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        提高煤層頂板抽采鉆孔鉆進(jìn)速度技術(shù)研究

        2018-07-28 07:21:26朱定華
        科技資訊 2018年7期
        關(guān)鍵詞:技術(shù)

        朱定華

        摘 要:中梁山煤田屬急傾斜近距離突出煤層群,煤層群的發(fā)育特征及其賦存的開發(fā)地質(zhì)環(huán)境條件嚴(yán)重的制約了煤層氣開發(fā)技術(shù)的可選擇性,故開采前采取穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。由于煤系地層中含有大量鐵質(zhì)泥巖、硅質(zhì)灰?guī)r、菱鐵礦層等堅(jiān)硬巖石,傳統(tǒng)打鉆方法進(jìn)度慢、效率低、材耗多。利用力學(xué)原理,改進(jìn)打鉆工藝,提高鉆進(jìn)速度,降低材料消耗。

        關(guān)鍵詞:抽采鉆孔;鉆進(jìn)速度:技術(shù)

        中圖分類號(hào)::TD712 .62 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1674-098X(2018)03(a)-0000-00

        重慶中梁山煤田屬急傾斜近距離突出煤層群,建有南礦、北礦二個(gè)自然礦井。礦井煤層在開采過程中均有突出危險(xiǎn)(K2除外),因此,在對(duì)煤層進(jìn)行掘進(jìn)和開采前必須預(yù)抽瓦斯。抽采巷道布置在煤層頂板或底板,采取穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯。由于煤巖系地層中含有大量茅口灰?guī)r、長(zhǎng)興灰?guī)r、鐵質(zhì)泥巖、硅質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等堅(jiān)硬巖石(f≥12),傳統(tǒng)的抽采鉆孔施工方式打鉆困難、進(jìn)度緩慢、效率低下、材料消耗大,造成礦井北翼工作面布置不能按時(shí)完成,給采掘接替帶來重大影響,對(duì)保護(hù)層掘進(jìn)和開采帶來嚴(yán)重安全威脅。因此,需要對(duì)原打鉆工藝進(jìn)行改進(jìn),以提高鉆孔施工速度。

        1 礦井概況

        中梁山井田煤巖系為二疊系上統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l),北礦區(qū)內(nèi)含煤10層(編號(hào)K1~K10),煤層總厚14.91m。根據(jù)巖性組合特征,可分為三段,含煤段區(qū)集中在一、二段內(nèi),可采和局部可采煤層9層,煤層傾角68°~72°,層間距3~10m。北礦屬于煤與瓦斯突出礦井,瓦斯、煤塵、自燃發(fā)火、頂板、地下水等災(zāi)害非常嚴(yán)重。

        1.1 煤系地層巖性狀況

        (1)鐵質(zhì)泥巖:為深灰色泥巖,巖層中含有大量菱鐵礦,分布于K1煤層頂部,俗稱“鐵板石”,厚度4m,巖石硬度系數(shù)f≥12。

        (2)泥質(zhì)巖:以灰色、灰黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,其次為灰黑色炭質(zhì)泥巖、灰~淺灰色粘土巖,分布于K1~K2煤層之間。

        (3)粉砂巖:以灰色泥質(zhì)粉砂巖、菱鐵質(zhì)粉砂巖為主,分布于K2~K3煤層、K8~K9煤層之間。

        (4)砂巖:以灰色細(xì)砂巖為主,其次為中粒砂巖,局部發(fā)育有粗粒砂巖,分布于K3~K5煤層、K9~K10煤層之間。

        (5)灰?guī)r:為深灰色硅質(zhì)灰?guī)r及泥灰?guī)r,分別俗稱“小鐵板”和“大鐵板”,小鐵板厚度0.8m,巖石硬度系數(shù)f≥13,大鐵板厚度3.5m,巖石硬度系數(shù)f≥15,分布于K5~K7煤層之間。

        (6)煤層:以亮煤為主,暗煤次之,夾鏡煤細(xì)條帶及絲炭透鏡體,含有菱鐵礦或黃鐵礦結(jié)核,占含煤巖系總厚的13.34%。

        1.2 抽采巷道及鉆孔布置情況

        根據(jù)中梁山煤層賦存條件、巖性特征、煤層氣運(yùn)移規(guī)律,采用穿層鉆孔預(yù)抽煤層氣【1】。井下抽采巷道一般布置在煤層底板的茅口灰?guī)r內(nèi),距離K10煤層20~30米,抽采鉆孔從茅口灰?guī)r開口,穿透十層煤至K1頂板。二000年以后,北礦北端地質(zhì)情況和煤層賦存條件發(fā)生了變化,礦井開拓方式也進(jìn)行了調(diào)整,在220m水平北端C8~C10段,140m水平北端C8~C10段,煤層沿走向往北出現(xiàn)向下傾伏,煤層底板的茅口灰?guī)r消失,從220mNC8以北,140mNC8以北,只能將抽采巷道布置在煤層頂板方向的西外長(zhǎng)興灰?guī)r段P2L3中,抽采巷距離K1煤層50~70米,每隔40米布置一個(gè)鉆場(chǎng),在鉆場(chǎng)內(nèi)安裝鉆機(jī)施工抽采鉆孔,鉆孔在西外長(zhǎng)興灰?guī)r開口,從煤系地層頂板向底板施工穿層鉆孔,分別穿過K1、K2···K9、K10煤層,呈立體網(wǎng)格狀布置(如圖1、圖2)。

        2 傳統(tǒng)鉆孔施工工藝及課題提出

        中梁山北礦抽采鉆傳統(tǒng)施工方式:使用全液壓鉆機(jī),φ50mm鉆桿進(jìn)行抽采鉆施工,鉆頭采用φ65mm三翼鉆頭外套φ75mm空心鉆頭,全斷面切割施工,鉆頭組合長(zhǎng)度小于1米,空心鉆頭無專門反水槽,在巖石硬度系數(shù)f<8的巖層中打鉆時(shí)能夠保證施工進(jìn)度,但遇粘土軟巖石時(shí),容易發(fā)生堵塞甚至“燒鉆”。由于礦井北端抽采巷布置在西外長(zhǎng)興灰?guī)r中,巖石沉積不穩(wěn)定,層位變化大,富含菱鐵礦、黃銅礦石,特別是K1頂板的鐵質(zhì)泥巖(I4),煤系中的大鐵板(I3)、小鐵板(I2)等堅(jiān)硬巖石,打鉆進(jìn)度十分緩慢,施工效率極低。

        為了不影響礦井北翼工作面布署,加快打鉆進(jìn)度,北礦采取從打鉆工藝和管理著手,提出了“提高煤層頂板抽采鉆孔鉆進(jìn)速度技術(shù)研究”的課題。

        3 鉆孔施工工藝改進(jìn)

        3.1 改進(jìn)鉆頭焊接方式

        在西外長(zhǎng)興巷內(nèi)施工抽采鉆,由于巖石堅(jiān)硬,打鉆時(shí),鉆頭與巖石的摩擦阻力將極大增加,容易打斷鉆頭上的硬質(zhì)合金片,減少鉆頭使用壽命,降低工效。根據(jù)鉆頭軸壓力計(jì)算方法【2】,對(duì)鉆頭加工進(jìn)行改進(jìn),方法是把合金片與鉆頭的垂直連接改為傾斜連接(如圖3),從而降低磨擦阻力。同時(shí),將鉆頭合金槽加深,減少合金外露長(zhǎng)度,降低橫向受力,增加強(qiáng)度,一般從6mm降為3mm(如圖4)。

        當(dāng)鉆頭以相同壓力和轉(zhuǎn)速工作時(shí),垂直連接和傾斜連接合金所受壓力均為F,垂直連接的合金片在水平方向上所受磨擦力F1= COS45?×F= 0.71F;傾斜連接的合金片在水平方向上所受磨擦力F2=COS60?×F=0.5F,因此F2

        3.2 加大鉆頭反水槽

        傳統(tǒng)抽采鉆孔施工,鉆頭反水槽深度一般為5mm,在硬巖石上施工和在層位變化較大的地段打鉆時(shí),保持一定排水量,起到降溫排鉆屑作用,避免在軟質(zhì)巖性施工時(shí)堵塞鉆頭,發(fā)生燒鉆、卡鉆等事故。針對(duì)220m、140m水平北翼西外長(zhǎng)興巷施工抽采鉆,鉆孔需穿過鐵質(zhì)泥巖、大鐵板、小鐵板等多層堅(jiān)硬巖石,在普通空心鉆頭上加工2~3個(gè)“V”字型反水槽,反水槽深度增加至8mm,從而增大了鉆頭排水面積,保持水路暢通,打鉆時(shí)鉆頭上的合金不易斷裂,減少換鉆次數(shù),提高效率。

        3.3 采用巖芯管導(dǎo)向施工

        西外長(zhǎng)興巷施工抽采鉆時(shí),鉆孔深度較深,鉆孔在50米見K1煤層,鉆孔終孔深度一般為120~150米。打鉆時(shí),隨著鉆孔深度增加,巖芯管與鉆孔孔壁的磨擦力會(huì)不斷增加,加之鉆孔周邊的巖石密度不均勻,鉆孔會(huì)發(fā)生彎曲、變型,阻力將成倍上升,甚至損壞設(shè)備或扭斷鉆桿。為了保證鉆孔成型后盡量呈直線,降低曲率,減少阻力,施工時(shí),采用雙向異徑接頭施工,在φ75mm的異徑接頭后面,另套上一根3-5米長(zhǎng)的導(dǎo)向管(如圖6),不斷矯正鉆孔,保證施工成型鉆孔成直線。

        3.4 改變鉆進(jìn)切割方式

        傳統(tǒng)抽采鉆孔施工,一般采用空心鉆頭套無芯鉆頭進(jìn)行全斷面切割。西外長(zhǎng)興巷打鉆時(shí),由于長(zhǎng)興灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、鐵板石等巖石堅(jiān)硬,全斷面切割阻力大,進(jìn)度慢,試驗(yàn)時(shí)改進(jìn)了施鉆工藝,采用空心鉆頭套巖芯管局部切割,提取巖芯的方法施工。打鉆時(shí)根據(jù)不同巖性分別使用不同鉆頭,巖石硬度系數(shù)較小的砂巖、泥巖、粘土巖施工,采用合金鉆頭鉆進(jìn),煤層頂板的鐵質(zhì)泥巖、菱鐵礦層,煤系地層中的大鐵板(I3)、小鐵板(I2)施工,則采用天然金剛石鉆頭鉆進(jìn),極大提高了打鉆效率。

        3.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)和強(qiáng)化勞動(dòng)組織

        選擇適宜的鉆機(jī),合適的鉆具組合,優(yōu)化鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)【3】,合理組織施工人員,增加打鉆班次,開展勞動(dòng)競(jìng)賽,保證工時(shí)利用,從而提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率和打鉆工效。

        4 效果對(duì)比和經(jīng)濟(jì)效益

        4.1 改進(jìn)工藝后的效果

        該課題實(shí)施時(shí)間從2014年1月至2015年8月。在打鉆工藝改進(jìn)前,礦井北端西外長(zhǎng)興巷施工抽采鉆,每月單臺(tái)鉆機(jī)施工進(jìn)度為500m,硬質(zhì)合金、油酯等材料消耗極大。從2014年5月份改進(jìn)工藝后,每月單臺(tái)鉆機(jī)可施工1500m,最高時(shí)達(dá)1800多米,進(jìn)尺平均提高3倍以上,材料消耗下降了20%。

        通過改進(jìn)打鉆工藝,提高了打鉆速度,220m水平北翼抽采鉆比傳統(tǒng)施工方式提前7個(gè)月完成,140m水平北翼抽采鉆比傳統(tǒng)施工方式提前6個(gè)月完成,全礦有478個(gè)鉆孔提前抽采瓦斯,增大了礦井瓦斯抽采量,創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益,同時(shí)為該區(qū)保護(hù)層(K2)安全掘進(jìn),礦井北端工作面正常接替提供保障,降低了回采過程中瓦斯涌出量,減少安全威脅,消除了事故隱患。

        4.2 改進(jìn)工藝后的經(jīng)濟(jì)效益

        (1)瓦斯收入

        220NC8-C10瓦斯抽采流量:2.8m3/min,月瓦斯抽采總量Q月=120960m3。

        瓦斯收入=120960×0.45=54432元/月(0.45元/m3:瓦斯氣結(jié)算單價(jià))

        七個(gè)月瓦斯收入=54432×7=381024元

        140NC8-C10瓦斯抽采流量:3.1m3/min,月瓦斯抽采總量Q月=133920m3。

        瓦斯收入=133920×0.45=60264元/月

        六個(gè)月瓦斯收入=60264×6=361584元

        220m、140m水平二個(gè)區(qū)域瓦斯收入共742608元。

        (2)人力成本節(jié)約

        改進(jìn)前,打鉆工效為3.33m/工,改進(jìn)后,打鉆工效為10.5m/工,工效提高7.17m/工。

        220m、140m水平NC8-C10二個(gè)區(qū)域設(shè)計(jì)抽采鉆孔478個(gè),鉆孔總進(jìn)尺51000米,改進(jìn)工藝后打鉆節(jié)約工時(shí)數(shù):51000m÷7.17m/工=7113(工)

        節(jié)約人工成本:7113工×68元/工=483684元

        (3)材料節(jié)約

        改進(jìn)前,打鉆材料消耗為13.5元/m,改進(jìn)后,材料消耗為10.8元/m,材料節(jié)約2.7元/m。

        220m、140m水平NC8-C10二個(gè)區(qū)域打鉆節(jié)約材料:51000m×2.7元/m=137700元。

        上述三項(xiàng)合計(jì)創(chuàng)效益136.4萬元。

        5 適用范圍和推廣應(yīng)用

        礦井北端煤層頂板抽采鉆孔施工技術(shù),通過不斷探索和實(shí)踐,努力改進(jìn)打鉆工藝,強(qiáng)化組織管理,提高了鉆進(jìn)效率,提升了打鉆進(jìn)度,降低了生產(chǎn)成本,并為礦井北端工作面布置創(chuàng)造了良好條件。該項(xiàng)技術(shù)適用于礦井抽采鉆、地質(zhì)鉆、防火鉆施工,也適合在其它類似礦井進(jìn)行推廣應(yīng)用。

        參考文獻(xiàn)

        [1] 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué).中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社.2009.

        [2] 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術(shù).煤炭工業(yè)出版社.2007.

        [3] 趙鐵錘,袁亮.煤礦總工程師技術(shù)手冊(cè).北京:煤炭工業(yè)出版社.2011.

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