軟硬復(fù)合突出煤層提高鉆進(jìn)深度和效率的研究

常剛政 孫玉寧 王永龍 劉發(fā)義 韓寶燈

（1.晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048001；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454000）

軟硬復(fù)合突出煤層提高鉆進(jìn)深度和效率的研究

常剛政1孫玉寧2王永龍2劉發(fā)義1韓寶燈2

（1.晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西省晉城市，048001；2.河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南省焦作市，454000）

晉煤集團(tuán)趙莊礦3301工作面，瓦斯含量高、地壓力大，煤體軟硬變化不均，穩(wěn)定性差，可定義為軟硬復(fù)合突出煤層，采用常用光面鉆桿施工，多次出現(xiàn)卡鉆、斷鉆、丟鉆等鉆進(jìn)事故。針對上述問題，研制大直徑高強扒孔降溫鉆桿，為保證該鉆桿強度的可靠性，建立73鉆桿數(shù)學(xué)模型，對其強度進(jìn)行校核。研究結(jié)果表明，采用R780地質(zhì)管材加工大直徑扒孔降溫鉆桿，其強度滿足實際工況，通過工業(yè)性試驗，鉆進(jìn)排渣順暢，鉆桿無彎曲、斷裂現(xiàn)象，鉆進(jìn)深度提高32.44%，鉆進(jìn)效率提高30.41%。

煤與瓦斯突出煤層 扒孔降溫鉆桿 強度校核 鉆進(jìn)效率

1 引言

瓦斯抽放鉆孔的深度決定瓦斯治理的效率和有效程度，由于受到現(xiàn)有技術(shù)的限制，突出煤層鉆孔深度難以達(dá)到要求，使得突出礦井很難實施大面積、高效率瓦斯抽放，給突出礦井采掘安全、采掘成本帶來很多負(fù)面影響。

趙莊礦一水平三盤區(qū)3301工作面的33011巷設(shè)計為矩形斷面，巷寬5.00m，巷高4.5m，長度1203.83m。煤層底板標(biāo)高為470～510m。巷道煤層為3＃煤層，厚度為3.90～5.00m，平均4.80m。煤層瓦斯絕對涌出量為3.72m3／min。二氧化碳絕對涌出量為2.36m3／min。煤塵具有爆炸危險性，不易自燃。地溫11～17℃，地壓13.3～16.6MPa。掘進(jìn)過程揭露煤層及頂板巖石裂隙發(fā)育，頂板破碎易塌矸冒頂，煤層易片幫，節(jié)理發(fā)育地段瓦斯涌出增大。煤層堅固性系數(shù)f＝0.4～1.2，煤體軟硬夾層變化不均，采用常用光面鉆桿施工，常出現(xiàn)卡鉆、斷鉆、丟鉆等鉆進(jìn)事故，在鉆進(jìn)方面可總結(jié)兩點：一方面鉆孔深度淺，鉆進(jìn)效率低，嚴(yán)重影響瓦斯抽采進(jìn)度；另一方面采煤工作面難以消滅抽采盲區(qū)，給采煤作業(yè)帶來安全隱患。

針對當(dāng)前常用鉆桿在使用過程中存在的問題，礦方與河南理工大學(xué)聯(lián)合攻關(guān)，研制大直徑高強度扒孔降溫鉆桿并進(jìn)行工業(yè)性試驗，以提高當(dāng)前鉆進(jìn)深度和鉆進(jìn)效率的技術(shù)指標(biāo)。

2 扒孔降溫鉆桿的特點

扒孔降溫鉆桿是在鉆桿外表加工螺旋輸送槽，新型鉆桿具有如下特點：

（1）高強扒孔降溫鉆桿具有優(yōu)良的排渣功能，桿上的螺旋槽能輸送排渣，能快速解決夾鉆問題，繼續(xù)向里鉆進(jìn)。

（2）高強扒孔降溫鉆桿具有快速穿越高應(yīng)力易塌孔區(qū)的能力。由于趙莊礦3＃煤層煤質(zhì)較軟，在鉆進(jìn)過程中，易出現(xiàn)塌孔、堵孔、卡鉆、抱鉆、夾鉆等現(xiàn)象。出現(xiàn)上述現(xiàn)象后，不及時處理就可能造成各類鉆孔事故，導(dǎo)致鉆孔不能繼續(xù)鉆進(jìn)或鉆孔報廢。高強扒孔降溫鉆桿先靠機械排渣后，用風(fēng)力和機械協(xié)同排渣，快速解決上述問題，提高鉆孔鉆進(jìn)深度和鉆進(jìn)效率。

綜上分析，扒孔降溫鉆桿在使用方面，不影響正常夾持器使用，但由于在鉆桿表面加工螺旋槽，其強度降低，如不改進(jìn)鉆桿的材料、提高桿體材質(zhì)等級，鉆桿易彎曲斷裂。因此，扒孔降溫鉆桿的應(yīng)用，要根據(jù)礦方的現(xiàn)有鉆機使用情況，在加工工藝上進(jìn)行設(shè)計，以保證其鉆桿的整體強度。

3 扒孔降溫鉆桿的強度校核

在鉆桿的實際生產(chǎn)中，桿體因加工螺旋槽會造成鉆桿本身力學(xué)性能下降，為防止鉆桿在實際應(yīng)用中出現(xiàn)彎曲，或因桿體的力學(xué)強度因素而造成鉆桿的斷裂等事故，采用實體建模軟件結(jié)合大型有限元分析軟件對扒孔降溫鉆桿進(jìn)行力學(xué)強度校核。

3.1 采用普通材料鉆桿的強度分析

當(dāng)前礦方所采用的鉆機為ZDY6000S鉆機，其動力較大，據(jù)此擬設(shè)計?73mm大直徑扒孔降溫鉆桿，該鉆桿常用材料為AISI1020冷拔無縫鋼管，其屈服強度為3.5×108N／m2，為了確定其強度的可靠性，建立?73光面鉆桿和扒孔降溫鉆桿數(shù)學(xué)模型，采用數(shù)值分析法，分析其強度降低情況。

其邊界條件是左側(cè)固定，右端加旋轉(zhuǎn)扭矩N＝6000N·m，圖1為扒孔降溫鉆桿的實體數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)格劃分圖。

圖1 扒孔降溫鉆桿數(shù)學(xué)模型和網(wǎng)格劃分圖

通過運算得到相關(guān)的力學(xué)參數(shù)云圖，圖2為扒孔降溫鉆桿模型數(shù)值計算結(jié)果。

扒孔降溫鉆桿的安全度校驗，同樣采用數(shù)值分析的方法，其建模與扒孔降溫鉆桿的力學(xué)分析相同，從材料力學(xué)的角度分析，采用最大米賽斯應(yīng)力準(zhǔn)則、最大抗剪應(yīng)力準(zhǔn)則對材料的安全系數(shù)進(jìn)行計算，圖3為扒孔降溫鉆桿的安全系數(shù)校驗圖。

（1）最大米賽斯應(yīng)力準(zhǔn)則：

（2）最大抗剪應(yīng)力準(zhǔn)則：

經(jīng)過以上2個強度準(zhǔn)則的設(shè)計檢查，其安全系數(shù)較低。特別是最大抗剪應(yīng)力準(zhǔn)則，其值為0.74，采用此種鋼材制造的鉆桿，在實際工作中容易出現(xiàn)彎曲和變形。

3.2 扒孔降溫鉆桿強度提高措施

根據(jù)以上的數(shù)值計算結(jié)果分析，從數(shù)據(jù)對比上能夠看到，采用AISI1020冷拔無縫鋼管加工該扒孔降溫鉆桿，力學(xué)強度降低幅度較大，從數(shù)據(jù)上分析，已經(jīng)接近材料的屈服力，因此加工扒孔降溫鉆桿需要提高材料的等級。

圖2 AISI1020材料扒孔降溫鉆桿模型計算結(jié)果

為提高鉆桿的整體強度，材料選用強度較高的R780無縫地質(zhì)管材，其屈服力為7.8×108N／m2，進(jìn)行如上數(shù)值計算。由于在數(shù)值計算過程中，僅改變了桿體的材料，邊界條件未發(fā)生變化，因此，其應(yīng)力分布云圖、靜態(tài)位移云圖、靜態(tài)應(yīng)變云圖顯示的數(shù)值與圖2相同，見圖4。

圖3 扒孔降溫鉆桿的安全系數(shù)校驗圖

從圖4（a）的應(yīng)力分布云圖可以看出，在扒孔降溫鉆桿的靜態(tài)應(yīng)力分析中，最大節(jié)應(yīng)力為3.7×108Pa，而鉆桿鋼材的屈服應(yīng)力為7.8×108Pa，因此從數(shù)字上看完全符合安全規(guī)范。同樣，圖4（b）靜態(tài)位移圖和圖4（c）靜態(tài)應(yīng)變圖可以看到扒孔降溫鉆桿的的變形特性也符合要求。為了保證扒孔降溫鉆桿在實際工作中的安全可靠，利用軟件自身的設(shè)計檢查功能，再一次對扒孔降溫鉆桿進(jìn)行安全應(yīng)力檢查，其結(jié)果如下：

（1）最大米賽斯應(yīng)力準(zhǔn)則：

（2）最大抗剪應(yīng)力準(zhǔn)則：

經(jīng)過以上2個準(zhǔn)則的設(shè)計檢查，安全系數(shù)都大于1，且有一個最小1.66倍率安全系數(shù)的保障，因此，所設(shè)計的扒孔降溫鉆桿能夠滿足要求。

圖4 R780材料扒孔降溫鉆桿模型計算結(jié)果

4 扒孔降溫鉆桿的工業(yè)性試驗

在趙莊礦一水平三盤區(qū)3301工作面33011巷進(jìn)行了工業(yè)性試驗。高強扒孔降溫鉆桿累計有效鉆進(jìn)時間為40d，共完成鉆孔72個，累計鉆進(jìn)深度為10759m。平均深度為149m。礦方光面鉆桿統(tǒng)計18d的鉆進(jìn)數(shù)據(jù)，共完成鉆孔33個，總累計鉆進(jìn)深度為3713m，平均深度為112.5m。

5 結(jié)論

通過工業(yè)性試驗表明，采用R780地質(zhì)管材加工大直徑扒孔降溫鉆桿鉆進(jìn)排渣順暢，鉆桿無彎曲、斷裂現(xiàn)象，鉆進(jìn)深度提高32.44%，鉆進(jìn)效率提高30.41%。由于鉆進(jìn)深度和鉆進(jìn)效率的提高，改善了3301工作面的瓦斯抽采狀況，單孔瓦斯抽采濃度和總管抽采純量都有明顯的提高。

圖5 R780材料扒孔降溫鉆桿的安全系數(shù)校驗圖

[1] 袁亮.瓦斯治理理念和煤與瓦斯共采技術(shù)[J].中國煤炭，2010（6）

[2] 郭金鋼，孫玉寧，王永龍等.屯留礦松軟突出煤層提高鉆進(jìn)深度研究[J].中國煤炭，2011（4）

[3] 孫玉寧.突出煤層扒孔降溫鉆具及其鉆進(jìn)方法.中國，CN101131069[P].2008－02－27

[4] 王永龍，翟新獻(xiàn)，孫玉寧.刻槽鉆桿應(yīng)用于突出煤層鉆進(jìn)的合理參數(shù)研究[J].煤炭學(xué)報，2011（2）

Study on enhancing depth and efficiency of drilling in soft and hard combined outburst coal seam

Chang Gangzheng1，Sun Yuning2，Wang Yonglong2，Liu Fayi1，Han Baodeng2
（1.Zhaozhuang Coal Mine Limited Liability Company，Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group，Jincheng，Shanxi 048001，China；2.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China）

No.3301working face in Zhaozhuang coal mine of Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group falls into soft and hard combined outburst coal seam in view of high gas content，high underground pressure，soft and hard combined coal body and weak stability.If using common drilling rod，the rod sticking，breaking and missing occurred many times during the drilling operation.In view of above problems，the high strength hole－enlarging and cooling drilling rod in large diameter was invented.In order to ensure the reliability of the drill pipe strength，the mathematical model of 73drill pipe was established to check its strength.The results show that R780－type seamless steel tube in large diameter could be used as hole－enlarging and cooling drilling rod，whose strength could meet the actual condition.The industrial application indicated that the slag was easily discharged，without drilling rod bending or breaking.The drilling depth was increased by 32.44%，and the drilling efficiency was enhanced by 30.41%.

outburst coal seam，hole－enlarging and drilling rod，strength check，drilling efficiency

TD712.6

B

常剛政（1973－），男，工程師，山西晉煤集團(tuán)趙莊煤業(yè)有限責(zé)任公司副總工程師，從事“一通三防”工作。

（責(zé)任編輯 梁子榮）