高瓦斯礦井順層長鉆孔施工工藝改進(jìn)研究

曹志剛 劉 俊

（1.國家能源集團(tuán)新疆能源有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830027；2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶 400037）

烏東煤礦為高瓦斯礦井，主采43#、45#煤層，均為急傾斜特厚煤層，平均煤層傾角45°。隨著礦井開采水平的延伸，開采煤層的瓦斯含量和壓力都不斷增加，使得瓦斯災(zāi)害成為影響烏東煤礦安全的第一因素[1]。煤層瓦斯壓力的不斷遞增，往往會(huì)造成鉆孔施工困難，甚至出現(xiàn)鉆孔卡鉆、噴孔現(xiàn)象，鉆孔無法達(dá)到設(shè)計(jì)施工要求，造成回采工作面出現(xiàn)大面積的空白帶，影響掘進(jìn)工作面正常掘進(jìn)。鉆孔不能按照設(shè)計(jì)要求完成，直接影響采掘接替工作的開展。

烏東煤礦北采區(qū)在鉆孔施工前期，由于煤層瓦斯含量較小，在鉆孔施工過程中尚未出現(xiàn)卡鉆、頂鉆等現(xiàn)象，鉆孔施工比較順利。但是在+500 m 水平施工邊掘邊抽鉆孔時(shí)，特別是在+500 m 水平43#煤層?xùn)|翼施工鉆孔時(shí)，按照平常鉆孔施工速度，常會(huì)出現(xiàn)鉆孔排渣不及時(shí)，導(dǎo)致卡鉆和頂鉆現(xiàn)象，鉆孔很難施工至設(shè)計(jì)深度。因此，需要分析卡鉆、頂鉆以及鉆孔排渣不及時(shí)的原因，采取措施提高鉆孔施工長度[2-4]。

1 鉆孔施工裝備

烏東煤礦擁有ZDY1900S 和DY4000S 鉆機(jī)，進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔施工的主要是ZDY4000S 鉆機(jī)。本裝置的主要組成部分有主機(jī)、操縱臺(tái)和泵站，由于裝置的特殊性，連接時(shí)選用特制高壓膠管將各部分進(jìn)行拼接。主機(jī)是鉆機(jī)傳動(dòng)裝置，里面有給進(jìn)裝置、回轉(zhuǎn)器等；操縱臺(tái)是鉆機(jī)的核心裝置，主要用于控制鉆機(jī)的運(yùn)行，有控制閥、壓力表以及各種管件；泵站是鉆機(jī)的動(dòng)力裝置，靠著泵站提供的動(dòng)力，鉆機(jī)才能正常運(yùn)行，其由彈性聯(lián)軸器、斜軸式軸向柱塞泵、隔爆型電動(dòng)機(jī)和油箱等組成。ZDY4000S 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 ZDY4000S 鉆機(jī)參數(shù)表

2 前期鉆孔施工工藝

烏東煤礦在前期鉆孔施工過程中，采用的鉆孔施工工藝如下：

（1）鉆孔開孔前必須要防止隱患的發(fā)生，主要從三個(gè)大的方面進(jìn)行考慮：鉆場內(nèi)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺仨毜陀?.5%；供水和供電保持正常；排水和排廢物等通道通暢。只有等到一切安全隱患都消除后，才能進(jìn)行開鉆。

（2）鉆機(jī)開孔時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行開孔，必須與設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致，包括傾角、方位角等各個(gè)因素。

（3）開孔采用Φ113 mm 的PDC 鉆頭施工至設(shè)計(jì)位置，之后通知相關(guān)部門驗(yàn)收鉆孔。

（4）鉆孔參數(shù)驗(yàn)收后，開始退鉆，退鉆結(jié)束后要進(jìn)行擴(kuò)孔。擴(kuò)孔選用專用復(fù)合擴(kuò)孔鉆頭，需要擴(kuò)至6～7 m 左右進(jìn)行處理，確保鉆孔內(nèi)無廢渣后再進(jìn)行退鉆。然后嵌入套管，管口外端超出煤壁30 cm 左右，下管同時(shí)用馬麗散進(jìn)行封孔，之后接抽。

3 卡鉆、頂鉆原因分析和改進(jìn)措施

3.1 卡鉆、頂鉆及排渣不及時(shí)原因分析

當(dāng)鉆孔進(jìn)入軟分層時(shí)（煤層瓦斯壓力和瓦斯含量大），極易使煤層內(nèi)的瓦斯快速的解吸，原因是鉆頭的鉆進(jìn)過程中會(huì)對煤體產(chǎn)生沖擊使其破碎。粉碎后煤體會(huì)在鉆孔周圍迅速解吸，使得流入鉆孔內(nèi)的瓦斯含量急劇增加，最高可以達(dá)到正常瓦斯含量的幾十倍。鉆孔前后兩端產(chǎn)生較大的壓力梯度，從而發(fā)生瓦斯激流現(xiàn)象。由于鉆桿使得鉆孔孔徑變小，從而影響了瓦斯和煤粉顆粒的排出，使得內(nèi)部壓力變大，內(nèi)外形成了壓強(qiáng)差使得瓦斯和粉塵顆粒向外噴出，形成噴孔和卡鉆[5]。

若要進(jìn)行正常的鉆孔施工，需要完全、及時(shí)地排出鉆孔內(nèi)的鉆屑，且在鉆孔過程中盡量減少對鉆孔孔壁的破壞，否則易出現(xiàn)卡鉆、噴孔現(xiàn)象。一般情況下鉆孔的施工采用水作為沖洗介質(zhì)，也有采用風(fēng)力排渣，風(fēng)力排渣缺點(diǎn)是作業(yè)地點(diǎn)的粉塵較難控制，對于順層長鉆孔一般礦井的風(fēng)壓和流量可能不滿足要求。另外，如果煤層中含水量豐富，采用風(fēng)力排渣就難以將鉆孔的鉆屑排出，導(dǎo)致鉆桿在鉆孔過程中發(fā)生燒死現(xiàn)象。

3.2 解決卡鉆、頂鉆及排渣不及時(shí)的措施

通過生產(chǎn)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，針對上述現(xiàn)象可以采取如下措施：

（1）及時(shí)對操作人員進(jìn)行技術(shù)和安全培訓(xùn)，不僅要提高施工效率，同時(shí)也要保證施工安全。在打鉆過程中不可以強(qiáng)行鉆進(jìn)，要進(jìn)行多次的瓦斯含量監(jiān)測，根據(jù)瓦斯的含量調(diào)整鉆進(jìn)的速度。

（2）遇到響煤炮、頂鉆和夾鉆時(shí)應(yīng)當(dāng)立即停止施工，減少水量供應(yīng)，對其進(jìn)行排放卸壓，一段時(shí)間后再進(jìn)行施工。同樣遇到鉆進(jìn)過程中持續(xù)劇烈噴孔、煤壁開裂或移動(dòng)、濕式打眼噴干煤等現(xiàn)象時(shí)不僅要立即停止施工，還要注意不能退鉆洗孔，并且要求技術(shù)人員安全撤離至有新鮮風(fēng)流處，直到瓦斯不再突出后再進(jìn)行鉆進(jìn)。

（3）定時(shí)進(jìn)行瓦斯含量的監(jiān)測。要求瓦斯監(jiān)測人員嚴(yán)格按照檢查制度進(jìn)行現(xiàn)場瓦斯含量檢查，若有瓦斯超限情況出現(xiàn)，立即組織人員撤離至安全位置。

（4）對現(xiàn)場鉆孔施工和監(jiān)管人員進(jìn)行相關(guān)知識(shí)認(rèn)識(shí)及預(yù)兆方面的專項(xiàng)培訓(xùn)，提高安全意識(shí)。

（5）調(diào)整鉆孔施工工藝，采用邊鉆邊抽措施，促進(jìn)鉆孔排渣。

3.3 改進(jìn)鉆孔施工工藝

（1）開孔前必須防止隱患的發(fā)生，鉆場內(nèi)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺仨毜陀?.5%，供水和供電必須正常，例如各線路是否可以正常運(yùn)行，排水和排廢物等是否通暢。只有等到一切安全隱患都消除后，才能進(jìn)行開鉆。

（2）鉆機(jī)開孔時(shí)必須嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求進(jìn)行開孔，必須與設(shè)計(jì)參數(shù)保持一致，包括傾角、方位角等各個(gè)因素，從而使鉆進(jìn)達(dá)到要求。

（3）鉆孔參數(shù)驗(yàn)收后，開始退鉆，退鉆結(jié)束后要進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔選用專用復(fù)合擴(kuò)孔鉆頭，需要擴(kuò)至6～7 m 左右進(jìn)行處理，確保鉆孔內(nèi)無廢渣后再進(jìn)行退鉆。套上直徑Φ108 mm、長度為6 m 的套管，管口外端超出煤壁30 cm 左右，進(jìn)行臨時(shí)封孔（使用棉紗以及專用裝置封嚴(yán)，確保鉆進(jìn)過程中無瓦斯和水溢出）。

（4）安裝四通（四通結(jié)構(gòu)如圖2），并用氣水分離進(jìn)行連接，在回風(fēng)側(cè)接上排水和排渣管；同時(shí)為了保證裝置的密封性，采用鋼絲將各個(gè)軟管扎緊。四通的連接如圖3。

圖2 四通示意圖

圖3 四通連接示意圖

（5）為了保證退鉆和抽放通道的順利進(jìn)行，當(dāng)鉆機(jī)鉆桿深入到設(shè)定距離時(shí)，對其進(jìn)行一次洗孔。之后通知有關(guān)部門驗(yàn)孔。然后退鉆、拆除裝置、重新封孔并接抽[6]。

4 現(xiàn)場試驗(yàn)考察及結(jié)果分析

由于烏東煤礦在+500 m 水平43#煤層?xùn)|翼南巷施工掩護(hù)式邊掘邊抽鉆孔過程中，出現(xiàn)了頂鉆現(xiàn)象，而且在鉆孔施工過程中由于排渣不及時(shí)，導(dǎo)致鉆孔中有明顯的激流產(chǎn)生，造成無法正常鉆孔施工。鉆孔在施工至50 m 左右長度就已經(jīng)無法推進(jìn)，距離設(shè)計(jì)長度150 m，差距較大，會(huì)直接影響巷道的正常掘進(jìn)。此外，施工鉆孔中瓦斯?jié)舛绕毡檩^高，達(dá)80%以上，因此必須采取邊抽邊鉆措施，將鉆孔施工長度延長至120～150 m。

4.1 試驗(yàn)工作面概況

+500 m 水平43#煤層?xùn)|翼南巷掘進(jìn)工作面設(shè)計(jì)全長2880 m，工作面沿煤層走向由西向東掘進(jìn)，煤層平均厚度45.1 m。工作面南部為43#煤層頂板，工作面北部為43#煤層底板，工作面上部為原始煤層段，上部僅有+600 m 水平進(jìn)行了煤層開采，工作面下部為原始43#煤層，沒有采動(dòng)影響。43#煤層為巨厚煤層，煤層厚度大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，層位、厚度均穩(wěn)定，總厚27.88 m，有益厚度19.43 m，向東部厚度增大，規(guī)律明顯。43#煤層相對瓦斯壓力為0.40～0.69 MPa，煤層瓦斯含量為6.21～8.06 m3/t，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.65～0.95，煤的瓦斯放散初速度ΔP為12.85～14.96 mL/s。

掘進(jìn)工作面在之前掘進(jìn)過程中，供風(fēng)量為579.6 m3/min 時(shí)，巷道回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.68%，即掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量達(dá)到3.94 m3/min。

4.2 現(xiàn)場試驗(yàn)效果

對巷道實(shí)施邊掘邊抽，但在施工第一個(gè)鉆孔施工長度為52 m 時(shí)，鉆場距離掘進(jìn)工作面約30 m，出現(xiàn)了頂鉆及排渣不暢的情況。為此，按照改進(jìn)的施工工藝進(jìn)行施工，鉆孔施工竣工參數(shù)如圖4，竣工參數(shù)見表2。

圖4 試驗(yàn)鉆孔竣工圖

表2 竣工參數(shù)表

經(jīng)過鉆孔施工工藝改進(jìn)后，施工掩護(hù)式掘進(jìn)鉆孔6 個(gè)，平均鉆孔深度為123.8 m，較之前鉆孔深度增加71.8 m，增加138%，效果顯著。但值得注意的是，鉆孔施工尚未完成設(shè)計(jì)鉆孔長度200 m 的要求。為此，建議烏東煤礦可采用Φ94 mm 鉆頭直接進(jìn)行施工，采用小鉆頭可降低對煤體的破壞，此外要注意鉆孔施工安全，實(shí)時(shí)進(jìn)行瓦斯監(jiān)測。

5 結(jié)論

（1）針對順層鉆孔在施工過程中卡鉆、頂鉆及排渣不暢導(dǎo)致鉆孔不能正常施工的情況，改進(jìn)鉆孔施工工藝，使鉆孔施工長度顯著增加。

（2）根據(jù)烏東煤礦的試驗(yàn)結(jié)果，總體上看順層長鉆孔施工工藝經(jīng)過改進(jìn)后，效果顯著，能滿足礦井瓦斯抽采鉆孔設(shè)計(jì)長度的要求。