碎軟煤層空氣泡沫復合定向鉆進技術研究

碎軟煤層空氣泡沫復合定向鉆進技術研究

碎渣和使節(jié)突出，具有較高的煤炭結構斷裂、高氣體含量、高壓力和通風性。它在中國的許多礦區(qū)廣泛分布。磚瓦泵技術效率低，管理難度大，瓦爾登事故頻發(fā)，嚴重影響了礦山的安全高效生產(chǎn)。碎軟煤層空氣定向鉆進技術是近幾年快速發(fā)展和推廣應用的一種鉆進技術，適用于碎軟煤層瓦斯抽采定向鉆孔的施工泡沫鉆進技術以穩(wěn)定泡沫為沖洗介質，泡沫攜渣能力較強，適用于煤層出水工況；同時，泡沫可以對螺桿鉆具降溫和潤滑，降低孔口煤塵，可為解決碎軟煤層空氣定向鉆進技術存在的上述問題提供技術借鑒。冀前輝等為此，在現(xiàn)有碎軟煤層空氣定向鉆進技術的基礎上，通過泡沫定向鉆進工藝技術研究，開發(fā)了碎軟煤層泡沫定向鉆進技術，配套了相關裝備，可以解決碎軟煤層空氣定向鉆進存在的上述問題。1碎渣層空氣定向開挖和空渣運移特性碎軟煤層空氣定向鉆進過程中，煤層未出水和出水2種情況下，鉆渣具有不同的運移特性。1.1孔口壓風監(jiān)控裝置設計碎軟煤層空氣定向鉆進以礦用移動式防爆空壓機輸出壓風為鉆進動力源和沖洗介質，驅動空氣螺桿馬達回轉碎巖鉆進，對空氣螺桿馬達進行降溫，并將鉆進產(chǎn)生的煤塵帶出鉆孔；鉆進過程中隨鉆測量系統(tǒng)測量鉆孔傾角、方位角和空氣螺桿馬達工具面向角等參數(shù)，通過定向鉆機回轉動力調整空氣螺桿馬達結構彎角朝向控制鉆進方向以調整鉆孔軌跡；孔口壓風監(jiān)控裝置實時監(jiān)測壓風壓力、流量，并具備孔內復雜工況應急處置功能；孔口除塵裝置用于孔內返出煤塵的降塵處理。碎軟煤層空氣定向鉆進具有壓風流量大、鉆進速度快、成孔深度大和瓦斯抽采效果好等特征。1.2渣、污水處理運移煤層未出水時，在壓風沖洗介質作用下鉆渣時而懸浮、時而沉降，以跳躍方式沿著鉆柱和鉆孔環(huán)空間隙向孔口運移，運移形式屬于氣固兩相流中的顆粒和顆粒群運動1.3引起鉆渣團聚性機理煤層出水時，在壓風作用下煤層水被吹散形成細小的霧狀液滴，鉆渣暴露在霧狀液滴中并吸收其水分，鉆渣顆粒變得潮濕。當出水量較大使氣體濕度達到飽和時，鉆渣顆粒之間的間隙由水分充填，形成鉆渣顆粒的“液橋”，引起鉆渣的團聚鉆渣團聚性C式中：C由式(1)可以看出，鉆渣顆粒越細小，質量越輕，團聚性越強；鉆渣顆粒間的作用力越大，團聚性越強。煤層出水量不同時鉆渣顆粒間呈現(xiàn)不同的團聚狀態(tài)。出水量較小時，鉆渣顆粒不形成團聚狀態(tài)，表現(xiàn)為孔口返出的鉆渣較為潮濕，鉆渣的運移不受影響；出水量逐步增加時，鉆渣顆粒間逐漸形成團聚狀態(tài)，鉆渣運移阻力增加，孔口返風量降低，采取回轉鉆桿掃孔加強孔內排渣，少部分鉆渣可以返出孔口；出水量較大時，孔內空氣濕度達到飽和或過飽和狀態(tài)，鉆渣顆粒相互團聚黏結形成糊狀，鉆渣運移阻力顯著增加，壓風沖洗介質已無法正常攜渣，此時空氣螺桿馬達停止回轉，孔口無返風，鉆渣無法從孔口正常返出。2碎渣層泡沫定向開挖技術2.1泡沫分散體系泡沫是指由氣體(分散相)和泡沫液(分散介質)組成的分散體系。氣體由井下靜壓風管路或移動式防爆空壓機提供，泡沫液一般由發(fā)泡劑、穩(wěn)泡劑和水等組成。氣體以沖擊射流的形式和泡沫液混合，形成穩(wěn)定、連續(xù)的泡沫分散體系。泡沫攜渣能力的評價指標主要包括懸浮能力和攜渣能力，懸浮能力是指泡沫處于靜止狀態(tài)時對鉆渣的懸浮性，由泡沫的靜切力決定；攜渣能力是指泡沫將鉆渣攜帶至孔口的能力，由泡沫的動切力和黏度決定。泡沫的體積一般要比鉆渣顆粒的體積大許多倍，鉆渣由泡沫承托著，只有在泡沫發(fā)生較大變形或發(fā)生破裂時鉆渣的懸浮性才會明顯降低，而鉆渣的重量一般小于泡沫和氣體之間的表面張力，泡沫變形量較小，因此，泡沫的攜渣能力較強，可達到水攜渣能力的7～8倍。2.2空氣螺桿馬達結構優(yōu)化碎軟煤層泡沫定向鉆進技術以泡沫為動力源和沖洗介質，驅動空氣螺桿馬達帶動鉆頭回轉碎巖鉆進，攜帶鉆進過程中產(chǎn)生的煤渣，以及煤層中可能出現(xiàn)的水，同時泡沫起到對空氣螺桿馬達潤滑和降溫的作用。復合定向鉆進過程中，在隨鉆獲取鉆孔軌跡參數(shù)(傾角、方位角)和空氣螺桿馬達工具面向角參數(shù)的基礎上，通過穩(wěn)定螺桿馬達結構彎角至特定方向以調整鉆孔軌跡。利用壓風監(jiān)控系統(tǒng)實時監(jiān)測供風壓力、流量，并具備孔內復雜工況的應急處置功能2.3孔底排渣“機械+泡沫”復合排渣技術1)穩(wěn)定高效發(fā)泡技術泡沫是氣體分散于液體中的分散體系，氣體是分散相(不連續(xù)相)，液體是分散介質(連續(xù)相)，而要形成滿足泡沫鉆進用的穩(wěn)定泡沫必須使用泡沫劑，它通常由發(fā)泡劑和穩(wěn)泡劑組成在優(yōu)選泡沫配制方案的基礎上，依據(jù)沖擊射流原理，開發(fā)了一體式?jīng)_擊射流發(fā)泡方案，如圖3所示。即按泡沫配制方案調配好泡沫液，向泡沫發(fā)生裝置中分別定量輸入泡沫液和壓風，泡沫液和壓風輸入方向相反，壓風經(jīng)沖擊導流板后分散為多股壓風，以加強泡沫液和壓風的混合效果。兩者在一次發(fā)泡區(qū)初步混合后進行初期發(fā)泡，之后進入二次發(fā)泡區(qū)進行充分發(fā)泡，以保證泡沫液受到壓風沖擊后形成穩(wěn)定連續(xù)的泡沫。2)“機械+泡沫”復合排渣技術碎軟煤層泡沫定向鉆進成孔深度大，煤渣產(chǎn)生量大且運移距離長，煤渣易沉積在孔底，使鉆頭重復破碎，降低鉆進效率；同時煤層出水時，孔內煤渣變得潮濕，相互團聚甚至形成糊狀，排渣阻力明顯增加，孔內沉渣量增多，卡鉆、埋鉆等復雜工況發(fā)生的風險顯著提高?！皺C械+泡沫”復合排渣技術原理：該技術結合泡沫排渣和異形鉆具機械攪渣的技術優(yōu)勢，利用泡沫懸浮性好、攜渣能力強的特點，可以減少孔底鉆渣的沉積量，同時泡沫可以帶出孔底積水，降低鉆渣運移阻力，提高排渣效率；在泡沫排渣的基礎上，利用空氣螺桿馬達和鉆桿外部的異形結構(螺旋、三棱)攪動孔內鉆渣，減小孔底鉆渣的沉積量，增強鉆渣運移能力“機械+泡沫”復合排渣工藝流程：碎軟煤層定向鉆孔開始施工時，鉆孔深度淺且煤層未出水時，鉆渣運移阻力較小，采用“機械+空氣”復合排渣可以滿足鉆進要求；鉆孔深度加大出現(xiàn)排渣不暢情況，但煤層未出水時，采用“機械+空氣”為主，“機械+泡沫”為輔的復合排渣方式強化排渣；鉆孔深度較深且煤層出水時，鉆渣排出較困難，采用“機械+泡沫”為主，“機械+空氣”為輔的復合排渣方式，排出含水的鉆渣，如圖4所示。3)“空氣+泡沫”復合鉆進技術單獨應用空氣定向鉆進技術時無法實現(xiàn)空氣螺桿馬達高效降溫和潤滑，以及處置孔內出水等工況；單獨應用泡沫定向鉆進技術存在孔口返出大量泡沫的高效消泡難題。為此，開發(fā)了“空氣+泡沫”復合鉆進技術，即在鉆進過程使用空氣和泡沫兩種沖洗介質，首先使用空氣作為沖洗介質進行空氣定向鉆進，鉆進一定時間或進尺后煤層未出水時，向孔內間歇性注入泡沫，以達到降溫和潤滑空氣螺桿馬達目的；當孔內煤層出水、孔口返渣量較小時，連續(xù)使用泡沫作為沖洗介質，以達到降溫、潤滑和排水的目的，待孔口返渣正常時，以空氣為沖洗介質，繼續(xù)向孔內間歇性注入泡沫間歇性向孔內注入泡沫沖洗介質的“空氣+泡沫”復合鉆進技術，可以發(fā)揮2種鉆進技術的優(yōu)勢，與泡沫鉆進技術相比，泡沫使用量降低50%～60%(按1h消耗量600L計算，可節(jié)約泡沫液300～360L)，減少了泡沫劑用量，降低了鉆進成本，減小了井下水污染。中風壓泡沫鉆進技術、碎軟煤層空氣定向鉆進技術和碎軟煤層泡沫定向鉆進技術3種碎軟煤層鉆進技術對比見表1。2.4定向鉆機安裝方案碎軟煤層泡沫定向鉆進配套裝備組成如圖5所示，主要包括定向鉆機、泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)、空氣螺桿馬達、異形鉆桿和隨鉆測量系統(tǒng)。1)定向鉆機定向鉆機用于提供給進、起拔和回轉動力、夾持和擰卸孔內鉆具、克服螺桿馬達鉆進反扭矩等，目前已形成系列化產(chǎn)品。與液動鉆進技術相比，泡沫定向鉆進技術對定向鉆機存在以下特殊要求：(1)泡沫定向鉆進時不使用水作為沖洗介質，不需要配套泥漿泵或泥漿泵車；(2)碎軟煤層所在巷道空間尺寸較小，在考慮成孔深度要求的基礎上，定向鉆孔成孔深度相對較淺，應盡量選擇窄體小型化定向鉆機?？蛇x定向鉆機型號包括ZDY4000LD(C)、ZDY6000LD(B)和ZDY6000LD(F)等。2)泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)主要包括井下移動式防爆空壓機、泡沫泵、泡沫液箱、泡沫發(fā)生器、氣體流量計、泡沫流量計和配套管路、閥門等部件，如圖6所示，主要部件的規(guī)格和作用見表2。3)空氣螺桿馬達空氣螺桿馬達是一種容積式動力鉆具，驅動介質為氣體、泡沫等，對碎軟煤層孔壁擾動小，適用于氣動定向鉆進?？諝饴輻U馬達由馬達總成、萬向軸總成、傳動軸總成組成，如圖7所示，馬達總成是空氣螺桿馬達的核心部件，決定著空氣螺桿馬達的輸出扭矩和轉速；萬向軸總成由萬向軸殼體和萬向軸組成，用于將馬達總成的星形運動轉換為同心運動；傳動軸總成主要由傳動軸、推力軸承組、傳動軸總成殼體等零件組成，用于將空氣螺桿馬達的動力傳遞給鉆頭。4)異形鉆桿為了提高鉆進排渣效果，可以選用外壁為螺旋或三棱結構的異形鉆桿，鉆桿中心可選擇是否安裝中心通纜組件，安裝中心通纜組件的異形鉆桿可配套有線隨鉆測量系統(tǒng)使用，未安裝中心通纜組件的異形鉆桿可配套電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)使用。5)隨鉆測量系統(tǒng)隨鉆測量系統(tǒng)用于在泡沫定向鉆進過程中隨鉆測量鉆孔傾角、方位角和空氣螺桿馬達工具面向角等參數(shù)，為鉆孔軌跡調整提供依據(jù)。可選用的系統(tǒng)主要包括YHD2-1000(A)型有線隨鉆測量系統(tǒng)和YSDC礦用電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)。3現(xiàn)場試驗3.1煤與瓦斯突出礦井試驗礦井選取安徽省宿州市某礦，井田位于淮北煤田宿縣礦區(qū)宿南向斜內，工作面采用走向條帶方式開采，自然垮落法管理頂板，為煤與瓦斯突出礦井。試驗鉆場位于94采區(qū)63.2鉆孔定向孔段1)試驗鉆孔設計試驗鉆孔包括1、2、3號孔，均自72)試驗配套設備試驗鉆孔施工配套設備主要包括ZDY4000LD(C)型全液壓定向鉆機、泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)(表1)、RDJK1型壓風監(jiān)控系統(tǒng)、ZFP-1型孔口除塵裝置、YSDC礦用電磁波無線隨鉆測量系統(tǒng)、?73mm空氣螺桿馬達、大通孔送風器、?73mm大通徑三棱螺旋鉆桿、?73mm無磁鉆桿、?108mm定向鉆頭等。3)試驗鉆孔施工方案試驗鉆孔定向孔段施工鉆具組合：?108mm定向鉆頭+?73mm空氣螺桿馬達+?73mm下無磁+?73mm探管外管(內部安裝礦用電磁波隨鉆測量探管)+?73mm絕緣短節(jié)+?73mm上無磁+?73mm大通徑三棱螺旋鉆桿+…+?73mm大通徑三棱螺旋鉆桿+大通孔送風器。1、2號鉆孔采用空氣定向鉆進技術施工，3號鉆孔采用泡沫定向鉆進技術施工。鉆進煤層未出水孔段時，應用“空氣+泡沫”復合鉆進施工方案，即空氣定向鉆進過程中間隔采用泡沫定向鉆進，間歇性向鉆孔內注入泡沫沖洗液，以達到降溫潤滑空氣螺桿馬達，降低孔口返出煤塵的目的；鉆進煤層出水孔段時，采用泡沫定向鉆進施工方案，利用泡沫排出孔內積水，降低鉆渣運移阻力，增強排渣效果，以提高成孔深度。3.3空氣定向鉆進在3號順煤層定向鉆孔中試驗泡沫鉆進工藝技術，0～106m煤層未出水孔段采用“空氣+泡沫”復合鉆進施工方案，鉆進過程正常，孔口煤塵較少；106m孔深位置煤層開始出水，采用空氣定向鉆進時孔口返風少，無煤渣返出，無法正常鉆進，此時切換為泡沫定向鉆進，大量泡沫從孔口返出帶出孔內積水，泡沫和水返出一定時間后鉆渣逐漸被攜帶出，待鉆進壓力和回轉壓力恢復正常后繼續(xù)鉆進，順利鉆至146m;146m孔深位置孔口沒有出現(xiàn)返水現(xiàn)象，判斷煤層未出水，切換為“空氣+泡沫”復合鉆進施工方案，順利施工至孔深232m。與未應用泡沫鉆進施工方案的1、2號順煤層定向鉆孔相比(煤層均出水)，成孔深度分別提高97%、105%，如圖9所示，顯著提高了順煤層定向鉆孔的成孔深度，有助于增強碎軟煤層瓦斯抽采效果。4順煤層定向鉆孔成孔深度a.基于泡沫高效攜渣原理，開發(fā)了碎軟煤層泡沫定向鉆進技術，在淮北宿州某礦開展了碎軟煤層泡沫定向鉆進技術應用試驗，順利施工了主孔深度232m的順煤層定向鉆孔，與應用空氣定向鉆進技術的1、2號鉆孔相比，成孔深度分別提高97%、105%，顯著提高了順煤層定向鉆孔的成孔深度。b．利