白龍煤礦瓦斯抽放鉆孔施工工藝研究

朱 捷

（霍州煤電集團(tuán)云廈建筑白龍礦建分公司，山西 霍州 031400）

1 前言

對于軟硬復(fù)合煤層，因軟分層比較容易吸水膨脹和垮落，鉆渣量顯著增加，易于卡住鉆桿；硬分層則不易垮塌，使得孔內(nèi)斷面積減小，過渣能力減小。同時打鉆現(xiàn)場噴孔、垮孔和卡鉆現(xiàn)象頻出，導(dǎo)致施工效率低、成孔率低，對于100m以上的長深孔基本無法施工，這給瓦斯抽放工作帶來了困難。

在對白龍煤礦3#煤層進(jìn)行淺孔抽采試驗時，軟分層就出現(xiàn)了塌孔、壓鉆、抱鉆等現(xiàn)象，因此需要就3#軟硬復(fù)合煤層的鉆孔施工進(jìn)行全方位的探索，從鉆孔施工裝備、配套鉆具、排渣方式等方面加強(qiáng)鉆孔深度。

2 煤層賦存概況

白龍煤礦共有1號、2號、3號、5號和9號可采煤層，當(dāng)前主采3號煤層，煤層厚度為2.5～7.3m，平均厚度為4.5m，堅固性系數(shù)為0.23～0.45。煤系地層巖性自下而上為：泥巖：紫雜色、灰綠色，含團(tuán)塊狀，易碎，遇水膨脹，一般厚8～10m，厚度變化大；根土巖：粉砂質(zhì)，灰一深褐色，含植物根部化石，較堅硬，一般厚2～6m；炭質(zhì)泥巖：0～5m，為煤層直接底板；中部有1～2層夾矸，局部地區(qū)加厚至2～5m；灰黑色粉砂巖、砂質(zhì)泥巖：水平層理，厚2～3m；中粗砂巖：厚度為0～30m，局部為砂巖，含植物化石及煤屑；細(xì)粉砂巖互層：灰-灰黑色，厚度0～73m，緩波狀、微波狀層理，含植物化石。該煤層瓦斯基本參數(shù)測量結(jié)果：煤層瓦斯壓力測定值為0.71MPa，瓦斯含量處于4～21m3/t之間，煤層透氣性系數(shù)為4.0076～7.9727m2/（MPa2?d），鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1525～0.2830d-1，放散初速度△ p為20～25。

3 3#煤層中深孔施工方案設(shè)計

為了增加3#煤層的鉆孔施工深度，從而提高該煤層瓦斯治理能力，基于影響鉆孔施工的因素，從鉆孔施工裝備、配套鉆具、排渣方式等方面對加強(qiáng)鉆孔深度的施工進(jìn)行了實踐應(yīng)用的探討，取得了較好的實踐效果。

3.1 鉆機(jī)選型

目前煤礦井下常用的鉆機(jī)類別主要有杭州鉆探機(jī)械廠的SGZ系列、西安煤科院生產(chǎn)MK系列、重慶煤炭科學(xué)分院生產(chǎn)的ZYG系列。結(jié)合白龍煤礦3#煤層的地質(zhì)條件，較為合適的為ZDY6000L和CMS1-6200等。ZDY6000L型鉆機(jī)為西安煤科院生產(chǎn)，優(yōu)點：扭矩、起拔能力大，下鉆速度快，鉆進(jìn)效率高，但3#煤層開采巷道高，需要對該型號鉆機(jī)進(jìn)行改進(jìn)增加穩(wěn)固性能。ZDY6000L型鉆機(jī)施工200m鉆孔用時3～4個班。CMS1-6200型鉆機(jī)為江蘇中煤生產(chǎn)，優(yōu)點：功率大，結(jié)構(gòu)緊湊，操作靈活，機(jī)動性好，全斷面作業(yè)，安全性能好，一機(jī)多用，缺點：自重小，在松軟煤層穩(wěn)定性差，需要加強(qiáng)穩(wěn)鉆改進(jìn)。CMS1-6200型鉆機(jī)施工200m鉆孔用時4～5個班。

3.2 鉆具選型

鉆孔施工過程中，鉆桿會受到拉、壓、彎、扭等多種作用，還會受到振動及沖擊載荷，鉆桿承受的彎應(yīng)力和扭距大，鉆桿接頭螺紋根部的尖底容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，反復(fù)擰卸又會使螺紋磨損，接頭部分成為鉆桿強(qiáng)度的薄弱部位。同時在鉆孔過程中還會受到孔壁的摩擦，降低鉆桿的疲勞強(qiáng)度，因此選擇合適的鉆具是非常重要的。

（1）光面圓鉆桿

光面圓鉆桿采用“公接頭+桿體+母接頭”的形式，其中公母接頭與中間桿體采用先進(jìn)的摩擦焊接工藝方法。為了減少應(yīng)力集中點，設(shè)計時把公接頭與母接頭的摩擦焊接過渡面設(shè)計為圓弧過渡狀。優(yōu)點：鉆桿強(qiáng)度高，缺點：排渣不暢，會壓鉆。

（2）螺旋鉆桿

螺旋鉆桿是在三角鉆桿的基礎(chǔ)上改進(jìn)而成，分為大螺距和小螺距兩種。其鉆進(jìn)方式屬于干式自主排工藝。優(yōu)點：作業(yè)產(chǎn)生的巖粉通過螺旋鉆桿排出，孔內(nèi)無巖粉存在，不會造成重復(fù)破碎；不需要循環(huán)介質(zhì)的存在，減少了設(shè)備的配套；鉆孔作業(yè)過程中，螺旋鉆具葉片具有相應(yīng)的支撐作用，降低了震動對鉆孔的干擾，能夠降低塌孔事故的發(fā)生。缺點：螺旋鉆桿的自重較大，作業(yè)速度較慢，鉆屑的排放不充分，鉆進(jìn)效率不高。

（3）三角鉆桿

三角鉆桿又叫三棱鉆桿，其利用鉆桿的自重使鉆桿與鉆孔底部的弧段保持著軸向線狀接觸，其橫斷面示意圖如圖1所示。優(yōu)點：排渣能力強(qiáng)，可增加鉆孔深度。

圖1 三角鉆桿橫斷面圖

相對比光面圓鉆桿和螺旋鉆桿，三角鉆桿整體的排渣效果較好，無壓鉆現(xiàn)象發(fā)生。因此在設(shè)計中采用螺旋鉆桿。

3.3 排渣方式的選擇

在瓦斯抽放鉆孔工藝中，以往均采用水力排渣方式。水力排渣優(yōu)點：攜帶煤粉量大，排渣能力強(qiáng)；缺點：對本身孔壁有相當(dāng)大的沖擊力，嚴(yán)重的話能導(dǎo)致垮孔、噴孔現(xiàn)象，會降低煤粉的強(qiáng)度。風(fēng)力排渣原理：壓縮空氣進(jìn)入孔以高速風(fēng)流的形式將鉆屑吹向孔口，特別適應(yīng)軟煤層的排渣過程。風(fēng)力排渣的影響因素有風(fēng)速和鉆孔傾角，通常設(shè)計風(fēng)壓為0.75MPa，保障排渣能力。根據(jù)3#煤層的特點，在本次設(shè)計當(dāng)中選擇了風(fēng)力排渣方式。同時對于風(fēng)力排渣，除了要有足夠風(fēng)壓外，還要防止含水空氣進(jìn)入鉆孔，否則鉆屑會通過壓風(fēng)中的水板結(jié)，排不出渣，因此，鉆孔中必須要保證干風(fēng)送入。保持排渣暢通，減少煤渣與鈷桿的摩擦，如果孔口排渣量減少，必須立即停鉆，使鉆桿退退進(jìn)進(jìn)，來回?fù)v孔，反復(fù)掏空。

3.4 鉆孔施工方案

（1）鉆孔設(shè)計。3號煤層的傾角為5°～6°，因此結(jié)合該煤層傾角，設(shè)計上行孔鉆孔角度為7°～8°，設(shè)計下行孔鉆孔的角度為4°～5°。目的是讓鉆孔的軌跡能同3號煤層保持平行，能增加鉆孔的深度。

（2）穩(wěn)固鉆機(jī)。前面選擇的ZDY6000L和CMS1-6200鉆機(jī)，在穩(wěn)固性上都較差，必須做好穩(wěn)固鉆機(jī)的措施。第一，根據(jù)鉆孔位置固定好鉆機(jī)；第二，墊木必須墊在鉆機(jī)底部的實底處，用立柱控制鉆機(jī)，防止因震動而發(fā)生位置移動。

（3）充分排渣。風(fēng)力排渣方式中，確保風(fēng)量足風(fēng)壓夠，空壓機(jī)的工作特性、管路以及鉆具的泄漏，要達(dá)到較好的鉆進(jìn)速度。鉆進(jìn)深度越大，排渣阻力越大，越需要更大的風(fēng)量和風(fēng)壓，以克服排渣阻力。地面壓風(fēng)機(jī)房產(chǎn)生的風(fēng)壓一般為0.8MPa，至井下排渣地點后一般能達(dá)到0.4～0.5MPa，當(dāng)風(fēng)力難滿足排渣所需時，需要在井下另設(shè)專用壓風(fēng)站，保證風(fēng)量和風(fēng)壓。

（4）要對不同層段的給進(jìn)壓力進(jìn)行掌握，出現(xiàn)壓力升高的情況要采取相應(yīng)的保障措施。

（5）為了防止鉆孔施工作業(yè)場所發(fā)生片幫冒頂事故，必須加強(qiáng)鉆孔施工作業(yè)場所及周圍巷道的支護(hù)，嚴(yán)禁空幫空頂。為了防止在鉆孔施工過程中發(fā)生煤塵事故，在鉆孔施工過程中，必須要采取內(nèi)噴霧或外噴霧等有效的滅塵措施。

4 結(jié)論

當(dāng)前白龍煤礦3#煤層的瓦斯抽放鉆孔施工作業(yè)已有一年之久，基本確定了采用ZDY6000L和CMS1-6200兩種鉆機(jī)，主要采用螺旋鉆桿和三角鉆桿，排渣方式選擇風(fēng)力排渣、鉆具自動排渣及混合排渣三種。在一年的鉆孔施工探索時間內(nèi)，共施工鉆孔709個，累計進(jìn)尺103615m，鉆孔最深228m。其中鉆孔深度≥200m的18個，比例占2.5%；200m＞鉆孔深度≥150m的352個，比例占49.6%。從該數(shù)據(jù)可以看，優(yōu)化設(shè)計的瓦斯抽放鉆孔施工后，鉆孔的深度和效率都有了很大的提高，瓦斯抽采率從12%提高到了25%以上。該瓦斯抽放鉆孔施工工藝切實合理，能為該煤礦的瓦斯防治提供支持。