中煤科工集团西安研究院：空气螺杆马达软煤定向成孔技术

　　国内外首次成功施工松软煤层定向长钻孔，为松软煤层工作面“一孔两消”瓦斯治理模式的实现奠定了基础。

　　我国煤矿中约50%以上煤层属于松软煤层，随着煤层开采深度加深，高瓦斯碎软煤层比例越来越大。

　　煤矿井下定向钻技术可实现在煤层钻孔轨迹精准控制，但由于其采用液动螺杆马达，只适合煤层普氏系数大于1的完整煤层施工，在碎软煤层驱动液动螺杆马达的高压水易冲刷煤孔壁，造成钻孔坍塌、瓦斯喷孔事故而无法成孔。

　　软煤顺层钻孔成孔性好的方法是压风钻进，利用压缩空气排渣降温，减少对煤壁冲刷成孔性好。如何利用压缩空气钻进实现松软煤层定向钻进是解决顺层钻孔横穿软煤工作面有效手段，实现钻孔同时对工作面和待掘进巷道煤层瓦斯预抽消突(简称“一孔两消”)。

　　软煤定向钻进技术需要攻克空气螺杆马达、软煤随钻测量系统、软煤定向钻具、软煤定向孔筛管护孔等关键技术。其中空气螺杆马达是软煤定向钻进技术核心，目前国内外仅石油高风压空气钻进中少量应用空气螺杆马达，对于煤矿井下中风压工况和近水平钻孔借鉴意义不大，因此煤矿井下空气螺杆马达处于国内外技术空白状态。

　　中煤科工集团西安研究院依托“十三五”国家科技重大专项“碎软煤层双动力头双管定向钻进技术与装备的研究”、中煤科工集团西安研究院有限公司科研项目“松软煤层空气螺杆马达定向成孔试验研究”等，首次开发出适合软煤定向钻进的空气螺杆马达、电磁波随钻测量系统、软煤定向钻进工艺、软煤定向钻孔筛管护孔等技术，并在淮南某矿开展现场试验，形成了软煤空气螺杆马达定向钻进成孔技术，该技术为松软煤层工作面“一孔两消”瓦斯治理模式的实现奠定了基础，为松软煤层瓦斯高效治理提供了新思路。

软煤定向钻成孔瓦斯治理模式

▲“一孔两消”瓦斯治理模式

　　通过在煤层工作面一侧已掘进巷道采用空气螺杆马达定向钻进技术沿煤层施工顺层瓦斯抽采长钻孔，钻孔穿过工作面另一侧待掘进巷道至巷道外侧15~20 m控制范围。

　　钻孔完成后提钻下入可开闭式导向钻头和大通孔钻杆，再通过钻杆中心下入护孔筛管后将钻杆提出，筛管则留在孔内，之后连接瓦斯抽采管路进行瓦斯预抽，实现回采工作面和待掘进巷道瓦斯预抽消突目的。

软煤层中定向钻成孔关键技术

▲空气螺杆马达实物

　　空气螺杆马达需要满足启动压力低、风量满足排渣需要，输出转速和转矩满足正常钻进的需要。

▲无线电磁波随钻测量系统

软煤定向钻进工艺

　　空气螺杆马达定向钻进不同于液动马达定向钻孔施工，在软煤钻进过程中，由于煤层松软破碎、钻渣较多，为保证排渣和成孔效率采用复合定向钻进与滑动定向钻进相结合的方式。

　　复合定向钻进。供风后待孔口正常返风、螺杆马达正常运转时，开始回转钻进，钻机带动钻杆回转同时，孔内压风驱动空气螺杆马达运转从而带动钻头回转。此时，在整体式螺旋钻杆螺旋翼片搅动作用下，提高排渣效果，确保孔内畅通。

　　滑动定向钻进。当钻孔偏离设计轨迹时，可采用滑动定向钻进方式钻进施工，即通过调整螺杆马达朝向来进行轨迹调整或纠偏。定向纠偏完成后，则停止滑动定向钻进，更换回转复合钻进方式钻进。

定向钻孔下筛管具体工艺

▲筛管完孔工艺原理

　　在钻孔完成后，连接可开闭式导向钻头和整体式大通孔螺旋钻杆重新下钻，每隔一段连接送风器并通风，将钻孔内钻渣排出，确保下钻过程顺畅。

　　当下钻至预定深度时停止下钻，从整体式大通孔螺旋钻杆内部下入护孔筛管，筛管采用连续管或插接(丝扣)连接，当筛管推入孔底可开闭式导向钻头位置时，将钻头顶开，筛管能够通过钻头进入孔内。

　　筛管下到位后开始提出钻杆，将筛管留在孔内，钻头和钻杆提出孔外。为了防止筛管随钻杆提出孔外，可在筛管前端部连接悬挂装置。

现场应用

　　在淮南某矿开展软煤空气螺杆马达定向成孔试验，验证软煤定向钻成孔可行性。

　　在该煤矿井下国内外首次成功施工12 个孔深大于200 m软煤顺层定向长钻孔，全孔下筛管，最大孔深231 m，抽采瓦斯纯量12.56万m³，瓦斯体积分数50% 以上，其抽采效果是常规钻孔抽采量3~4倍，该技术可为松软煤层瓦斯高效治理提供了新思路。