Ⅰ 鑽孔事故類型及處理方法
煤礦井下近水平定向鑽孔事故可分為卡鑽事故和鑽具斷落事故兩類。
一、卡鑽事故
卡鑽事故指鑽具在孔內失去活動自由，既不能轉動又不能來回起下，這是定向鑽進過程中常見的鑽孔事故。卡鑽事故可能會發生在鑽進、起鑽、下鑽、循環沖孔以及設備檢修等過程中，可由多種原因造成，常見卡鑽類型主要有孔壁坍塌卡鑽、縮徑卡鑽和沉渣卡鑽三種。
(一)孔壁坍塌卡鑽
孔壁坍塌卡鑽是因孔壁失穩造成的，卡鑽原理如圖7-1所示。孔壁坍塌卡鑽是卡鑽事故中情況最為復雜的一種，因為處理這種卡鑽事故的工序最復雜，勞動強度最大，耗費時間最多，風險性最高，極易導致鑽具、儀器掉入孔內無法撈出的後果，造成財產損失，所以在定向鑽進施工中應盡力避免此類事故發生。煤層具有強度低、節理、應力復雜等特性，且孔壁坍塌卡鑽預兆不明顯、突發性強，這使得煤層定向鑽進孔壁坍塌卡鑽極為普遍，是一種最為常見的卡鑽事故。因此，孔壁坍塌卡鑽具有嚴重性、普遍性和突發性。
圖7-1 坍塌卡鑽示意圖
1.事故原因
造成孔壁坍塌的原因分為地質、物化和工藝三個方面。
(1)地質方面原因
1)地應力影響。這里所指的地應力包括原始地應力和次生地應力。原始地應力是地殼在不斷運動中，煤層中形成的不同構造應力(擠壓、拉伸、剪切等);次生地應力是在煤礦掘進、開采過程中，由於人為對原始煤層擾動形成的附加應力，這種擾動改變了煤層原始受力邊界條件，形成全新的應力分布。當煤層應力超過其自身強度時，便會產生斷裂並釋放能量;在應力尚未達到煤層本身強度時，這些應力則以潛能的方式存儲在煤層中，待機釋放。鑽孔鑽穿煤層後，鑽孔孔壁產生自由面，應力重新分配，當孔壁應力超過煤層強度極限時便會發生破裂，導致鑽孔孔壁坍塌，引發卡鑽事故。
2)地質構造影響。處於近水平狀態煤層穩定性較好，但由於構造運動，會發生局部區域斷裂、褶皺、滑動、升降等現象，使得本來穩定的煤層變得錯綜復雜，在地層中產生大量的破碎帶和裂隙帶，煤層穩定性大大降低。鑽遇此類煤層時，極易發生鑽孔孔壁坍塌和卡鑽事故。
3)煤層自身特性影響。我國大多數地區煤層本身具有節理發育、連續性差的特點，鑽進中易發生孔壁坍塌並導致卡鑽;煤層頂底板，乃至煤層中常有層理發育的泥頁岩層，泥頁岩層雖然橫向連續性較好，但近水平定向鑽進中鑽孔以與層理面近似平行的方向延伸，容易發生泥頁岩層以片狀從孔壁脫落坍塌，導致卡鑽。
(2)物化方面原因
定向鑽進沖洗介質多以清水為主，鑽進地層多為含水量較少的煤層和岩層。大量研究試驗表明，當煤層和岩層遭遇水浸入時，由於水化、毛細作用等，會產生應力變化，削弱煤層的結構強度，這是造成鑽孔坍塌的另一重要原因。
(3)鑽進工藝方面原因
1)沖洗液對孔壁的沖蝕作用。定向鑽進中，沖洗液排量較大，通常形成紊流態的高速返水，以滿足排渣的需要。但是，隨之而來的負面影響不容小覷，高壓水射流對孔壁煤層會產生嚴重沖蝕，尤其是在某一孔段長時間沖孔循環，極易造成孔壁坍塌，引起卡鑽事故。
2)鑽具對孔壁的撞擊。定向鑽進沖孔時，經常會伴有鑽具的轉動，轉動的鑽具會將鑽孔孔壁下緣沉積的煤屑攪起，以便水流將其攜出孔外，從而提高沖孔效率和改善沖孔效果。然而，鑽具在轉動攪動煤屑的同時對孔壁產生撞擊，這種撞擊容易使鑽孔孔壁煤層產生破壞脫落，從而導致孔壁坍塌，引起卡鑽事故。
2.事故預防
(1)合理的鑽孔布置設計
設計鑽孔時，在可滿足煤層瓦斯抽采需要的前提下，鑽孔布置應盡可能避開斷層、陷落柱、褶皺、高地壓等異常區域。
(2)探明並避開危險層位
地層資料不全的情況下，定向鑽進過程中，應主動探測危險層位，通過鑽進參數、孔口返水掌握其特點，並採用定向鑽進開分支技術避開危險層位，原理如圖7-2所示。
圖7-2 探明並避開危險層位
(3)採用帶反向切削齒的窄翼片定向鑽頭
鑽具嚴重卡死的位置一般位於鑽頭體肩部，相同卡鑽的情況下，連接寬翼片鑽頭的鑽具回拖阻力要高於窄翼片鑽頭。所以，在存在卡鑽隱患的地層中，應盡量選用窄翼片定向鑽頭。同時，為了提高鑽頭自行解卡的成功率，可在窄翼片鑽頭體肩部焊鑲反向切削齒。兩種定向鑽頭如圖7-3所示。
圖7-3 兩種定向鑽頭
(4)及時發現並處理孔內異常
鑽進過程中應注意給進、起拔、回轉壓力等工藝參數以及孔口返水的變化情況，任何一項指標發生突變應立即停止給進，及時分析原因並採取處理措施，防止卡鑽事故發生。
(5)針對地層選擇合理的鑽進工藝參數
定向鑽進過程中，根據現場施工經驗選擇合適的泥漿泵排量和沖孔鑽機轉速，一般情況下泥漿泵排量控制在150～250L/min之間，沖孔鑽機轉速在40～80r/min之間，以保證良好沖孔效果的同時維持鑽孔孔壁穩定。
3.事故處理
(1)強力回轉、起下鑽法
強力回轉、起下鑽法是處理坍塌卡鑽事故的首選方法。在採用該方法處理事故前，應先將定向鑽機扭矩調整在3000N·m擋，保證鑽機即使在最大扭矩情況下也不會將鑽具安全接手(連接孔底馬達和下無磁鑽桿的鈹銅接手)扭斷。處理事故時，快速起下手柄和回轉手柄同時配合使用，如圖7-4所示，可採用正轉轉速快速變化和快速起下鑽迅速反復轉換結合的方法(注意:嚴禁鑽具反轉)，將連續快速變化的扭矩和軸向力傳遞到孔內鑽具卡鑽處，在這種頻繁變化的扭矩及軸向力作用下，鑽具在孔內的變形也在不斷地快速變化，這種變化可使卡鑽處鑽具對坍塌碎屑產生擠壓和碾壓作用，將煤屑壓碎，使鑽具松動;同時，鑽具變形的快速變化，在鑽具卡鑽處產生震擊效果，有利於使卡鑽處坍塌碎塊產生松動，從而達到解卡的目的。處理事故時，應時刻注意鑽機系統壓力的變化，結合操作可判斷解卡是否成功。比如:處理過程中，在採用回轉、快速起下或兩者結合的情況下，油泵壓力較起初相同操作有所降低，說明卡鑽處鑽具開始松動。
圖7-4 回轉操作手柄和快速起下鑽操作手柄
在坍塌卡鑽後孔口返水可能有兩種現象:一種是返水變小、泥漿泵壓升高;另一種是返水停止、泥漿泵安全閥門憋開。孔口返水是一個好現象，在強力回轉、起下鑽法處理坍塌卡鑽時，鑽孔循環水流可對坍塌區域的煤碎塊產生沖蝕，加速鑽具解卡。在孔內水流循環因卡鑽中斷的情況下進行解卡處理時，應定時開泵，觀察孔口返水;若循環通道重新連通，應連續開泵循環，以加速解卡。
(2)套銑打撈
在強力回轉、起下鑽法處理無效的情況下，可考慮採用套銑打撈法。該方法使用專用套銑打撈鑽具(φ102mm打撈鑽桿配套φ107mm打撈鑽頭或φ127mm打撈鑽桿配套φ133mm打撈鑽頭、打撈送水器)以及12000N·m全液壓坑道鑽機打撈用動力頭和夾持器，採用回轉鑽進工藝套取孔內定向鑽具，打通卡鑽部位阻塞，再分別將打撈鑽具和定向鑽具依次提出，完成打撈，套銑打撈原理如圖7-5所示。12000N·m全液壓坑道鑽機打撈用動力頭和夾持器、套銑打撈鑽具將分別在本章第二、三節詳細介紹。
圖7-5 套銑打撈原理示意圖
套銑打撈具有一定的風險性，因為在套銑打撈過程中，打撈鑽具也存在著塌孔卡鑽的危險，因此，在套銑打撈鑽進過程中應時刻關注鑽進參數及孔口返水變化，一旦發現異常應及時採取處理措施，防止事故進一步惡化。
(3)採掘打撈
強力回轉、起下鑽法處理無效，套銑打撈存在較大風險的情況下，如果卡鑽位置處於待採掘區域，則可考慮在後期的煤層開采或巷道掘進時打撈卡鑽鑽具，這種打撈方法需要准確記錄和精確計算卡鑽鑽具的空間位置，以保證在後期的開采或掘進作業中，揭露並提出卡鑽鑽具。
(4)強力擰斷安全接手
在以上三種方法均無法有效實現打撈的情況下，可考慮強力擰斷安全接手來處理卡鑽事故，以使事故損失降至最低。安全接手是連接孔底馬達和下無磁鑽桿的鈹銅接手，其連接關系如圖7-6所示。該接手抗扭能力為3000～4000N·m。採用該方法的前提是卡鑽位置位於安全接手至鑽頭之間。
圖7-6 定向鑽具安全接手連接示意圖
(5)倒扣並採用反絲(左螺旋)公錐、母錐打撈
在以上四種方法均打撈無效的情況下，可採用鑽機反轉倒扣，使鑽具從孔內某處解扣，將解扣處至孔口段鑽具提出，再根據孔內落魚情況選用反絲公錐或反絲母錐配套反絲鑽桿套取卡鑽鑽具並反轉使其解扣，再將其提出，在權衡時間和經濟之後進行反復多次打撈。打撈公錐、母錐將在本章第三節詳細介紹。
(二)縮徑卡鑽
縮徑卡鑽就是由於孔徑縮小造成卡鑽，是指鑽頭通過的孔段岩層發生膨脹，使得孔徑發生縮小，其直徑小於鑽頭直徑，鑽頭無法順利回拖通過，造成卡鑽事故，縮徑卡鑽原理如圖7-7所示。縮徑卡鑽事故也是煤礦井下定向鑽進中常見的孔內事故，因其發展緩慢、徵兆較明顯，預防、處理均較坍塌卡鑽容易一些。
1.事故原因
煤礦井下定向鑽進過程中，縮徑卡鑽事故多數是由水敏性泥頁岩遇水膨脹、變形導致鑽孔縮徑造成的。而在煤層的頂板和底板乃至煤層內部，均普遍存在著此類泥頁岩層。
圖7-7 縮徑卡鑽原理示意圖
還有一種情況就是有些煤層頂、底板中存在含水的軟泥岩，這種泥岩表現出很強的塑性，當鑽穿這種岩層後，這種軟泥岩在地壓的作用下向孔內擠壓，導致鑽孔孔徑縮小而卡鑽。
2.事故預防
(1)查明並避開縮徑泥岩所在層位
通過查閱地質資料和定向鑽進主動探測的方法探明縮徑泥岩所在層位，通過鑽進參數及孔口返水掌握其特點，採用開分支孔的方法避開縮徑泥岩層。
(2)加強循環沖孔和劃眼
鑽進至水敏性泥頁岩時，由於泥岩水化速度較慢，因此在鑽進中一般不會立即出現縮徑卡鑽情況，但是在後期的鑽進、沖孔、劃眼、起下鑽時會出現阻卡現象。大量實踐表明:鑽進水敏性泥頁岩時孔口返水和其他非水敏性類型泥頁岩無明顯區別，因此在不得不穿越泥岩層的情況下，加強泥岩孔段沖孔和劃眼，必要時採用擴孔手段來預防卡鑽事故發生。
(3)及時發現並處理孔內異常
鑽進含水的軟泥岩層時，由於其塑性強，在地壓的作用下被擠入孔內，此時返水變得黏稠，並攜有軟泥塊;鑽進速度加快，泥漿泵壓升高;鑽機回轉及起下鑽阻力明顯增大。這種情況下應立即停止給進，開泵循環，並大幅度活動鑽具，將鑽具提離危險孔段。
3.事故處理
(1)強力活動鑽具
在遇卡初期，可嘗試採用類似坍塌卡鑽「強力回轉、起下鑽法」大幅度活動鑽具，爭取解卡。在起鑽過程中遇卡，應大力下壓;在鑽進中遇卡，應多提或強扭，下壓是沒有意義的。這種時候，捕捉時機非常重要，要在鑽具安全的前提下，敢於用大力，有可能迅速解決問題。如果活動數次(一般不超過10次)未能解卡，應採取其他措施。
(2)注入潤滑劑
若採用上述措施仍無法解卡，可用泥漿泵向孔內注入油類和清洗劑或潤滑劑，再配合活動鑽具，嘗試解卡。
(3)擰斷安全接手
當卡鑽位置位於安全接手以下並採用大力活動鑽具和注入潤滑劑兩種措施均無效的情況下，可採用強力回轉扭斷安全接手，將安全接手以上鑽具提出鑽孔。
(4)倒扣配合反絲公錐、母錐打撈
在以上三種方法均不能解卡時，可考慮採用類似坍塌卡鑽的處理方法，採用倒扣配合反絲公錐或母錐打撈剩餘鑽具。
(三)沉渣卡鑽
沉渣卡鑽指鑽屑在鑽孔內沉積，發生埋鑽導致的卡鑽。沉渣卡鑽相對坍塌卡鑽和縮徑卡鑽嚴重程度較低，也更容易處理。
1.事故原因
(1)地層因素
煤礦井下定向鑽進地層多為煤層。在節理發育的煤層中鑽進，煤屑顆粒較大，不易被返水攜出鑽孔，容易在孔內堆積，造成沉渣卡鑽。
(2)工藝因素
造成沉渣卡鑽的工藝因素主要包括:給進速度、泥漿泵排量選擇、沖孔作業等。定向鑽進速度過快會產生大量的大顆粒煤屑，這些大顆粒碎屑容易產生堆積導致卡鑽;較大泥漿泵排量可提高鑽孔返水速度，提高返水攜渣能力，有利於避免沉渣卡鑽事故的發生;定向鑽進中，定期沖孔可有效減少孔壁下側沉渣量，防止沉渣事故發生。
(3)鑽孔結構
在上仰孔段，由於水流方向和鑽屑重力分量———下滑力方向相同，有利於返水將鑽屑攜出鑽孔;在下斜孔段，水流方向和下滑力方向相反，水流需要克服鑽屑的下滑力才能將鑽屑攜出，這大大降低了返水攜渣的能力;水平孔段返水攜渣能力介於上仰孔段和下斜孔段之間。
(4)突發事件
主要指鑽進中遇到突發事件，如停電、鑽機故障無法運行等，泥漿泵無法向孔內供水，鑽具也無法提出孔外，孔內鑽屑堆積導致沉渣卡鑽。
2.事故預防
(1)做好施工准備工作
施工前，仔細檢查設備，排除存在的故障隱患;定期對設備進行保養，保證設備正常運轉。
(2)設計合理的鑽孔結構
鑽孔設計階段，選擇合理的鑽場位置，盡可能將鑽孔設計為上仰鑽孔或水平鑽孔，盡可能避免下斜鑽孔;尤其是大角度(≤-20°)下斜鑽孔結構的出現;鑽進施工階段，應在滿足生產需要的前提下保證鑽孔軌跡平滑，避免出現鑽孔軌跡大幅度起伏變化。
(3)選擇合理鑽進工藝參數
鑽進施工中，應根據現場實際情況，選擇合理的給進速度和泥漿泵量，保證在不產生大量大顆粒鑽屑的情況下實現高效鑽進。
(4)定期沖孔
正常定向鑽進中應定期進行沖孔，一般每鑽進30m沖孔一次，沖孔時間控制在20～40min，沖孔時根據實際情況選擇泵量在150～250L/min之間，同時可配合鑽機帶動鑽具回轉，轉速控制在40～80r/min之間。
3.事故處理
由於沉渣卡鑽事故屬於比較輕微的卡鑽事故，一般可直接通過強力回轉和起下鑽就可使鑽具解卡。在事故處理過程中，向孔內注水循環可能會出現兩種情況:一種情況是泥漿泵壓力升高，鑽機回轉、起下鑽壓力較不開泵循環時不變或有所降低，另一種情況是泥漿泵壓力升高，鑽機回轉、起下鑽壓力較不開泵時有明顯上升。第一種情況的原因是:沉渣卡鑽處鑽屑沉積較鬆散，可以建立水流循環，水流可對鑽屑產生沖蝕，如圖7-8(a)所示，這樣有利於鑽具解卡;第二種情況原因是:沉渣卡鑽處鑽屑沉積較密實，在鑽桿和孔壁環空中形成了一段鑽屑「活塞」，水流循環無法建立，在高壓水的擠壓下這個「活塞」產生變形，緊緊抱住中間的鑽具，從而導致鑽機回轉、起下鑽壓力升高，如圖7-8(b)所示，這樣不利於鑽具解卡。可見，在處理沉渣卡鑽時，一味地開泵循環未必有用，應根據現場的具體情況採取相應的處理措施。
圖7-8 沉渣卡鑽的兩種不同孔內情況
如果發生嚴重的沉渣卡鑽事故，則可考慮採用套銑打撈鑽具配套12000N·m全液壓坑道鑽機用動力頭和夾持器進行套銑打撈。
二、鑽具斷落事故
鑽具斷落是煤礦井下定向鑽進過程中經常遇到的鑽孔事故。有的情況比較簡單，處理起來比較容易，往往會一次成功。然而大多數鑽具斷落事故均伴隨著卡鑽事故的發生，如果處理不慎，會釀成新的事故。
1.事故原因
(1)疲勞破壞
疲勞破壞是金屬材料破壞的最基本的形式之一。鑽桿在長期的工作中承受拉伸、壓縮、彎曲、剪切等復雜應力，而且在某些情況下還承受頻繁的交變應力，這種應力達到一定強度和交變次數時，鑽桿則會發生疲勞破壞。
(2)機械破壞
鑽具發生機械破壞包括多個方面的原因，主要有:
1)鑽具生產製造中形成的缺陷導致鑽具機械性能先天不足，進而導致鑽具過早損壞。
2)鑽具在長期使用中的腐蝕和磨損，鑽具某些部位管壁變薄，強度降低，在外力作用下容易從鑽具的這些薄弱部位被拉斷或扭斷。
3)處理鑽孔事故時，不恰當地用強力活動鑽具，當應力超過鑽具強度極限時，就會把鑽具拉斷。
4)上扣不緊，使螺紋連接處鑽具失去螺紋台肩的支撐，在公母螺紋連接處產生頻繁的交變應力，加速螺紋磨損和疲勞破壞。
5)長期使用鑽桿而不對連接螺紋定期檢查，以致螺紋磨損造成鑽具脫落。
(3)事故破壞
1)在卡鑽事故處理中，為了採用反絲鑽具打撈卡鑽鑽具，不得不將一部分鑽具倒裝下入孔內。
2)在卡鑽事故處理中，為了減少經濟損失，人為將卡鑽鑽具從安全接手處強力擰斷，將孔底馬達、定向鑽頭留在孔內。
3)由於操作者的失誤造成鑽具反轉卸扣，將鑽具掉入鑽孔。
2.事故預防
要有效防止鑽具斷落事故，除了必須正確使用鑽具外，還應按照本手冊有關鑽具維護方法，做好鑽具日常的維護和管理工作。鑽具維護詳見第五章。
3.事故處理
(1)公錐打撈
打撈公錐按螺紋旋向可分為右螺紋公錐和左螺紋公錐(反絲公錐)。右螺紋公錐常應用於打撈非卡鑽情況下的掉鑽事故，左螺紋公錐主要應用於卡鑽時鑽具倒扣打撈的情況。兩種不同類型的打撈公錐的打撈原理是相同的，都是採用公錐高硬度的錐面絲扣在落魚魚頂通孔中造扣，將掉鑽鑽具和打撈鑽具連接，可實現拉力、壓力和扭矩的傳遞，最終通過提鑽或倒扣將事故鑽具打撈出來。
在煤礦井下定向鑽進中，常規通纜式鑽桿、上無磁鑽桿均安裝有通纜結構，探管外管內安裝有隨鑽測量探管，所以打撈公錐不適用於此類鑽具的打撈。
(2)母錐打撈
對於公錐不適於打撈常規通纜式鑽桿、上無磁鑽桿以及探管外管，可以用打撈母錐解決，打撈原理是採用母錐通孔中高強度錐面絲扣在被其套住的落魚魚頂造扣，將掉鑽鑽具與母錐連接起來，並可傳遞拉力、壓力和扭矩，再通過提鑽或倒扣的方法打撈事故鑽具。
(3)開分支孔避開斷落鑽具
在多次打撈無效或經卡鑽多次倒扣打撈後繼續打撈的經濟和時間效益不合理的情況下，可更換鑽具選擇合適的位置開分支，避開掉鑽鑽具，方法如圖7-9所示。
圖7-9 開分支孔避開斷落鑽具示意圖