張 紅 王 濱

(中煤科工集團工程科技有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

定向鉆機在趙莊煤礦松軟突出煤層鉆進中的應用實踐

張 紅 王 濱

(中煤科工集團工程科技有限公司,北京市朝陽區(qū),100013)

針對松軟突出煤層高應力易塌孔煤層鉆進過程中遇到噴孔、卡鉆、塌孔、抱鉆和煤炮等困難,趙莊煤礦采用ZDY－6000L全液壓定向鉆機進行了工業(yè)性試驗,采取了鉆頭沿著頂板或底板鉆進、水力排渣等技術措施。結果表明:定向鉆機配合高強度刻槽鉆桿鉆進與普通鉆機配合光面鉆桿鉆進相比較,可提高鉆進效率100%以上,提高鉆進深度30%以上,減少采煤工作面瓦斯抽采空白帶。

全液壓定向鉆機 松軟突出煤層 高強度刻槽鉆桿 光面鉆桿

1 趙莊煤礦概況

趙莊煤礦位于山西沁水煤田的東南,主采3＃煤層,煤層厚度為3.9～5.0 m,平均4.8 m。煤層瓦斯絕對涌出量為3.72 m3/min,原始瓦斯含量12.73 m3/t,原始瓦斯壓力測定值為0.71 MPa,煤層松軟,堅固性系數為0.23～0.65,透氣性差,透氣性系數4.0076～7.9727 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減快,鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.1525～0.2830 d－1,放散初速度快,為20～25 mm Hg。

趙莊煤礦煤層為松軟突出煤層,構造煤發(fā)育,瓦斯含量高,煤層破碎松軟,地應力大。采用普通鉆機配合普通光面鉆桿在煤層中施工順層瓦斯抽采孔時,極易發(fā)生鉆孔垮塌、鉆桿抱死,打不進鉆、卡鉆,甚至鉆桿斷裂、丟鉆現象。怎樣在松軟突出煤層中打出長鉆孔這個問題,不僅是趙莊礦目前面臨的最大問題,也是世界性的技術難題。

2 定向鉆機鉆進技術

定向鉆機技術在瓦斯抽采、遠距離防突、地質構造的定位探測等方面有著很好的應用效果。ZDY－6000L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機屬于自行式、低轉速、大轉矩類型,可采用復合片鉆頭施工深度約600 m的大直徑鉆孔,也可采用孔底動力鉆進,主要用于煤礦井下施工近水平長距離瓦斯抽放鉆孔,具有體積小、重量輕、性能可靠操作方便等優(yōu)點。為了在松軟突出煤層中有效進行瓦斯抽采,從2014年10月份開始到12月13日,趙莊煤礦引進國外進口ZDY－6000L全液壓定向鉆機,并做了定向鉆機在本煤層順層鉆孔中的工業(yè)性試驗。

3 本煤層順層鉆孔工業(yè)性試驗

3.1 試驗機具參數

ZDY－6000L全液壓定向鉆機其主要性能參數為:鉆孔深度100～350 m;終孔直徑150～200 mm;鉆桿直徑73～89 mm;鉆孔傾角0～± 90°;回轉速度60～210 r/min;最大轉矩6000 N·m;額定給進力190 k N;額定起拔力230 k N;功率75 k W;整機質量7000 kg;主機外形尺寸3.38 m×1.45 m×1.8 m(長×寬×高)。

3.2 試驗的具體實施方案

為了研究ZDY－6000L全液壓鉆機在趙莊煤礦松軟突出煤層中適用性,在趙莊煤礦3＃煤層33011掘進巷道兩側鉆場進行了工業(yè)性試驗,跟蹤考察ZDY－6000L全液壓鉆機配合高強刻槽鉆桿在松軟突出煤層中進行的鉆進打孔作業(yè)情況,針對現場遇到的實際情況進行技術改進,并與普通鉆機配合普通光面鉆桿在該試驗地點的試驗效果進行了對比研究。

圖1 33011掘進巷道鉆場布置圖

33011掘進巷道鉆場布置見圖1所示。由于現場實際工程條件的制約,研究試驗周期設定為60 d內。在趙莊煤礦采用ZDY－6000L全液壓定向鉆機配合高強度刻槽鉆桿進行鉆進作業(yè),累計有效鉆進時間為40 d,在33011掘進巷道施工定向鉆孔72個,總進尺約10759 m,平均孔深149 m,其中最深孔179 m,最淺孔40 m(斷層35 m遇矸);采用普通鉆機配合普通光面鉆桿累計有效鉆進時間為56 d,共完成鉆孔67個,累計鉆進深度為7469 m,平均深度為111.5 m。

為了提高試驗效率,普通鉆機跟定向鉆機進行分段交叉作業(yè)。施工普通鉆孔兩組,第一組累計有效鉆進時間為28 d,共完成鉆孔34個,累計鉆進深度為3756 m,平均深度為110.5 m;第二組累計有效鉆進時間為28 d,總累計鉆進深度為3713 m,鉆孔數33個,平均深度為112.5 m。鉆進的成孔最深孔深179 m,最淺孔深40 m(斷層35 m遇矸),個別鉆孔比較淺是由于發(fā)生孔內鉆桿折斷后,鉆桿沒有及時補充到現場,或者其它原因造成的,這種小概率事件是不可避免的,但并不影響試驗的總體成果。鉆進深度超過120 m之后,排渣不暢通,趙莊煤礦為了完成33011巷的鉆孔施工工程,要求鉆進超過120 m以上即可,不要求為了鉆孔深度而影響鉆進效率。

3.3 試驗結果分析

(1)本次試驗采用ZDY－6000L全液壓鉆機配合高強刻槽鉆桿進行鉆孔工作,高強度刻槽鉆桿是在普通光面鉆桿加厚的壁厚表面上用特種機具刻出螺旋槽,鉆進的過程中采用流體排渣與螺旋槽機械排渣的聯合方式,可以大大發(fā)揮高強度刻槽鉆桿在突出松軟煤層中鉆進的優(yōu)勢。

(2)采用ZDY－6000L全液壓鉆機配合高強度刻槽鉆桿平均施工鉆孔1.80個/d,進尺269 m/d;普通鉆機配合普通光面鉆桿平均施工鉆孔1.196個/d,進尺133.375 m/d。

(3)采用ZDY－6000L全液壓鉆機配合高強刻槽鉆桿較普通鉆機配合普通光面鉆桿打鉆,深度提高了33.63%,效率提高了101.7%。

(4)鉆孔施工由外包隊實施,由于打鉆工人急于要求進尺效率,在風壓過小的情況下,風力排渣的時間過短,致使鉆孔內部的煤渣容易積留而造成堵孔,使依靠風力排渣為主的高強度刻槽鉆桿難以發(fā)揮其最大的優(yōu)勢,后改為水力排渣,效果有了更大程度的提高。

(5)定向鉆進在松軟高突煤層中的鉆進效果考察總體上比較順利,雖然施工過程中也遇到了一些問題,比如斷桿,鉆桿轉動起來碰卡瓦,針對問題從材質、設計等方面對高強度刻槽鉆桿進行了改進,改進后以上情況很少出現。試驗過程中,現場打鉆作業(yè)工人對改進后的高強度刻槽鉆桿反應較好,排渣比普通光面鉆桿效果好,打鉆速度也比較快。

4 結論

(1)通過項目實施,定向鉆機配合高強度刻槽鉆桿鉆進與普通鉆機配合光面鉆桿鉆進相比較,可提高鉆進效率100%以上,提高鉆進深度30%以上,減少采煤工作面瓦斯抽采空白帶。

(2)采用扒孔降溫高強度刻槽鉆桿施工鉆孔,當鉆孔深部塌孔時,鉆桿不會被壓死,鉆桿表面的螺旋槽能夠輸通塌孔區(qū)并及時帶走鉆桿與鉆孔壁摩擦產生熱量,因此不會出現鉆孔瓦斯燃燒事故,有力的保證了復雜煤層條件下安全鉆進。

(3)采用高強度刻槽鉆桿施工鉆孔時,因刻槽對煤渣的機械作用,使鉆孔內的煤渣更容易被擠出,使孔內水力排渣更加順暢。

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(責任編輯 張艷華)

Application of directional drilling machine to soft outburst coal seam in Zhaozhuang Coal Mine

Zhang Hong,Wang Bin
(China Coal Technology and Engineering Group Co．,Ltd．,Chaoyang,Beijing 100013,China)

In view of many troubles in the period of drilling in soft outburst coal seam,such as jet orifice,drill pipe sticking or jamming,borehole collapse and coal burst,the industrial test of full hydraulic directional drilling machine(ZDY-6000L)was carried out in Zhaozhuang Coal Mine,and some measures were adopted,covering drilling along the roof or floor,hydraulic discharge of slag．Compared with normal drilling machine combined with smooth drill pipe,the results showed that the directional drilling machine combined with high-strength drill pipe could enhance the efficiency by over 100%,increase the depth by over 30%．

full hydraulic directional drilling machine,soft outburst coal seam,highstrength drill pipe with notch groove,smooth drill pipe

TD712.63

A

張紅(1963－),女,河北石家莊人,高級工程師,中煤科工集團工程科技有限公司煤礦工程事業(yè)部經理,主要從事機電設備、礦建工程、礦井施工工程等領域的管理工作。