三棱凹槽螺旋鉆桿在余吾煤業(yè)的應(yīng)用

戎冬冬

(潞安集團(tuán) 余吾煤業(yè)公司，山西 長治 046103)

余吾煤業(yè)公司是潞安集團(tuán)所屬的一座大型現(xiàn)代化礦井，主采3號煤層，屬于高瓦斯礦井，煤塵有爆炸危險性，自燃傾向性等級為Ⅲ類，屬于不易自燃煤層，無突出危險性。

1 應(yīng)用背景

余吾煤業(yè)南五采區(qū)位于礦井西南方向，煤體原始瓦斯含量為11 m3/t左右，煤層底板標(biāo)高為310～420 m，煤層埋深為400～610 m。煤體堅固性系數(shù)為0.35～0.56，屬于松軟煤層，主要采用順層鉆孔對回采工作面煤體進(jìn)行預(yù)抽。打鉆使用ZDY4000S煤礦用履帶鉆機(jī)，配合麻花鉆桿排渣，正常情況下，單臺鉆機(jī)一個圓班施工進(jìn)尺可以達(dá)到150 m以上，單孔瓦斯抽采純量為0.025 m3/min以上。

通過統(tǒng)計分析南五采區(qū)S5101膠帶巷、S5101回風(fēng)巷、S5206回風(fēng)巷順層鉆孔成孔情況發(fā)現(xiàn)，鉆孔深度以60～120 m為多，平均單孔抽采純量為0.01～0.012 m3/min，主要原因為鉆孔施工區(qū)域煤體松軟，鉆孔施工過程中出現(xiàn)夾鉆、塌孔，導(dǎo)致成孔率不高、抽采效果較差。

2 三棱鉆桿排渣技術(shù)

由于松軟煤層煤體松散破碎、硬度低，鉆孔施工非常困難，采用普通麻花鉆桿進(jìn)行施工時，無法連續(xù)將孔內(nèi)煤渣排出，最終發(fā)生卡鉆或抱鉆甚至埋鉆事故，導(dǎo)致鉆孔成孔率低，嚴(yán)重制約礦井瓦斯治理，影響煤礦安全生產(chǎn)[1]。

為此，試驗采用三棱凹槽螺旋鉆桿(見圖1)鉆進(jìn)松軟煤層，鉆桿的3個棱邊在鉆桿與鉆孔壁之間形成了3個半圓形空間，擴(kuò)大了排出煤粉和瓦斯的通道。隨著端部鉆頭連續(xù)切削煤層，煤渣落到鉆桿與孔壁形成的環(huán)狀間隙內(nèi)，在三棱凹槽螺旋鉆桿的回轉(zhuǎn)帶動下，其3條棱邊將孔內(nèi)的煤渣持續(xù)攪動，使其始終處于運動狀態(tài)，孔內(nèi)煤渣發(fā)生堆積的幾率大大降低；同時，凹槽螺旋結(jié)構(gòu)可形成持續(xù)的排渣通道，起到輔助排渣的作用，將孔內(nèi)煤渣排出孔外，從而實現(xiàn)持續(xù)鉆進(jìn)的目的；此外，三棱凹槽螺旋鉆桿在旋轉(zhuǎn)時，3個棱邊及螺旋槽會對孔底沉積的煤渣起到二次破碎作用，從而進(jìn)一步減小煤渣顆粒的粒徑，有利于排渣[2]。

3 現(xiàn)場工業(yè)試驗及效果

2018年11月，余吾煤業(yè)在南五采區(qū)S5101膠帶巷進(jìn)行三棱凹槽螺旋鉆桿工業(yè)試驗，使用ZDY4000S煤礦用履帶鉆機(jī)、三棱凹槽螺旋鉆桿。 S5101膠帶巷設(shè)計長度為1 897 m，巷道斷面為5.4 m×3.8 m，配風(fēng)量為1 475 m3/min；鉆孔設(shè)計深度為155 m，孔徑120 mm，傾角為2～5°，方位角為270°，開孔高度為距離巷道底板1.8 m，鉆孔間距為2.5 m，每4個鉆孔并為一組帶抽，三棱鉆孔施工鉆孔編號為S1號-S12號。為對比三棱凹槽螺旋鉆桿與麻花鉆桿應(yīng)用情況，選取S5101膠帶巷21號-32號共12個鉆孔進(jìn)行對比。

3.1 成孔情況分析

通過統(tǒng)計，S5101膠帶巷麻花鉆桿與三棱凹槽螺旋鉆桿施工鉆孔平均深度分別為95.6 m和151.3 m，后者是前者的1.58倍，具體成孔深度如表1所示。

表1 S5101膠帶巷不同鉆桿施工鉆孔成孔情況

1) 鉆孔深度：使用麻花鉆桿施工的21號-32號鉆孔最大孔深為115 m，孔深超過100 m的鉆孔數(shù)量為5個，所占比例為23.8%；使用三棱凹槽螺旋鉆桿施工的S1號-S12號鉆孔最大孔深為155 m，孔深超過100 m鉆孔數(shù)量為11個，所占比例為91.7%，其中5個鉆孔深度達(dá)到設(shè)計孔深。顯然，使用三棱凹槽螺旋鉆桿鉆孔深度遠(yuǎn)大于麻花鉆桿，主要原因為三棱凹槽螺旋鉆桿排渣能力強(qiáng)。

2) 煤渣形態(tài)：在S5101膠帶巷使用三棱凹槽螺旋鉆桿、麻花鉆桿鉆進(jìn)過程中，對不同鉆孔排出的煤渣形態(tài)進(jìn)行跟蹤。使用麻花鉆桿排出的煤渣大小、形態(tài)不一，煤粒多為直徑0.4～0.6 cm，夾鉆時煤粒直徑達(dá)到1 cm；使用三棱凹槽螺旋鉆桿排出的煤渣大小、形態(tài)較為均勻，煤粒多為直徑0.1～0.3 cm，以細(xì)煤粉居多。鉆進(jìn)過程中煤粒的大小直接決定著打鉆困難程度，顯然三棱凹槽螺旋鉆桿在鉆進(jìn)過程中利用其“二次破煤”能力，對鉆頭煤塊重新進(jìn)行二次破碎，保證了排渣通道順暢，有效降低了鉆孔施工過程中夾鉆、塌孔概率。

3.2 抽采效果

麻花鉆桿、三棱凹槽螺旋鉆桿施工鉆孔均為每4個鉆孔并為一組，每組安裝一個4寸孔板流量計，其中第1-3組為麻花鉆桿鉆孔，第4-6組為三棱凹槽螺旋鉆桿鉆孔。為考察兩種不同類型鉆桿施工鉆孔抽采效果，每3天對6組鉆孔的孔板流量計觀測記錄，得出每組鉆孔抽采純量，數(shù)據(jù)見表2。

1) 平均抽采純量(見圖2)：麻花鉆桿平均抽采純量為0.046 m3/min，三棱凹槽螺旋鉆桿平均抽采純量為0.085 m3/min，三棱凹槽螺旋鉆桿為麻花鉆桿的1.85倍。

2) 最大平均抽采純量：麻花鉆桿第1～3組最大平均抽采純量為0.06 m3/min；三棱凹槽螺旋鉆桿第4～6組最大平均抽采純量為0.123 m3/min，三棱凹槽螺旋鉆桿為麻花鉆桿的2.05倍。

由此可以得出，使用三棱凹槽螺旋鉆桿鉆孔最大平均抽采純量、平均抽采純量均優(yōu)于麻花鉆桿鉆孔，說明使用三棱凹槽螺旋鉆桿不僅能夠增加鉆孔深度，也能確?？變?nèi)抽采通道暢通，提高鉆孔抽采純量。

圖2 S5101膠帶巷不同鉆桿施工鉆孔抽采流量對比

4 結(jié) 語

通過在余吾煤業(yè)S5101膠帶巷試驗三棱凹槽螺旋鉆桿施工抽采鉆孔，三棱凹槽螺旋鉆桿比麻花鉆桿在鉆孔平均深度和抽采純量均有較大幅度的提高，能有效解決松軟煤層鉆孔深度不足、打鉆困難問題，為松軟煤層鉆孔施工提供了技術(shù)保障。