煤矿勘查中深孔钻探成孔工艺研究
时间：2023-03-10 20:55:05 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
李照三
（安徽省地质矿产勘查局313 地质队，安徽 六安 237010）
目前我国深部钻探存在技术难点，主要表现为煤矿勘查中深孔钻探成孔施工工艺中因钻杆振动强、刚性差等特点造成的施工精度低，以及排屑困难、切削热能散热慢、无法直接查看到切削的情况等[1-3]。深孔钻探施工过程中主要的故障类型为折断、刀具寿命短、施工精度低、切屑堵塞缠屑等。研究分析深孔钻探成孔工艺，并重点介绍高压内排屑技术，旨在为深部煤矿勘察工作提供技术准备。
1.1 深孔钻探成孔技术和施工工艺
以西闰煤矿勘查为例，该工程配备了VLD-1000 型深孔定向千米钻机，并配备相应的DGS 钻进实时监测系统。图1 是深孔钻的喷吸钻示意图。在分析瓦斯抽采钻孔的基础上，地质探测、煤矿勘查等工程领域最为优秀的深孔钻探成孔技术为煤矿瓦斯地质精细勘查钻进技术，该技术的核心为相应的测量技术和孔内马达驱动装置[4-6]。破煤过程首先通过钻杆将高压水输送至孔内马达，接着高压水发挥冲击功能在转子、前端轴承、钻头等引导下产生高速转动。深孔钻探成孔过程中，钻杆固定不动，钻头做旋转运动，这能有效降低钻机的负荷[7-8]。
图1 深孔钻的喷吸钻示意图
煤矿勘查深孔钻探的施工工艺如图2 所示，包括工艺设计、布孔、开孔、钻进、退钻探底、完孔参数六个步骤。工艺设计是指在每个孔钻进之前，收集可能多的煤层钻孔、测量等材料，根据钻孔布置要求，设计人员提前准备好投影图施工钻孔的设计参数，并经过任务要求确保钻工获晓钻孔的钻进要求。根据采掘计划得到待勘查区域煤层地质条件、可供钻探时间、孔底间距、钻孔孔深，进而能获得煤层的透气性。钻孔布孔形式为钻场扇形施工，其中每个钻场数量10～20 个，孔深200～800 m，孔底间距为5～10 m。对于开孔，首先利用专用扩孔器将孔扩大到6 m，退出的扩孔器采用聚氨酯或水泥进行封孔操作，然后放入孔内马达，并将其与MECCA 孔外仪钻杆连接，安装操作包括防喷口器等孔口安全装置，以此来完成新孔打开的工作。
图2 煤矿勘查深孔钻探施工工艺
开启水泵运行一段时间后观察孔中是否有出水问题，在反渣正常的情况下进行钻进，每隔6 m 进行一次不同程序的测量工作，并在设计图中做好钻孔的水平和垂直投影目标，对比设计轨迹和偏移程度，调整弯头方向。下一段钻进参考顶板为两探顶点连线的延长线。对于退钻探底，由于煤矿区域瓦斯含量高，煤矿下部有厚度为0.5 m 左右的软煤区域的夹矸层，研究每间隔50 m 完成一次探底工作，有效补充矿井煤层产状的地质资料。钻进工作结束后，通过实时监测系统DGS 获取完孔水平面和垂直面轨迹图等图表。
1.2 深孔钻进排渣技术
深孔钻进高压内排屑能量分析包括三个部分，分别是环形排渣空间内的能量、钻孔内循环程水力损失、钻渣在钻孔内的速度。
依据能量守恒定律，钻渣需依赖冲洗液压力将其从环形排渣空间内排出来。排渣过程可分为两个部分，两个阶段分别在钻杆内和环形排渣空间内完成，接下来对两个阶段的能量分别进行分析。做功包括沿程水力损失、动能做功、重力做功、压力做功。依据伯努利方程，可得到四种做功方式的平衡式：
在第一部分，冲洗液的密度为ρ1，取值为1 g/cm3，p1为冲洗液压力，标准大气压用p2指代；
v1为钻渣颗粒的初始速度，取值为0；
水流在钻头内、接头内、钻杆内的沿程水力损失用Δp（1-2）指代；
v2为水流从钻孔内到钻孔中的流速。
在第二部分，伯努利方程采用二固液两相流式。冲洗液转变为混合流体，密度计算公式为：
式中：Cs和C1分别为钻渣、水流所占混合液的浓度；
ρs为钻渣的密度。冲洗液压力也转换为标准大气压，水流从钻杆内进入到钻孔中的流速用v1指代，钻孔处混合流体的平均速度为v=（v0+v1+v2）/3，即该平均速度经由冲洗的初始速度（v0）、钻杆中水流进入钻孔的流速（v1）以及水流流经钻孔的速度（v2）计算得到。
对于钻孔内循环程水力损失，钻进阶段的沿程损失可分为两个部分，两个部分分别在钻杆内和环形排渣空间内进行。冲洗液的总水力损失Δp的计算公式为：
式中：流体容重为H，每根钻杆的长度为l，速度水头为2g，钻杆内流体平均速度为vb，钻杆接头长度为lD，钻杆、钻杆接头、钻头出水孔个数分别为m1、m2、m3，冲洗液在钻孔孔内环空上返速度为va，钻杆内部通道直径、外径分别为d1和d2，钻孔直径和钻杆接头内部通道直径分别用d3和d4指代，突然扩大、突然缩小的局部阻力系数分别为ξ1和ξ2，钻头出水孔的局部阻力系数为ξ3。ξ1和ξ2的计算表达式为：
式中：钻杆和钻杆接头内部通道截面积分别用B1和B2指代，钻头出水孔的局部阻力系数为ξ，取值为0.6，沿程阻力系数为λ1和λ2。
沿程阻力系数依据临界雷诺数计算得到，表达式为：
式中：高压水流的运动粘度为v，圆环通道内流体的流速用v指代，圆环通道的当量直径为d。
沿程阻力系数通过阿里特苏里公式为：
式中：当钻杆内壁为0.19 mm，钻孔孔壁的当量粗糙度的取值为1.5 mm，管壁的当量粗糙度为Δ。
钻渣在钻孔内的速度分析包括钻孔孔内环空冲洗液的上返速度、钻杆内部冲洗液的流速、钻渣颗粒的滑落速度、环形排渣空间内钻渣颗粒的上返速度。根据冲洗液的上返速度和钻杆内部冲洗液的流速可知，钻渣在排到地面的过程中冲洗液的流动状态为紊流。环形排渣空间内，钻渣颗粒的上返速度由钻渣滑落速度、冲洗液的上返速度、垂直于钻杆旋转方向的速度三者合成，示意图如图3。
图3 环形排渣空间内钻渣颗粒的上返速度
图4（a）和（b）分别指实时监测系统DGS 获取的完孔垂直面和水平面轨迹图。测量点从0 增加到800，垂直距离呈现“瓢”状弧形上升趋势。当测量点为700 时，垂直距离最大，数值为40.2 m，水平距离呈现迅速上升达到最大值并逐渐趋于稳定的变化轨迹；
当测量点为200 时，水平距离最大，数值为-43.3 m。
图4 完孔垂直面和水平面轨迹图
图5 为不同钻孔深度下钻渣半径、钻渣浓度、冲洗液压力三者之间的关系图。伴随着钻孔深度的增加，冲洗液压力会越来越大。这是因为随着路程的增加，运输钻渣过程所耗费的能量越来越多。当固定钻孔深度时，增加钻渣密度和钻渣半径会导致冲洗液的压力不断增大。当钻渣半径为0.88 mm、钻渣浓度为51.7%、钻孔深度为8 m 时，冲洗液的压力达到最大值，取值为16.3 MPa。
图5 不同钻孔深度下钻渣半径、钻渣浓度、冲洗液压力三者之间的关系图
图6 为不同冲洗液压力下钻孔深度和混合液上返速度的关系图。在固定冲洗液压力的数值下，随着钻孔深度的增加，混合液的上返速度逐渐降低，直至数值为0。钻孔深度和冲洗液的压力呈现正向相关性。
图6 不同冲洗液压力下钻孔深度和混合液上返速度的关系图
针对目前煤矿勘查中深孔钻探排渣困难等问题，研究设计了一种深孔钻探成孔工艺流程，并重点介绍了深孔钻进排渣技术。五个采煤工作面月平均抽出量的范围为4 751 265.32～6 874 813.26 m3，月平均风排瓦斯量均为2 455 100 m3，抽出总量的范围为65 872 310～88 576 200 m3。在固定冲洗液压力的数值下，混合液的上返速度和钻孔深度呈正比关系，钻孔深度和冲洗液的压力呈现正向相关性。研究所提出的煤矿勘查中深孔钻探成孔工艺技术具有极强的指导意义。
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