定向鉆機(jī)在趙莊煤礦松軟突出煤層鉆進(jìn)中的應(yīng)用實(shí)踐

張 紅 王 濱

(中煤科工集團(tuán)工程科技有限公司,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

定向鉆機(jī)在趙莊煤礦松軟突出煤層鉆進(jìn)中的應(yīng)用實(shí)踐

張 紅 王 濱

(中煤科工集團(tuán)工程科技有限公司,北京市朝陽(yáng)區(qū),100013)

針對(duì)松軟突出煤層高應(yīng)力易塌孔煤層鉆進(jìn)過(guò)程中遇到噴孔、卡鉆、塌孔、抱鉆和煤炮等困難,趙莊煤礦采用ZDY－6000L全液壓定向鉆機(jī)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),采取了鉆頭沿著頂板或底板鉆進(jìn)、水力排渣等技術(shù)措施。結(jié)果表明:定向鉆機(jī)配合高強(qiáng)度刻槽鉆桿鉆進(jìn)與普通鉆機(jī)配合光面鉆桿鉆進(jìn)相比較,可提高鉆進(jìn)效率100%以上,提高鉆進(jìn)深度30%以上,減少采煤工作面瓦斯抽采空白帶。

全液壓定向鉆機(jī) 松軟突出煤層 高強(qiáng)度刻槽鉆桿 光面鉆桿

1 趙莊煤礦概況

趙莊煤礦位于山西沁水煤田的東南,主采3＃煤層,煤層厚度為3.9～5.0 m,平均4.8 m。煤層瓦斯絕對(duì)涌出量為3.72 m3/min,原始瓦斯含量12.73 m3/t,原始瓦斯壓力測(cè)定值為0.71 MPa,煤層松軟,堅(jiān)固性系數(shù)為0.23～0.65,透氣性差,透氣性系數(shù)4.0076～7.9727 m2/(MPa2·d),鉆孔瓦斯流量衰減快,鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1525～0.2830 d－1,放散初速度快,為20～25 mm Hg。

趙莊煤礦煤層為松軟突出煤層,構(gòu)造煤發(fā)育,瓦斯含量高,煤層破碎松軟,地應(yīng)力大。采用普通鉆機(jī)配合普通光面鉆桿在煤層中施工順層瓦斯抽采孔時(shí),極易發(fā)生鉆孔垮塌、鉆桿抱死,打不進(jìn)鉆、卡鉆,甚至鉆桿斷裂、丟鉆現(xiàn)象。怎樣在松軟突出煤層中打出長(zhǎng)鉆孔這個(gè)問(wèn)題,不僅是趙莊礦目前面臨的最大問(wèn)題,也是世界性的技術(shù)難題。

2 定向鉆機(jī)鉆進(jìn)技術(shù)

定向鉆機(jī)技術(shù)在瓦斯抽采、遠(yuǎn)距離防突、地質(zhì)構(gòu)造的定位探測(cè)等方面有著很好的應(yīng)用效果。ZDY－6000L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)屬于自行式、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩類型,可采用復(fù)合片鉆頭施工深度約600 m的大直徑鉆孔,也可采用孔底動(dòng)力鉆進(jìn),主要用于煤礦井下施工近水平長(zhǎng)距離瓦斯抽放鉆孔,具有體積小、重量輕、性能可靠操作方便等優(yōu)點(diǎn)。為了在松軟突出煤層中有效進(jìn)行瓦斯抽采,從2014年10月份開(kāi)始到12月13日,趙莊煤礦引進(jìn)國(guó)外進(jìn)口ZDY－6000L全液壓定向鉆機(jī),并做了定向鉆機(jī)在本煤層順層鉆孔中的工業(yè)性試驗(yàn)。

3 本煤層順層鉆孔工業(yè)性試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)機(jī)具參數(shù)

ZDY－6000L全液壓定向鉆機(jī)其主要性能參數(shù)為:鉆孔深度100～350 m;終孔直徑150～200 mm;鉆桿直徑73～89 mm;鉆孔傾角0～± 90°;回轉(zhuǎn)速度60～210 r/min;最大轉(zhuǎn)矩6000 N·m;額定給進(jìn)力190 k N;額定起拔力230 k N;功率75 k W;整機(jī)質(zhì)量7000 kg;主機(jī)外形尺寸3.38 m×1.45 m×1.8 m(長(zhǎng)×寬×高)。

3.2 試驗(yàn)的具體實(shí)施方案

為了研究ZDY－6000L全液壓鉆機(jī)在趙莊煤礦松軟突出煤層中適用性,在趙莊煤礦3＃煤層33011掘進(jìn)巷道兩側(cè)鉆場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn),跟蹤考察ZDY－6000L全液壓鉆機(jī)配合高強(qiáng)刻槽鉆桿在松軟突出煤層中進(jìn)行的鉆進(jìn)打孔作業(yè)情況,針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)遇到的實(shí)際情況進(jìn)行技術(shù)改進(jìn),并與普通鉆機(jī)配合普通光面鉆桿在該試驗(yàn)地點(diǎn)的試驗(yàn)效果進(jìn)行了對(duì)比研究。

圖1 33011掘進(jìn)巷道鉆場(chǎng)布置圖

33011掘進(jìn)巷道鉆場(chǎng)布置見(jiàn)圖1所示。由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工程條件的制約,研究試驗(yàn)周期設(shè)定為60 d內(nèi)。在趙莊煤礦采用ZDY－6000L全液壓定向鉆機(jī)配合高強(qiáng)度刻槽鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)作業(yè),累計(jì)有效鉆進(jìn)時(shí)間為40 d,在33011掘進(jìn)巷道施工定向鉆孔72個(gè),總進(jìn)尺約10759 m,平均孔深149 m,其中最深孔179 m,最淺孔40 m(斷層35 m遇矸);采用普通鉆機(jī)配合普通光面鉆桿累計(jì)有效鉆進(jìn)時(shí)間為56 d,共完成鉆孔67個(gè),累計(jì)鉆進(jìn)深度為7469 m,平均深度為111.5 m。

為了提高試驗(yàn)效率,普通鉆機(jī)跟定向鉆機(jī)進(jìn)行分段交叉作業(yè)。施工普通鉆孔兩組,第一組累計(jì)有效鉆進(jìn)時(shí)間為28 d,共完成鉆孔34個(gè),累計(jì)鉆進(jìn)深度為3756 m,平均深度為110.5 m;第二組累計(jì)有效鉆進(jìn)時(shí)間為28 d,總累計(jì)鉆進(jìn)深度為3713 m,鉆孔數(shù)33個(gè),平均深度為112.5 m。鉆進(jìn)的成孔最深孔深179 m,最淺孔深40 m(斷層35 m遇矸),個(gè)別鉆孔比較淺是由于發(fā)生孔內(nèi)鉆桿折斷后,鉆桿沒(méi)有及時(shí)補(bǔ)充到現(xiàn)場(chǎng),或者其它原因造成的,這種小概率事件是不可避免的,但并不影響試驗(yàn)的總體成果。鉆進(jìn)深度超過(guò)120 m之后,排渣不暢通,趙莊煤礦為了完成33011巷的鉆孔施工工程,要求鉆進(jìn)超過(guò)120 m以上即可,不要求為了鉆孔深度而影響鉆進(jìn)效率。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)本次試驗(yàn)采用ZDY－6000L全液壓鉆機(jī)配合高強(qiáng)刻槽鉆桿進(jìn)行鉆孔工作,高強(qiáng)度刻槽鉆桿是在普通光面鉆桿加厚的壁厚表面上用特種機(jī)具刻出螺旋槽,鉆進(jìn)的過(guò)程中采用流體排渣與螺旋槽機(jī)械排渣的聯(lián)合方式,可以大大發(fā)揮高強(qiáng)度刻槽鉆桿在突出松軟煤層中鉆進(jìn)的優(yōu)勢(shì)。

(2)采用ZDY－6000L全液壓鉆機(jī)配合高強(qiáng)度刻槽鉆桿平均施工鉆孔1.80個(gè)/d,進(jìn)尺269 m/d;普通鉆機(jī)配合普通光面鉆桿平均施工鉆孔1.196個(gè)/d,進(jìn)尺133.375 m/d。

(3)采用ZDY－6000L全液壓鉆機(jī)配合高強(qiáng)刻槽鉆桿較普通鉆機(jī)配合普通光面鉆桿打鉆,深度提高了33.63%,效率提高了101.7%。

(4)鉆孔施工由外包隊(duì)實(shí)施,由于打鉆工人急于要求進(jìn)尺效率,在風(fēng)壓過(guò)小的情況下,風(fēng)力排渣的時(shí)間過(guò)短,致使鉆孔內(nèi)部的煤渣容易積留而造成堵孔,使依靠風(fēng)力排渣為主的高強(qiáng)度刻槽鉆桿難以發(fā)揮其最大的優(yōu)勢(shì),后改為水力排渣,效果有了更大程度的提高。

(5)定向鉆進(jìn)在松軟高突煤層中的鉆進(jìn)效果考察總體上比較順利,雖然施工過(guò)程中也遇到了一些問(wèn)題,比如斷桿,鉆桿轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)碰卡瓦,針對(duì)問(wèn)題從材質(zhì)、設(shè)計(jì)等方面對(duì)高強(qiáng)度刻槽鉆桿進(jìn)行了改進(jìn),改進(jìn)后以上情況很少出現(xiàn)。試驗(yàn)過(guò)程中,現(xiàn)場(chǎng)打鉆作業(yè)工人對(duì)改進(jìn)后的高強(qiáng)度刻槽鉆桿反應(yīng)較好,排渣比普通光面鉆桿效果好,打鉆速度也比較快。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)項(xiàng)目實(shí)施,定向鉆機(jī)配合高強(qiáng)度刻槽鉆桿鉆進(jìn)與普通鉆機(jī)配合光面鉆桿鉆進(jìn)相比較,可提高鉆進(jìn)效率100%以上,提高鉆進(jìn)深度30%以上,減少采煤工作面瓦斯抽采空白帶。

(2)采用扒孔降溫高強(qiáng)度刻槽鉆桿施工鉆孔,當(dāng)鉆孔深部塌孔時(shí),鉆桿不會(huì)被壓死,鉆桿表面的螺旋槽能夠輸通塌孔區(qū)并及時(shí)帶走鉆桿與鉆孔壁摩擦產(chǎn)生熱量,因此不會(huì)出現(xiàn)鉆孔瓦斯燃燒事故,有力的保證了復(fù)雜煤層條件下安全鉆進(jìn)。

(3)采用高強(qiáng)度刻槽鉆桿施工鉆孔時(shí),因刻槽對(duì)煤渣的機(jī)械作用,使鉆孔內(nèi)的煤渣更容易被擠出,使孔內(nèi)水力排渣更加順暢。

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[8] 王慶永.復(fù)雜松軟煤層中風(fēng)壓鉆進(jìn)工藝技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010(2)

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(責(zé)任編輯 張艷華)

Application of directional drilling machine to soft outburst coal seam in Zhaozhuang Coal Mine

Zhang Hong,Wang Bin
(China Coal Technology and Engineering Group Co．,Ltd．,Chaoyang,Beijing 100013,China)

In view of many troubles in the period of drilling in soft outburst coal seam,such as jet orifice,drill pipe sticking or jamming,borehole collapse and coal burst,the industrial test of full hydraulic directional drilling machine(ZDY-6000L)was carried out in Zhaozhuang Coal Mine,and some measures were adopted,covering drilling along the roof or floor,hydraulic discharge of slag．Compared with normal drilling machine combined with smooth drill pipe,the results showed that the directional drilling machine combined with high-strength drill pipe could enhance the efficiency by over 100%,increase the depth by over 30%．

full hydraulic directional drilling machine,soft outburst coal seam,highstrength drill pipe with notch groove,smooth drill pipe

TD712.63

A

張紅(1963－),女,河北石家莊人,高級(jí)工程師,中煤科工集團(tuán)工程科技有限公司煤礦工程事業(yè)部經(jīng)理,主要從事機(jī)電設(shè)備、礦建工程、礦井施工工程等領(lǐng)域的管理工作。