提高煤層頂板抽采鉆孔鉆進速度技術(shù)研究

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、菱鐵礦層等堅硬巖石，傳統(tǒng)打鉆方法進度慢、效率低、材耗多。利用力學(xué)原理，改進打鉆工藝，提高鉆進速度，降低材料消耗。

關(guān)鍵詞：抽采鉆孔；鉆進速度：技術(shù)

中圖分類號：：TD712 .62 文獻標識碼：A 文章編號：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、北礦二個自然礦井。礦井煤層在開采過程中均有突出危險（K2除外），因此，在對煤層進行掘進和開采前必須預(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、長興灰?guī)r、鐵質(zhì)泥巖、硅質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r等堅硬巖石（f≥12），傳統(tǒng)的抽采鉆孔施工方式打鉆困難、進度緩慢、效率低下、材料消耗大，造成礦井北翼工作面布置不能按時完成，給采掘接替帶來重大影響，對保護層掘進和開采帶來嚴重安全威脅。因此，需要對原打鉆工藝進行改進，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米布置一個鉆場，在鉆場內(nèi)安裝鉆機施工抽采鉆孔，鉆孔在西外長興灰?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，φ50mm鉆桿進行抽采鉆施工，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的巖層中打鉆時能夠保證施工進度，但遇粘土軟巖石時，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）等堅硬巖石，打鉆進度十分緩慢，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速度技術(shù)研究”的課題。

3 鉆孔施工工藝改進

3.1 改進鉆頭焊接方式

在西外長興巷內(nèi)施工抽采鉆，由于巖石堅硬，打鉆時，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)鉆頭軸壓力計算方法【2】，對鉆頭加工進行改進，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，將鉆頭合金槽加深，減少合金外露長度，降低橫向受力，增加強度，一般從6mm降為3mm（如圖4）。

當鉆頭以相同壓力和轉(zhuǎn)速工作時，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，保持一定排水量，起到降溫排鉆屑作用，避免在軟質(zhì)巖性施工時堵塞鉆頭，發(fā)生燒鉆、卡鉆等事故。針對220m、140m水平北翼西外長興巷施工抽采鉆，鉆孔需穿過鐵質(zhì)泥巖、大鐵板、小鐵板等多層堅硬巖石，在普通空心鉆頭上加工2～3個“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

西外長興巷施工抽采鉆時，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，隨著鉆孔深度增加，巖芯管與鉆孔孔壁的磨擦力會不斷增加，加之鉆孔周邊的巖石密度不均勻，鉆孔會發(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，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行全斷面切割。西外長興巷打鉆時，由于長興灰?guī)r、硅質(zhì)灰?guī)r、鐵板石等巖石堅硬，全斷面切割阻力大，進度慢，試驗時改進了施鉆工藝，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，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，極大提高了打鉆效率。

3.5 優(yōu)化設(shè)計和強化勞動組織

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

4 效果對比和經(jīng)濟效益

4.1 改進工藝后的效果

該課題實施時間從2014年1月至2015年8月。在打鉆工藝改進前，礦井北端西外長興巷施工抽采鉆，每月單臺鉆機施工進度為500m，硬質(zhì)合金、油酯等材料消耗極大。從2014年5月份改進工藝后，每月單臺鉆機可施工1500m，最高時達1800多米，進尺平均提高3倍以上，材料消耗下降了20%。

通過改進打鉆工藝，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個月完成，140m水平北翼抽采鉆比傳統(tǒng)施工方式提前6個月完成，全礦有478個鉆孔提前抽采瓦斯，增大了礦井瓦斯抽采量，創(chuàng)造了經(jīng)濟效益，同時為該區(qū)保護層（K2）安全掘進，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 改進工藝后的經(jīng)濟效益

（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）

七個月瓦斯收入=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

六個月瓦斯收入=60264×6=361584元

220m、140m水平二個區(qū)域瓦斯收入共742608元。

（2）人力成本節(jié)約

改進前，打鉆工效為3.33m/工，改進后，打鉆工效為10.5m/工，工效提高7.17m/工。

220m、140m水平NC8-C10二個區(qū)域設(shè)計抽采鉆孔478個，鉆孔總進尺51000米，改進工藝后打鉆節(jié)約工時數(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

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

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

上述三項合計創(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)，通過不斷探索和實踐，努力改進打鉆工藝，強化組織管理，提高了鉆進效率，提升了打鉆進度，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行推廣應(yīng)用。

參考文獻

[1] 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué).中國礦業(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.北京：煤炭工業(yè)出版社.2011.