郭涌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077)

寬葉螺旋鉆中風(fēng)壓鉆進(jìn)技術(shù)在晉城某礦的應(yīng)用

郭涌

(中煤科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077)

針對(duì)晉城某礦井下沿煤層瓦斯抽采鉆孔在施工過程中遇到煤層含水量較大時(shí)，孔內(nèi)返風(fēng)不暢，排粉效果差，影響鉆孔孔深和成孔率等問題，采用寬葉片螺旋鉆桿中風(fēng)壓鉆進(jìn)工藝及試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明該工藝在含水量較大的煤層沿煤層瓦斯抽采(放)孔鉆進(jìn)施工中較為理想，值得推廣。

寬葉片螺旋鉆桿;中風(fēng)壓;松軟突出煤層;鉆進(jìn)技術(shù)

在晉城藍(lán)焰煤業(yè)股份有限公司某礦進(jìn)行寬葉片螺旋鉆桿項(xiàng)目生產(chǎn)試驗(yàn)施工過程中，遇到該煤層含水量較大，孔內(nèi)返風(fēng)不暢，排粉效果差，鉆孔孔深達(dá)不到預(yù)期深度和成孔率低的難題。根據(jù)實(shí)際問題，在中風(fēng)壓鉆進(jìn)工藝的基礎(chǔ)上，采用73/63.5 mm寬葉片螺旋鉆桿進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，取得了較好的效果，初步解決了鉆孔深度淺和成孔率低的問題。

1 試驗(yàn)地點(diǎn)及煤層條件

1.1 地質(zhì)條件

某礦四盤區(qū)內(nèi)地層出露正常，一般為二疊系上、下石盒子組和第四系地層。從下到上發(fā)育的地層有:中奧陶統(tǒng)馬家溝組，中石炭統(tǒng)本溪組，上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組、下石盒子組，上二疊統(tǒng)上石盒子組，第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)。

四盤區(qū)水文地質(zhì)條件比較復(fù)雜。地表水、上覆含水層、采空區(qū)積水、奧灰承壓水各種情況均存在。其中3號(hào)煤層頂板為一層含水性砂巖，富水性強(qiáng)。

1.2 煤層及頂?shù)装鍘r性特征

3號(hào)煤位于山西組下部，沉積穩(wěn)定，上距山西組頂界32.07 m，下距山西組底界1.45 m，距9號(hào)煤48.81 m，9號(hào)煤平均煤厚0.90 m;距15號(hào)煤86.68 m，15號(hào)煤平均煤厚3.40 m。煤層呈灰黑色，似金屬光澤，堅(jiān)硬致密，具貝殼狀或階梯狀斷口，節(jié)理裂隙發(fā)育，且常被方解石或黃鐵礦脈充填，均一塊狀結(jié)構(gòu)。

2007年礦井瓦斯等級(jí)鑒定:礦井瓦斯絕對(duì)涌出為287.49 m3min，相對(duì)涌出量為17.55 m3min，礦井為高瓦斯礦井。瓦斯涌出量由東向西隨著開采深度的加大，在向斜軸部及其它一些封閉性構(gòu)造區(qū)內(nèi)，容易積聚有大量的瓦斯。隨著采動(dòng)影響，會(huì)向外界運(yùn)移和釋放。

此外，四盤區(qū)局部區(qū)域?yàn)橥咚雇怀鐾{區(qū)域，煤塵爆炸指數(shù)為8.40%～9.74%，無爆炸危險(xiǎn)性;自燃性發(fā)火傾向Ⅳ級(jí)，不易自燃。

煤層地質(zhì)柱狀圖如圖1所示。

1.3 鉆孔布置及設(shè)備布置

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備平面布置圖如圖2所示。

2 試驗(yàn)設(shè)備及機(jī)具

2.1 鉆機(jī)

現(xiàn)場(chǎng)采用專為本次試驗(yàn)改造的ZDY4000L型轉(zhuǎn)盤式全液壓履帶坑道鉆機(jī)(見圖3)，該鉆機(jī)具有搬遷方便、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍寬、扭矩大、結(jié)構(gòu)合理、技術(shù)性能先進(jìn)、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、操作省力、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)為:配套鉆桿73～75 mm，鉆孔傾角－5°～25°，鉆機(jī)質(zhì)量5500 kg，回轉(zhuǎn)速度70～240 r/min，回轉(zhuǎn)扭矩4000～1050 N·m，給進(jìn)/起拔能力123 kN，最大爬坡能力20°，運(yùn)輸狀態(tài)外行尺寸3100 mm×1450 mm×1700 mm。

圖1 四盤區(qū)地質(zhì)柱狀圖

圖3 ZDY4000L型轉(zhuǎn)盤式全液壓履帶坑道鉆機(jī)

2.2 鉆具

鉆具主要包括鉆桿和鉆頭。

該螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 寬葉片螺旋鉆桿結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 除塵系統(tǒng)

圖5 密封器實(shí)物圖

2.4 空壓機(jī)及輔助設(shè)備

空壓機(jī)選用復(fù)盛MLG－27.7/12－220G型空氣壓縮機(jī)。

輔助設(shè)備主要是CX－100－MA型旋進(jìn)漩渦流量計(jì)，可以準(zhǔn)確掌握鉆進(jìn)過程中的壓風(fēng)流量和風(fēng)壓。

3 成孔工藝

3.1 施工流程(見圖6)

3.2 組合鉆具及鉆進(jìn)規(guī)程

3.2.1 組合鉆具

水平長鉆孔鉆進(jìn)通常使用2種定向鉆進(jìn)技術(shù):孔底穩(wěn)定組合鉆具和孔底馬達(dá)?？椎遵R達(dá)精度高，軌跡控制方便，但是造價(jià)高，工藝流程復(fù)雜，而孔底穩(wěn)定組合鉆具結(jié)構(gòu)簡單、可操作性強(qiáng)、對(duì)沖洗介質(zhì)要求較低、造價(jià)低等優(yōu)勢(shì)。結(jié)合本試驗(yàn)的具體情況決定采用組合鉆具對(duì)鉆孔軌跡進(jìn)行控制。

圖6 施工工藝流程圖

孔底組合鉆具由鉆頭、穩(wěn)定器和鉆桿3部分組成，主要有上仰、保直、下斜3種組合形式(如圖7所示)。主要工作原理是穩(wěn)定器外徑接近或基本接近鉆頭外徑，相當(dāng)于支點(diǎn)，通過調(diào)整穩(wěn)定器的數(shù)量及安放位置來調(diào)整鉆具組合以實(shí)現(xiàn)不同定向效果。利用鉆桿自身的重力、給進(jìn)力、離心力及其彎曲所形成的撓曲變形對(duì)與其剛性連接的鉆頭產(chǎn)生作用，使鉆孔軌跡上仰、基本保持原方向不變或下斜，以達(dá)到不同的鉆孔定向目的。

圖7 孔底組合鉆具示意圖

上仰組合鉆具的工藝原理(圖7a):鉆進(jìn)過程中，在靠近鉆頭穩(wěn)定器的支撐作用下，利用鉆桿自重，使該穩(wěn)定器后的鉆桿向下彎曲，在鉆壓和離心力的作用下，彎曲加劇，使鉆頭切削孔壁上側(cè)巖石，鉆孔軌跡上仰。

保直組合鉆具的工藝原理(圖7b):穩(wěn)定器等間距布置于鉆頭后鉆桿之間使整個(gè)鉆具在鉆孔中達(dá)到了“滿、剛、直”，鉆進(jìn)過程中鉆頭不對(duì)或很少對(duì)孔壁產(chǎn)生切削作用，從而使鉆孔軌跡沿原方向延伸。

下斜組合鉆具的工藝原理(圖7c):在保直組合鉆具的基礎(chǔ)上，將第一個(gè)穩(wěn)定器位置后移，拉大其與鉆頭的間距，利用穩(wěn)定器的支撐作用，減小整個(gè)鉆具對(duì)鉆頭及與之連接鉆具的束縛，增加其自由度，充分發(fā)揮鉆具自重的作用，并在自重作用下使鉆孔軌跡下斜。

3.2.2 鉆進(jìn)規(guī)程參數(shù)

鉆進(jìn)工藝參數(shù)鉆壓、轉(zhuǎn)速、風(fēng)量對(duì)水平孔定向鉆進(jìn)組合鉆具的定向產(chǎn)生一定影響。

(1)鉆壓也稱軸向壓力。對(duì)于近水平鉆孔的軌跡而言，在不考慮其它影響因素的情況下，加大鉆壓會(huì)使近水平鉆孔的偏斜趨勢(shì)加強(qiáng)，特別是在鉆孔已出現(xiàn)明顯彎曲的情況下。在松軟煤層中風(fēng)壓鉆進(jìn)過程中，鉆壓越大，鉆頭切入煤層的深度就越大，切削的顆粒也越大，不容易被沖出孔外，在鉆孔下方堆積，鉆桿在堆積物的支撐作用下，迫使鉆頭切削鉆孔上側(cè)機(jī)會(huì)加大，使鉆孔軌跡上斜。鉆壓對(duì)近水平孔軌跡的影響不僅表現(xiàn)在傾角的變化上，而且也表現(xiàn)在方位角的變化上。試驗(yàn)過程中鉆壓在7～13 MPa范圍內(nèi)。

(2)轉(zhuǎn)速。在中風(fēng)壓排粉鉆進(jìn)過程中，轉(zhuǎn)速對(duì)于鉆孔軌跡的影響不可忽視，在采用低轉(zhuǎn)速進(jìn)行近水平鉆進(jìn)時(shí)，由于重力作用，鉆頭總是處于鉆孔的孔壁下側(cè)，切削孔壁下側(cè)巖石的時(shí)間多于孔壁上側(cè)，使鉆孔軌跡向下偏斜的趨勢(shì)增加;若采用高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)，由于高轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的離心效應(yīng)比較大，使得鉆頭對(duì)孔壁巖石的切削趨于均勻，可以減小鉆孔軌跡向下偏斜的趨勢(shì)。當(dāng)然，僅靠高轉(zhuǎn)速所產(chǎn)生的離心力還不足以抵消鉆具重力及其它因素所造成的偏斜力。因此在鉆進(jìn)過程中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況控制轉(zhuǎn)速的高低，提高鉆進(jìn)效率。試驗(yàn)過程中轉(zhuǎn)速范圍為90～135 r/min。

(3)采用壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)進(jìn)行排粉鉆進(jìn)時(shí)，為了獲得較高的鉆進(jìn)速度，必須保證鉆桿與孔壁之間環(huán)狀間隙的返風(fēng)速度，生產(chǎn)實(shí)踐和理論計(jì)算表明，該返風(fēng)速度最小應(yīng)達(dá)到15.2 m/s以上，最佳風(fēng)速為23 m/s左右。

在實(shí)際試驗(yàn)中，考慮到空壓機(jī)的工作特征，管路以及鉆具的泄露，要達(dá)到較好的鉆進(jìn)效果，實(shí)際供風(fēng)量100 mm以下的瓦斯抽放鉆孔，單孔的供風(fēng)量應(yīng)該在8～10 m3min，鉆進(jìn)效果較好。

4 試驗(yàn)情況與分析

4.1 試驗(yàn)情況

以空氣鉆進(jìn)為主螺旋疏導(dǎo)鉆孔為輔，螺旋鉆桿在旋轉(zhuǎn)過程中葉片不斷攪動(dòng)鉆屑，使沉積在鉆孔下部的鉆屑漂浮起來，配合空氣將鉆屑排出。煤層出水后，煤屑與孔內(nèi)水混合在一起附著在孔壁上，增加排渣難度。采用寬翼片螺旋鉆桿后，螺旋翼片可以有效的對(duì)附著在孔壁上的鉆屑進(jìn)行刮削，疏導(dǎo)鉆孔，最終利用壓力風(fēng)將煤粉排除。本階段共施工鉆孔5個(gè)，孔深300 m以上鉆孔3個(gè)，總進(jìn)尺1183 m。各鉆孔具體情況見表1。

表1 鉆孔統(tǒng)計(jì)

4.2 試驗(yàn)分析

(2)經(jīng)過改造的除塵系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)使用情況較好，在煤層鉆進(jìn)過程中，除塵效率高，鉆遇巖石層時(shí)相對(duì)以前有了較大的改觀，保障了現(xiàn)場(chǎng)工作人員的健康。

(3)通過對(duì)C118－2、C117－2、C116號(hào)孔成孔的過程分析可以看出，4222副巷鉆孔在施工至150 m左右時(shí)，煤層潮濕，有時(shí)孔內(nèi)開始有少量返水，這時(shí)容易出現(xiàn)憋風(fēng)、排渣困難等現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)會(huì)堵死鉆頭，無法形成循環(huán)回路，因此要根據(jù)實(shí)際情況注水進(jìn)行排渣。

(4)C118、C117號(hào)2個(gè)鉆孔沒有達(dá)到設(shè)計(jì)深度，不全是因?yàn)榕涮坠に嚰笆┕ぱb備的問題，而是現(xiàn)場(chǎng)其他不可預(yù)見的問題引起的。

5 結(jié)論及建議

(1)經(jīng)過改造的ZDY4000L型全液壓轉(zhuǎn)盤式坑道鉆機(jī)，能夠滿足和適應(yīng)某礦四盤區(qū)的巷道條件和地質(zhì)條件，該鉆機(jī)操作簡單，搬遷安裝方便，提高了工作效率和降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

(3)經(jīng)過改造的WDL－20型無動(dòng)力除塵器，除塵能力強(qiáng)，現(xiàn)場(chǎng)粉塵小，密封效果好，除塵效率高，能夠滿足現(xiàn)場(chǎng)的使用要求。

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Application of Wide Blade Auger Drill with Medium Air Pressure in Jincheng Coalmine

GUO Yong(Xi’an Research Institute of China Coal Technology and Engineering Group Corp.，Xi’an Shaanxi 710077，China)

Great water content in coal seam was encountered in the construction of gas extraction drilling in Jincheng，aiming to the problems of bad in-hole ventilation，poor powder exhaust effect and the affection to borehole depth and hole completing rate，wide blade auger drilling technology with medium air pressure was adopted.The field test proves that this technology application is ideal in such construction conditions.

wide blade auger drilling rod;medium air pressure;soft outburst coal seam;drilling technology

P634

A

1672－7428(2012)03－0043－04

2011－09－15

郭涌(1978－)，男(漢族)，寧夏石嘴山人，中煤科工集團(tuán)西安研究院工程師，建筑工程專業(yè)，碩士，從事煤礦井下坑道鉆機(jī)技術(shù)的研究及推廣工作，陜西省西安市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)錦業(yè)一路82號(hào)，guoyong@cctegxian.com。