煤矿井下近水平定向钻孔卡钻原因分析及处理方法

赵洋洋，李 鹏，石 浩

1.长安大学地质调查研究院，陕西 西安 710054;2.长安大学地质工程与测绘学院，陕西 西安 710054;3.中煤科工集团西安研究院，陕西 西安 710077

煤矿瓦斯安全事故是威胁煤矿安全生产的最主要原因，根据历年的统计，瓦斯事故数量占所有煤矿事故的49.8%［1］，而实施瓦斯预抽是防止瓦斯爆炸和瓦斯突出灾害事故的主要手段。因此实施煤矿瓦斯预抽对于安全生产和能源持续利用有重要的意义。随着定向钻进技术的迅猛发展，近水平定向钻进技术(HDD)近年来在煤矿井下瓦斯抽采领域展示出钻进效率高、钻孔轨迹可精确控制、瓦斯抽采效率高等优势［2、3］。由于以上优点，随钻测量定向钻进技术在煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工过程中得到广泛应用。然而，由于煤矿坑道钻进施工的特殊性及煤层的不稳定性等原因，在定向钻进施工过程中常会遇到各种钻探事故，卡钻是定向钻进施工过程中最常见的事故之一，大大降低煤矿生产效率，造成较大经济损失。为此，结合定向钻进技术推广经验，总结卡钻原因及事故预防、事故处理经验，为事故的预防与处理提供借鉴意义。

1 卡钻事故原因分析

卡钻指钻具在孔内失去活动自由，既不能转动又不能来回起下，是煤矿井下定向长钻孔常见的钻孔事故。卡钻主要由地层不稳定、钻孔结构设计不合理、工艺选择不当及其他突发事件等原因造成的，类型主要有孔壁坍塌、钻孔缩径和沉渣三种。

1.1 孔壁坍塌卡钻

孔壁坍塌卡钻是由于孔壁失稳造成的。煤层具有强度低、节理发育、应力复杂等特点，且孔壁坍塌卡钻预兆不明显、突发性强，这使得煤层定向钻进孔壁坍塌卡钻极为普遍。(1)地质因素，地应力是影响煤层稳定性的重要因素，地应力包括原始地应力和次生地应力。钻孔钻穿煤层后，钻孔孔壁产生自由面，应力重新分配，当孔壁应力超过煤层强度极限时便会发生破裂，导致钻孔孔壁坍塌。我国大部分地区煤层具有节理发育、连续性差、煤层硬度低的特点，钻进过程中易发生孔壁坍塌并导致卡钻;在煤层顶底板甚至煤层中常伴有层理发育的泥页岩层，容易发生泥页岩层以片状从孔壁脱落坍塌，导致卡钻。(2)工艺因素，定向钻进中，冲洗液排量较大，常常会形成紊流态的高速返水，以满足排渣的需要。但是，高压水射流会带来对孔壁煤层严重冲蚀的负面影响，尤其在长钻孔或某一孔段循环冲孔，极易造成孔壁坍塌，引起卡钻事故。

1.2 缩径卡钻

缩径卡钻事故绝大部分是由于钻遇水敏性地层，如泥页岩等遇水膨胀、变形导致钻孔缩径造成的。而在煤层的顶底板甚至煤层中均普遍存在此类泥页岩。钻孔钻穿这种岩层后，原有的应力平衡被打破，软泥岩在地应力的作用下向孔内挤压，导致钻具被抱死产生卡钻事故。

1.3 沉渣卡钻

沉渣卡钻是指钻屑在钻孔内沉积，发生埋钻导致的卡钻。(1)地层因素，煤矿井下定向钻进地层大多为煤层中穿孔钻进，由于煤炭的节理发育，部分煤屑颗粒较大，不易被返水携带出钻孔，在孔内堆积，造成沉渣卡钻。(2)工艺因素，不当的钻进工艺选择是造成沉渣卡钻的主要原因，主要包括:给进速度、泥浆泵泵量选择、冲孔作业等。定向钻进给进速度过快会产生大量的大颗粒煤屑，这些大颗粒煤屑容易堆积导致卡钻;较大的泥浆泵泵量可加快返水速度，提高煤屑携带能力，有利于避免沉渣卡钻事故的发生;定向钻进中，定期进行冲孔作业可以减小孔壁下侧的沉渣量，有利于减少沉渣事故发生。(3)钻孔结构，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，容易造成沉渣卡钻;水平孔段返水排渣能力介于两者之间。(4)突发事件，在钻孔实际施工过程中常会遇到突发事件，如停电、钻机故障无法运行等，泥浆泵故障无法工作，钻具也无法提出孔外，孔内钻屑堆积造成沉渣卡钻。

2 事故处理方法

2.1 强力回转、起下钻法

强力回转、起下钻法是处理坍塌卡钻的首选方法。在使用该方法处理事故前应先将定向钻机扭矩调整在安全范围，保证钻机即使在最大扭矩情况下也不会将钻具安全接手扭断。处理事故时，可采用正转转速快速变化和快速起下钻迅速反复转换结合的方法，将连续快速变化的扭矩和轴向力传递到孔内钻具卡钻处，在这种频繁变化的扭矩及轴向力作用下，钻具在孔内的变形也在不断地快速变化，这种变化使卡钻处钻具对坍塌碎屑产生挤压和碾压钻用，将煤屑压碎，使钻具松动;同时，钻具变形的快速变化，在钻具卡钻处产生震击效果，有利于使卡钻处坍塌碎块产生松动，从而达到解卡的目的。

2.2 套铣打捞

在强力回转、起下钻法处理无效的情况下，可考虑采用套铣打捞法。该方法使用专用的套铣打捞钻具以及12000N·m 全液压坑道钻机打捞用动力头和夹持器，采用回转钻进工艺套取孔内定向钻具，打通卡钻部位阻塞，再分别将打捞钻具和定向钻具依次提出，完成打捞。由于在套铣打捞过程中，套铣打捞钻具也存在着塌孔卡钻的危险，因此在套铣打捞钻进过程中应时刻关注钻进参数及孔口返水变化，一旦发现异常应及时采取处理措施，防止事故进一步恶化。

2.3 采掘打捞

如果卡钻的位置处于待采掘区域，则可以考虑在后期的煤层开采或巷道掘进时打捞卡钻钻具，这种打捞方法需要准确记录和精确计算卡钻钻具的空间位置，以保证在后期的开采或掘进作业中，揭露并提出卡钻钻具。

2.4 强力扭断安全接手

强力扭断安全接手的方法可以使事故损失降到最低，安全接手时连接孔底马达和下无磁钻杆的铍铜接手，该接手抗扭能力为3000N·m～4000N·m，扭断安全接手以后可以顺利提出马达以上部分钻具。采用该方法的前提是卡钻位置位于安全接手和钻头之间。

3 结论

随着定向钻进和随钻测量技术与装备的不断发展和完善，煤矿井下近水平定向长钻孔施工技术也得到了广泛推广应用。然而，由于煤层复杂地质条件、操作失当及其他突发事件等原因造成的卡钻事故往往会影响瓦斯抽采效率，给煤矿安全生产带来隐患，造成较大的经济损失。根据多年的煤矿井下定向钻机技术与装备的推广服务实践，大部分的卡钻事故是可以提前预防避免发生的，本文总结了卡钻事故发生的原因、事故预防及处理方法，为煤矿井下近水平定向钻孔施工预防和处理卡钻事故提供借鉴意义。

［1］石智军.胡少韵.姚宁平等.煤矿井下瓦斯抽采(放)钻孔施工新技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2008.

［2］石浩.张杰等.煤矿井下精确定向探放水技术［J］.煤矿安全，2015，46(2):64-67.

［3］姚宁平.姚亚峰.张杰等.煤矿井下梳状定向孔钻进技术与装备［J］.煤炭科学技术，2012，40(10):12-16，21.