高速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)研究及實(shí)踐應(yīng)用

王建彬，杜利猛

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西西安710077）

軟硬交互煤層在我國(guó)大范圍分布，其特點(diǎn)是煤層軟硬不均，易塌孔卡鉆，順煤層瓦斯抽采鉆孔施工困難[1-2]，以晉城礦區(qū)的趙莊礦、長(zhǎng)平礦以及成莊礦等礦區(qū)的3號(hào)煤層為例，普氏系數(shù)f值在0.3~0.6之間，煤層薄厚變化劇烈、軟硬地層交替出現(xiàn)、地質(zhì)條件復(fù)雜多變，鉆遇碎軟或遇水坍塌段時(shí)，返渣困難、卡鉆、噴孔頻發(fā)，制約了成孔質(zhì)量，鉆孔深度淺、成孔率低。長(zhǎng)平礦施工的順層長(zhǎng)鉆孔平均孔深只有70~100m左右，遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)孔深要求，成孔率長(zhǎng)期低于30%，為了提高軟硬交互煤層順煤層鉆孔長(zhǎng)度，先后嘗試了水力螺旋排渣、中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)、干式螺旋鉆進(jìn)等工藝方法[3-5]，效果均不理想。

采用水力螺旋排渣工藝施工軟硬交互煤層，孔口返水、返渣時(shí)大時(shí)小，在鉆遇硬煤層時(shí)水力對(duì)孔壁沖蝕作用小，孔壁穩(wěn)定性強(qiáng)，機(jī)械效率高，在鉆遇碎軟煤層時(shí)水力沖蝕作用下煤壁失穩(wěn)，塌孔嚴(yán)重，孔口返水、返渣量急劇減小，鉆進(jìn)困難；中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝對(duì)孔壁的沖蝕作用相對(duì)較小，但是在鉆遇塌孔段時(shí)鉆具對(duì)鉆屑的攪動(dòng)能力明顯不足，需要通過(guò)提高風(fēng)壓、風(fēng)量增強(qiáng)沖洗介質(zhì)的攜渣能力，而礦井供風(fēng)系統(tǒng)的供風(fēng)能力又難以滿足，需要配備獨(dú)立的空壓機(jī)，增加了施工成本；干式螺旋鉆進(jìn)工藝具有鉆進(jìn)速度快、排渣能力強(qiáng)的特點(diǎn)，這與螺旋鉆具的結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，一般來(lái)說(shuō)螺旋翼片越大即螺旋槽越深，排渣能力越強(qiáng)，需要的轉(zhuǎn)速就越高，而目前常規(guī)鉆機(jī)在設(shè)計(jì)方面主要以輸出扭矩為主，轉(zhuǎn)速往往不高（一般不大于200r/min），這也是該工藝在軟硬交互地層使用效果不佳的原因[6-8]。

1 高速螺旋鉆進(jìn)技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

煤礦井下近水平螺旋鉆進(jìn)，孔底及孔壁產(chǎn)生的鉆屑聚集到孔壁下部，由螺旋葉片推移向孔外輸送，而鉆屑自身的重力、鉆屑之間的粘滯力、以及鉆屑與葉片和外殼之間的摩擦力阻止了它和螺旋葉片一起旋轉(zhuǎn)，鉆屑又在葉片推動(dòng)擠壓下向孔口運(yùn)移，類(lèi)似于一臺(tái)“螺旋運(yùn)輸機(jī)”[9-10]。低轉(zhuǎn)速螺旋鉆進(jìn)工藝（轉(zhuǎn)速一般不大于200r/min），煤渣受螺旋鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力較小，煤渣與煤渣壓實(shí)程度低、內(nèi)聚力小，不利于攪動(dòng)沉積在鉆孔下部的煤渣。

高速螺旋鉆進(jìn)工藝（轉(zhuǎn)速不小于400r/min）排渣方式上以螺旋機(jī)械式排渣為主、空氣排渣為輔（風(fēng)量2~6m3/min、風(fēng)壓0.2~0.5MPa）。煤渣在有孔壁約束的情況下，受到來(lái)自鉆桿高速回轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力，在較大離心力的作用下煤渣被壓實(shí)，形成致密的且密度均一的固體塞在螺槽上滑動(dòng)，固體塞在螺旋葉片給予的推擠力、機(jī)筒表面給予的摩擦力以及螺桿表面給予的摩擦力合力作用下運(yùn)動(dòng)輸送，單根鉆桿1個(gè)螺距1h的理論排渣量為：

式中：Q——螺旋鉆桿理論排渣量，t/h；

D——螺旋鉆桿外徑，m；

d——螺旋鉆桿中心桿直徑，m；

S——螺旋鉆桿的螺距，m；

γo——煤渣的密度，t/m3；

ψ——鉆桿葉片間填充率；

n——鉆桿轉(zhuǎn)速，r/min；

θ——鉆孔傾斜布置及彎曲影響綜合系數(shù)。

從式中得出影響螺旋鉆進(jìn)排渣量的主要因素有，螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)、鉆桿的轉(zhuǎn)速、煤渣的密度等，晉煤礦區(qū)的軟硬交互煤層煤渣密度γo取1.42t/m3，鉆孔傾斜布置及彎曲影響綜合系數(shù)θ取0.9，對(duì)于鉆孔俯角不大于20°的煤層鉆孔，鉆桿翼片間的充填率ψ取0.3，其余參數(shù)跟螺旋鉆桿的結(jié)構(gòu)及鉆機(jī)動(dòng)力端轉(zhuǎn)速有關(guān)，根據(jù)高速螺旋鉆進(jìn)工藝要求設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速400~600r/min，在功率不變的條件下需要將鉆機(jī)的轉(zhuǎn)速提高、扭矩相應(yīng)減小，配套的常見(jiàn)鉆機(jī)型號(hào)為ZDY3000LG、ZDY6000LR鉆機(jī)。

1.2 螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)

螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)由桿體（中心桿）、螺旋葉片、公接頭、母接頭組成（圖1），其中螺旋鉆桿的外徑、中心桿直徑、螺距構(gòu)成了螺旋鉆桿的重要參數(shù)。

圖1 高速螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)圖

鉆桿外徑確定后，中心桿尺寸設(shè)計(jì)越小螺旋槽越深，鉆桿排渣能力越強(qiáng)，帶來(lái)的鉆進(jìn)阻力也就越大且強(qiáng)度就會(huì)降低；設(shè)計(jì)尺寸越大，鉆進(jìn)阻力減小的同時(shí)排渣能力隨之下降，一般高效螺旋鉆進(jìn)中心桿直徑與鉆桿外徑比例為1∶1.5。螺距的大小影響著速度各分量的分布，當(dāng)螺距增加時(shí)，雖然軸向輸送速度增大，但是圓周速度會(huì)出現(xiàn)不恰當(dāng)?shù)姆植记闆r；相反，當(dāng)螺距較小時(shí)，速度各分量的分布情況較好，但是軸向輸送速度卻較小。在確定最大的許用螺距時(shí)，必須滿足的第二個(gè)條件是建立在使煤渣顆粒具有最合理的速度各分量間的關(guān)系的基礎(chǔ)上，即應(yīng)使煤渣顆粒具有盡可能大的軸向輸送速度，同時(shí)又使螺旋面上各點(diǎn)的軸向輸送速度大于圓周速度。根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，螺距取值為：

式中：S——螺距；

K1——螺距經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，常取值K1=0.8~1.0；

Dw——螺旋鉆桿外徑。

鉆桿的外徑與鉆頭的直徑一般設(shè)計(jì)為1∶（1.2~1.5），以常用的?110mm鉆頭為例，鉆桿外徑應(yīng)控制在74~91mm，中心桿直徑47.3~60.7mm，從保直效果和強(qiáng)度上考慮，研制了?95mm/60.3mm大深槽寬翼片插接式密封螺旋鉆桿，該鉆桿螺距的取值范圍是S=76~95mm，從成孔率和施工效率兩方面綜合考慮，選擇中間值85mm。

2 技術(shù)應(yīng)用

長(zhǎng)平礦4308綜采工作面主采的3#煤層位于山西組下部，f值平均為0.3，煤層厚度4.60~6.35m，平均6.08m，含泥巖、炭質(zhì)泥巖夾矸0~2層，煤層直接頂板主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，次為渣砂巖，局部為中、細(xì)砂巖，底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖，深灰色渣砂巖，距頂板約0.50m左右和距底板約1.00m左右的兩層最為穩(wěn)定，f值大于0.5，厚度為0.10~0.30m，該煤層屬于典型的軟硬復(fù)合煤層。

根據(jù)4308工作面瓦斯治理需要，試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)采用上下兩排布置，上排孔開(kāi)孔高度為2m（距離煤層底板），開(kāi)孔傾角-2°，鉆孔間距4m，鉆孔設(shè)計(jì)深度120m；下排孔開(kāi)孔高度1.5m（距離煤層底板），開(kāi)孔傾角為-4°，鉆孔間距4m，鉆孔剖面設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2，設(shè)計(jì)鉆孔深度150m，上下排孔采取交叉布孔形式，鉆孔平面設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖2 鉆孔設(shè)計(jì)剖面圖

圖3 鉆孔設(shè)計(jì)平面圖

鉆具組合采用?95mm/60.3mm大深槽寬翼片插接式密封螺旋鉆桿+?110mm三翼PDC鉆頭，鉆機(jī)采用ZDY6000LR鉆機(jī)，鉆桿連接采用錐六方插接，U型銷(xiāo)固定，可正反轉(zhuǎn)施工。在4308工作面累計(jì)施工27個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺3507m，平均孔深129.9m，最大鉆孔深度216m，鉆進(jìn)效率為37.5~16.8m/h，成孔率93.8%，平均孔深較原來(lái)采用的低轉(zhuǎn)速矮槽式鉆具施工的鉆孔提高了34.3%，施工效率提高1.5倍，成孔率提高了45%，由于鉆機(jī)的扭矩有所下降最大鉆孔深度提升不明顯。

3 結(jié)論

（1）在煤層條件確定情況下，螺旋鉆進(jìn)排渣量與鉆進(jìn)轉(zhuǎn)速和螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，將轉(zhuǎn)速提高至400r/min以上高轉(zhuǎn)速，能增強(qiáng)鉆具的離心力，加快攪動(dòng)孔底鉆削的頻率。

（2）研制的?95mm/60.3mm大深槽寬翼片螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)合理、排渣能力好，有利于大塊鉆削的通過(guò)。

（3）實(shí)踐證明，高速螺旋鉆進(jìn)成孔技術(shù)在典型的軟硬交互煤層施工中鉆進(jìn)效率、成孔率、平均孔深均有大幅提高，降低了卡、埋鉆風(fēng)險(xiǎn)，為解決類(lèi)似地層鉆進(jìn)難題具有極高借鑒價(jià)值。