煤礦井下近水平定向鉆孔卡鉆原因分析及處理方法

趙洋洋，李 鵬，石 浩

1.長安大學地質(zhì)調(diào)查研究院，陜西 西安 710054;2.長安大學地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054;3.中煤科工集團西安研究院，陜西 西安 710077

煤礦瓦斯安全事故是威脅煤礦安全生產(chǎn)的最主要原因，根據(jù)歷年的統(tǒng)計，瓦斯事故數(shù)量占所有煤礦事故的49.8%［1］，而實施瓦斯預抽是防止瓦斯爆炸和瓦斯突出災害事故的主要手段。因此實施煤礦瓦斯預抽對于安全生產(chǎn)和能源持續(xù)利用有重要的意義。隨著定向鉆進技術(shù)的迅猛發(fā)展，近水平定向鉆進技術(shù)(HDD)近年來在煤礦井下瓦斯抽采領(lǐng)域展示出鉆進效率高、鉆孔軌跡可精確控制、瓦斯抽采效率高等優(yōu)勢［2、3］。由于以上優(yōu)點，隨鉆測量定向鉆進技術(shù)在煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工過程中得到廣泛應用。然而，由于煤礦坑道鉆進施工的特殊性及煤層的不穩(wěn)定性等原因，在定向鉆進施工過程中常會遇到各種鉆探事故，卡鉆是定向鉆進施工過程中最常見的事故之一，大大降低煤礦生產(chǎn)效率，造成較大經(jīng)濟損失。為此，結(jié)合定向鉆進技術(shù)推廣經(jīng)驗，總結(jié)卡鉆原因及事故預防、事故處理經(jīng)驗，為事故的預防與處理提供借鑒意義。

1 卡鉆事故原因分析

卡鉆指鉆具在孔內(nèi)失去活動自由，既不能轉(zhuǎn)動又不能來回起下，是煤礦井下定向長鉆孔常見的鉆孔事故?？ㄣ@主要由地層不穩(wěn)定、鉆孔結(jié)構(gòu)設計不合理、工藝選擇不當及其他突發(fā)事件等原因造成的，類型主要有孔壁坍塌、鉆孔縮徑和沉渣三種。

1.1 孔壁坍塌卡鉆

孔壁坍塌卡鉆是由于孔壁失穩(wěn)造成的。煤層具有強度低、節(jié)理發(fā)育、應力復雜等特點，且孔壁坍塌卡鉆預兆不明顯、突發(fā)性強，這使得煤層定向鉆進孔壁坍塌卡鉆極為普遍。(1)地質(zhì)因素，地應力是影響煤層穩(wěn)定性的重要因素，地應力包括原始地應力和次生地應力。鉆孔鉆穿煤層后，鉆孔孔壁產(chǎn)生自由面，應力重新分配，當孔壁應力超過煤層強度極限時便會發(fā)生破裂，導致鉆孔孔壁坍塌。我國大部分地區(qū)煤層具有節(jié)理發(fā)育、連續(xù)性差、煤層硬度低的特點，鉆進過程中易發(fā)生孔壁坍塌并導致卡鉆;在煤層頂?shù)装迳踔撩簩又谐０橛袑永戆l(fā)育的泥頁巖層，容易發(fā)生泥頁巖層以片狀從孔壁脫落坍塌，導致卡鉆。(2)工藝因素，定向鉆進中，沖洗液排量較大，常常會形成紊流態(tài)的高速返水，以滿足排渣的需要。但是，高壓水射流會帶來對孔壁煤層嚴重沖蝕的負面影響，尤其在長鉆孔或某一孔段循環(huán)沖孔，極易造成孔壁坍塌，引起卡鉆事故。

1.2 縮徑卡鉆

縮徑卡鉆事故絕大部分是由于鉆遇水敏性地層，如泥頁巖等遇水膨脹、變形導致鉆孔縮徑造成的。而在煤層的頂?shù)装迳踔撩簩又芯毡榇嬖诖祟惸囗搸r。鉆孔鉆穿這種巖層后，原有的應力平衡被打破，軟泥巖在地應力的作用下向孔內(nèi)擠壓，導致鉆具被抱死產(chǎn)生卡鉆事故。

1.3 沉渣卡鉆

沉渣卡鉆是指鉆屑在鉆孔內(nèi)沉積，發(fā)生埋鉆導致的卡鉆。(1)地層因素，煤礦井下定向鉆進地層大多為煤層中穿孔鉆進，由于煤炭的節(jié)理發(fā)育，部分煤屑顆粒較大，不易被返水攜帶出鉆孔，在孔內(nèi)堆積，造成沉渣卡鉆。(2)工藝因素，不當?shù)你@進工藝選擇是造成沉渣卡鉆的主要原因，主要包括:給進速度、泥漿泵泵量選擇、沖孔作業(yè)等。定向鉆進給進速度過快會產(chǎn)生大量的大顆粒煤屑，這些大顆粒煤屑容易堆積導致卡鉆;較大的泥漿泵泵量可加快返水速度，提高煤屑攜帶能力，有利于避免沉渣卡鉆事故的發(fā)生;定向鉆進中，定期進行沖孔作業(yè)可以減小孔壁下側(cè)的沉渣量，有利于減少沉渣事故發(fā)生。(3)鉆孔結(jié)構(gòu)，在上仰孔段，由于返水方向和煤屑重力分量相同，有利于煤屑返渣;在下斜孔段，返水需克服煤屑重力分量，大大降低了返水的排渣能力，容易造成沉渣卡鉆;水平孔段返水排渣能力介于兩者之間。(4)突發(fā)事件，在鉆孔實際施工過程中常會遇到突發(fā)事件，如停電、鉆機故障無法運行等，泥漿泵故障無法工作，鉆具也無法提出孔外，孔內(nèi)鉆屑堆積造成沉渣卡鉆。

2 事故處理方法

2.1 強力回轉(zhuǎn)、起下鉆法

強力回轉(zhuǎn)、起下鉆法是處理坍塌卡鉆的首選方法。在使用該方法處理事故前應先將定向鉆機扭矩調(diào)整在安全范圍，保證鉆機即使在最大扭矩情況下也不會將鉆具安全接手扭斷。處理事故時，可采用正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速快速變化和快速起下鉆迅速反復轉(zhuǎn)換結(jié)合的方法，將連續(xù)快速變化的扭矩和軸向力傳遞到孔內(nèi)鉆具卡鉆處，在這種頻繁變化的扭矩及軸向力作用下，鉆具在孔內(nèi)的變形也在不斷地快速變化，這種變化使卡鉆處鉆具對坍塌碎屑產(chǎn)生擠壓和碾壓鉆用，將煤屑壓碎，使鉆具松動;同時，鉆具變形的快速變化，在鉆具卡鉆處產(chǎn)生震擊效果，有利于使卡鉆處坍塌碎塊產(chǎn)生松動，從而達到解卡的目的。

2.2 套銑打撈

在強力回轉(zhuǎn)、起下鉆法處理無效的情況下，可考慮采用套銑打撈法。該方法使用專用的套銑打撈鉆具以及12000N·m 全液壓坑道鉆機打撈用動力頭和夾持器，采用回轉(zhuǎn)鉆進工藝套取孔內(nèi)定向鉆具，打通卡鉆部位阻塞，再分別將打撈鉆具和定向鉆具依次提出，完成打撈。由于在套銑打撈過程中，套銑打撈鉆具也存在著塌孔卡鉆的危險，因此在套銑打撈鉆進過程中應時刻關(guān)注鉆進參數(shù)及孔口返水變化，一旦發(fā)現(xiàn)異常應及時采取處理措施，防止事故進一步惡化。

2.3 采掘打撈

如果卡鉆的位置處于待采掘區(qū)域，則可以考慮在后期的煤層開采或巷道掘進時打撈卡鉆鉆具，這種打撈方法需要準確記錄和精確計算卡鉆鉆具的空間位置，以保證在后期的開采或掘進作業(yè)中，揭露并提出卡鉆鉆具。

2.4 強力扭斷安全接手

強力扭斷安全接手的方法可以使事故損失降到最低，安全接手時連接孔底馬達和下無磁鉆桿的鈹銅接手，該接手抗扭能力為3000N·m～4000N·m，扭斷安全接手以后可以順利提出馬達以上部分鉆具。采用該方法的前提是卡鉆位置位于安全接手和鉆頭之間。

3 結(jié)論

隨著定向鉆進和隨鉆測量技術(shù)與裝備的不斷發(fā)展和完善，煤礦井下近水平定向長鉆孔施工技術(shù)也得到了廣泛推廣應用。然而，由于煤層復雜地質(zhì)條件、操作失當及其他突發(fā)事件等原因造成的卡鉆事故往往會影響瓦斯抽采效率，給煤礦安全生產(chǎn)帶來隱患，造成較大的經(jīng)濟損失。根據(jù)多年的煤礦井下定向鉆機技術(shù)與裝備的推廣服務實踐，大部分的卡鉆事故是可以提前預防避免發(fā)生的，本文總結(jié)了卡鉆事故發(fā)生的原因、事故預防及處理方法，為煤礦井下近水平定向鉆孔施工預防和處理卡鉆事故提供借鑒意義。

［1］石智軍.胡少韻.姚寧平等.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008.

［2］石浩.張杰等.煤礦井下精確定向探放水技術(shù)［J］.煤礦安全，2015，46(2):64-67.

［3］姚寧平.姚亞峰.張杰等.煤礦井下梳狀定向孔鉆進技術(shù)與裝備［J］.煤炭科學技術(shù)，2012，40(10):12-16，21.