圓弧凸棱高效順層鉆進技術(shù)在破碎突出煤體中的研究與應(yīng)用

蔣和財

（重慶松藻煤電公司 通風(fēng)瓦斯部，中國 重慶 400000）

0 引言

松藻煤電公司打通一礦為煤與瓦斯突出礦井，年設(shè)計生產(chǎn)能力180萬t，目前實際年產(chǎn)量160萬t，井田內(nèi)含煤10－12層，自上而下6#、7#、8#煤可采， 其中 6#層局部可采，6#、7#、8#煤層位于煤系中部，層間距分別為5.8m和6.7m，平均厚度分別為0.74m、1.10m和2.85m。礦井絕對瓦斯涌出量達220m3/min，相對瓦斯涌出量達75 m3/t。

現(xiàn)開采的7#、8#煤層均為近水平松軟破碎低透氣性突出煤層，其原始透氣性系數(shù) 5.71×10-3～3.19×10-2m2/MPa2·d、f值小于 0.5、原始瓦斯壓力1.2～4.5MPa、平均瓦斯含量17.1m3/t～29m3/t。過去順層鉆孔均采用ZY-1250型全液壓鉆機+Φ87mm螺旋鉆桿+壓風(fēng)排粉施工工藝，由于煤層薄、破碎且軟分層厚度大，故順層孔施工過程中垮孔、卡鉆嚴(yán)重，深度淺，丟鉆頻繁，施工進度慢，抽采時間短、效果差，嚴(yán)重影響抽采達標(biāo)進程和采掘工作面的安全生產(chǎn)及正常接替。為此，打通一礦通過改進圓弧凸棱鉆桿并結(jié)合自身實際，研究形成了一套完整的圓弧凸棱順層高效鉆進新技術(shù)，大幅度提高了順層鉆進效率并在全公司推廣應(yīng)用，取得了明顯成效。

1 破碎煤體順層鉆孔垮孔及卡鉆原因

對于破碎松軟突出煤層，鉆孔孔壁的瓦斯壓力、煤體自身力學(xué)性質(zhì)及鉆頭和鉆桿施工擾動是影響鉆孔破壞形式的重要因素，尤其是煤體自身各向異性特征對鉆孔垮孔影響至關(guān)重要。這主要表現(xiàn)在順層鉆孔施工過程中的排渣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于理論排渣量，并且在鉆進過程中的某一段內(nèi)排渣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于其他段。例如，打通一礦順層孔施工采用Φ87mm螺旋鉆桿，配合Φ94mmPDC鉆頭，實測孔徑為105mm，7#層煤的比重為1700kg/m3，那么單孔理論排渣量為：

M理=孔斷面S×孔深H×煤的比重γ（鉆孔深度一般為80米）

但在實際施工過程中，單孔排渣量：

M實=2000～5000kg，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單孔理論排渣量。

據(jù)此，該結(jié)論與國內(nèi)有關(guān)學(xué)者提出的“鉆穴”概念相符，鉆穴實際上是由地應(yīng)力、瓦斯壓力、煤體力學(xué)性能和鉆桿擾動力等4個因素共同作用造成的鉆孔局部直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鉆孔理論直徑的準(zhǔn)充填型洞穴，如圖1。

圖1 順層鉆孔“鉆穴”示意圖

鉆孔實際上等同于微型巷道，在以上四大因素作用下鉆孔內(nèi)也會發(fā)生小型煤與瓦斯突出，且突出具有突發(fā)性，“鉆穴”的形成也具有突發(fā)性，瞬間形成的“鉆穴”處于準(zhǔn)充填狀態(tài)，“鉆穴”產(chǎn)生后造成鉆機負(fù)荷增大，排渣量增加，繼續(xù)鉆進“鉆穴”前方新產(chǎn)生的鉆屑難以短時間內(nèi)排出，鉆桿周向摩擦力大于鉆機扭力時，出現(xiàn)直接抱死鉆桿和丟鉆事故。

2 圓弧凸棱順層鉆進技術(shù)

2.1 改進順層鉆孔鉆桿

在原壓風(fēng)加螺旋鉆桿正常鉆進過程中，一旦“鉆穴”產(chǎn)生后，由于螺旋在該段內(nèi)葉片空隙被鉆屑充填，“鉆穴”體積逐漸增大，鉆屑量瞬間增大，機械排渣能力難以短時間內(nèi)發(fā)揮作用，同樣，由于大量鉆屑掩埋鉆桿，風(fēng)流只能沿鉆穴上部通道流動甚至堵塞，如圖2。

圖2 螺旋鉆桿“鉆穴”鉆進示意圖

因此，在松軟破碎煤層施工順層孔，解決“鉆穴”段排渣難題成為預(yù)防鉆孔垮孔抱鉆的關(guān)鍵。打通一礦提出了采用圓弧凸棱鉆桿解決“鉆穴”段排渣難題，其鉆桿斷面為近似三角形，為降低鉆桿三邊對煤體的切削破壞孔壁，三角采用圓角過渡，鉆桿斷面外接圓直徑為73mm，施工鉆頭采用Φ94mmPDC鉆頭，鉆孔排渣空間大大增加，鉆桿實物圖見圖3。

圖3 圓弧凸棱鉆桿實物圖

由于圓弧凸棱鉆桿在“鉆穴”段鉆進時，鉆桿自身旋轉(zhuǎn)強行在鉆屑中形成壓風(fēng)排渣通道（如圖4），可實現(xiàn)快速排渣，同時鉆桿圓角可對大粒徑鉆屑進行研磨搗碎，更有利于鉆屑的排出，大大提高了鉆進速度，進一步克服了卡鉆、抱鉆，提高了鉆進深度和施工效率。

圖4 圓弧凸棱鉆桿“鉆穴”鉆進示意圖

打通一礦將圓弧凸棱鉆桿首次用于W2707運輸巷S幫上段，鉆進速度明顯提高，但仍然存在鉆桿斷裂現(xiàn)象，根據(jù)鉆桿斷裂部位，設(shè)計了加強型圓弧凸棱鉆桿，鉆桿螺紋連接由M42×40增大為M48×40，螺紋由三角形螺紋改進為更加耐磨的梯形螺紋，增大了螺紋連接處的強度；針對鉆桿壁厚較薄、容易被夾持器擠壓變形的問題，將鉆桿壁厚由5mm增大至8mm，大大降低了丟鉆桿事故。

2.2 改進圓弧凸棱鉆桿拆卸裝置

打通一礦由于煤層薄、巷道斷面小，原順層孔施工鉆機大多采用ZY-1250全液壓鉆機，鉆機卡盤及夾持器結(jié)構(gòu)均根據(jù)原普通Φ50mm圓柱形地質(zhì)鉆桿設(shè)計，而圓弧凸棱鉆桿與圓柱形地質(zhì)鉆桿不同；若圓弧凸棱鉆桿采用管鉗人力拆卸，單孔鉆桿拆卸平均時間達2.5h以上，勞動強度大，危險程度高，據(jù)統(tǒng)計，2007年～2011年打通一礦共發(fā)生鉆桿拆卸傷人事故97次，其中重傷事故2次。

為解決圓弧凸棱鉆桿拆卸難題，根據(jù)其結(jié)構(gòu)及ZY-1250全液壓鉆機夾持器特點，研制了圓弧凸棱鉆桿安全快速拆卸裝置，實現(xiàn)了鉆桿機械拆卸，磧結(jié)構(gòu)包括三棱軸及三方套兩部分，見圖5。

圖5 圓弧凸棱鉆桿安全快速拆卸裝置結(jié)構(gòu)圖

同時又根據(jù)圓弧凸棱鉆桿結(jié)構(gòu)特點，將ZY-1250鉆機Φ60mm夾持器改進為Φ80mm的特殊夾持器與其配套。

圓弧凸棱鉆桿拆卸裝置使用步驟：

（1）鉆孔鉆進至設(shè)計位置后，在鉆機卡盤上安裝三棱軸和三方套，鉆機卡盤卡緊三棱軸并推進至圓弧形凸棱鉆桿位置，鉆機卡盤正轉(zhuǎn)，使三棱軸與圓弧形凸棱鉆桿連接但不擰緊，拖動孔內(nèi)圓弧形凸棱鉆桿至一根鉆桿長度位置；

（2）滑動三方套至三棱軸與圓弧形凸棱鉆桿連接位置，卡緊鉆機夾持器，鉆機卡盤反轉(zhuǎn)，松開首根鉆桿與第二根鉆桿的連接；

（3）滑動三方套至三棱軸棱柱段位置，手動反轉(zhuǎn)首根鉆桿并取下，重復(fù)以上步驟依次取下孔內(nèi)鉆桿。

2.3 中風(fēng)壓輔助鉆進

由于圓弧凸棱鉆桿鉆進工藝采用壓風(fēng)排渣，鉆孔排渣空間、鉆進速度明顯提高，若采用0.6MPa以下常壓風(fēng)難以滿足鉆進需要，故選用艾能MLGF 15/10-90G礦用移動式螺桿空壓機供風(fēng)，提供風(fēng)壓0.7～1.2MPa。

3 圓弧凸棱順層鉆進技術(shù)的應(yīng)用及效果

3.1 順層鉆孔不同施工工藝

打通一礦W2707、W2704對拉工作面運輸巷SN均采用原工藝即ZY-1250液壓鉆機+螺旋鉆桿+常壓風(fēng)排渣；

W2704對拉工作面北回風(fēng)巷采用ZY-1250液壓鉆機+常規(guī)圓弧凸棱鉆桿+中風(fēng)壓排渣施工；

W2704對拉工作面南回風(fēng)巷采用ZY-1250液壓鉆機+加強型圓弧凸棱鉆桿+中風(fēng)壓排渣施工，各地點的施工工藝參數(shù)見表1。

表1 順層鉆孔施工工藝參數(shù)

3.2 應(yīng)用效果

打通一礦在W2704北回風(fēng)巷S幫使用普通圓弧形凸棱鉆桿，157個班實際施工成孔171個；在W2704南回風(fēng)巷N幫上下段采用加強型圓弧凸棱鉆桿，261個班實際施工成孔252個；在W2707、W2704運輸巷兩幫均采用傳統(tǒng)螺旋鉆桿，1136個班實際施工成孔891個。W2704、W2707工作面鉆孔竣工圖見圖6、圖7。

（1）順層孔鉆進效率

應(yīng)用結(jié)果表明：采用圓弧凸棱鉆桿順層孔鉆進，增大了排渣空間及排渣速度，較螺旋鉆桿施工工藝，平均鉆進時間由86 s/根降低至63s/根；采用圓弧凸棱鉆桿快速拆卸裝置代替呆扳手，平均鉆桿拆卸時間由79s/根提高至19s/根，且杜絕了呆扳手傷人事故；采用普通圓弧凸棱鉆桿、加強型圓弧凸棱鉆桿施工順層鉆孔，較螺旋鉆桿施工工藝施工效率均有顯著提高：普通圓弧凸棱鉆桿施工工藝施工效率平均1.10孔/班、85.52米/班，加強型圓弧凸棱鉆桿施工工藝施工效率平均0.93孔/班、70.21米/班，而傳統(tǒng)螺旋鉆桿施工工藝為平均0.78孔/班、56.6米/班。結(jié)果見表2。

表2 順層鉆孔施工效率比較表

（2）鉆桿丟失率

順層孔施工由于抱鉆或卡鉆丟鉆，不僅造成大量經(jīng)濟損失，并且對工作面的回采埋下重大安全隱患。根據(jù)相鄰的W2707、W2704工作面順層孔施工記錄，結(jié)果表明：采用加強型圓弧凸棱鉆桿施工順層鉆孔鉆桿丟失率由傳統(tǒng)工藝的413.5根/萬米降低至72.9根/萬米。結(jié)果見表3。

表3 順層鉆孔施工鉆桿丟失比較表

表4 鉆孔成孔、報廢孔、成孔率比較表

（3）鉆孔成孔率

圖6 W2704對拉工作面順層鉆孔竣工圖

圖7 W2707綜采工作面順層運輸巷鉆孔竣工圖

順層孔施工過程中，由于鉆桿自重及撓度影響，鉆桿在煤層中并不按照設(shè)計軌跡鉆進，常常鉆入頂?shù)装?，?dǎo)致鉆孔報廢。加強型圓弧凸棱鉆桿結(jié)構(gòu)強度增加，進一步提高了在煤層中的鉆進穩(wěn)定性，結(jié)果表明：采用加強型圓弧凸棱鉆桿施工鉆孔成孔率由傳統(tǒng)工藝的78.5%提高至92.2%。

（4）直接經(jīng)濟效益

新型順層孔鉆進工藝大大提高了鉆進效率，縮短了鉆孔施工工期，為保護層工作面的預(yù)抽及工作面接替提供了抽采時間保障，推廣該工藝后的工作面均實現(xiàn)了提前投產(chǎn)。并且新工藝采用圓弧凸棱鉆桿自動拆卸裝置代替管鉗人工撤卸后，杜絕了管鉗傷人的安全事故。

直接經(jīng)濟效益主要表現(xiàn)在丟失鉆桿、鉆頭現(xiàn)象大大降低，節(jié)約了材料費用。經(jīng)計算，新工藝節(jié)約鉆具費用為3.813萬元/萬米。

4 基本結(jié)論

（1）在破碎突出煤層中采用ZY-1250液壓鉆機+加強型圓弧凸棱鉆桿+中風(fēng)壓順層鉆進及自動撤卸工藝，平均鉆進時間由86 s/根降低至63s/根，平均鉆桿拆卸時間由 79s/根提高至 19s/根，施鉆效率由平均 0.78孔/班、56.6米/班提升至 0.93孔/班、70.21米/班；鉆桿丟失率由413.5根/萬米降低至72.9根/萬米，成孔率由78.5%提高至92.2%，鉆具費用節(jié)約3.813萬元/萬米；且杜絕了撤卸傷人事故。

（2）在破碎突出煤層中采用圓弧凸棱鉆桿施工工藝嚴(yán)必須制定安全技術(shù)措施并規(guī)范操作，嚴(yán)禁強行進退鉆或撤卸鉆桿，否則易造成孔內(nèi)燃燒或煤與瓦斯突出事故。

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

［2］于不凡.煤和瓦斯的突出機理[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1985.

［3］袁亮.松軟低透煤層群瓦斯抽采理論與技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2004.

［4］劉鴻文.材料力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2004.