动螺杆钻具风压不足，造成气动螺杆钻具输出功率偏低，导致碎岩效率大大降低，不满足坚固性系数f＞4 岩石高效钻进要求。因此，当构造较小(断层断距≤3 m)且顶底板岩性较软(坚固性系数f≤4)时，可以从岩层避开；当构造结构较复杂或岩层较硬时，则无法穿过较长的岩孔，施工效率和钻具安全性大大降低。故应尽量避开煤层条带中的明显构造破碎带[14-16]。

1.2 瓦斯预抽方案设计

煤巷掘进前通过施工顺煤层定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯，一次成孔，集中抽采，将区域瓦斯含量及压力降至安全值，保障煤巷掘进安全。

①抽采设计依据 抽采钻孔设计终孔间距以煤层抽采半径为依据，淮北矿区6 号煤的抽采半径情况为：25 d 的抽采半径为2.0 m，51 d 抽采半径为2.9 m，94 d 抽采半径为3.9 m。风动定向长钻孔孔径为ø108 mm 时，推算94 d 抽采半径为4.2 m，考虑安全系数，布孔间距设计为6 m，保障抽采全面覆盖。

② 条带控制范围 根据2019 年版《防治煤与瓦斯突出细则》，对5 m 宽煤巷，条带控制范围巷道外轮廓线两侧各15 m，总覆盖宽度35 m，有效孔间距为6 m 时，布孔数即为7 个，钻孔深度不少于300 m[17]。

③抽采效果检验 区域抽采效果检验采用校验孔直接测定煤层残余瓦斯含量和残余瓦斯压力相结合的办法。预抽煤巷条带每30～50 m 至少布置1个测点，距预抽钻孔控制条带边界不大于2 m 处。

1.3 钻孔布置与轨迹设计

①钻孔平面布置 煤巷条带瓦斯预抽定向长钻孔因其长距离，各孔主孔段均平行煤巷布置，根据抽采半径合理选择布孔间距6 m。因钻场宽度小于条带宽度，各钻孔开孔点到平行巷道位置设有一段曲线段，方能将钻孔轨迹方位调整到目标方向。巷道宽5 m，设计7 个钻孔，沿巷道掘进方向长度300 m，中间钻孔位于巷道中轴线，每侧钻孔离巷道边依次3.5、9.5、15.5 m(图1)。

图1 定向钻孔平面布置Fig.1 The layout of directional drilling

② 剖面轨迹设计 在煤层内的轨迹选择，一般根据煤层结构调整，对均质的煤层，钻孔轨迹布置在煤层中部，以尽可能降低钻遇顶底板岩层的概率，保证煤层钻遇率。而对于不均质的较厚煤层，钻孔轨迹优先布置在相对较硬或相对完整的煤层分层内。

顺层钻孔轨迹设计需要相对准确的煤层顶底板高程信息，在无明确实勘数据的情况下，往往需要优先施工煤层探查钻孔。煤层探查孔可兼做瓦斯预抽孔，但剖面轨迹设计时需根据预想煤层剖面图，主动抬升倾角探顶板施工，触顶后，后退开分支继续顺煤钻进，循环往复。一般主动探顶距离间隔50 m 左右。

2 气动定向钻进装备

2.1 气动螺杆钻具

根据软煤钻进需要，选型设计杆体外径为ø73 mm 的气动螺杆钻具，为了提高软煤层钻进排渣效果，螺杆钻具主体采用中ø73/82 mm 外螺旋结构(图2)，复合钻进时利用槽深4.5 mm 螺旋结构排煤粉，提高排渣能力。

图2 气动螺杆钻具外形Fig.2 The outline diagram of pneumatic screw drilling tool

受限于煤矿井下常用空压机输出压力≤1.2 MPa，与常规液动马达相比，马达为大导程，满足井下空压机压风要求，螺杆钻具启动压降仅为0.3 MPa，工作压降为0.4 MPa、流量8 m3/min，其对应的输出转速和扭矩(表1)。为克服无冲洗液润滑、冷却，使轴承过度发热、磨损，传动轴采用油润滑结构和自润滑结构，能够提高马达轴承的使用寿命。

表1 ø73/82 mm 气动螺杆钻具参数Table 1 ø73/82 mm pneumatic screw motor parameters

2.2 大通孔三棱螺旋钻杆

由于松软煤层钻进时煤层坍塌喷孔是常态，钻杆设计需从增大排渣通道、提高排渣效率、保障下筛管的大通径、保证钻具强度等方面出发。研发的大通孔三棱螺旋钻杆采用三角截面，增大了钻杆与孔壁间的环状间隙，扩大了煤岩粉和瓦斯释放的通道，三棱螺旋钻杆圆周上均布大导程螺旋槽，提高搅粉、排粉能力(图3)。接头采用圆锥梯形螺纹连接增大了螺纹根部截面积，增加了螺纹强度和螺纹连接的定心精度及连接刚性，使得螺纹受力均匀，传递扭矩大，且密封性能好，提高了钻杆接头部位抗扭、抗弯和抗拉性能(表2)。

图3 ø73-40 mm 整体式三棱螺旋钻杆Fig.3 ø73-40 mm integral three-edge auger pipe

表2 ø73-40 mm 钻杆主要技术参数Table 2 Main technical parameters of ø73-40 mm drill pipe

2.3 软煤定向钻头组合

松软煤层气动螺杆钻具定向钻进对钻头的碎岩能力和定向功能提出了特殊要求，一方面要求的煤屑颗粒较小易于被压风排出，另一方面要求钻头具有可配合螺杆钻具进行开分支定向功能。

采用螺杆钻具前接 ø108 mm 平底钻头+ø89/73 mm 螺旋短节组合。在松软煤层钻进中，由于钻头吃入地层较深，排粉量大，钻头需具有较好的排粉能力，采用刮刀型结构，窄刀翼大流道设计，保障排粉(图4)。同时，采用ø89/73 mm 螺旋短节在滑动定向时，孔底煤粉通过螺旋槽旋出，解决滑动定向钻进时钻杆不转，钻渣排出效率低难题，同时增加螺杆钻具弯头长度提高螺杆钻具造斜率[17]。

图4 软煤定向钻头及组合Fig.4 Soft coal directional bit and the combination

2.4 大通孔送风器

风排渣钻进时，风量的大小决定了排渣能力的大小，尤其俯角钻孔，排渣困难，对风量风压的要求更高。大通孔送风器(图5)配备ø50 mm 风管，相对常规ø32 mm 风管，截面积提高了56%，尽可能减小了节流作用，保障送入孔内的风量尽可能大，保障钻孔排渣足够风量和风压。

图5 大通孔送风器Fig.5 Large hole air supply

3 软煤定向孔成孔与护孔工艺

3.1 软煤定向成孔工艺

①定向原理 气动螺杆钻具作为孔底动力钻具，其原理是将空气压缩机提供的高压空气通过送风器、钻杆中心进入孔底气动螺杆钻具，驱动马达回转，从而带动钻头切削破碎孔内煤层。定向钻进时，整个钻杆柱不旋转，仅孔底螺杆钻具带动钻头回转碎岩，在给进力作用下向前钻进。同时，螺杆钻具下端设置弯外管，使螺杆钻具弯曲，在钻压的作用下，钻头对孔壁四周产生不等的侧向力，从而实现造斜钻进。

② 保障软煤造斜能力方法 由于松软煤层成孔孔径变大，传统马达弯头较难实现标准定向，故在马达与钻头之间加接螺旋短节，加长螺杆钻具弯点与钻头间距，提高螺杆钻具造斜率，实现气动螺杆钻具在松软煤层有效定向造斜。

③异形钻具复合强排渣技术 不同于液动马达定向钻孔施工，气动螺杆钻具定向钻进技术在软煤钻进中产生钻渣较多。为保证排渣和成孔效率，钻头、螺杆钻具、无磁外管、钻杆都采用螺旋结构，钻进工艺以旋转复合钻进为主、滑动定向为辅，在保障钻孔高效排渣同时，钻孔轨迹按设计施工。

3.2 气动螺杆钻具开分支工艺

分支钻孔是指在施工过程中为了绕开遇到的断层、破碎带及泥岩等不稳定地层，或在不影响主孔施工的过程中去探测附近地层(标志层)走向变化等目的从主孔中通过控速钻进等方法侧钻出一条新的钻孔。气动螺杆钻具顺煤层定向钻进施工中一般在主动探查煤层顶板或者意外遇顶板、底板及不良区域时，需通过开分支孔继续顺煤层施工。利用螺杆钻具弯头朝向、组合钻具重力相结合作用，在原孔内向下侧钻开分支，具体关键技术有3 个方面。

①分支点位置的选择 在钻进施工过程中，若需要开分支，其位置选择应满足如下要求：在轨迹倾角变大的位置，煤层相对较软时，倾角变大幅度可适当降低要求；应尽量选在上坡位置或轨迹的最低点作为分支点；应选择煤层相对稳定区域开分支。

② 开分支操作 选择分支点后，开分支前需将弯头朝下，即工具面角为140°～220°，开分支时需慢给进。

③成功开分支判断因素 返风中煤渣增多；向前给进过大时，风量变小；测量时，倾角下降。

3.3 定向孔重入下筛管护孔工艺

由于定向钻孔一次成孔后前端螺杆钻具无法通过筛管，因而成孔后需要重入钻具来实现筛管护孔。为了确保定向钻孔内钻具可靠的二次下入，要求钻头具有导向功能，同时具有可开闭式结构，然后从钻具内通道下入护孔筛管及悬挂装置。

①下开闭式导向钻头和钻具 定向钻孔完成后，连接可开闭式导向钻头和大通孔三棱螺旋钻杆重新下钻，下钻过程中每隔30～50 m 段连接送风器并通风，将钻孔内钻渣排出，防止钻头堵塞。

② 下筛管 当下钻至预定深度时，停止下钻，从大通孔钻杆内部下入护孔筛管(筛管可以是连续管，也可以是插接或丝扣连接)，当筛管推至孔底可开闭式导向钻头位置时，将钻头顶开(图6)，筛管通过钻头进入孔内，同时悬挂装置会自动弹开，卡住孔壁。

图6 顺煤层定向长钻孔下筛管Fig.6 Schematic diagram of screen under directional long borehole along coal seam

③提钻封孔 筛管下到位后，将筛管留在孔内，钻头和钻杆提出孔外。护孔筛管下入孔内后，采用“两堵一注”钻孔封孔工艺进行封孔，最后连接瓦斯抽采管路。

4 现场试验与抽采效果

4.1 试验情况

2019 年10 月至12 月在淮北某矿 Ⅲ635机巷位置进行现场试验，验证气动定向钻孔煤巷条带消突技术可行性。先后完成10 个钻孔，试验进尺2 995 m，钻孔深度和施工精度达到指标要求，深度≥300 m钻孔7 个，最大孔深372 m。

①地层情况 该工作面为原始煤层，其平均坚固性系数f=0.5，平均厚度2.8 m，煤层赋存起伏变化大，平均倾角–11°，该区域煤层处于向斜构造中，局部有断层构造。煤层顶底板主要由砂岩组成，间接顶破碎，平均厚度1 m 左右，直接顶为砂岩，底板主要以砂岩组成。

② 钻孔布置 试验钻场平面上共布置7 个钻孔，分别布置在机巷中心沿巷道方位及左右两侧，钻孔等间距分布，由于钻孔94 d 抽采半径为4.2 m，考虑抽采安全系数，相邻钻孔平均间距设计为6 m，瓦斯预抽控制范围大小300 m × 36 m；钻孔剖面轨迹顺煤层布置，煤层中钻孔轨迹控制可满足2.8 m厚煤层瓦斯抽采要求。

③钻孔轨迹控制 钻遇煤层顶底板时，通过后退开分支的方式成功回到煤层施工，一般每50 m 预留一个分支点。优先施工3 号孔，每隔50～80 m 主动抬升倾角探查煤层顶板，见顶板后，退后开分支，继续在煤层施工，实现煤层顶底板探查，钻孔深度357 m。后续钻孔依据3 号探测出煤层走势优化钻孔设计，确保煤层钻遇率。后续分别施工1、2、4、5、6、7 号钻孔，深度分别达到323、312、369、372、301、310 m。为保障抽采通道，7 个钻孔采用重入下筛管护孔工艺，全孔段下ø32 mm 筛管护孔，各钻孔平面轨迹如图7 所示，其中最深钻孔为5 号钻孔，其剖面轨迹如图8 所示。

图7 淮北某矿条带预抽瓦斯定向长钻孔平面轨迹Fig.7 Planar track of directional long borehole for pre-drainage in a strip of Huaibei Mining Area

图8 淮北某矿条带预抽瓦斯5 号定向长钻孔剖面轨迹Fig.8 Trajecture of directional long borehole 5 for pre-drainage in a strip of Huaibei Mining Area

4.2 抽采效果

钻孔施工同时进行瓦斯抽采，瓦斯抽采负压28.5 kPa，通过对瓦斯抽采纯流量、抽采体积分数统计和分析发现：单孔最高瓦斯抽采体积分数95%。从2019 年10 月开始施工，至2020 年2 月底累计抽采瓦斯30 587.04 m3，实现300 m × 35 m × 3 m 条带瓦斯含量降低0.75 m3/t 的目标，抽采前测定瓦斯含量5.7 m3/t，预计预抽效果达到4.95 m3/t。

钻孔瓦斯抽采情况如图9 所示，其中，至2019年12 月7 个钻孔全部施工完毕，瓦斯抽采纯流量达到最高。之后4 个月，月抽采瓦斯纯流量在6 000～8 000 m3，累计抽采4 3713 m3，抽采量稳定。巷道掘进前施工校验孔组测定钻孔覆盖区域煤层瓦斯压力约0.2 MPa，瓦斯含量4.7 m3/t，顺利达到了掘进目标，2020 年5 月至6 月该矿已对钻孔预抽条带中煤巷安全高效掘进。

图9 淮北某矿机巷条带预抽瓦斯数据Fig.9 Data of pre-drainage in a mine roadway strip in Huaibei Minging Area

5 结 论

a.在松软煤层中，利用气动螺杆钻具和配套装备及相关工艺，能实现坚固性系数f≥0.4 的煤层300 m 以上顺煤层定向钻孔钻进成孔、全孔段筛管完孔。

b.以淮北某矿煤巷条带顺煤层定向长钻孔抽采为例：其单孔最大瓦斯抽采体积分数达95%，月平均瓦斯抽采纯流量约8 000 m3。揭煤前瓦斯含量降低至4.7 m3/t，瓦斯压力0.2 MPa，满足定向长钻孔对煤巷条带的瓦斯预抽消突要求，该煤巷已安全高效掘进，验证了气动定向钻孔煤巷条带消突技术可行。

c.目前软煤矿区气动定向长钻孔预抽煤巷条带瓦斯技术已在淮北桃园矿、朱庄矿等矿区推广应用，是未来软煤瓦斯高效治理新方向。