为解决煤矿井下定向钻机冲洗液含固率高、循环利用率低而导致排污管道及水仓压力大的问题。首先，阐述了定向钻机冲洗液耗水量大、直接排放的使用现状；其次，基于钻进工况下，提取煤、泥岩、砂岩、砂质泥岩、灰岩等典型煤岩层的钻渣进行分析，筛分得出钻渣粒径主要集中分布在1.5~0.5mm和小于0.5mm的2个区间，分别约占34%和58%；最后，根据固液两相的粒径分布规律，创新性的提出一种一级粗分离+二级精过滤新技术，即一级粗分离采用自清洁固液分离装置分离粒径大于0.5mm的颗粒，二级精过滤采用陶瓷膜过滤粒径小于0.5mm的颗粒，形成了定向钻机冲洗液自动循环控制技术。
文章来源：《智能矿山》2024年第7期 专题报道：智能钻探技术与应用
作者简介：冯桂弘，硕士，主要从事煤矿钻探装备的研究工作
作者单位：中煤科工集团重庆研究院有限公司
引用格式：冯桂弘，陈果，龙威，等 . 井下定向钻进冲洗液自动循环利用技术[J].智能矿山，2024，5（7）：45-49.
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全国重点煤系矿区70%缺水，40%严重缺水，13个煤炭基地中10个基地缺水，尤其是晋陕蒙宁地区，水资源匮乏，并且回收利用率低。钻孔施工是煤矿井下生产的重要环节，瓦斯及水害治理均采用先抽后采或者先探后采的原则，主要治理方式为超前钻孔。定向钻孔是以水为介质的钻进施工，钻孔过程中产生含大量煤岩渣的冲洗液，含渣量大于15000mg/L，远超其他生产领域产生的含渣量（一般小于1000mg/L），给井下水仓、排污管道、地面处理站和环境造成严重影响。
目前，对于煤矿井下钻进冲洗液循环利用研究较少，大部分矿井采用自然沉淀处理，实现钻屑的固液粗放式分离，分离后的液相中微小颗粒含量较高，无法循环利用，只能通过排污管道排放到水仓，然后由泵输送至地面处理后排放或再利用。近年来，我国矿井水污染状况越来越严重，受到国家有关部门的高度重视，特别是定向钻进技术的大量推广，导致钻孔施工用水量增加。面对煤矿区水污染治理严格要求的压力，开展煤矿井下定向钻进冲洗液循环利用装备的研制势在必行。
定向钻进技术是井下深孔精确定向的钻孔施工技术，可精确控制钻孔轨迹，但是高压泥浆泵、孔底马达等装置对冲洗液中固相含量要求严格，若未经处理直接泵入孔底马达，易造成内部卡钻，加速泵、马达的磨损，大幅降低使用寿命。
定向钻进过程中，需要大量高压冲洗液为螺杆马达提供旋转动力和孔内冲渣动力。定向钻进孔径大，钻进速度快，单位时间内产生的钻渣较多，并伴随冲洗液排出孔外。以中煤科工集团重庆研究院有限公司（简称中国煤科重庆煤科院）研制的ZYWL—6000D定向钻机（配备直径3mm、5/6头孔底马达）为例，平均用水量达10.8m3/h（包含辅助间歇用水时间）。
近年来，随着煤矿井下定向钻进技术与装备的普及应用，单台定向钻机日用水量可达100m3，同一巷道多台钻机设备同时用水，出现“抢水”局面，且排出孔外的冲洗液，经简单渣水分离或钻场就近水池沉淀，分离出来的液相含固率较高，无法循环利用，只能直接通过排污管道排往水仓，给煤矿正常安全生产带来巨大负荷。
定向钻进技术早期运用于本煤层顺层长钻孔，近年来，定向钻进技术成功运用到煤层顶底板硬岩钻进，即顶板高位大直径定向长钻孔和底板穿岩顺煤层钻孔。因此，定向钻进环境以煤层为主，临近煤层的岩层以泥岩、砂岩、砂质泥岩、灰岩等典型岩层为主。
钻渣粒径大小与煤层特性、钻进动力参数及钻头刀翼间距等因素有关。定向钻机基于孔底螺杆马达带动PDC钻头切削煤岩层，通过钻孔试验取样，采用水平、垂直、倾斜的三次元运动筛选工艺方法，筛选不同钻渣粒径进行分组称重统计，得出不同粒径钻渣所占比例，具体参数见表1。
表1 不同粒径钻渣所占比例/%
定向钻进在不同煤岩层钻孔得到的钻渣粒径，主要分布在1.5～0.5mm和<0.5mm的2个区间，平均各约占34%和58%；目前煤矿井下采用渣水分离方法，易实现粒径为1.5～0.5mm的渣水分离。矿井水按照水质特性主要划分为洁净矿井水、高悬浮物矿井水、高矿化度矿井水、含特殊组分矿井水和酸性矿井水。粒径小于0.5mm的渣水属于高悬浮物矿井水。
针对含渣矿井水通常采取的处理技术主要包括平流沉淀法、连续压滤固液分离法、多级高频脱水筛固液分离法、沉降过滤离心机固液分离法等，都可有效完成粒径大于0.5mm的渣水分离；但要实现定向钻进冲洗液循环利用，满足泥浆泵、流量计等水路系统，特别是螺杆马达对水质的使用要求，必须有效处理粒径小于0.5mm的颗粒。基于此，本文提出一级粗分离+二级精过滤的新技术。
分析目前主流的固液分离机构振动筛、离心机等性能，自清洁高效固液分离装置满足截留粒径大于0.5mm的钻屑。研究设计无缝对接的异型盘组结构、回转盘与滤条平板组合结构、链条式多级回转盘组同步传动系统，集成形成一套稳定运行的自清洁固液分离装置，如图1所示，该装置分离原理：渣水经过装置入料口，水相与小颗粒钻屑从转盘与滤条组成的筛网间隙滤出，堆积在转盘间的大颗粒固体物质经过每级转盘的回转运动，将一部分上层堆积物传送排出，其余附着在缝隙间的物质被转盘刮落、清扫进入下一级精过滤系统。实现高效处理大颗粒钻渣，并快速送渣到二级精过滤系统。
图1 自清洁固液分离装置原理
经过一级粗过滤后，冲洗液内含有粒径小于0.5mm高悬浮物的固液两相渣水。通过对比分析多种成熟的精过滤技术，陶瓷膜水净化是分离精度高、使用寿命长、产水率高、出水水质稳定、占地面积相对小，且不受原水水质波动影响的处理技术。陶瓷膜过滤原理如图2所示，膜的结构内部中空，并设有多个竖向集水通道，通过泵的负压抽吸，冲洗液从膜板侧面吸入内部给水管，固相颗粒杂质被截留在膜外，水则由集水管汇总排出。
图2 陶瓷膜过滤原理
通过产水特性、反冲洗特性及耐磨抗污堵特性的研究，可实现含固率小于0.2%的超低浊度产水。采用简洁处理工艺，设计开发紧凑化膜组件，保证装备的高集成度，可在井下巷道内便捷移机转运。
为达到定向钻进冲洗液自动循环利用的使用要求，首先针对选中的膜元件进行膜系统工艺设计，通过软件模拟膜系统各种运行工况，确定最终工艺流程，同时编制膜系统的自动控制流程，模拟各控制单元操作顺序；在此基础上开展防爆自控阀门与传感器选型，并集成结构与管路设计试制，再设计自动控制方法，形成一套专用陶瓷膜分离系统。同步开展与整套定向装备联调，测试膜系统的运行流量、压力参数，通过试验调整系统的运行参数，使系统最终达到稳定运行效果。整机实现系统连续自动化运行，保证无人值守情况下可自动化运转，大幅降低施工强度。定向钻进冲洗液自动循环利用工艺流程和成套装备系统分别如图3、图4所示。
图3 定向钻进冲洗液自动循环利用工艺流程
图4 定向钻进冲洗液自动循环成套装备系统
定向钻进冲洗液自动循环步骤：①水箱中的低压清水经过泥浆泵的加压，通过钻杆输送到孔底，驱动孔底马达转子运动，带动钻头回转破岩。产生的渣水混合物经由孔道回返至孔口装置；②气相瓦斯被负压抽放集中处理，固液两相混合物因重力进入渣水分离装置，经过一级粗过滤后，大颗粒钻渣被传送到出渣装备；③剩余的粒径小于0.5mm的固液混合物进入二级精过滤系统，通过陶瓷膜分离作用，经固体筛分至出渣装置排出，产出的净化水被抽吸至水箱，重新进行循环利用。
产水过程中，可定时监测产水压力和流量变化，判断是否进行反冲洗处理，实现全过程钻进冲洗液的自动循环作业。
冲洗液自动循环装置样机完成装配调试后，根据定向钻机钻孔排渣施工工艺要求，连接好配套的产水管路、反冲洗管路、反冲洗泵驱动油路及产水箱液位传感器等管路，模拟定向钻进返回渣水的工况开展试验，冲洗液自动循环装置如图5所示，其主要技术参数见表2。
表2 冲洗液自动循环装置主要技术参数
在一级固液分离机入料口加入煤屑，煤水比例分别为5%、10%和20%进行性能试验，样机产水性能测试数据见表3。
表3 样机产水性能测试数据
冲洗液自动循环装置自动运行期间，各泵组依据设定值及液位传感器、压力及流量传感器自行调整运行参数，当中转箱液位低时，自动停机；每间隔30min，自动切换阀门进行反冲洗；通过9h连续运行，验证了其自动运行能力。
根据试验数据分析如下：
（1）一级过滤后粒径小于0.5mm的高悬浮物进入膜池，每间隔30min进行反冲洗，产水压力维持在−0.20~−0.23MPa，实现了含固率小于0.2%超低浊度产水，验证了膜耐磨抗污堵特性。
（2）当煤水比例分别为5%、10%、20%不同浓度时，产水量约为12.8m3/h，波动较小，验证了该装置定时反冲洗条件下产水性能稳定。
（1）目前，井下钻场钻孔渣水处理技术处于人工起步阶段，大部分矿井采用逐级沉淀的方法进行分离，少数矿井采用振动筛进行渣水分离，主要依靠人工抽水排渣，机械化程度低。钻孔渣水就地处理并循环利用鲜见文献报道和实际运用，因此，钻进冲洗液自动循环利用技术具有一定的先进性。
（2）钻进冲洗液自动循环利用技术装备适用于定向钻进、液动冲击钻进、水力冲孔、水力割缝和压裂等矿井，用水量大的钻孔施工现场，钻孔用水回收率大于70%，就地处理水成本低于地面处理水成本，有效解决了同一巷道多台设备同时施工因“抢水”而影响生产进度的问题。
（3）满足智能化矿井开采渣水不落地，降低水仓和排污管道压力，达到标准化管理的目的，减少了矿井水的外排浪费和环境污染。
