碎軟煤層空氣泡沫復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)研究

碎軟煤層空氣泡沫復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)研究

碎渣和使節(jié)突出，具有較高的煤炭結(jié)構(gòu)斷裂、高氣體含量、高壓力和通風(fēng)性。它在中國的許多礦區(qū)廣泛分布。磚瓦泵技術(shù)效率低，管理難度大，瓦爾登事故頻發(fā)，嚴(yán)重影響了礦山的安全高效生產(chǎn)。碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)是近幾年快速發(fā)展和推廣應(yīng)用的一種鉆進(jìn)技術(shù)，適用于碎軟煤層瓦斯抽采定向鉆孔的施工泡沫鉆進(jìn)技術(shù)以穩(wěn)定泡沫為沖洗介質(zhì)，泡沫攜渣能力較強(qiáng)，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(jìn)技術(shù)存在的上述問題提供技術(shù)借鑒。冀前輝等為此，在現(xiàn)有碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過泡沫定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)研究，開發(fā)了碎軟煤層泡沫定向鉆進(jìn)技術(shù)，配套了相關(guān)裝備，可以解決碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)存在的上述問題。1碎渣層空氣定向開挖和空渣運(yùn)移特性碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)過程中，煤層未出水和出水2種情況下，鉆渣具有不同的運(yùn)移特性。1.1孔口壓風(fēng)監(jiān)控裝置設(shè)計(jì)碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)以礦用移動式防爆空壓機(jī)輸出壓風(fēng)為鉆進(jìn)動力源和沖洗介質(zhì)，驅(qū)動空氣螺桿馬達(dá)回轉(zhuǎn)碎巖鉆進(jìn)，對空氣螺桿馬達(dá)進(jìn)行降溫，并將鉆進(jìn)產(chǎn)生的煤塵帶出鉆孔；鉆進(jìn)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(dá)工具面向角等參數(shù)，通過定向鉆機(jī)回轉(zhuǎn)動力調(diào)整空氣螺桿馬達(dá)結(jié)構(gòu)彎角朝向控制鉆進(jìn)方向以調(diào)整鉆孔軌跡；孔口壓風(fēng)監(jiān)控裝置實(shí)時監(jiān)測壓風(fēng)壓力、流量，并具備孔內(nèi)復(fù)雜工況應(yīng)急處置功能；孔口除塵裝置用于孔內(nèi)返出煤塵的降塵處理。碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)具有壓風(fēng)流量大、鉆進(jìn)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(yùn)移煤層未出水時，在壓風(fēng)沖洗介質(zhì)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(yùn)移，運(yùn)移形式屬于氣固兩相流中的顆粒和顆粒群運(yùn)動1.3引起鉆渣團(tuán)聚性機(jī)理煤層出水時，在壓風(fēng)作用下煤層水被吹散形成細(xì)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(dāng)出水量較大使氣體濕度達(dá)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(tuán)聚鉆渣團(tuán)聚性C式中：C由式(1)可以看出，鉆渣顆粒越細(xì)小，質(zhì)量越輕，團(tuán)聚性越強(qiáng)；鉆渣顆粒間的作用力越大，團(tuán)聚性越強(qiáng)。煤層出水量不同時鉆渣顆粒間呈現(xiàn)不同的團(tuán)聚狀態(tài)。出水量較小時，鉆渣顆粒不形成團(tuán)聚狀態(tài)，表現(xiàn)為孔口返出的鉆渣較為潮濕，鉆渣的運(yùn)移不受影響；出水量逐步增加時，鉆渣顆粒間逐漸形成團(tuán)聚狀態(tài)，鉆渣運(yùn)移阻力增加，孔口返風(fēng)量降低，采取回轉(zhuǎn)鉆桿掃孔加強(qiáng)孔內(nèi)排渣，少部分鉆渣可以返出孔口；出水量較大時，孔內(nèi)空氣濕度達(dá)到飽和或過飽和狀態(tài)，鉆渣顆粒相互團(tuán)聚黏結(jié)形成糊狀，鉆渣運(yùn)移阻力顯著增加，壓風(fēng)沖洗介質(zhì)已無法正常攜渣，此時空氣螺桿馬達(dá)停止回轉(zhuǎn)，孔口無返風(fēng)，鉆渣無法從孔口正常返出。2碎渣層泡沫定向開挖技術(shù)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(zhì))組成的分散體系。氣體由井下靜壓風(fēng)管路或移動式防爆空壓機(jī)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(biāo)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?fàn)顟B(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(qiáng)，可達(dá)到水?dāng)y渣能力的7～8倍。2.2空氣螺桿馬達(dá)結(jié)構(gòu)優(yōu)化碎軟煤層泡沫定向鉆進(jìn)技術(shù)以泡沫為動力源和沖洗介質(zhì)，驅(qū)動空氣螺桿馬達(dá)帶動鉆頭回轉(zhuǎn)碎巖鉆進(jìn)，攜帶鉆進(jìn)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(dá)潤滑和降溫的作用。復(fù)合定向鉆進(jìn)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(dá)工具面向角參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過穩(wěn)定螺桿馬達(dá)結(jié)構(gòu)彎角至特定方向以調(diào)整鉆孔軌跡。利用壓風(fēng)監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)測供風(fēng)壓力、流量，并具備孔內(nèi)復(fù)雜工況的應(yīng)急處置功能2.3孔底排渣“機(jī)械+泡沫”復(fù)合排渣技術(shù)1)穩(wěn)定高效發(fā)泡技術(shù)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(zhì)(連續(xù)相)，而要形成滿足泡沫鉆進(jìn)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(chǔ)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(diào)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(fēng)，泡沫液和壓風(fēng)輸入方向相反，壓風(fēng)經(jīng)沖擊導(dǎo)流板后分散為多股壓風(fēng)，以加強(qiáng)泡沫液和壓風(fēng)的混合效果。兩者在一次發(fā)泡區(qū)初步混合后進(jìn)行初期發(fā)泡，之后進(jìn)入二次發(fā)泡區(qū)進(jìn)行充分發(fā)泡，以保證泡沫液受到壓風(fēng)沖擊后形成穩(wěn)定連續(xù)的泡沫。2)“機(jī)械+泡沫”復(fù)合排渣技術(shù)碎軟煤層泡沫定向鉆進(jìn)成孔深度大，煤渣產(chǎn)生量大且運(yùn)移距離長，煤渣易沉積在孔底，使鉆頭重復(fù)破碎，降低鉆進(jìn)效率；同時煤層出水時，孔內(nèi)煤渣變得潮濕，相互團(tuán)聚甚至形成糊狀，排渣阻力明顯增加，孔內(nèi)沉渣量增多，卡鉆、埋鉆等復(fù)雜工況發(fā)生的風(fēng)險顯著提高。“機(jī)械+泡沫”復(fù)合排渣技術(shù)原理：該技術(shù)結(jié)合泡沫排渣和異形鉆具機(jī)械攪渣的技術(shù)優(yōu)勢，利用泡沫懸浮性好、攜渣能力強(qiáng)的特點(diǎn)，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(yùn)移阻力，提高排渣效率；在泡沫排渣的基礎(chǔ)上，利用空氣螺桿馬達(dá)和鉆桿外部的異形結(jié)構(gòu)(螺旋、三棱)攪動孔內(nèi)鉆渣，減小孔底鉆渣的沉積量，增強(qiáng)鉆渣運(yùn)移能力“機(jī)械+泡沫”復(fù)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(yùn)移阻力較小，采用“機(jī)械+空氣”復(fù)合排渣可以滿足鉆進(jìn)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(jī)械+空氣”為主，“機(jī)械+泡沫”為輔的復(fù)合排渣方式強(qiáng)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(jī)械+泡沫”為主，“機(jī)械+空氣”為輔的復(fù)合排渣方式，排出含水的鉆渣，如圖4所示。3)“空氣+泡沫”復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)單獨(dú)應(yīng)用空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)時無法實(shí)現(xiàn)空氣螺桿馬達(dá)高效降溫和潤滑，以及處置孔內(nèi)出水等工況；單獨(dú)應(yīng)用泡沫定向鉆進(jìn)技術(shù)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(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，即在鉆進(jìn)過程使用空氣和泡沫兩種沖洗介質(zhì)，首先使用空氣作為沖洗介質(zhì)進(jìn)行空氣定向鉆進(jìn)，鉆進(jìn)一定時間或進(jìn)尺后煤層未出水時，向孔內(nèi)間歇性注入泡沫，以達(dá)到降溫和潤滑空氣螺桿馬達(dá)目的；當(dāng)孔內(nèi)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(zhì)，以達(dá)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(zhì)，繼續(xù)向孔內(nèi)間歇性注入泡沫間歇性向孔內(nèi)注入泡沫沖洗介質(zhì)的“空氣+泡沫”復(fù)合鉆進(jìn)技術(shù)，可以發(fā)揮2種鉆進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢，與泡沫鉆進(jìn)技術(shù)相比，泡沫使用量降低50%～60%(按1h消耗量600L計(jì)算，可節(jié)約泡沫液300～360L)，減少了泡沫劑用量，降低了鉆進(jìn)成本，減小了井下水污染。中風(fēng)壓泡沫鉆進(jìn)技術(shù)、碎軟煤層空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)和碎軟煤層泡沫定向鉆進(jìn)技術(shù)3種碎軟煤層鉆進(jìn)技術(shù)對比見表1。2.4定向鉆機(jī)安裝方案碎軟煤層泡沫定向鉆進(jìn)配套裝備組成如圖5所示，主要包括定向鉆機(jī)、泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)、空氣螺桿馬達(dá)、異形鉆桿和隨鉆測量系統(tǒng)。1)定向鉆機(jī)定向鉆機(jī)用于提供給進(jìn)、起拔和回轉(zhuǎn)動力、夾持和擰卸孔內(nèi)鉆具、克服螺桿馬達(dá)鉆進(jìn)反扭矩等，目前已形成系列化產(chǎn)品。與液動鉆進(jìn)技術(shù)相比，泡沫定向鉆進(jìn)技術(shù)對定向鉆機(jī)存在以下特殊要求：(1)泡沫定向鉆進(jìn)時不使用水作為沖洗介質(zhì)，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(chǔ)上，定向鉆孔成孔深度相對較淺，應(yīng)盡量選擇窄體小型化定向鉆機(jī)?？蛇x定向鉆機(jī)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(jī)、泡沫泵、泡沫液箱、泡沫發(fā)生器、氣體流量計(jì)、泡沫流量計(jì)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(dá)空氣螺桿馬達(dá)是一種容積式動力鉆具，驅(qū)動介質(zhì)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(jìn)?？諝饴輻U馬達(dá)由馬達(dá)總成、萬向軸總成、傳動軸總成組成，如圖7所示，馬達(dá)總成是空氣螺桿馬達(dá)的核心部件，決定著空氣螺桿馬達(dá)的輸出扭矩和轉(zhuǎn)速；萬向軸總成由萬向軸殼體和萬向軸組成，用于將馬達(dá)總成的星形運(yùn)動轉(zhuǎn)換為同心運(yùn)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(dá)的動力傳遞給鉆頭。4)異形鉆桿為了提高鉆進(jìn)排渣效果，可以選用外壁為螺旋或三棱結(jié)構(gòu)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(jìn)過程中隨鉆測量鉆孔傾角、方位角和空氣螺桿馬達(dá)工具面向角等參數(shù)，為鉆孔軌跡調(diào)整提供依據(jù)?？蛇x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(yàn)3.1煤與瓦斯突出礦井試驗(yàn)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(nèi)，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(yàn)鉆場位于94采區(qū)63.2鉆孔定向孔段1)試驗(yàn)鉆孔設(shè)計(jì)試驗(yàn)鉆孔包括1、2、3號孔，均自72)試驗(yàn)配套設(shè)備試驗(yàn)鉆孔施工配套設(shè)備主要包括ZDY4000LD(C)型全液壓定向鉆機(jī)、泡沫發(fā)生灌注系統(tǒng)(表1)、RDJK1型壓風(fēng)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(dá)、大通孔送風(fēng)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(yàn)鉆孔施工方案試驗(yàn)鉆孔定向孔段施工鉆具組合：?108mm定向鉆頭+?73mm空氣螺桿馬達(dá)+?73mm下無磁+?73mm探管外管(內(nèi)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(fēng)器。1、2號鉆孔采用空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)施工，3號鉆孔采用泡沫定向鉆進(jìn)技術(shù)施工。鉆進(jìn)煤層未出水孔段時，應(yīng)用“空氣+泡沫”復(fù)合鉆進(jìn)施工方案，即空氣定向鉆進(jìn)過程中間隔采用泡沫定向鉆進(jìn)，間歇性向鉆孔內(nèi)注入泡沫沖洗液，以達(dá)到降溫潤滑空氣螺桿馬達(dá)，降低孔口返出煤塵的目的；鉆進(jìn)煤層出水孔段時，采用泡沫定向鉆進(jìn)施工方案，利用泡沫排出孔內(nèi)積水，降低鉆渣運(yùn)移阻力，增強(qiáng)排渣效果，以提高成孔深度。3.3空氣定向鉆進(jìn)在3號順煤層定向鉆孔中試驗(yàn)泡沫鉆進(jìn)工藝技術(shù)，0～106m煤層未出水孔段采用“空氣+泡沫”復(fù)合鉆進(jìn)施工方案，鉆進(jìn)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(jìn)時孔口返風(fēng)少，無煤渣返出，無法正常鉆進(jìn)，此時切換為泡沫定向鉆進(jìn)，大量泡沫從孔口返出帶出孔內(nèi)積水，泡沫和水返出一定時間后鉆渣逐漸被攜帶出，待鉆進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)壓力恢復(fù)正常后繼續(xù)鉆進(jìn)，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(fù)合鉆進(jìn)施工方案，順利施工至孔深232m。與未應(yīng)用泡沫鉆進(jìn)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(qiáng)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(jìn)技術(shù)，在淮北宿州某礦開展了碎軟煤層泡沫定向鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用試驗(yàn)，順利施工了主孔深度232m的順煤層定向鉆孔，與應(yīng)用空氣定向鉆進(jìn)技術(shù)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