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        鉆桿類型對(duì)松軟煤層順層鉆孔排渣的影響

        2020-06-08 09:47:08李良偉武文賓唐建平
        煤礦安全 2020年5期
        關(guān)鍵詞:深度施工

        李良偉,武文賓,唐建平

        (1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400037;2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400037)

        在松軟煤層中施工順層鉆孔,保證鉆孔成孔深度和成孔率,是順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。鉆孔的排渣工藝尤其是壓風(fēng)排渣工藝對(duì)順層鉆孔的成孔深度和成孔率有很大影響。壓風(fēng)排渣是是用壓縮空氣經(jīng)過鉆桿內(nèi)孔、鉆頭進(jìn)人孔底,在孔內(nèi)形成高速風(fēng)流,鉆屑則懸浮在風(fēng)流中被吹向孔口,從而實(shí)現(xiàn)排渣和鉆頭冷卻。風(fēng)力排渣的最大不足之處是作業(yè)地點(diǎn)灰塵不易控制。但在突出或松軟煤層中打鉆時(shí),風(fēng)力排渣具有明顯的優(yōu)勢(shì),如壓風(fēng)對(duì)孔壁的沖擊小,不易破壞孔壁,也不影響煤層中的瓦斯解吸,使瓦斯得以自由、快速地釋放,孔內(nèi)始終只有氣、固兩相流動(dòng),發(fā)生梗阻的概率降低[1-3]。

        針對(duì)風(fēng)力排渣系列問題,部分學(xué)者開展了一系列研究,并取得了很多成果[4-13]。由這些研究可見,現(xiàn)有的三棱鉆桿和圓鉆桿仍然是最普及的鉆桿類型,但目前沒有人對(duì)三棱鉆桿和圓鉆桿在鉆進(jìn)過程中的風(fēng)量和風(fēng)壓等規(guī)律進(jìn)行研究。為解決風(fēng)力排渣困難、風(fēng)量和風(fēng)壓規(guī)律不清楚等問題,通過試驗(yàn)分析正常供風(fēng)時(shí)的風(fēng)壓和風(fēng)量隨鉆孔施工深度的變化規(guī)律,總結(jié)2 種鉆桿抑制噴孔的效果。

        1 演馬莊礦松軟煤層順層鉆孔試驗(yàn)

        演馬莊礦順層鉆孔施工采用的鉆桿分為圓鉆桿和三棱鉆2 種,順層鉆孔成孔深度一般孔深在70~100 m 之間,最深可達(dá)到130 m,成孔長(zhǎng)度均能滿足抽采設(shè)計(jì)要求,本次以演馬莊礦現(xiàn)有圓鉆桿和三棱鉆為基礎(chǔ)對(duì)鉆孔成孔工藝進(jìn)行考察研究。

        1)施工鉆具參數(shù)。演馬莊礦順層抽采鉆孔施工采用的鉆機(jī)為ZDY-4000S 型煤礦坑道全液壓鉆機(jī),配備φ73 mm 的圓鉆桿和三棱鉆桿,使用φ94 mm鉆頭。ZDY-4000S 鉆機(jī)參數(shù)如下:①扭矩:1 050~4 000 N/m;②功率:55 kW;③轉(zhuǎn)速:5~280 r/min;④傾角:-45°~+45°;⑤鉆深:50~200 m。單根鉆桿長(zhǎng)度均為800 mm,試驗(yàn)中均使用全新鉆桿施工,排除舊鉆桿漏風(fēng)、磨損等因素影響。

        2)試驗(yàn)工作面情況。22071 工作面位于22 采區(qū),北部為未開采區(qū),南部為2209 未采工作面,試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)煤層及頂?shù)装鍩o構(gòu)造,平均煤厚5.5 m,試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)煤厚穩(wěn)定無夾矸。煤層及頂?shù)装迦缦?①煤層:22071 工作面煤層標(biāo)高-160~-198 m,地面標(biāo)高+103~+107 m,埋深263~305 m,工作面走向長(zhǎng)301 m,傾斜長(zhǎng)115 m,煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,以粉煤為主,中下部以塊炭為主,煤層平均厚度5.5 m,傾角11°,煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 值為0.2~0.5,煤層瓦斯含量為19.02 m3/t,瓦斯壓力0.95~1.39 MPa; ②頂?shù)装鍘r性特征:22071 工作面煤層直接頂多為砂質(zhì)泥巖,偽頂多為炭質(zhì)泥巖,基本頂砂巖;煤層底板中,直接底為砂質(zhì)泥巖,本底為石灰?guī)r。

        3)試驗(yàn)方法。在22071 工作面按5 m 間距布置鉆孔施工,先后使用圓鉆桿和三棱鉆桿各施工36 個(gè)鉆孔,在施工過程中,將壓風(fēng)參數(shù)測(cè)定儀連接于壓風(fēng)管和旋轉(zhuǎn)接頭之間,每施工10 m 整記錄1 次風(fēng)量和風(fēng)壓并測(cè)量1 m 長(zhǎng)度進(jìn)尺的鉆屑量,并通過調(diào)整閥門,記錄正常鉆進(jìn)時(shí)的最小風(fēng)壓,直至鉆進(jìn)至深度為70~80 m 停鉆。

        2 鉆孔試驗(yàn)結(jié)果分析

        2.1 試驗(yàn)情況

        圓鉆桿在22071 運(yùn)輸巷施工了36 個(gè)鉆孔鉆孔編號(hào)1~36,總計(jì)進(jìn)尺2 543 m,平均孔深70.6 m,平均每天進(jìn)尺254.3 m;三棱鉆桿在22071 運(yùn)輸巷施工了36 個(gè)鉆孔,鉆孔編號(hào)37~72,總計(jì)進(jìn)尺2 840 m,平均孔深78.8 m,平均每天進(jìn)尺315.5 m。因鉆孔施工當(dāng)班實(shí)際及時(shí)間情況,鉆孔實(shí)際鉆進(jìn)深度存在不完全一致的情況但均在合理考察深度范圍,當(dāng)頂鉆抱鉆嚴(yán)重時(shí)停止鉆進(jìn)。

        2.2 壓風(fēng)排渣合理參數(shù)的確定

        2)正常鉆進(jìn)時(shí)供風(fēng)參數(shù)?,F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)圓鉆桿和三棱鉆桿正常鉆進(jìn)供風(fēng)壓力、供風(fēng)量結(jié)果如圖2。存在基本穩(wěn)定風(fēng)壓,能使整個(gè)鉆孔深度下能正常鉆進(jìn),在基本穩(wěn)定的風(fēng)壓條件下,2 種類型鉆桿在施工過程中隨深度增加風(fēng)量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而圓鉆桿下降的趨勢(shì)的絕對(duì)量比三棱鉆桿大。

        2.3 壓風(fēng)排渣規(guī)律分析

        圖1 不同深度鉆孔正常排渣所需最小供風(fēng)壓力Fig.1 Minimum air supply pressure required for normal slag removal in different drilling depths

        圖2 正常鉆進(jìn)時(shí)參數(shù)變化( 1 SCFM=28.3 L/min)Fig.2 Parameter change during normal drilling( 1 SCFM=28.3 L/min)

        在施工每10 m 整的鉆進(jìn)過程中使用定制鉆屑袋裝接排出的鉆屑并稱重,通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算平均鉆屑量情況,鉆屑量隨深度變化曲線圖如圖3,分析可得,2 種鉆桿隨著施工深度的增加,鉆屑量呈增加的趨勢(shì),原因是隨著深度增加,已成孔的一段孔壁會(huì)受到鉆桿磨削而增大,統(tǒng)計(jì)鉆屑量會(huì)增加,而同一深度三棱鉆桿又比圓鉆桿鉆屑量要大,說明三棱鉆桿對(duì)孔壁磨削更強(qiáng)。

        2.4 抑制噴孔效果

        圖3 鉆屑量隨深度變化曲線圖Fig.3 Curves of cuttings change with depth

        鉆孔噴孔是瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象的一種,主要是高壓瓦斯、應(yīng)力集中和軟煤3 個(gè)因素綜合作用的結(jié)果。當(dāng)鉆孔進(jìn)入軟煤分層時(shí),鉆頭的切削旋轉(zhuǎn)對(duì)軟煤產(chǎn)生一種沖擊和破碎力,這種力使煤體破裂、粉碎,破裂和粉碎了的煤體順時(shí)產(chǎn)生瓦斯解吸,鉆孔周邊煤體快速的瓦斯解吸,使流入鉆孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的幾倍到幾十倍,此時(shí)鉆孔前方與后方出現(xiàn)了較大的瓦斯梯度,因而出現(xiàn)了明顯的瓦斯激流,承壓的瓦斯激流對(duì)破壞的煤顆粒起著邊運(yùn)送邊粉化的作用,同時(shí)還繼續(xù)向鉆孔周邊擴(kuò)大影響范圍,由于鉆孔孔徑小和鉆孔出現(xiàn)堵孔,瓦斯激流和粉化了的煤顆粒難以順利的向孔外排出,進(jìn)一步增加了鉆孔內(nèi)外的瓦斯壓力梯度,使這種瓦斯涌出變成了爆發(fā)性的孔內(nèi)瓦斯向孔口外流,形成噴孔。另一種噴孔是由于煤層中含水,鉆頭切削時(shí)的煤粉難以順利排出造成孔內(nèi)堵塞,在鉆孔的淺部(7~20 m)出現(xiàn)堵孔,或是打鉆風(fēng)壓和風(fēng)量不夠,排渣不力,出現(xiàn)堵孔。堵孔造成鉆孔前方和周邊的瓦斯無法排出,孔內(nèi)瓦斯不斷涌出,孔內(nèi)與孔外形成較大的壓力梯度,達(dá)到某個(gè)極限時(shí),發(fā)生噴孔。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況,無論圓鉆桿還是三棱鉆桿都存在不同程度的噴孔現(xiàn)象,2 種鉆桿在鉆孔中的鉆進(jìn)情況如圖4。

        圖4 圓鉆桿和三棱鉆桿在鉆孔中的前視圖Fig.4 Front view of different drill pipes in drilling

        圓鉆桿與孔壁的排渣空間要小于三棱鉆桿,在鉆進(jìn)速度相同的情況下,煤屑在三棱鉆桿鉆孔中的阻塞幾率要小于圓鉆桿,三棱鉆桿更容易將鉆屑順利地排出,而且還有利于瓦斯的排放。

        2 種鉆桿鉆孔施工噴孔情況統(tǒng)計(jì)見表1?!皦毫Υ笸算@”表示在鉆進(jìn)過程中由于噴孔、卡鉆等瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象致使鉆機(jī)鉆進(jìn)困難而停止鉆進(jìn)。

        表1 鉆孔施工噴孔情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of spray holes during construction

        從表1 可知,圓鉆桿施工的鉆孔噴孔數(shù)量是三棱鉆桿的1 倍多,現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圓鉆桿在鉆孔施工過程中的噴孔強(qiáng)度和次數(shù)要遠(yuǎn)大于三棱鉆桿。因此,三棱鉆桿對(duì)于減輕煤層噴孔現(xiàn)象具有良好的效果。

        2.5 施工工效

        在22071 運(yùn)輸巷采用圓鉆桿和三棱鉆桿各施工36 個(gè)鉆孔,圓鉆桿和三棱鉆桿施工工效見表2。在施工相同鉆孔數(shù)量的情況下三棱鉆桿要比圓鉆桿用時(shí)少1 d,且平均孔深也高于圓鉆桿,說明三棱鉆桿在排渣速度上要優(yōu)于圓鉆桿。

        表2 圓鉆桿和三棱鉆桿施工工效Table 2 Work efficiency of round drill pipe and triangular drill pipe

        3 結(jié) 語

        2)在穩(wěn)定的風(fēng)壓條件下,2 種類型鉆桿在施工過程中隨深度增加風(fēng)量均呈現(xiàn)下降的趨勢(shì),而圓鉆桿下降絕對(duì)量比三棱鉆桿大。

        3)已成孔段孔壁直徑會(huì)受到鉆桿磨削而增大,統(tǒng)計(jì)鉆屑量會(huì)增加,而同一深度三棱鉆桿又比圓鉆桿鉆屑量要大,三棱鉆桿對(duì)孔壁磨削更強(qiáng)。

        4)圓鉆桿與孔壁的排渣空間要小于三棱鉆桿,通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),在鉆進(jìn)速度相同的情況下,煤屑在三棱鉆桿鉆孔中的阻塞幾率要小于圓鉆桿,三棱鉆桿更容易將鉆屑順利地排出,而且還有利于瓦斯的排放。

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