組合式套管鉆進工藝在井下破碎地層條件下鉆孔施工中的應用

時曉

摘 要：主要介紹了組合式套管鉆進工藝在平煤股份公司某礦井下鉆孔中的應用，總結了操作中的技術要點，分析了存在的問題，提出了建議，為在井下破碎地層條件下施工鉆孔提供了經驗。

關鍵詞：套管跟進；破碎；地層；鉆孔；應用

一、概述

在井下巷道底板施工下行鉆孔時，由于底鼓現象已經成為煤礦中比較常見的礦壓顯現，經歷采動影響的采準巷道底鼓問題尤為普遍和嚴重[1]，其特性類似于人工填土，地層破碎情況嚴重，孔壁坍塌強烈，采用套管鉆進也難以正常施工[2]，而跟管鉆進技術在井下也未普遍地應用。

目前，鉆探所采取的化學泥漿鉆進工藝，在有裂隙、破碎掉塊、縮徑、坍塌、砂層、漏失等地層鉆進時，對保護孔壁起到了很大作用。但是在煤礦井下施工十分破碎底板鉆孔時，泥漿在底板甚至數米范圍內四處流溢，根本起不到任何護壁作用。還有一種常用的處理方法是使用水泥漿加固底板，一般需要凝固48小時，影響了鉆探效率。同時，在鉆孔需要穿揭煤層時，由于井下鉆孔多數非垂直鉆進，需要揭露煤層厚度可達數米，煤壁穩定性較垂直鉆孔差，化學泥漿鉆進工藝亦不能保證有效，給鉆孔向深部鉆進留下了安全隱患。

組合式套管鉆進工藝有別于套管鉆進和跟管鉆進技術，其特點主要是使用傳統的鉆桿來傳遞機械能和水力能量，先鉆桿帶動鉆頭鉆進，再將鉆桿接上套管帶動套管擴孔鉆進跟進，是將兩者組合進行的作業過程。與跟管鉆進工藝相比，其優點主要體現在可以相對自由地選擇鉆頭、套管的規格，可自由選擇水力和風力方式排粉，排粉通暢，地層適應性強。與套管鉆進工藝相比，其優點在于對套管的材質要求較低，結構簡單，易于加工，成本低廉。它解決了開孔即塌、穿煤厚度大煤壁不穩定的因素，是在煤礦井下施工底板鉆孔省時、省力、有效的鉆探工藝。

2015年，我單位承擔了平煤股份公司某礦氣源孔的施工任務，采用本工藝，成功穿越了底板破碎帶和厚煤層易坍塌帶，圓滿完成了7個鉆孔的鉆鑿施工任務。

二、工程概況

平煤股份公司某礦擬在中區丁5、6-21180機巷車場鉆場、東區并聯總回風巷鉆場和戊8、9-21192風巷車場鉆場分別向本礦戊8、9-20230老空區、鄰礦己15-17220回采工作面施工7氣源孔，抽采瓦斯，加以利用。該礦丁組、戊組煤層厚煤層，中區丁組煤、東區戊組煤采掘活動開始于上世紀90年代，現已經結束采掘，回收工作已經接近尾，所有采掘巷道均已停止維護，底鼓量最大可達到1.2m，底鼓帶十分破碎，特征與人工填土類似。而7個鉆孔均需在巷道底板開孔，亦需穿越厚煤層。

三、設備、工具選型

ZDY-4000S煤礦用全液壓臥式鉆機；BW-250型泥漿泵；

73mm鉆桿；94mm無芯復合片鉆頭；127mm地質套管；133mm鋸齒鉆頭。

四、施工工藝

（一）鉆具組合。（1）鉆頭鉆進時鉆具組合。Φ73普通圓鉆桿+Φ94mm鉆頭。（2）套管鉆進時鉆具組合。Φ73普通圓鉆桿

+Φ73/Φ127mm套管螺絲頭+Φ127mm套管+Φ 133mm套管鉆頭。

（二）工藝流程。（1）開孔時鉆頭鉆進操作步驟。與普通鉆桿鉆進相同。（2）孔內有擴孔鉆進套管時鉆頭鉆進操作步驟。其操作步驟與開孔時鉆頭鉆進操作步驟相仿，僅在安裝￠73mm鉆桿前將￠127mm短接頭擰到擴孔鉆進套管頂端，以保護其絲扣部分不在鉆桿高速旋轉中磨損。（3）套管擴孔鉆進操作驟。1）當￠73mm鉆桿接縫之一處于前夾持器和孔口之間，且距離孔口不小于0.2m時，停泵、停電，取下送水器。2）使用牙鉗卡緊鉆桿接縫處前一根鉆桿，反轉，擰開鉆桿?？變茹@桿在孔底巖面支撐下或在孔壁摩擦力支撐下自然?？?。3）送電，給進裝置后退至最大行程。松開動力頭，停電，將鉆桿依次取出。4）將

￠127mm套管短接頭卸下，接上套管，再將螺絲頭擰到套管上。將￠73mm鉆桿擰到螺絲頭上。5）將￠73mm鉆桿依次通過動力頭并與螺絲頭上鉆桿接合，使用牙鉗擰緊。6）將送水器接入動力頭后端鉆桿上。7）送電，開啟泥漿泵，待孔口返水時，閉合動力頭。調整好將給進壓力調整為2MPa，轉速調整至100r/min。調整泥漿泵壓力為2MPa，泵量250L/min。操作鉆機給進手柄，鉆進。（4）擴孔護壁套管跟進循環步長。由于鉆桿在孔內自然?？?，如果跟進步長過大的話，￠127mm套管螺絲頭則研磨鉆桿，形成不進尺的現象，嚴重的話將鉆桿絲扣磨損，造成鉆孔報廢。套管跟進循環步長最大不超過1.2m。

（三）技術要點。（1）根據巷道情況，鉆機盡量靠后，盡量抬高，使前夾持器與孔口距離保持最大，最好保持在0.8m及以上。同時根據前夾持器與孔口距離確定套管長度，一般為0.8～1.2m。（2）套管擴孔鉆進跟進步長不宜超過一根套管和螺絲頭長度之和，一般在1.2m以下。（3）施工鉆孔時，宜同化學泥漿鉆進工藝配合使用，確保排渣充分，孔內干凈。（4）套管擴孔跟進結束時，要留足時間，充分排粉，保證孔底干凈，避免孔底沉渣埋沒鉆頭。（5）套管底切削合金質量必須過硬，焊接必須牢固，確保套管鉆頭至少可以使用到穿過破碎易坍塌地段。（6）套管必須是國標地質套管，壁厚不能小于6mm，強度必須至少為

DZ40，套管絲扣宜為梯形扣。（7）套管擴孔跟進時，必須根據地層軟硬情況合理調整給進壓力和轉速，給進壓力一般為2MPa左右，轉速一般為100 r/min左右，確保套管不會被扭斷。（8）鉆桿鉆進時，最上一根套管加短接頭，以保護孔內套管絲扣。

五、存在的問題和建議

采用本工藝，雖然成功施工了7個氣源孔，但仍存在一些問題和需要改進的地方，并提出相應的建議，以便對本工藝時進行優化改進，更好地應用到在煤礦井下破碎、易坍塌地層條件下鉆孔施工上來。

（一）存在的問題：（1）在擴孔護壁套管鉆進時，由于鉆桿要靠孔底支撐力或孔壁摩擦力自然?？吭诳變?，因此本工藝適用于下行鉆孔和傾角小于20°左右的上行鉆孔，對于傾角大于20°左右的鉆孔，無法使用本工藝。（2）本工藝對套管材質、操作參數、套管鉆頭、循環跟進步長要求嚴格，一旦出現問題，鉆孔往往報廢，基本上沒有補救的余地。（3）本工藝操作相對復雜，對職工現場判斷能力和操作技能要求較高。（4）本工藝對套管跟進深度有嚴格的要求，一般不應大于25m，超過25m，則由于套管連接部分太多，被扭斷的機率大大增加。

（二）建議。（1）選取強度更高套管材，這樣，無論在跟進深度、給進壓力和轉速上均可進一步提高，對于深部存在易坍塌地層的鉆孔適用性更高。（2）設計鉆孔時，盡量選擇巷道斷面大的鉆場，鉆孔與巷道的夾角盡可能最小，以便鉆機前夾持器與孔口距離最大，套管可以更長，降低套管絲扣連接處被扭斷的機率。（3）本工藝適用于十分破碎、極易坍塌地層，對于一般破碎、坍塌地層，應優先選用化學泥漿鉆進工藝或其它鉆進工藝。

結語：本工藝可以相對自由地選擇鉆頭、套管的規格，可自由選擇水力和風力方式的排粉方式，地層適應性強，對套管的材質要求較低，結構簡單，易于加工，成本低廉，是在煤礦井下破碎、易坍塌地層條件下施工鉆孔的一種有效的手段。

本文從鉆孔施工中總結經驗，介紹了工藝流程，羅列了技術要點，分析了存在的問題，提出了合理改進的建議，為套管跟進鉆進工藝在井下破碎、易坍塌地層條件下鉆孔施工中的研究、改進、推廣提供了參考資料。

參考文獻：

[1] 柏建彪，李文峰，王襄禹等，等. 采動巷道底鼓機理與控制技術. 采礦與安全工程學報[J]. 中國礦業大學，2011，28（1）：1-5.