魏宏超，王 毅，王 博

沖擊地壓煤層大直徑卸壓孔快速成孔關(guān)鍵技術(shù)

魏宏超1,2，王 毅2，王 博2

(1. 煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013；2. 中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077)

為了提高沖擊地壓礦井大直徑卸壓鉆孔的成孔率和施工效率，通過對沖擊地壓礦井煤巖體應(yīng)力特征、卸壓孔孔壁擾動動力失穩(wěn)特性及施工特點的分析，探討了大直徑卸壓孔快速施工的關(guān)鍵點在于高效排渣、快速成孔提鉆。采用具有1.25 m行程軌道、大通孔動力頭的ZDY4000LR型鉆機，優(yōu)化了大直徑卸壓鉆孔施工操作流程，形成了水介質(zhì)螺旋寬翼片雙動力排渣高效成孔工藝方法，并在河南義馬礦區(qū)和陜西彬長礦區(qū)進行了現(xiàn)場試驗。結(jié)果表明：該工藝技術(shù)能夠安全、高效地施工大直徑卸壓鉆孔，施工效率較大螺旋鉆進技術(shù)提高了48.9%，成孔率可達到100%。研究成果對類似沖擊地壓礦區(qū)施工煤層卸壓孔提供借鑒。

沖擊地壓；大直徑卸壓鉆孔；ZDY4000LR型鉆機；復(fù)合排渣；河南義馬礦區(qū)；陜西彬長礦區(qū)

隨著淺部煤炭資源的逐漸枯竭，我國大多數(shù)礦井已進入中深部開采階段，包括沖擊地壓在內(nèi)的各種動力災(zāi)害的發(fā)生類型、頻率、烈度均有所增加[1]。截至2019年6月，我國正在生產(chǎn)的沖擊地壓礦井?dāng)?shù)量達到了121個，廣泛分布在山東、黑龍江、陜西等20個省、自治區(qū)[2]。煤層大直徑鉆孔卸壓法是一種通過施工鉆孔將積聚高壓縮能的煤巖破碎、排出煤體[1]，實現(xiàn)軟化煤巖結(jié)構(gòu)、消除地層應(yīng)力集中，從而達到卸壓目的。鉆孔卸壓法因工藝相對簡單、成本低、對生產(chǎn)影響小的優(yōu)點，占到了沖擊地壓解危措施中的近1/3[3]。

目前，國內(nèi)針對鉆孔卸壓法的研究主要集中在鉆孔卸壓機理、卸壓鉆孔布置參數(shù)、鉆孔參數(shù)對卸壓效果影響等方面。賈傳洋等[4]通過室內(nèi)試驗研究孔徑、孔間距及孔深等參數(shù)對試樣強度的影響；馬斌文等[5]研究了鉆孔卸壓防治煤體沖擊地壓機理，推導(dǎo)了鉆孔卸壓區(qū)的邊界方程，分析了煤體性質(zhì)、鉆孔直徑及應(yīng)力環(huán)境對鉆孔卸壓區(qū)分布的影響；朱斯陶等[6]、王書文等[7]利用能量法分別推導(dǎo)了基于能量耗散指數(shù)的防沖鉆孔參數(shù)定量計算方法和鉆孔防治沖擊地壓效果評價方法；易恩兵等[8]、劉紅崗等[9]、蘭永偉等[10]采用數(shù)值方法分析了大直徑鉆孔卸壓效果和鉆孔周圍應(yīng)力分布。

大量文獻表明，隨著鉆孔直徑的增大，卸壓效果顯著，且涉及的大直徑卸壓鉆孔施工方法多以大螺旋機械排渣鉆進工藝技術(shù)為主[2-11]，鉆進施工參數(shù)分析與研究較少?；诖?，筆者從分析煤層大直徑卸壓鉆孔施工關(guān)鍵點入手，提出了水介質(zhì)螺旋寬翼片雙動力排渣成孔工藝方法，并在河南義馬礦區(qū)和陜西彬長礦區(qū)進行應(yīng)用，以期提高成孔率和施工效率，為類似沖擊地壓礦區(qū)提供借鑒。

1 沖擊地壓礦井掘進巷道煤巖體應(yīng)力特征

在巷道掘進過程中，工作面與側(cè)幫形成后在張應(yīng)力作用下，在近巷道區(qū)域煤巖體內(nèi)部產(chǎn)生延性Ⅰ型微小裂紋，其擴展近似平行于最大主應(yīng)力方向[11]。裂紋的產(chǎn)生與煤巖體的彈性變形釋放了近巷道區(qū)域的巖體壓縮能，形成了卸壓區(qū)(殘余強度區(qū))，該區(qū)域影響范圍與煤巖的堅硬系數(shù)、彈性極限強度、原巖最大主應(yīng)力等參數(shù)有關(guān)[12]；緊鄰卸壓區(qū)為應(yīng)力臨界區(qū)，在該區(qū)域煤巖處于極限破壞臨界狀態(tài)，主應(yīng)力差較大；遠離巷道區(qū)域(原應(yīng)力區(qū))，巖體在圍巖壓力作用下處于高壓縮能的應(yīng)力平衡狀態(tài)，主應(yīng)力差較小，不產(chǎn)生剪切破壞，各應(yīng)力區(qū)域分布如圖1所示。隨著時間的推移，應(yīng)力不斷傳遞恢復(fù)，卸壓區(qū)和臨界區(qū)隨之不斷變化減小，巷道不斷被擠壓縮小。

2 卸壓孔孔壁擾動動力失穩(wěn)特性與過程

在煤層巷道中施工水平卸壓鉆孔時，孔周圍圍巖煤體的自重對鉆孔的影響可以忽略不計[10]。在施工卸壓鉆孔時，鉆孔一次穿過卸壓區(qū)和臨界區(qū)進入原應(yīng)力區(qū)。

圖1 掘進巷道圍巖應(yīng)力區(qū)分布示意圖

在卸壓區(qū)內(nèi)，彈塑性變形與裂隙的產(chǎn)生導(dǎo)致局部破壞，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力值均較小，剪應(yīng)力區(qū)域為零，在該區(qū)域，煤巖體積壓縮量較小，鉆孔施工排除的煤巖粉體積略微大于鉆孔體積。

在臨界區(qū)內(nèi)，最大主應(yīng)力接近上覆巖層重力與構(gòu)造應(yīng)力之和，剪應(yīng)力處于極限平衡狀態(tài)。鉆孔施工至該區(qū)域時，鉆頭切削排除的煤巖粉體積大于鉆孔體積，其比值正相關(guān)于最大主應(yīng)力值與煤巖彈性壓縮系數(shù)比值；此時，孔壁最小主應(yīng)力減小，剪應(yīng)力極限平衡狀態(tài)被打破，孔壁及其周圍一定范圍內(nèi)煤巖瞬間發(fā)生剪切破壞，大量孔壁破碎煤巖塊體瞬間進入鉆孔；隨著孔壁的不斷破壞，卸壓區(qū)域不斷擴大，逐漸趨于應(yīng)力平衡，產(chǎn)生的擴孔系數(shù)可以達到1.73~2.44[13]。

在原應(yīng)力區(qū)，最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力值均較高，煤巖體處于穩(wěn)定狀態(tài)。鉆孔施工至該區(qū)域時，鉆頭切削排除的煤巖粉體積大于鉆孔體積，孔壁產(chǎn)生剪應(yīng)力破壞，破碎范圍不斷擴大，大量破碎煤巖塊體進入鉆孔。

綜上所述，在施工卸壓鉆孔時，由鉆頭破碎煤巖產(chǎn)生的煤巖碎塊(鉆屑)體積遠小于孔壁失穩(wěn)剪切破壞產(chǎn)生的煤巖碎塊，施工卸壓鉆孔的目的在于：形成將破碎煤巖搬運出煤體的通道；將臨界區(qū)應(yīng)力消除，在原應(yīng)力區(qū)形成新的臨界區(qū)；擴大卸壓區(qū)范圍，減緩原始應(yīng)力的恢復(fù)。

3 關(guān)鍵技術(shù)

通過分析沖擊地壓煤層施工卸壓孔孔壁應(yīng)力失穩(wěn)過程可知：在卸壓鉆孔施工過程中，鉆孔內(nèi)在短時間產(chǎn)生大量的煤巖碎塊，這與文獻[14-16]描述的在施工過程中出現(xiàn)的情況一致。在施工卸壓鉆孔時，孔壁失穩(wěn)產(chǎn)生大量的煤巖碎塊，其體積遠大于普通鉆孔中僅在鉆頭破碎巖石時產(chǎn)生的鉆屑。因此，大直徑卸壓鉆孔安全、高效成孔的關(guān)鍵在于將連續(xù)產(chǎn)生的大量煤巖碎塊高效排出鉆孔以及快速鉆進與提鉆。

3.1 排渣技術(shù)

煤礦井下近水平鉆孔施工排渣方式主要有：螺旋排渣、水介質(zhì)排渣和風(fēng)介質(zhì)排渣[17]。寬翼螺旋與風(fēng)介質(zhì)相結(jié)合的中風(fēng)壓復(fù)合排渣技術(shù)已成為目前碎軟突出煤層的主要施工方法，有效解決了碎軟突出煤層消突鉆孔孔壁擾動失穩(wěn)產(chǎn)生的大量煤粉難排除的問題。而沖擊傾向性煤層在卸壓后能夠達到自穩(wěn)定狀態(tài)，受沖洗介質(zhì)擾動很小，因此，寬翼螺旋與水介質(zhì)相結(jié)合的雙動力復(fù)合排渣方法，能夠?qū)崿F(xiàn)煤巖碎塊的快速排出要求。

同時，水的懸浮作用減小了煤巖碎屑的有效重力，在高速旋轉(zhuǎn)的鉆桿寬翼片攪動(振動)下，大顆粒的碎屑在鉆桿周圍“液化”，形成懸浮顆粒流體，加快了煤巖碎屑的有效排出。此外，水還具有軟化煤巖體、弱化沖擊傾向的作用[18]，進一步增強了該方法的適用性。

3.2 工藝流程

普通鉆孔煤巖碎塊主要是由鉆屑組成，沖擊地壓煤層卸壓鉆孔施工過程中，煤巖碎塊主要是由于鉆孔孔壁失穩(wěn)破壞產(chǎn)生，具有量大、連續(xù)產(chǎn)生的特點。在施工過程中，接鉆桿停鉆成為孔內(nèi)煤巖碎塊大量淤積、卡/埋鉆的主要原因。因此，連續(xù)鉆進或最大限度縮短接鉆桿時間成為防止卡鉆、埋鉆的主要手段。由于煤礦井下作業(yè)空間有限，通孔式全液壓坑道鉆機大多采用人工后部接鉆桿的形式，需要完成“停鉆–卸送水器–接鉆桿–連接送水器–送水–鉆進”的接鉆桿工藝流程，如采用中間加鉆桿的流程，避免了“卸送水器” “連接送水器”兩個步驟，極大地減少了停鉆時間。同時，利用動力頭的大通孔結(jié)構(gòu)，采用動力頭卡盤與夾持器配合，在動力頭后部完成將鉆具快速提出鉆孔，有效減少卡鉆、埋鉆事故的發(fā)生。

綜上，形成了水介質(zhì)螺旋寬翼片雙動力排渣高效成孔工藝，其方法原理如圖2所示。

1—送水器；2—鉆機；3—寬翼片螺旋鉆桿；4—PDC鉆頭

4 裝備與配套

4.1 鉆機

為實現(xiàn)中間快速夾持鉆桿、高效排渣，試驗選用中煤科工集團西安研究院有限公司生產(chǎn)的ZDY4000LR型履帶式全液壓坑道鉆機(圖3)。該鉆機的特點有：①軌道行程達到1.25 m，實現(xiàn)了中間夾持1 m規(guī)格及以下鉆桿的功能；②常閉式夾持器可與卡盤協(xié)同實現(xiàn)機械擰/卸鉆桿，同時配合?110 mm大通孔動力頭，可從動力頭后部快速鉆進。該鉆機的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3 ZDY4000LR型全液壓坑道鉆機

表1 ZDY4000LR型鉆機主要技術(shù)參數(shù)

4.2 鉆具

寬翼片螺旋與水介質(zhì)相結(jié)合的工藝方法實現(xiàn)的關(guān)鍵在于鉆桿的結(jié)構(gòu)與形式，選用?89/73 mm規(guī)格寬翼片螺旋鉆桿，如圖4所示。寬翼片設(shè)計保障了煤巖破碎塊的排出通道，同時螺旋翼片在回轉(zhuǎn)作用下將大顆粒煤巖破碎塊攪動起來，再在水流的作用下快速、高效從孔內(nèi)排出。

鉆頭可選用與之配套的?153 mm以上型號即可。

圖4 ?89/73 mm寬翼片螺旋鉆桿

5 應(yīng)用實例

5.1 河南義馬A礦

該礦2號煤層埋深710~840 m，煤樣的動態(tài)破壞時間為79.9 ms，沖擊能量指數(shù)為3.25，彈性能指數(shù)為9.88，為弱沖擊傾向性煤層。項目組在該礦21220下巷采用ZDY4000LR型鉆機、“?193/153/133 mm PDC鉆頭+ ?89/73 mm寬翼片螺旋鉆桿”鉆具組合，以清水為沖洗介質(zhì)，施工了4組21個大直徑卸壓鉆孔，鉆孔參數(shù)見表2。

采用“中間夾持鉆桿”鉆進工藝流程，將鉆進接單根鉆桿時間由2~3 min縮短至35 s以內(nèi)，減少了鉆具靜置時間；通過寬翼片螺旋鉆桿高轉(zhuǎn)速快速攪動、大扭矩高效排渣兩個模式切換，調(diào)節(jié)鉆進速度，將回轉(zhuǎn)壓力控制在12 MPa以內(nèi)，有效保障了孔內(nèi)煤渣的順暢排出，施工過程中未發(fā)生埋/卡鉆事故，?153 mm鉆孔深度提高至40 m，平均單孔(孔徑153 mm、孔深40 m)施工用時僅為102.75 min。

表2 河南義馬A礦21220下巷大直徑卸壓鉆孔施工統(tǒng)計

采用鉆屑法對4組大直徑卸壓鉆孔卸壓效果進行測評(圖5)，結(jié)果表明巷道迎頭地層壓力滿足巷道繼續(xù)掘進要求。

圖5 鉆屑法檢測曲線

5.2 陜西彬長礦區(qū)B礦

該礦4號煤層埋深800~1 250 m，煤樣動態(tài)破壞時間為278.40 ms，沖擊能量指數(shù)(上分層/下分層)為3.20/2.98，彈性能指數(shù)(上分層/下分層)為13.36/11.54，單軸抗壓強度(上分層/下分層)為20.5/18.2 MPa，為強沖擊傾向性煤層。采用ZDY4000LR型鉆機、“?153 mm PDC鉆頭+ ?89/73 mm寬翼片螺旋鉆桿”鉆具組合，以清水為沖洗介質(zhì)的水介質(zhì)螺旋寬翼片雙動力排渣工藝方法(A)，在該礦一盤區(qū)輔運巷施工了298個大直徑卸壓鉆孔；采用大螺旋機械排渣鉆進工藝方法(B)施工了136個大直徑卸壓鉆孔，鉆孔參數(shù)見表3。

施工過程中，采用“中間夾持鉆桿”鉆進工藝流程和高轉(zhuǎn)速/大扭矩切換操作，沖洗液排量控制在100~120 L/min，旋轉(zhuǎn)的?89/73 mm寬翼片螺旋鉆桿產(chǎn)生的振動作用，使得大塊煤渣(有效粒徑大于等于10 mm)在沖洗液中懸浮，隨著沖洗液流動快速排出鉆孔，達到了高效排渣效果。

與大螺旋機械排渣鉆進工藝方法(B)相比，該工藝方法施工進尺效率可提高48.9%，且鉆孔事故率大大降低。

表3 陜西彬長B礦一盤區(qū)輔運巷大直徑卸壓鉆孔施工統(tǒng)計

6 結(jié)論

a.通過對沖擊地壓礦井煤巖體應(yīng)力特征、卸壓孔孔壁擾動動力失穩(wěn)特性分析，對比普通鉆孔施工，確定了沖擊地壓礦井大直徑卸壓鉆孔施工的關(guān)鍵在于高效排渣、快速鉆進與提鉆。

b. 現(xiàn)場試驗表明：采用1.25 m行程軌道和大通孔動力頭的ZDY4000LR型鉆機、以清水為沖洗介質(zhì)、配套寬翼片螺旋鉆桿的水介質(zhì)螺旋寬翼片雙動力排渣成孔工藝方法，較大螺旋機械排渣鉆進工藝，施工大直徑卸壓鉆孔具有較高的成孔率和施工效率，成孔率達到100%，最大孔深可達到99 m，具有較高的實用價值。

c. 以水為沖洗介質(zhì)與螺旋寬翼片鉆桿相結(jié)合施工方法的排渣機理和適用性有待進一步深入研究與驗證。

請聽作者語音介紹創(chuàng)新技術(shù)成果等信息，歡迎與作者進行交流

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Key technology for rapidly drilling large diameter destressing-drillhole in rockburst coal seam

WEI Hongchao1,2, WANG Yi2, WANG Bo2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077, China)

In order to improve the hole forming rate and construction efficiency of large diameter destressing-drillhole in rockburst mine, based on the analysis of the stress characteristics of coal rock in rockburst coal mine, the dynamic instability characteristics of destressing-drillhole and the construction features, the key points for drilling large diameter destressing-drillhole, the efficient discharge of cuttings and fast drilling/lifting were proposed. Combining with the discharge of cuttings method by dual-power, the technology and equipment for rapidly drilling large diameter destressing-drillhole in rockburst coal seam were formed finally after the design and optimization of key equipment, drilling tools, technology and drilling processes. With the equipment based on the ZDY4000LR rig and the technology including water medium and spiral wide wing drilling pipe, the holes were drilled, safely and efficiently. And the method was proved and used at coal mines of Henan Yima and Shaanxi Binchang. The tests show that: the large diameter pressure-relieving borehole could be constructed efficiently and safely, and the efficiency is increased by 48.9% comparing with high and thin helical blade drilling pipe drilling method. The fole-forming rate reached 100%, the method has high application value and popularization significance. And this method can be used for reference in driiling destressing-drillhde in similar coal mines.

rockburst; destressing-drillhole; ZDY4000LR rig; discharge of cuttings method by mix-power; Henan Yima coalfield; Shaanxi Binchang coalfield

TD15

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.004

1001-1986(2020)02-0020-05

2019-11-11；

2020-02-24

國家科技重大專項任務(wù)(2016ZX05045-003-002)；中煤科工集團西安研究院有限公司科技創(chuàng)新基金項目(2016XAYMS23)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2016XAYMS23)

魏宏超，1984年生，男，河北唐山人，博士研究生，副研究員，從事煤礦井下鉆探技術(shù)研究與推廣. E-mail：weihongchao@cctegxian.com

魏宏超，王毅，王博. 沖擊地壓煤層大直徑卸壓孔快速成孔關(guān)鍵技術(shù)[J]. 煤田地質(zhì)與勘探，2020，48(2)：20–24.

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(責(zé)任編輯 聶愛蘭)