三軟突出煤層深孔鉆進(jìn)技術(shù)與裝備應(yīng)用研究

左 楊 崔 峰

（1.河南能源義煤集團(tuán)技術(shù)中心瓦斯研究所，河南 義馬 472300；2.河南能源義煤集團(tuán)新安煤礦，河南 新安 471800）

新安煤田為典型的豫西“三軟”煤層，瓦斯壓力大，瓦斯含量高，煤層透氣性較差。松軟煤層、破碎煤層等施工本煤層鉆孔時，孔壁穩(wěn)定性差，成孔后孔壁易坍塌，影響瓦斯抽采效果，存在一定的盲區(qū)，一般抽采措施的抽采效果普遍較差且采掘過程中容易造成瓦斯事故。順層長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)在一定程度上提高了瓦斯抽放效果，實(shí)現(xiàn)鉆孔“打多深、抽多深”，有效提高成孔深度與成孔率。

1 礦井概況

1.1 礦井開采與開拓

義安井田位于新安煤田深部，二1煤層埋藏深度550～950m，采用立井開拓方式。采煤方法采用傾斜長壁采煤法，全部陷落法管理頂板。

1.2 礦井瓦斯

義安礦業(yè)共發(fā)生了3次瓦斯動力現(xiàn)象，其中二1煤層發(fā)生2次，二2煤層發(fā)生1次。2007年經(jīng)河南理工大學(xué)煤礦安全工程技術(shù)研究中心鑒定，義安礦為突出礦井。

地勘期間共采集瓦斯煤樣7個，全部采用解吸罐采取。由瓦斯試驗(yàn)成果來看，全礦井總瓦斯含量4.02～12.19m3/t，平均為 7.22m3/t。

井下實(shí)測煤層瓦斯含量14個，二1煤10個，二2煤4個。其中二1煤層瓦斯含量為6.22～14.52m3/t，二2煤層為3.36～10.20m3/t。義安礦二1煤層瓦斯壓力為 0.29～1.51MPa，二2煤層為 0.42～0.93MPa。

2 鉆機(jī)裝備及鉆具

2.1 鉆機(jī)裝備

本次試驗(yàn)共采用了中煤科工集團(tuán)西安研究院ZDY10000S、江蘇中煤礦山設(shè)備有限公司CMS1-4200等七種鉆機(jī)進(jìn)行打鉆試驗(yàn)。

2.2 鉆具

螺旋鉆桿分為螺紋式螺旋鉆桿和插接式螺旋鉆桿。規(guī)格為 Ф78/50、Ф88/50、Ф90/63.5、Ф100/63.5、Ф110/73、Ф120/73等，也可根據(jù)礦井煤層情況進(jìn)行加工，適用于松軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工。插接式螺旋鉆桿采用相位摩擦焊接技術(shù)生產(chǎn)，葉片連續(xù)，排粉效果好。

采用胎體式PDC鉆頭、深孔用金剛石復(fù)合片鉆頭等鉆頭設(shè)備，規(guī)格為Ф60、Ф75、Ф94、Ф110、Ф113、Ф120、Ф133、Ф153等，根據(jù)礦井工作面煤層、地質(zhì)情況選用合適的鉆頭，根據(jù)具體使用情況專門設(shè)計和制造。如圖1、圖2所示。

圖1 螺紋鉆桿及插接式螺旋鉆桿連接圖

圖2 深孔用金剛石復(fù)合片鉆頭及硬質(zhì)合金鉆頭

3 試驗(yàn)工作面概況

義安礦業(yè)原始瓦斯含量在9.30～14.52m3/t之間，原始瓦斯壓力在0.29～1.51MPa之間。

3.1 11100工作面概況

11100工作面切眼長度為152.9m，具備施工深鉆孔條件，為了解決該工作面防突打鉆及區(qū)域瓦斯治理難題，探索在新安井田“三軟”煤層深孔（孔深不低于100m）鉆孔施工的大功率鉆機(jī)及配套鉆具。

對11100工作面外段345m區(qū)域進(jìn)行了透射法槽波勘探。從11100工作面外段槽波波速成果圖上看，該工作面有兩處薄煤區(qū)域，一處薄煤區(qū)域?yàn)?1100下巷E6點(diǎn)前8.3m～54.2m處，范圍45.9m，延伸工作面內(nèi)部51.7m；另一處薄煤區(qū)域?yàn)?1100下巷E9點(diǎn)后38m到E9點(diǎn)前4.3m，范圍42.3m，寬度40.6m。11100下巷試驗(yàn)鉆孔未在薄煤區(qū)域施工。

3.2 12090工作面概況

二112090工作面位于義安井田中部，為傾向長壁綜采工作面，主采二1煤層。

4 鉆孔施工試驗(yàn)

4.1 第一階段試驗(yàn)

中煤科工集團(tuán)西安研究院ZDY10000S、ZDY3200S、3000LG鉆機(jī)、江蘇中煤礦山設(shè)備有限公司CMS1-4200和浙江杭鉆機(jī)械制造股份有限公司ZLJ2300B五種鉆機(jī)在11100上巷試驗(yàn)；中煤科工集團(tuán)西安研究院ZDY3500LP、ZDY4300LF（A）兩種鉆機(jī)在11100下巷試驗(yàn)，共計約220d。

第一階段試驗(yàn)完畢后，共計施工118個鉆孔。根據(jù)各鉆機(jī)及配套鉆具在11100工作面的鉆孔施工試驗(yàn)情況，對各鉆機(jī)現(xiàn)場施工優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)，并對第一階段試驗(yàn)未達(dá)到預(yù)期效果的原因進(jìn)行了分析，主要有以下幾個方面：

（1）工作面煤層地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，煤質(zhì)太松軟，另外11100工作面切眼寬度近160m，地應(yīng)力、瓦斯壓力疊加，鉆孔施工至20～40m期間壓力大，出煤量大，出現(xiàn)塌孔、壓鉆現(xiàn)象。

（2）煤層頂板較穩(wěn)定，但底板起伏大。采用煤鉆頭施工，若遇底板起伏段、煤巖結(jié)合段、煤矸石結(jié)合段鉆頭易損壞。

（3）鉆頭與鉆桿直徑大小相差小，匹配不合理，導(dǎo)致鉆桿與孔壁之間空間太小，影響排粉效果。

（4）鉆孔施工期間易出現(xiàn)硫鐵硬煤核，無法破裂，卡在孔內(nèi)某一段將排粉空間堵住，需要空間排出。

4.2 第二階段試驗(yàn)

根據(jù)第一階段鉆孔施工試驗(yàn)情況以及存在的問題，重新配備了鉆桿和鉆頭等鉆具，在12090工作面軌道順槽采用中煤科工集團(tuán)西安研究院ZDY3500LP和ZDY3000LG型履帶式鉆機(jī)進(jìn)行第二階段順層長鉆孔（孔深不低于90m的順層鉆孔）施工試驗(yàn)。

ZDY3500LP型大功率履帶式鉆機(jī)共完成鉆孔13個，10個鉆孔全部試驗(yàn)成孔，3個鉆孔報廢。9個正常施工完成的鉆孔孔深全部達(dá)到了90m以上，孔深為93～150m，最深孔深達(dá)到了150m，平均孔深為105m，從穩(wěn)鉆至退鉆單孔平均有效施工時間11.1h，鉆孔成孔率為100%。

ZDY3000LG型大功率履帶式鉆機(jī)共完成鉆孔75個。其中53個鉆孔孔深超過了90m，14個鉆孔孔深超過了80m，僅8個鉆孔孔深低于80m，鉆孔成孔率近90%，最深孔深達(dá)到了120m，20個鉆孔平均孔深為102.6m，從穩(wěn)鉆至退鉆單孔平均有效施工時間12.9h。

鉆孔施工期間在20～30m段經(jīng)常出現(xiàn)鉆進(jìn)困難現(xiàn)象，主要表現(xiàn)在鉆機(jī)回轉(zhuǎn)壓力急劇增大、給進(jìn)力變大、鉆屑量增多、鉆速降低等。出現(xiàn)此類現(xiàn)象要及時調(diào)整鉆機(jī)鉆速，根據(jù)壓力變化調(diào)至匹配轉(zhuǎn)速，結(jié)合大功率鉆機(jī)較強(qiáng)的給進(jìn)、起拔力緩慢退鉆，排凈孔內(nèi)積煤，降低扭矩衰減量，有效利用大功率鉆機(jī)的優(yōu)勢穿過應(yīng)力集中區(qū)。

傳統(tǒng)的SGZ-ⅢA坑道鉆機(jī)在12090軌道施工孔深為60m的順層鉆孔，平均用時為13.6h，平均工效為4.4m/h，且難以超過孔深75m的瓶頸。經(jīng)統(tǒng)計分析，ZDY3500型和ZDY3000型試驗(yàn)鉆機(jī)工效分別為9.4m/h和8.5m/h，比傳統(tǒng)防突鉆機(jī)工效分別提高了136%和90.9%，且平均孔深分別達(dá)到了105m和93m，大大突破了傳統(tǒng)SGZ-ⅢA坑道鉆機(jī)孔深難以超過75m的瓶頸，有效解決了義安礦順層長鉆孔施工難度大的問題。

5 瓦斯預(yù)抽關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)

通過之前采用中煤科工集團(tuán)西安研究院ZDY3500LP和ZDY3000LG型履帶式鉆機(jī)進(jìn)行第二階段順層長鉆孔的施工試驗(yàn)，選取較為理想的10個試驗(yàn)鉆孔。

5.1 封孔工藝

采取“兩堵一注”封孔工藝進(jìn)行封孔，形成永久瓦斯抽放通道。如圖3所示。

5.2 抽采效果考察

12090軌道順槽二1煤層原始瓦斯含量最大值為8.87m3/t，煤層原始瓦斯含量較低，抽采期間鉆孔內(nèi)瓦斯涌出相對較小。

各鉆孔施工完畢后進(jìn)行了聯(lián)管抽采，每天測定各試驗(yàn)鉆孔瓦斯抽采濃度、流量等瓦斯抽采參數(shù)，其鉆孔抽采負(fù)壓在12～20kPa之間，對其瓦斯抽采參數(shù)及流量衰減系數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計分析。根據(jù)瓦斯抽采參數(shù)數(shù)據(jù)表得出單孔瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采量等走勢情況如圖4所示。

圖3 快速下套管工藝示意圖

圖4 瓦斯預(yù)抽鉆孔單孔平均抽采量

試驗(yàn)抽采期間單孔平均濃度在22.6%～46.3%之間，每天平均瓦斯抽采量在43.8～126.3m3之間，得其總平均濃度和平均抽采量分別為36.99%、76.84m3。通過試驗(yàn)期間的單孔抽放濃度和抽采量與之前抽采孔深的抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，抽采效果有較為明顯提高，對于高瓦斯礦井進(jìn)行預(yù)抽瓦斯有較好的指導(dǎo)意義。但是，在長鉆孔預(yù)抽瓦斯過程中，由于孔深較長、煤層松軟，容易出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，為了更好地提高順層長鉆孔預(yù)抽瓦斯的抽采效果，該技術(shù)還有待提高成孔率，改進(jìn)工藝水平，從而提高抽采效果。

6 結(jié)論

（1）通過選取中煤科工集團(tuán)西安研究院ZDY3500型和ZDY3000型履帶式鉆機(jī)進(jìn)行順層長鉆孔試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了大采長工作面順層長鉆孔瓦斯預(yù)抽，消除中間空白帶，提高防突措施效果。同時，為工作面優(yōu)化布置提供了基礎(chǔ)，減少巷道掘進(jìn)量。（10個切眼長度為120m的工作面共需要掘進(jìn)20條煤巷和11條底抽巷，優(yōu)化為6個長度為200m的工作面后一共需要掘進(jìn)12條煤巷和13條底抽巷，可少施工巷道6條，效益非常明顯）

（2）摸索出了一套適合新安井田松軟煤層打深孔的大功率鉆機(jī)及配套裝備、管理制度、操作規(guī)程。

（3）通過松軟煤層順層打深孔的實(shí)現(xiàn)，完成了長鉆孔封孔預(yù)抽瓦斯的試驗(yàn)。此次長鉆孔瓦斯預(yù)抽試驗(yàn)共選取了試驗(yàn)鉆孔10個，真正實(shí)現(xiàn)了“打多深、抽多深”，抽采效果顯著提高（最大約36%）。