顶板高位大直径钻孔高效扩孔工艺研究

郭家红

（晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿，山西 晋城 048021）

以晋城蓝焰煤业股份有限公司成庄矿为例，工作面正常回采时瓦斯绝对涌出量为25 m3/min，利用顶板高位大直径钻孔可以满足10 m3/min 的抽放。经检测，巷道回风中瓦斯浓度一般为0.2%左右，上隅角瓦斯浓度为0.4%左右。因此，通过高位钻孔抽放采空区瓦斯，是成庄矿回风流瓦斯保持低浓度和上隅角瓦斯不超限的关键。

为尽可能增加高位钻孔的单孔瓦斯抽放量，施工大孔径钻孔是最有效的途径。目前成庄矿高位钻孔的成孔直径为Φ193 mm，具体成孔工艺为：首先采用定向钻机+Φ120 mm 钻头施工定向先导孔，然后采用普通回转钻进工艺和Φ153 mm 扩孔钻头二次扩孔，最后采用普通回转钻进工艺和Φ193 mm扩孔钻头三次扩孔至终孔。该成孔工艺不仅工序繁琐，而且在实际操作过程中经常因扩孔钻杆受力复杂出现断裂并发生掉钻事故，造成重大经济损失。因此，为解决上述难题，提高成孔效率并降低施工风险，成庄矿开展了“定向先导孔+二次直螺杆马达滑动钻进扩孔”的工艺研究试验，取得了较好效果，为成庄矿下一步的钻孔工艺改进和推广，同时也为类似条件矿井钻孔施工提供借鉴。

1 试验设计

为试验新工艺的可靠性和成孔效率，并与常规的扩孔工艺进行对比，本次选择在成庄矿43222 巷9#横川进行现场试验，9#横川钻场设计4 个顶板高位钻孔，终孔孔径均为Φ193 mm，钻孔设计参数见表1。试验时，1#孔和4#孔采用普通回转钻进扩孔工艺施工，2#孔和3#孔采用直螺杆马达滑动钻进扩孔工艺施工。

根据成庄矿3#煤层特点以及裂隙带发育高度，并结合顶板岩性分布特征，高位钻孔设计层高为40～50 m，岩性以细粒砂岩为主，普氏硬度系数f=6～7，具体设计钻孔轨迹见图1。

表1 钻孔设计参数

图1 钻孔设计轨迹图

2 试验装备及工艺

本次试验的主机选择ZYWL-13000DS 型定向钻机，该钻机扭矩为3000～13000 N·m，最大起拔压力为280 kN，配备的泥浆泵流量为480 L/min，泵压为10 MPa。按成孔工序划分，定向先导孔施工选用钻具组合：Φ89×3000 mm 通缆钻杆+Φ89 mm×1.25°单弯螺杆马达+Φ120 mm 胎体式PDC 钻头；二次扩孔选用的钻具组合为：Φ89×3000 mm 普通钻杆+Φ153/ 193 mm 导向PDC 钻头和Φ89×3000 mm 普通钻杆+Φ95 mm 直螺杆马达+Φ153/193 mm 导向PDC 钻头。

钻孔工艺方面，首先采用定向钻进工艺按设计轨迹施工定向先导孔，为降低后续扩孔钻进的风险，定向先导孔施工时严格控制轨迹偏移，单根钻杆最大角度变化率控制在0.75°以内。定向先导孔终孔退钻后，分别使用两种扩孔工艺施工至设计深度，退钻封孔。

3 试验过程

截至2018 年11 月3 日，采用ZYWL-13000DS型定向钻机+Φ120 mm 钻头施工完成43222 巷9#横川4 个顶板高位钻孔的先导孔，具备扩孔条件。

11 月5 日至11 月10 日，采用普通回转钻进扩孔工艺对1#钻孔进行扩孔作业，具体施工进尺如表2（平均进尺不包含最后一天）。

表2 普通回转钻进扩孔工艺对1#钻孔施工进尺表

11 月13 日至11 月17 日，采用直螺杆马达滑动钻进扩孔工艺对2#钻孔进行扩孔作业，具体施工进尺如表3（平均进尺不包含最后一天）。

表3 直螺杆马达滑动钻进扩孔工艺对2#钻孔施工进尺表

11 月19 日至11 月24 日，采用普通回转钻进扩孔工艺对3#钻孔进行扩孔作业，具体施工进尺如下表（平均进尺不包含最后一天）。

表4 普通回转钻进扩孔工艺对3#钻孔施工进尺表

11 月28 日至12 月2 日，采用直螺杆马达滑动钻进扩孔工艺对4#钻孔进行扩孔作业，具体施工进尺如下表（平均进尺不包含最后一天）。

表5 直螺杆马达滑动钻进扩孔工艺对4#钻孔施工进尺表

4 试验结果分析

（1）施工效率分析

通过试验对比发现，采用传统的回转钻进扩孔工艺，每日平均进尺为93 m 左右，施工550 m 的高位钻孔需用6 d 时间。采用直螺杆马达滑动钻进扩孔工艺，每日平均进尺为120 m 左右，施工550 m的高位钻孔只需用5 d 时间，效率提升了30%。

（2）循环作业分析

通过试验数据可以明显看到，采用传统的回转钻进扩孔工艺，每日最高扩孔进尺可达107 m，而最低进尺只有47 m，循环作业很不规律。采用直螺杆马达滑动钻进扩孔工艺，每日进尺都在110～130 m 之间，钻进进尺比较规律。

（3）其他方面分析

采用直螺杆马达滑动钻进扩孔工艺钻机由旋转作业改变为推进作业，钻杆的受力情况由扭力+推力改变为推力，不仅减少了千米钻机的事故发生率，又大大降低了钻杆断裂发生掉钻事故的几率。

5 结论

（1）成庄矿通过采用“定向先导孔+二次直螺杆马达滑动钻进扩孔”的成孔工艺，单孔的作业周期较原工艺降低了20%，提高了钻孔效率。

（2）采用直螺杆马达驱动钻头滑动钻进的扩孔方式，有效改善了孔内钻具的受力状况，大幅降低了孔内钻具发生断裂掉钻的风险，减少了生产损失。