千米鉆機(jī)氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)工藝在碎軟煤層的試驗(yàn)

狄朋毅，熊祖強(qiáng)，蘆海廣

(1. 河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南 焦作 454000； 2. 山西長平煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 晉城 048400)

千米鉆機(jī)定向鉆進(jìn)是國內(nèi)瓦斯抽采鉆孔深孔鉆進(jìn)的前沿技術(shù)。近年來，千米鉆機(jī)在煤礦瓦斯抽采工程中發(fā)揮了重要作用，特別是在晉城礦區(qū)寺河礦、大寧礦、成莊礦，千米鉆孔抽采已成為礦井瓦斯治理的主要手段[1-2]. 上述礦井煤質(zhì)普遍較硬(煤的堅(jiān)固性系數(shù)在1.0以上)，千米鉆機(jī)采用常規(guī)清水作為鉆進(jìn)動力和排渣介質(zhì)，不僅煤段鉆孔施工效率高(日進(jìn)尺可達(dá)到200 m以上)，而且采用定向鉆進(jìn)，施工精確度高，成孔質(zhì)量好，其中，寺河礦千米鉆孔最大孔深達(dá)到1 200 m，平均孔深達(dá)到500 m以上。

對一些煤層松軟破碎的礦井，千米鉆機(jī)施工本煤層順層鉆孔時塌孔、卡鉆十分嚴(yán)重，施工效率較低，而且深孔鉆進(jìn)困難，無法實(shí)現(xiàn)區(qū)段抽采和推廣應(yīng)用，主要原因有：1) 松軟煤層自身力學(xué)性質(zhì)差，受鉆頭鉆進(jìn)擾動影響，孔壁煤體易破碎堵孔或卡鉆。2) 從鉆頭噴出的水流對孔壁煤體產(chǎn)生一定的侵蝕和沖刷作用，進(jìn)一步降低煤粒之間的摩擦系數(shù)，破壞煤體內(nèi)的原有結(jié)構(gòu)，降低煤體強(qiáng)度，從而發(fā)生塌孔[3]. 為了解決松軟煤層千米鉆孔的成孔問題，晉煤集團(tuán)長平礦和趙莊礦試驗(yàn)了梳狀鉆孔，將千米鉆機(jī)布置在底板巖巷，鉆孔的主孔布置在巖段，從巖段開分支施工本煤層順層鉆孔，提高鉆孔的返渣效果，但梳狀鉆孔未從根本上解決碎軟煤層成孔問題，煤段塌孔、卡鉆等問題未得到有效解決。2018年以來，淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦和貴州畢節(jié)市青龍煤礦試驗(yàn)了千米鉆機(jī)壓風(fēng)排渣施工工藝，其中，青龍煤礦最長施工深度達(dá)到406 m[4]，但是壓風(fēng)打鉆存在鉆孔著火的風(fēng)險。該次試驗(yàn)通過改變鉆機(jī)的排渣和鉆進(jìn)工藝，在全國首次使用壓縮氮?dú)膺M(jìn)行鉆進(jìn)排渣，減少鉆具對煤體的破壞，提高排渣效果，同時，通過復(fù)合鉆進(jìn)提高鉆進(jìn)效率，確保千米鉆孔的成孔深度，實(shí)現(xiàn)更高效的瓦斯抽采。

1 礦井概況

1.1 礦井基本情況

長平礦是晉煤集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井之一，位于山西省高平市寺莊鎮(zhèn)，核定生產(chǎn)能力500萬t/年，批準(zhǔn)開采3#煤層。

1.2 煤層賦存情況

井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組與二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤19層?，F(xiàn)礦井單水平開采3#煤，煤層厚4.56～6.83 m，為低硫、低灰、低磷、高發(fā)熱量優(yōu)質(zhì)無煙煤，屬Ⅲ類不易自燃煤層，煤塵無爆炸性。

3#煤層為近水平煤層，整體呈單斜構(gòu)造。受埋深及地質(zhì)條件影響較大，瓦斯賦存不均衡，區(qū)域性差異明顯，2011年礦井被鑒定為高瓦斯礦井。受成煤過程及后期構(gòu)造影響，3#煤層松軟破碎，煤層透氣性差，四盤區(qū)煤層透氣性為0.011 6～0.052 0 m2/MPa2·d，五盤區(qū)煤層透氣性為0.986 1～1.131 5 m2/MPa2·d.

1.3 瓦斯治理現(xiàn)狀

長平礦自2014年開始試驗(yàn)底抽巷瓦斯治理模式，在3#煤層下方11 m處布置一條瓦斯抽采巖巷，通過超前預(yù)抽確保抽采達(dá)標(biāo)。目前，礦井累計施工13條底抽巷，已形成了以底抽巷穿層鉆孔抽采為主的瓦斯治理模式。

本煤層順層鉆孔作為長平礦瓦斯抽采的輔助手段，主要服務(wù)綜采工作面采前預(yù)抽。為了提高鉆孔成孔深度和成孔效率，該礦試驗(yàn)了螺旋鉆桿、寬翼片鉆桿、三棱鉆桿、刻槽鉆桿，同時，不斷提高鉆機(jī)的扭矩。目前，本煤層順層鉆孔鉆進(jìn)深度可以達(dá)到120 m. 但采用傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝技術(shù)，鉆孔軌跡易因自然造斜進(jìn)入頂?shù)装?，存在鉆孔深度淺、鉆孔軌跡不可控制等缺點(diǎn)，不能滿足高效抽采的需求。

1.4 千米鉆機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀

該礦有千米鉆機(jī)6臺，其中晉煤集團(tuán)高寶鉆探公司ZYL15000D鉆機(jī)1臺，西安煤科院ZDY12000LD鉆機(jī)1臺，澳大利亞VLD1000鉆機(jī)1臺，重慶煤科院ZYWL6000鉆機(jī)1臺，重慶煤科院ZYWL4000鉆機(jī)兩臺。2010年以來，該礦圍繞千米鉆機(jī)本煤層順層鉆孔深孔鉆進(jìn)開展了一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)期間多次出現(xiàn)掉鉆，給礦井帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且，鉆孔平均孔深不足100 m，試驗(yàn)未取得預(yù)期效果。

目前，在用的千米鉆機(jī)主要施工采空區(qū)裂隙帶鉆孔(巖孔)，抽采鄰近層和采空區(qū)瓦斯。

2 氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)裝備及工藝

2.1 制氮機(jī)組工作原理

該礦選用煤科集團(tuán)沈陽研究院生產(chǎn)的DM-1 000 m3/h型礦用膜分離式制氮機(jī)，采用膜分離原理產(chǎn)生高濃度氮?dú)?。?dāng)空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠隍?qū)動力(膜兩側(cè)壓差)作用下運(yùn)動時，由于氣體在膜中的滲透率和擴(kuò)散系數(shù)的不同，導(dǎo)致滲透速率較快的水蒸氣、氧等氣體優(yōu)先透過膜，成為富氧氣體；而滲透速率較慢的氮?dú)庠跍魝?cè)富集，成為干燥的富氮?dú)怏w90%～99.9%. 制氮工藝流程圖見圖1，制氮機(jī)組由3部分組成，巷道內(nèi)的新鮮空氣經(jīng)過空氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，經(jīng)過空氣凈化系統(tǒng)將空氣中的雜質(zhì)、水汽過濾，再經(jīng)過膜組將氧氣和氮?dú)夥蛛x，最后生成高濃度的氮?dú)狻Ｗ詈?，生成的氮?dú)庖?.2 MPa的壓力和97%以上的純度輸送至氮?dú)夤艿老到y(tǒng)，通過管道輸送鉆場位置。

圖1 制氮工藝流程圖

2.2 千米鉆機(jī)氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)原理

試驗(yàn)選用西安煤科院ZDY12000LD定向鉆機(jī)、d73 mm通纜鉆桿、d73 mm空氣螺桿馬達(dá)、d108 mm專用定向鉆頭。壓縮氮?dú)怛?qū)動空氣螺桿馬達(dá)，作為定向鉆進(jìn)的動力介質(zhì)和排渣介質(zhì)。

氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)裝備連接圖見圖2. 鉆進(jìn)過程中，空氣螺桿馬達(dá)帶動鉆頭鉆動，實(shí)現(xiàn)滑動定向鉆進(jìn)(鉆桿不回轉(zhuǎn))。鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)卡鉆時，鉆頭(空氣螺桿馬達(dá)驅(qū)動)和通纜鉆桿(鉆機(jī)液壓傳動)同時轉(zhuǎn)動，實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)處理卡鉆，提高排渣效果和鉆進(jìn)效率[4].

圖2 氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)裝備連接圖

2.3 防火設(shè)計

壓風(fēng)排渣鉆進(jìn)時，鉆具與煤屑摩擦易出現(xiàn)孔內(nèi)著火事故。為了防止鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)孔內(nèi)火災(zāi)，使用的氣體介質(zhì)為濃度97%以上的氮?dú)?，并設(shè)計了自動報警系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)：1) 當(dāng)制氮機(jī)組輸出氧氣濃度高于3%時，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動報警，操作人員通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)控制氮?dú)鉂舛取?) 在鉆機(jī)處，壓縮氮?dú)馔ㄟ^流量與壓力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，確保氮?dú)鉂舛群土髁糠€(wěn)定。3) 在鉆機(jī)下風(fēng)側(cè)安裝氧氣探頭，孔口下風(fēng)側(cè)放置一氧化碳和氧氣便攜式檢測裝置，當(dāng)鉆場氧氣濃度低于20%或一氧化碳濃度超過24×10-6時可以實(shí)現(xiàn)報警。

2.4 防窒息設(shè)計

高濃度氮?dú)庑孤稌斐上锏纼?nèi)氧氣濃度下降，進(jìn)而造成人員窒息事故。為防止窒息事故：1) 安排專人經(jīng)常性檢查各制氮系統(tǒng)，并在制氮機(jī)組及輸送管路上張貼“高壓氮?dú)?嚴(yán)禁碰撞”的反光標(biāo)，避免人為造成泄露。2) 確保制氮、輸送、使用等地點(diǎn)的風(fēng)量充足，經(jīng)計算，230 m3/min的配風(fēng)量可以滿足氮?dú)馔耆孤逗螅锏纼?nèi)氧氣濃度大于20%，試驗(yàn)期間，主要防止局部區(qū)域氧氣濃度下降，采取了警戒、懸掛風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)、懸掛氧氣便攜儀等措施。

2.5 防塵設(shè)計

壓風(fēng)打鉆過程中粉塵較大，為了控制粉塵，主要采取的措施有：1) 在鉆機(jī)下風(fēng)側(cè)安裝凈化水幕。2) 在孔口安裝除塵器，見圖3，主要由霧化除塵室、射流器、防噴孔復(fù)合吸塵罩、輸塵管等構(gòu)成，孔口除塵器利用井下壓風(fēng)作動力，同時利用水進(jìn)行霧化除塵。

圖3 氮?dú)獯蜚@孔口負(fù)壓除塵器圖

2.6 試驗(yàn)主要流程及要求

1) 開孔。固定鉆機(jī)后，一開使用d108 mm鉆頭施工15 m，二開使用d95/153 mm合金鋼鉆頭擴(kuò)孔15 m，退出鉆具后，下入d125 mm封孔管，并完成注漿。

2) 制氮。啟動制氮機(jī)組，確保氮?dú)鉂舛却笥?7%，檢查氮?dú)鈮毫φ！?/p>

3) 鉆進(jìn)。檢查鉆機(jī)處氮?dú)夤軌毫Υ笥?.0 MPa，使用氮?dú)怛?qū)動空氣螺桿馬達(dá)帶動d108 mm專用鉆頭實(shí)現(xiàn)破煤。正常鉆進(jìn)時，采取滑動定向鉆進(jìn)；當(dāng)鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)卡鉆或在穩(wěn)定煤層段鉆進(jìn)時，采取復(fù)合鉆進(jìn)。

4) 監(jiān)控。鉆進(jìn)過程中，隨時檢查監(jiān)控系統(tǒng)的流量和壓力，在主油泵內(nèi)添加潤滑油，減少空氣螺桿馬達(dá)磨損。

5) 測量。每鉆進(jìn)3 m，通過隨鉆測量系統(tǒng)測量鉆孔軌跡，并根據(jù)煤層起伏情況調(diào)整鉆孔軌跡。

6) 退鉆。正常鉆進(jìn)過程中確保煤渣返凈，出現(xiàn)卡鉆時反復(fù)掏煤，施工至鉆孔成孔后退鉆。

7) 護(hù)孔。使用d50 mm篩管進(jìn)行護(hù)孔，降低塌孔對抽采效果的影響。

8) 封孔。通過雙囊袋兩堵一注的封孔工藝完成注漿封孔，并進(jìn)行并網(wǎng)聯(lián)抽。

3 現(xiàn)場試驗(yàn)

該次試驗(yàn)布置在掘進(jìn)措施巷的鉆場硐室內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)域煤層厚6 m，巷道沿3#煤頂板掘進(jìn)，巷高4 m. 設(shè)計施工5個鉆孔，鉆孔開孔高度1 m，距煤層頂板3 m，鉆孔設(shè)計沿煤層中部延伸，鉆孔鉆進(jìn)方向的煤體呈下傾的單斜構(gòu)造。氮?dú)廨斔凸苈愤x用DN100鐵管，氮?dú)夤苈房傞L280 m. 經(jīng)過井下實(shí)測，鉆機(jī)處氮?dú)鈮毫?.1 MPa. 鉆場配風(fēng)量為650 m3/min，鉆場溫度15～18 ℃. 鉆機(jī)布置及成孔情況見圖4.

圖4 千米鉆機(jī)氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)鉆場布置及成孔情況圖

試驗(yàn)以氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)為主，滑動鉆進(jìn)為輔，返渣以細(xì)粒煤為主。鉆進(jìn)過程中，鉆孔30～50 m段頻繁出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，判斷受已掘巷道應(yīng)力影響區(qū)影響，為此，采取了退鉆并全孔注漿的措施，待水泥漿凝固再鉆進(jìn)，緩解了卡鉆的現(xiàn)象。由于采取了加大配風(fēng)量、防火、防塵等措施，試驗(yàn)期間未出現(xiàn)氧氣濃度和一氧化碳報警，鉆場粉塵不超標(biāo)。自2018年12月1日開始施工，2019年1月13日施工結(jié)束，除2#鉆孔因卡鉆而退鉆外，其余鉆孔均因接近斷層(見矸)而退鉆。累計施工鉆孔進(jìn)尺906 m(含分支)，最大主孔深度達(dá)到231 m，見表1.

表1 掘進(jìn)措施巷氮?dú)獯蜚@成孔情況表

4 試驗(yàn)效果分析

1) 鉆孔成孔。此次試驗(yàn)最大鉆孔達(dá)到231 m，是目前長平礦本煤層順層鉆孔的最深鉆孔；5個鉆孔平均孔深162 m，是水力排渣施工工藝的3.1倍。

2) 施工效率。千米鉆機(jī)氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)44天完成鉆孔進(jìn)尺906 m，平均日進(jìn)尺21 m，較水力排渣施工工藝略有提升，但與普通鉆機(jī)(非定向鉆進(jìn))平均日進(jìn)尺130 m和千米鉆機(jī)巖孔施工平均日進(jìn)尺60 m相比，氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)的施工效率較低。除受構(gòu)造影響外，首次試驗(yàn)中職工對工藝和裝備的不熟練、下行孔返渣困難等因素，也在一定程度上影響了施工效率。

3) 護(hù)孔。為降低塌孔對抽采的影響，在鉆孔成孔后使用d50 mmPE篩管對鉆孔進(jìn)行護(hù)孔。采用人工護(hù)孔的方式，由于定向鉆孔孔深較大，所有試驗(yàn)鉆孔均無法實(shí)現(xiàn)全長護(hù)孔，最長護(hù)孔深度僅為44 m，造成鉆孔深部形成了抽采弱化區(qū)。

4) 抽采效果。氮?dú)馀旁鼘γ后w擾動較小，形成的孔壁較規(guī)整，單孔抽采量偏低，試驗(yàn)鉆孔百米鉆孔流量為0.008 6 m3/min，略高于長平礦本煤層順層鉆孔百米流量0.006 8 m3/min的平均水平。

5 結(jié) 語

碎軟煤層順層鉆孔定向深孔鉆進(jìn)是近年來瓦斯治理的一個難點(diǎn)，通過開展千米鉆機(jī)氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了定向鉆進(jìn)231 m，創(chuàng)造了長平礦本煤層順層鉆孔的最高孔深紀(jì)錄。但是鉆孔施工效率低、護(hù)孔困難、抽采量偏低，直接影響了氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)工藝在礦井的全面推廣，需要進(jìn)一步完善施工工藝和裝備，研發(fā)配套水力增透措施及定向鉆孔機(jī)械護(hù)孔裝置[4]，不斷提高抽采效率。