王中軒

(鄭煤集團楊河煤業(yè),河南鄭州 452370)

“三軟”突出煤層順層長鉆孔施工技術的研究與應用

王中軒

(鄭煤集團楊河煤業(yè),河南鄭州 452370)

針對“三軟”突出煤層順層鉆孔預抽瓦斯中存在的鉆孔施工困難的關鍵問題,介紹了裴溝煤礦所采用的新裝備、新工藝提高深層鉆孔深度。通過選擇合適的鉆機、鉆具、鉆孔施工技術、工藝和改進鉆孔設計等,提高了順層鉆孔的施工深度和鉆進效率,解決了突出煤層順層預抽中不能滿足區(qū)域消突需要的難題,確保了采掘工作面安全生產(chǎn)。

“三軟”突出煤層 順層長鉆孔 施工技術

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害事故的根本措施，2009年國家安全監(jiān)管總局實施的《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》中提出了“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的理念，強調突出煤層必須采取區(qū)域綜合防突措施并達到規(guī)定標準后方可進行采掘作業(yè)。對于“三軟”突出煤層，由于受煤層地質構造、力學性質、瓦斯，鉆機鉆具能力、 施工工藝等因素影響，在順層鉆孔施工中 ，鉆孔深度往往達不到設計深度，導致采掘工作面經(jīng)常出現(xiàn)預抽“空白帶”，給安全生產(chǎn)帶來了極大的突出威脅，因此，在“三軟”突出煤層中開展順層長鉆孔施工技術研究具有現(xiàn)實普遍意義。

1 試驗礦井概述

裴溝煤礦于1966年建成投產(chǎn)，是鄭煤集團的主力礦井之一，2012年度礦井瓦斯等級鑒定為煤與瓦斯突出礦井，主采的二1煤層屬“三軟”不穩(wěn)定突出煤層，地質條件較復雜，全層構造煤，煤層硬度系數(shù)f≤1，瓦斯壓力大、含量高，透氣性低。在施工區(qū)域防突措施鉆孔中，容易產(chǎn)生垮孔、卡鉆、噴孔等現(xiàn)象，成孔率低，不能滿足采掘面消突技術要求。

2 打鉆遇到的問題及原因分析

(1)鉆孔噴孔：當鉆孔進入軟煤分層時，鉆頭切削旋轉，對軟煤產(chǎn)生一種沖擊和破碎力，使煤體破裂、粉碎，破裂后的煤體立即產(chǎn)生解吸，快速的解吸使流入鉆孔中的瓦斯增加幾倍到幾十倍，使鉆孔的前方與后方出現(xiàn)了較大的瓦斯梯度，因而出現(xiàn)較明顯的瓦斯激流，承壓的瓦斯激對破碎的煤顆粒起著邊運送邊粉化的作用，由于鉆孔孔徑較小，瓦斯與粉化了的煤粉難以順利向孔外排出，進一步增加了鉆孔內外的瓦斯壓力梯度，致使這種涌出變成了爆炸性孔口外流，形成噴孔。

(2)夾鉆：夾鉆是與噴孔不同現(xiàn)象，但又是相互聯(lián)系或同時發(fā)生的一種現(xiàn)象，打鉆時因孔內出現(xiàn)塌孔、堵孔時，排渣不力，此時仍然鉆進，使堵孔、塌孔的范圍不斷擴大，使鉆機在運轉當中轉速降低，壓力升高，從孔內涌出瓦斯?jié)舛壬?，孔內破碎的煤體將鉆桿和鉆頭抱緊。造成鉆桿和鉆頭箍緊，鉆頭無法進退，就稱為夾鉆。夾鉆是嚴重的打鉆事故，往往可能出現(xiàn)扭斷鉆桿丟失鉆頭、鉆桿，長時間硬磨鉆桿，易引起煤體自燃，一氧化碳超限事故。

(3)吸鉆：前提是用螺旋鉆桿施工鉆孔，在煤粉排泄不暢的時候出現(xiàn)在旋轉中鉆桿自動前進的現(xiàn)象噴孔、夾鉆形成過程。

(4)噴孔、夾鉆、吸鉆形成過程可分成：煤體破碎→瓦斯聚積(瓦斯迅速解吸→孔壁破裂→持續(xù)鉆進→塌孔的范圍擴大→孔內堵塞→瓦斯梯度猛增→瓦斯釋放(突破堵塞→噴孔和卡鉆)三個階段。

圖1 裴溝煤礦31131工作面掘進期間試驗結果

3 提高孔深的技術途徑

選取裴溝煤礦31131工作面作為實驗工作面，確定風力排渣的合理供風參數(shù)，提高排渣能力。31131工作面可采走向長1720m，傾斜寬130m，工作面地質構造以單斜為主，煤層厚度平均8.5m，煤層傾角平均17°。掘進期間采取“順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯+順層預抽回采區(qū)域煤層瓦斯”的區(qū)域防突措施。

3.1 風力排渣工藝

順層長鉆孔成孔的關鍵是打鉆排渣工藝技術。采用風力排渣，用壓風作為介質排渣和冷卻鉆頭，其顯著的優(yōu)點在于壓風對孔壁的沖擊較弱，對瓦斯解吸影響小，能減弱鉆孔的噴孔和垮孔。因此，從技術上來看，風力排渣更適合于突出煤層順層長鉆孔的施工。其缺點主要是打鉆地點煤塵不易控制，多數(shù)礦井、采區(qū)的風壓、流量也不能滿足長鉆孔的要求；另外風力排粉易產(chǎn)生一氧化碳，發(fā)生煤體燃燒等事故。

31131工作面掘進期間，該礦對礦井壓風系統(tǒng)進行升級改造，使打鉆地點的風壓由以往正常時的0.5MPa逐步提升到0.8MPa以上，最大時達1.2MPa，確保足夠的排渣能力，取得了明顯的效果（如圖1）。

另外，該礦通過增加孔口撲塵器下設深度，引進負壓除塵裝置，提高了孔口降塵效果，通過制定防火防一氧措施，嚴禁鉆機原地長時間旋轉硬磨鉆頭，杜絕事故發(fā)生。

3.2 打鉆設備的改進

(1)鉆機：足夠能力的鉆機是施工順層長鉆孔的基礎。裴溝煤礦原來多采用ZY-750/150型全液壓支柱支撐式坑道鉆機作為主導鉆機機型，該型鉆機雖然在井下適應性強、解體性好、易搬遷，但因鉆進扭矩較小，鉆進效率低，現(xiàn)更換為ZY3200/1200型全液壓座式坑道鉆機后，鉆進扭矩由750KN提高到1200-3200KN，同時具有操作安全、解體性好、易搬遷等特點，鉆進效率高得到大幅度提高。

(2)鉆桿：原來以單一的光面圓鉆桿施工，現(xiàn)改進三棱鉆桿、螺旋鉆桿配合大功率鉆機，滿足了松軟煤層鉆進和本煤層大直徑鉆孔的排粉需要，極大的避免了鉆孔施工中因塌孔、噴孔、掉塊等形成的卡鉆、埋鉆等孔內事故。

(3)鉆頭：由原來的硬質合金鉆頭更換為以金剛石復合片(PDC)鉆頭為主，鉆頭規(guī)格主要有：φ75，φ94，φ113，φ133等；采用小口徑鉆頭開孔、逐級擴孔鉆進的方法，分層次、階段性逐級釋放瓦斯，既保證了鉆頭鉆進的穩(wěn)定性，又減少了一次成孔瓦斯突噴孔、鉆孔堵塞等事故的發(fā)生。

(4)其它輔助鉆具：試驗了用于定向鉆進用的穩(wěn)定器(導向管)，鉆孔軌跡測量的測斜儀，具有防噴、氣水分離功能的孔口裝置，負壓除塵裝置等。

順層深孔的施工，關健在于打鉆過程中，防止鉆桿下沉，保持鉆桿一定的直度。導向管定向鉆進技術就是在回轉鉆進的基礎上，在靠近鉆頭的10～20m的鉆桿上接上3～5個接近于鉆頭直徑的穩(wěn)定器(也稱導向管)，通過調整穩(wěn)定器的位置和數(shù)量，并配合相應的鉆進工藝參數(shù)，使鉆具對鉆頭產(chǎn)生向上、向下或保直鉆進的控制力，從而起到控制鉆孔軌跡的目的。主要適用于順層定向長鉆孔的施工及、煤層頂板高位水平定向鉆孔的施工。

3.3 鉆孔設計

鉆孔設計不能簡單化，一次完成。

31131工作面瓦斯抽采鉆孔設計由方案設計、分段設計、修訂設計3個部分鉆成。

布孔方案設計主要對工作面瓦斯抽放系統(tǒng)進行了設計。根據(jù)煤層和巷道狀況，按不留或少留空白帶的要求，對采掘進面前方全面布孔，明確布孔形式、鉆孔密度和安全技術措施。

鉆孔施工分段設計：結合不同地段已揭露或以探明的瓦斯地質情況和巷道條件，進行逐段設計，優(yōu)選鉆孔施工參數(shù)，實現(xiàn)了抽采鉆孔優(yōu)化。設計中包括鉆孔的方位角、傾角、孔深、孔徑和開孔點距底板高度等，并附有設計圖表。

鉆孔修訂設計：主要是對鉆孔參數(shù)的調整。由于煤層產(chǎn)狀和厚度不穩(wěn)定，鉆孔深處往往存在變化，因此必須及時判斷鉆孔前方的煤層賦存狀況，調整鉆孔設計參數(shù)，經(jīng)調整參數(shù)后施工的鉆孔基本能達到設計深度。

3.4 現(xiàn)場操作經(jīng)驗

(1)保持鉆孔連續(xù)、適速地鉆進。當發(fā)現(xiàn)孔口排出的煤渣較多或瓦斯涌出異常時，應減慢或停止鉆進，直到旋轉和排渣正常時再進鉆，必要時還應退掉幾根鉆桿后再邊排渣邊重新進鉆?，F(xiàn)場交接班時，在下一班人到之前一般不得停止鉆進，下一班到后應立即投入打鉆，使鉆孔連續(xù)不斷地鉆進。

(2)掌握給進壓力和鉆進速度：鉆機給進壓力的極限是固定的，不同層段要掌握不同的給進壓力，當給進壓力突然升高時，停止鉆進，進行壓風排碴，必要時撤鉆退鉆；保持適當?shù)你@進速度必須，軟煤分層中鉆進主要是降速，要比硬煤慢，通過降速充分排碴，減少沉碴，同時也起到降低給進壓力的作用。

(3)鉆機架設穩(wěn)固，盡量減少鉆進時鉆機移動。鉆機移位使鉆桿與鉆孔壁產(chǎn)生更大的摩擦力，易于導致夾鉆。

(4)合理的人員組織。長鉆孔的施工應盡可能選派打鉆經(jīng)驗豐富的班組；同時為及時處理打鉆中存在的問題，及時觀測、收集記錄打鉆數(shù)據(jù)，總結打鉆技術經(jīng)驗，每班安排管理人員跟班；加強打鉆人員技術素質的培訓，使他們不僅會使用鉆機、維修鉆機，還要弄懂松軟煤層打鉆技術和規(guī)范操作。

4 應用效果

裴溝煤礦通過對三軟”突出煤層順層長鉆孔的研究和應用，從打鉆工藝、打鉆設備和鉆孔設計等方面出發(fā)，采取綜合的技術措施，使90%以上順層鉆孔深度超過70m，甚至有達到100m以上的記錄，瓦斯抽采效率得到顯著提高，值得“三軟”突出煤層順層長鉆孔施工中推廣應用。

[1]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,2001.

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1992.

[3]雷洪波.松軟突出煤層順層抽放鉆孔施工及封孔技術研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2009.

王中軒,1968年11月生,河南省禹州市人,本科,助理工程師,從事煤礦安全管理工作。