過泥巖層鉆孔的施工工藝

周訪玉 殷元祥 周戰(zhàn)球 許叢洲

（徐州礦務集團有限公司張集煤礦 江蘇 徐州 221147）

1 問題的提出

煤礦井下鉆孔施工的最大困難是過泥巖層。在近水平鉆孔或傾角較小的鉆孔采用傳統(tǒng)的靜壓水排渣過泥巖打鉆工藝，一旦鉆頭進入泥巖層就開始出現糊孔、塌孔、卡鉆、埋鉆、掉鉆桿等打不進去現象。往往因鉆孔垮孔、 塌孔不得不等其自行放棄鉆孔施工， 導致鉆孔報廢、材料及工時浪費，煤層位產狀、賦存探測不清，突出危險性得不到消除，嚴重制約礦井的安全生產。 因此，過泥巖層段深孔鉆進技術一直是亟待解決的技術難題。

2 原因分析

2.1 一般情況下，鉆孔施工在遇水敏性粘土、砂質粘土等巖性時，一旦鉆頭在進入巖泥層，因泥巖的堅固性系數較低，泥質粘土粘稠度較大，鉆頭在切削、擠壓、攪拌泥巖過程中，分離出來的粘稠膠質泥巖與部分砂巖易沉積孔底，沉積孔底的泥巖孔隙度較小，細屑結構被水沖散后，很快又固結，靠鉆進水壓不足以順暢排渣，就出現糊堵鉆頭而滯死鉆桿現象。

2.2 鉆孔過砂質泥巖時， 鉆頭在旋轉切削泥巖層過程中易產生較大顆粒的鉆屑，尤其是下山孔施工時，孔底粒度較大的鉆屑難以從孔口順暢排出，大量破碎的泥巖顆粒不斷聚集擠壓在孔壁周圍而將鉆桿和鉆頭箍緊、抱緊，終使鉆桿所受摩擦力大于鉆機的扭矩力而發(fā)生鉆頭無法進退即卡鉆事故的發(fā)生。

2.3 原巖應力集中時施工過泥巖鉆孔， 因鉆孔的施工改變了圍巖的地應力平衡的狀態(tài)，應力的重新分布而在孔壁周圍形成了高應力峰值區(qū)，一旦孔壁受力平衡狀態(tài)失穩(wěn)就會使孔壁崩裂，形成塌孔或縮孔。而崩裂的泥巖顆粒往往造成鉆孔堵塞是鉆孔難以施工影響原因之一。過泥巖鉆孔施工過程中出現的堵孔、糊孔、塌孔、縮孔、噴孔是不同的現象，但又相互聯(lián)系的，最終結果都是卡鉆，或出現扭斷鉆桿、丟失鉆頭使鉆孔施工舉步維艱，成孔率極低。

3 過泥巖層鉆進技術方案

過泥巖層深孔鉆進方案的確定首先必須充分分析造成鉆孔鉆進困難的根本原因，這樣才能有的放矢地提出針對性的方案。 在現有鉆機、鉆具基本相同的情況下，提高鉆孔深度的關鍵在于研究和掌握打鉆工藝，進行打鉆工藝的探索和創(chuàng)新。

3.1 俯角鉆孔技術方案

1）淺孔鉆進

（1）施工工藝

采用光鉆桿配以風水混合排渣。 工藝流程：鉆進→切削→巖體粉碎→風水混合孔底滅塵→排渣。

（2）施工效果

①采用光鉆桿、 風水混合排渣施工淺孔過泥巖段鉆孔排渣率達95%以上。 風水混合技術能隨時控制孔內排碴的干濕程度，保證排碴暢通，不會造成卡鉆、鉆孔中水流停滯、排碴不暢等現象。

②使用風水混合排渣，能夠有效防止鉆孔孔壁受水壓浸泡發(fā)生泥巖層垮塌，堵孔現象的發(fā)生。

2）較深孔鉆進

（1）施工工藝

采用螺旋鉆桿、靜壓水排渣。工藝流程：鉆進→切削→巖體粉碎→排渣。

（2）施工效果

①采用螺旋鉆桿、靜壓水排渣施工深孔過泥巖段時，在排渣水壓作用下，麻花鉆桿將水流沿巖層裂隙擠壓，當充填所產生的壓力大于憋孔壓力時，就會出現明顯的瞬時激流和脈沖。 進一步增加了鉆孔內外的水力壓力梯度， 致使這種激流和脈沖變成了爆發(fā)性的孔內水壓流，能夠將孔內鉆屑有效排出，達到防卡鉆的目的。

②螺旋鉆桿通過自身的螺旋曲面能夠有效起到對鉆孔孔壁的護壁潤滑作用，同時利用螺旋鉆桿的螺旋旋片對鉆孔內的泥巖顆粒不斷進行切割和攪運，保證鉆孔的成型度和排渣的順暢。

3）俯角鉆孔施工存在問題

a.打下山孔時，因孔內鉆屑重量的增加，到一定的深度后可能造成孔底部的鉆屑排出不暢。

b.采用風水混合技術時，需要的風量和風壓較大，必須采用專用的空壓機供風。

c.選擇麻花鉆桿采用靜壓水技術時，雖然充分發(fā)揮了麻花鉆桿的順暢排渣及螺旋護壁作用，但當孔底巖性發(fā)生變化時，鉆頭遇硬巖旋轉時難以有效切入，存在麻花鉆桿的導向性差，極易發(fā)生鉆進漂移，施工效果差的問題。 嚴重影響鉆孔的精準度。

3.2 仰角鉆孔水排渣技術方案

在施工仰角鉆孔時， 首先選用大鉆頭配小鉆桿鉆進的技術方案，采用水排技術排渣。 即利用水作為介質，依靠水的壓力將鉆屑順暢排出孔外，該方法廣泛施工于傾角較大的孔深較淺鉆孔。

采用大鉆頭配小鉆桿鉆進的技術方案，雖然，能夠在一定程度上緩解了過泥巖層排碴不暢的技術問題。但水作為一種介質，重力大，對孔口孔壁仍會產生破壞較大，在施工深孔時，在水壓作用下，由于泥巖的吸水膨脹和垮落，易出現鉆孔變形塌孔，較為粘稠的泥巖顆粒反而易將鉆桿和鉆頭箍緊，成孔率較低現象。

從以上過泥巖層鉆孔施工過程可以看出，排碴方式的選擇至關重要，它直接影響著過泥巖層鉆孔的鉆進深度、成孔率、鉆進效率的提高。

3.3 深孔過泥巖層的鉆進技術方案

1）主要施工設備和鉆具

采用西安產MKD-5s 型坑道鉆機或MK-4 型坑道鉆機，選用外徑為Φ74mm 端頭雙管單動螺旋鉆桿和Φ50mm 的光桿， 螺旋葉片內部光鉆桿為Φ50mm，鉆頭使用直徑為Φ75mm 復合片鉆頭。

2）施工方法原理和工藝

針對鉆孔施工時，鉆頭在切割煤巖過程中孔底易產生粒度較粗的煤巖顆粒，逐漸充填到鉆桿與孔壁周圍，當其產生的摩擦阻力大于鉆機扭矩力時，就會出現鉆桿被抱死即“卡鉆”現象的實質。利用與鉆頭、鉆桿相匹配的端頭套管將孔底產生的粒度較粗的煤巖顆粒自行收集到研磨套管中去，當發(fā)生“卡鉆”的外層套管被抱死后，通過內層管壁間帶有鋸齒型的高強度螺紋鉆桿與端頭金剛石復合傘齒的共同擠壓研磨作用，將其破碎成細小顆粒，從而便于鉆屑排出，能夠解決鉆孔施工過程中的“卡鉆”難題。

采用正常鉆進方法， 使用靜壓水排渣。 靜壓水參數水壓≥2.0 MPa。 鉆孔施工過程中要掌握好合適的給進壓力，鉆機給進壓力的極限是固定的，新鉆機在打鉆過程中，旋轉壓力可以在14～15MPa，但不能過大，否則容易卡鉆，正常打鉆時的壓力要比鉆機最大允許壓力少4～5MPa，最大允許壓力的測試方法是把鉆機的鉆桿處癟死，看壓力表的最大壓力，即為最大允許壓力。如打鉆過程中，鉆桿壓力表擺動幅度大且超過2MPa 時,證明鉆孔內泥巖顆粒磨研較粗，馬上要卡鉆桿，這時必須立即停止向前進，在原有位置進行轉動，待表的壓力恢復正常后才能往前進。

3）施工效果

（1）實現了過泥巖層的深孔鉆進，深孔可達90 米，成孔率95%，鉆進速度比風水混合排渣工藝提高2～3 倍。

（2）鉆孔成型好。采用雙管單動鉆進的施工方法，克服了遇巖性較軟的泥巖因鉆桿自重自然下垂的影響，確保鉆頭鉆進方向沿直線軌跡運行，同時由于雙管單動研磨套管外層套管的護壁作用，保證了鉆孔的成型效果。

（3）雙管單動研磨套管外層套管可先起到巖芯管的作用，預先對孔底巖層進行圓周輪廓線切割，然后再利用金剛石復合片鉆頭在已切割的輪廓線范圍內進行巖體切割。 雙鉆頭的切割能起到保證鉆孔成型，防塌孔，護壁的作用。

（4）由于孔深的加大，提高了探煤鉆孔和石門揭煤防突措施孔施工的效率，提高了礦井防突工程施工的速度。

4）深孔鉆進施工過程中存在的問題和改進方向

（1）隨著鉆孔深度的加大，鉆孔內的阻力越來越大，打深鉆容易出現斷鉆桿、掉鉆頭等現象，需要進一步提高鉆桿強度和鉆機的扭距力及功率。

（2）打下山鉆孔時，因排碴困難，孔深達不到上山孔的孔深，在下山鉆孔施工方面還需要進一步鉆研、攻關。

（3）孔深需進一步有所突破，需進一步完善適應鉆具和操作工藝。

4 結束語

過泥巖層和高應力區(qū)采用雙管單動深孔鉆進技術，填補了過泥巖深孔技術的空白。 技術的應用從施工工藝本身杜絕了煤塵堆積、飛揚和發(fā)生煤塵爆炸事故發(fā)生的可能， 同時滿足了探煤和施工防突措施孔，治理瓦斯的需求。