“三軟”突出煤層順層長鉆孔施工技術的研究與應用

王中軒

(鄭煤集團楊河煤業,河南鄭州 452370)

“三軟”突出煤層順層長鉆孔施工技術的研究與應用

王中軒

(鄭煤集團楊河煤業,河南鄭州 452370)

針對“三軟”突出煤層順層鉆孔預抽瓦斯中存在的鉆孔施工困難的關鍵問題,介紹了裴溝煤礦所采用的新裝備、新工藝提高深層鉆孔深度。通過選擇合適的鉆機、鉆具、鉆孔施工技術、工藝和改進鉆孔設計等,提高了順層鉆孔的施工深度和鉆進效率,解決了突出煤層順層預抽中不能滿足區域消突需要的難題,確保了采掘工作面安全生產。

“三軟”突出煤層 順層長鉆孔 施工技術

瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害事故的根本措施，2009年國家安全監管總局實施的《防治煤與瓦斯突出規定》中提出了“區域防突措施先行、局部防突措施補充”的理念，強調突出煤層必須采取區域綜合防突措施并達到規定標準后方可進行采掘作業。對于“三軟”突出煤層，由于受煤層地質構造、力學性質、瓦斯，鉆機鉆具能力、 施工工藝等因素影響，在順層鉆孔施工中 ，鉆孔深度往往達不到設計深度，導致采掘工作面經常出現預抽“空白帶”，給安全生產帶來了極大的突出威脅，因此，在“三軟”突出煤層中開展順層長鉆孔施工技術研究具有現實普遍意義。

1 試驗礦井概述

裴溝煤礦于1966年建成投產，是鄭煤集團的主力礦井之一，2012年度礦井瓦斯等級鑒定為煤與瓦斯突出礦井，主采的二1煤層屬“三軟”不穩定突出煤層，地質條件較復雜，全層構造煤，煤層硬度系數f≤1，瓦斯壓力大、含量高，透氣性低。在施工區域防突措施鉆孔中，容易產生垮孔、卡鉆、噴孔等現象，成孔率低，不能滿足采掘面消突技術要求。

2 打鉆遇到的問題及原因分析

(1)鉆孔噴孔：當鉆孔進入軟煤分層時，鉆頭切削旋轉，對軟煤產生一種沖擊和破碎力，使煤體破裂、粉碎，破裂后的煤體立即產生解吸，快速的解吸使流入鉆孔中的瓦斯增加幾倍到幾十倍，使鉆孔的前方與后方出現了較大的瓦斯梯度，因而出現較明顯的瓦斯激流，承壓的瓦斯激對破碎的煤顆粒起著邊運送邊粉化的作用，由于鉆孔孔徑較小，瓦斯與粉化了的煤粉難以順利向孔外排出，進一步增加了鉆孔內外的瓦斯壓力梯度，致使這種涌出變成了爆炸性孔口外流，形成噴孔。

(2)夾鉆：夾鉆是與噴孔不同現象，但又是相互聯系或同時發生的一種現象，打鉆時因孔內出現塌孔、堵孔時，排渣不力，此時仍然鉆進，使堵孔、塌孔的范圍不斷擴大，使鉆機在運轉當中轉速降低，壓力升高，從孔內涌出瓦斯濃度升高，孔內破碎的煤體將鉆桿和鉆頭抱緊。造成鉆桿和鉆頭箍緊，鉆頭無法進退，就稱為夾鉆。夾鉆是嚴重的打鉆事故，往往可能出現扭斷鉆桿丟失鉆頭、鉆桿，長時間硬磨鉆桿，易引起煤體自燃，一氧化碳超限事故。

(3)吸鉆：前提是用螺旋鉆桿施工鉆孔，在煤粉排泄不暢的時候出現在旋轉中鉆桿自動前進的現象噴孔、夾鉆形成過程。

(4)噴孔、夾鉆、吸鉆形成過程可分成：煤體破碎→瓦斯聚積(瓦斯迅速解吸→孔壁破裂→持續鉆進→塌孔的范圍擴大→孔內堵塞→瓦斯梯度猛增→瓦斯釋放(突破堵塞→噴孔和卡鉆)三個階段。

圖1 裴溝煤礦31131工作面掘進期間試驗結果

3 提高孔深的技術途徑

選取裴溝煤礦31131工作面作為實驗工作面，確定風力排渣的合理供風參數，提高排渣能力。31131工作面可采走向長1720m，傾斜寬130m，工作面地質構造以單斜為主，煤層厚度平均8.5m，煤層傾角平均17°。掘進期間采取“順層鉆孔預抽煤巷條帶煤層瓦斯+順層預抽回采區域煤層瓦斯”的區域防突措施。

3.1 風力排渣工藝

順層長鉆孔成孔的關鍵是打鉆排渣工藝技術。采用風力排渣，用壓風作為介質排渣和冷卻鉆頭，其顯著的優點在于壓風對孔壁的沖擊較弱，對瓦斯解吸影響小，能減弱鉆孔的噴孔和垮孔。因此，從技術上來看，風力排渣更適合于突出煤層順層長鉆孔的施工。其缺點主要是打鉆地點煤塵不易控制，多數礦井、采區的風壓、流量也不能滿足長鉆孔的要求；另外風力排粉易產生一氧化碳，發生煤體燃燒等事故。

31131工作面掘進期間，該礦對礦井壓風系統進行升級改造，使打鉆地點的風壓由以往正常時的0.5MPa逐步提升到0.8MPa以上，最大時達1.2MPa，確保足夠的排渣能力，取得了明顯的效果（如圖1）。

另外，該礦通過增加孔口撲塵器下設深度，引進負壓除塵裝置，提高了孔口降塵效果，通過制定防火防一氧措施，嚴禁鉆機原地長時間旋轉硬磨鉆頭，杜絕事故發生。

3.2 打鉆設備的改進

(1)鉆機：足夠能力的鉆機是施工順層長鉆孔的基礎。裴溝煤礦原來多采用ZY-750/150型全液壓支柱支撐式坑道鉆機作為主導鉆機機型，該型鉆機雖然在井下適應性強、解體性好、易搬遷，但因鉆進扭矩較小，鉆進效率低，現更換為ZY3200/1200型全液壓座式坑道鉆機后，鉆進扭矩由750KN提高到1200-3200KN，同時具有操作安全、解體性好、易搬遷等特點，鉆進效率高得到大幅度提高。

(2)鉆桿：原來以單一的光面圓鉆桿施工，現改進三棱鉆桿、螺旋鉆桿配合大功率鉆機，滿足了松軟煤層鉆進和本煤層大直徑鉆孔的排粉需要，極大的避免了鉆孔施工中因塌孔、噴孔、掉塊等形成的卡鉆、埋鉆等孔內事故。

(3)鉆頭：由原來的硬質合金鉆頭更換為以金剛石復合片(PDC)鉆頭為主，鉆頭規格主要有：φ75，φ94，φ113，φ133等；采用小口徑鉆頭開孔、逐級擴孔鉆進的方法，分層次、階段性逐級釋放瓦斯，既保證了鉆頭鉆進的穩定性，又減少了一次成孔瓦斯突噴孔、鉆孔堵塞等事故的發生。

(4)其它輔助鉆具：試驗了用于定向鉆進用的穩定器(導向管)，鉆孔軌跡測量的測斜儀，具有防噴、氣水分離功能的孔口裝置，負壓除塵裝置等。

順層深孔的施工，關健在于打鉆過程中，防止鉆桿下沉，保持鉆桿一定的直度。導向管定向鉆進技術就是在回轉鉆進的基礎上，在靠近鉆頭的10～20m的鉆桿上接上3～5個接近于鉆頭直徑的穩定器(也稱導向管)，通過調整穩定器的位置和數量，并配合相應的鉆進工藝參數，使鉆具對鉆頭產生向上、向下或保直鉆進的控制力，從而起到控制鉆孔軌跡的目的。主要適用于順層定向長鉆孔的施工及、煤層頂板高位水平定向鉆孔的施工。

3.3 鉆孔設計

鉆孔設計不能簡單化，一次完成。

31131工作面瓦斯抽采鉆孔設計由方案設計、分段設計、修訂設計3個部分鉆成。

布孔方案設計主要對工作面瓦斯抽放系統進行了設計。根據煤層和巷道狀況，按不留或少留空白帶的要求，對采掘進面前方全面布孔，明確布孔形式、鉆孔密度和安全技術措施。

鉆孔施工分段設計：結合不同地段已揭露或以探明的瓦斯地質情況和巷道條件，進行逐段設計，優選鉆孔施工參數，實現了抽采鉆孔優化。設計中包括鉆孔的方位角、傾角、孔深、孔徑和開孔點距底板高度等，并附有設計圖表。

鉆孔修訂設計：主要是對鉆孔參數的調整。由于煤層產狀和厚度不穩定，鉆孔深處往往存在變化，因此必須及時判斷鉆孔前方的煤層賦存狀況，調整鉆孔設計參數，經調整參數后施工的鉆孔基本能達到設計深度。

3.4 現場操作經驗

(1)保持鉆孔連續、適速地鉆進。當發現孔口排出的煤渣較多或瓦斯涌出異常時，應減慢或停止鉆進，直到旋轉和排渣正常時再進鉆，必要時還應退掉幾根鉆桿后再邊排渣邊重新進鉆?，F場交接班時，在下一班人到之前一般不得停止鉆進，下一班到后應立即投入打鉆，使鉆孔連續不斷地鉆進。

(2)掌握給進壓力和鉆進速度：鉆機給進壓力的極限是固定的，不同層段要掌握不同的給進壓力，當給進壓力突然升高時，停止鉆進，進行壓風排碴，必要時撤鉆退鉆；保持適當的鉆進速度必須，軟煤分層中鉆進主要是降速，要比硬煤慢，通過降速充分排碴，減少沉碴，同時也起到降低給進壓力的作用。

(3)鉆機架設穩固，盡量減少鉆進時鉆機移動。鉆機移位使鉆桿與鉆孔壁產生更大的摩擦力，易于導致夾鉆。

(4)合理的人員組織。長鉆孔的施工應盡可能選派打鉆經驗豐富的班組；同時為及時處理打鉆中存在的問題，及時觀測、收集記錄打鉆數據，總結打鉆技術經驗，每班安排管理人員跟班；加強打鉆人員技術素質的培訓，使他們不僅會使用鉆機、維修鉆機，還要弄懂松軟煤層打鉆技術和規范操作。

4 應用效果

裴溝煤礦通過對三軟”突出煤層順層長鉆孔的研究和應用，從打鉆工藝、打鉆設備和鉆孔設計等方面出發，采取綜合的技術措施，使90%以上順層鉆孔深度超過70m，甚至有達到100m以上的記錄，瓦斯抽采效率得到顯著提高，值得“三軟”突出煤層順層長鉆孔施工中推廣應用。

[1]張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術[M].北京：煤炭工業出版社,2001.

[2]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學出版社,1992.

[3]雷洪波.松軟突出煤層順層抽放鉆孔施工及封孔技術研究[J].礦業安全與環保,2009.

王中軒,1968年11月生,河南省禹州市人,本科,助理工程師,從事煤礦安全管理工作。