復(fù)雜巖層底板鉆孔施工工藝探索與應(yīng)用

仵勝利

(陜西黃陵二號(hào)煤礦有限公司，陜西 延安 727032)

0 引言

黃陵二號(hào)煤礦屬高瓦斯礦井，同時(shí)又伴有全行業(yè)極為罕見(jiàn)的油型氣災(zāi)害，油型氣與煤層瓦斯不同，其儲(chǔ)集層是煤層頂?shù)装宓纳皫r層，賦存狀態(tài)以游離態(tài)為主，揭露后快速逸散。通過(guò)2#煤層頂?shù)装迥鄮r層及深部延長(zhǎng)組烴源巖分析和油源對(duì)比，初步認(rèn)為油型氣以深部來(lái)源為主。煤層下部富縣組下部砂巖含氣層、瓦窯堡組頂部砂巖含氣層，分別距2#煤間距0～23.28 m、2.2～101.67 m。工作面在回采期間，2#煤層下部的3#煤層及其圍巖受2#煤層采動(dòng)影響，致使大量瓦斯(油型氣)解吸并向采空區(qū)逸散，進(jìn)而造成采空區(qū)瓦斯涌出量大幅增加[1-3]，對(duì)工作面的回采造成很大影響，為了消除這一影響，需施工大量的底板鉆孔抽采3#煤層及其圍巖瓦斯(油型氣)，為此，以二號(hào)煤礦207工作面為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

1 工程概況

207工作面位于二盤(pán)區(qū)的東北部，北至二、四盤(pán)區(qū)分界，南至北一一號(hào)輔運(yùn)大巷，西部緊鄰205工作面采空區(qū)，東部緊鄰209工作面，工作面可采長(zhǎng)度為4 366 m，煤層為一單斜構(gòu)造，傾向西北，地層傾角0°～1°。

207工作面屬于典型的煤、油、氣共生工作面，根據(jù)工作面順槽在掘進(jìn)期間所施工的底板探孔瓦斯及壓力情況，得出了207工作面底板瓦斯(油型氣)富集區(qū)為膠帶巷1 686～2 954 m，回風(fēng)巷1 763～2 600 m，工作面油型氣富集區(qū)長(zhǎng)度達(dá)到1 268 m。膠帶巷每隔60 m、回風(fēng)巷每隔50 m施工4～9個(gè)底板鉆孔，設(shè)計(jì)底板鉆孔總量達(dá)到10.6萬(wàn)m。鉆孔垂深15 m，鉆孔穿過(guò)粉砂巖、泥巖、3#煤層。

根據(jù)207工作面底板巖性情況(見(jiàn)表1)得知，2#煤層底板巖性復(fù)雜，有遇水易膨脹易卡鉆的泥巖、多層夾矸容易破碎的3#煤層及粉砂巖，鉆孔施工期間經(jīng)常出現(xiàn)卡鉆、夾鉆、堵鉆等現(xiàn)象，鉆孔的施工效率及成孔率極低，嚴(yán)重威脅著工作面的安全回采。

表1 207工作面底板巖性情況

2 復(fù)雜巖層底板鉆孔施工工藝

為了解決復(fù)雜巖層底板鉆孔施工過(guò)程中存在的問(wèn)題，在207工作面通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的摸索、實(shí)踐，形成了以低螺旋鉆桿配合外平鉆桿、壓風(fēng)排渣除塵技術(shù)、孔口濕式除塵技術(shù)、底板鉆孔護(hù)孔技術(shù)各類(lèi)措施綜合使用的施工工藝，取得了良好的效果。

2.1 低螺旋鉆桿

常規(guī)鉆孔施工時(shí)，普遍采用外平鉆桿，因外平鉆桿外殼光滑，鉆孔施工過(guò)程中阻力較低、出渣量小[4-6]。但當(dāng)孔內(nèi)泥巖遇水膨脹、3#煤層破碎后，極易造成孔內(nèi)卡鉆、夾鉆。

為了解決卡鉆、夾鉆現(xiàn)象，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)多次試驗(yàn)探索，確定了低螺旋鉆桿施工底板鉆孔。低螺旋鉆桿外殼是螺旋狀凹槽，在鉆孔施工過(guò)程中，螺旋鉆桿在鉆孔中轉(zhuǎn)動(dòng)，螺旋鉆桿和孔壁構(gòu)成了一個(gè)小型輸送器，孔底巖渣被鉆桿上的螺旋葉片逐步向后輸送，直至排出孔外，形成鉆頭不斷破巖，鉆桿連續(xù)排渣的情況，因此底板鉆孔施工為鉆頭+φ73低螺旋鉆桿+φ73外平鉆桿，采用φ73低螺旋鉆桿穿過(guò)泥巖及3#煤層。

2.2 風(fēng)力排渣施工工藝

傳統(tǒng)的排渣工藝是使用旋轉(zhuǎn)阻力小的外平鉆桿以水作為沖洗介質(zhì)，鉆桿與孔壁作為運(yùn)輸通道將鉆渣排出鉆孔，水冷卻鉆頭[7-9]。但由于水的密度大，對(duì)煤壁的沖刷力大，在底板鉆孔施工過(guò)程中水滲入3#煤層裂隙，加速了煤的解體及塌孔現(xiàn)象，且在泥巖段遇水極易膨脹，經(jīng)常出現(xiàn)塌孔、卡鉆、夾鉆等現(xiàn)象，降低了鉆孔的成孔率。

為了解決底板鉆孔水的問(wèn)題，將沖洗介質(zhì)由水改為風(fēng)施工底板鉆孔。風(fēng)力排渣技術(shù)是利用壓風(fēng)，將0.8 MPa的壓縮空氣通過(guò)壓風(fēng)管路、高壓風(fēng)管、注水器壓入鉆桿內(nèi)部，通過(guò)鉆頭進(jìn)入鉆孔孔底，在孔內(nèi)形成高速風(fēng)流，將鉆屑懸浮在風(fēng)流中被吹向孔口，從而實(shí)現(xiàn)排渣并冷卻鉆頭。

相較于水力排渣，風(fēng)力排渣的優(yōu)點(diǎn)是克服了水力排渣困難、穿不過(guò)泥巖層和成孔時(shí)間長(zhǎng)的問(wèn)題，對(duì)孔壁破壞小，不易產(chǎn)生塌孔，鉆頭能夠輕松的穿過(guò)泥巖層，鉆屑能夠快速排出，鉆孔施工完后孔內(nèi)無(wú)積水、積塵，鉆孔的抽采效率大幅度提高。因此選用低螺旋鉆桿和風(fēng)力排渣工藝優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，形成了風(fēng)力螺旋排渣工藝。

2.3 孔口濕式除塵技術(shù)

由于風(fēng)力螺旋排渣工藝在底板鉆孔施工過(guò)程中粉塵大，且底板鉆孔偶有動(dòng)力現(xiàn)象，為了降低施工過(guò)程中的粉塵及鉆孔的安全施工，提高現(xiàn)場(chǎng)安全生產(chǎn)環(huán)境水平，設(shè)計(jì)了一種防塵防噴孔裝置。孔口濕式除塵技術(shù)是在孔口通過(guò)防塵防噴孔裝置進(jìn)行降塵的技術(shù)，防塵裝置采用噴霧引射流形成的負(fù)壓直接將鉆孔中粉塵由集塵器吸入出水出渣管道內(nèi)通過(guò)噴霧頭將粉塵沉降管道內(nèi)壁，而后被水沖出從而達(dá)到除塵的目的；鉆孔施工期間在應(yīng)急抽采系統(tǒng)接口處采用3吋軟管對(duì)接在抽采管路上，當(dāng)施工過(guò)程中孔內(nèi)甲烷濃度增大或者有動(dòng)力現(xiàn)象時(shí)，開(kāi)啟閥門(mén)在鉆孔施工過(guò)程中進(jìn)行抽采。采用孔口濕式除塵技術(shù)后，風(fēng)力排渣技術(shù)施工的底板鉆孔除塵效果達(dá)到95%以上。

2.4 護(hù)孔技術(shù)

底板鉆孔施工完后，采用風(fēng)力排渣施工的底板鉆孔均不同程度存在積水現(xiàn)象，分析來(lái)源為底板砂巖裂隙水及巷道積水滲入底板，導(dǎo)致底板泥巖層膨脹，鉆孔出現(xiàn)收縮、塌孔現(xiàn)象，降低了底板鉆孔的抽采效率，因此底板鉆孔施工完后，需對(duì)鉆孔抽采空間進(jìn)行保護(hù)即護(hù)孔，提高鉆孔的抽采效果。

底板鉆孔護(hù)孔技術(shù)是將單純封孔管封孔調(diào)整為全孔安設(shè)鉆孔護(hù)孔管和封孔管。封孔時(shí)先往孔內(nèi)運(yùn)送護(hù)孔管，每根護(hù)孔管長(zhǎng)度2 m，采用絲扣連接，護(hù)孔管是1.5吋PE管路上施工直徑為20 mm的小孔20個(gè)，作為抽采通道；當(dāng)護(hù)孔管運(yùn)送至孔底后，按照正常鉆孔封孔流程進(jìn)行封孔。通過(guò)底板鉆孔護(hù)孔技術(shù)，鉆孔未出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象，底板油型氣的抽采效果明顯提升。

3 應(yīng)用實(shí)例

根據(jù)207工作面回風(fēng)巷施工底板鉆孔參數(shù)(表2)及207工作面底板巖性情況，看出鉆孔施工需經(jīng)過(guò)細(xì)粒砂巖、中粒砂巖、細(xì)粒砂巖、泥巖、3#煤層、泥巖、粉砂巖、細(xì)粒砂巖等8層，巖性變化復(fù)雜，且在3#煤層頂?shù)装逦恢镁袠O易遇水膨脹的泥巖。

根據(jù)柱狀圖顯示底板泥巖區(qū)域及鉆孔施工參數(shù)計(jì)算出所有鉆孔泥巖段斜長(zhǎng)在19～44 m之間，見(jiàn)表3。

207回風(fēng)巷底板鉆孔采用45 m低螺旋鉆孔+127 m外平鉆桿，實(shí)現(xiàn)鉆孔過(guò)泥巖段期間全部采用低螺旋鉆桿，鉆孔在施工過(guò)程中孔壁與鉆桿之間形成小型輸送器，利用壓風(fēng)排渣技術(shù)將粉塵從小型輸送器中排除，形成了風(fēng)力螺旋排渣工藝；采用孔口濕式除塵技術(shù)將孔內(nèi)排除的粉塵與除塵器內(nèi)水霧混合，使粉塵沉降在除塵管的內(nèi)壁，被水沖出后進(jìn)行除塵；當(dāng)鉆孔施工完后，采用鉆孔護(hù)孔技術(shù)杜絕了鉆孔塌孔現(xiàn)象，使鉆孔成孔率達(dá)到了100%，確保了207工作面的安全生產(chǎn)。

表2 207回風(fēng)底板鉆孔參數(shù)

表3 207回風(fēng)底板鉆孔泥巖段鉆孔參數(shù)

4 結(jié)論

(1)采用風(fēng)力螺旋排渣工藝底板鉆孔，有利于鉆孔的排渣效果及鉆孔質(zhì)量，底板鉆孔的成孔率得到了100%。

(2)采用孔口濕式除塵技術(shù)解決了底板鉆孔施工過(guò)程中粉塵濃度高的問(wèn)題，并將孔內(nèi)的高濃度瓦斯進(jìn)行抽采，消除了孔內(nèi)動(dòng)壓現(xiàn)象造成的停機(jī)問(wèn)題，保證了鉆孔的安全、高效施工。

(3)采用鉆孔護(hù)孔技術(shù)消除了因水造成的塌孔問(wèn)題，保證了鉆孔的質(zhì)量，提高了鉆孔抽采效果。