關于松軟（破碎）煤層施工鉆孔高成孔率工藝技術的探索

摘 要：順層長鉆孔抽放瓦斯是工作面煤層治理瓦斯的重要措施，本文結合實際，針對松軟（破碎）煤層施工鉆孔高成孔率的工藝技術進行了論述。

關鍵詞：松軟（破碎）煤層；鉆孔高成孔率；工藝技術

1 施工工藝

1.1 順層長鉆孔成孔工藝

順層長鉆孔抽放瓦斯作為工作面煤層治理瓦斯的措施，對于防治采煤工作面煤與瓦斯突出、降低回采過程中的瓦斯涌出量、大幅度減少回采中的局部防突工作量以及加快回采速度是非常必要的。順層鉆孔的成孔長度是將其作為嚴重突出危險煤層工作面的區域性防突措施先決條件，如果鉆孔長度不足以達到控制整個回采工作面的范圍，也就無從談起將其作為區域性防突措施。因此，采用合適的順層長鉆孔成孔工藝，使順層鉆孔長度達到預定的要求是關鍵。

1.2 順層長鉆孔施工鉆機的選擇

隨著鉆孔長度的增大，鉆桿與鉆孔間接觸摩擦的面積和鉆桿本身的重量都相應地增大，鉆機的旋轉扭矩和推進力也相應的需要增大。因此，要求選擇的鉆機要滿足旋轉扭矩和推進力增大的要求。

1.3 順層鉆孔施工鉆具的選擇：

順層鉆孔的成孔長度要求較長，且在突出煤層施工過程中噴孔、卡鉆等現象也非常嚴重，因此，對順層長鉆孔的施工鉆具提出了較高的要求。首先，鉆桿的強度必須相應提高，因為鉆孔長度增大后，鉆桿承受的旋轉扭距的推力大大增加了；其次，鉆頭也必須進行改進，因為鉆孔施工過程中的噴孔現象與鉆孔直徑有很大關系。根據理論分析和實踐經驗，直徑小的鉆孔周圍地應力變化和破壞范圍小于直徑大的鉆孔，發生噴孔的可能性及噴孔嚴重程度也明顯小于直徑大的鉆孔。因此，根據順層長鉆孔的設計要求，可將鉆頭設計成二級組合鉆頭--在鉆具的設計上將前端設計為直徑較小的鉆頭，相隔一定距離后再增加一組正常直徑的鉆頭，即在鉆孔施工過程中，小直徑鉆頭鉆進，隨后正常直徑的鉆頭再擴孔，可以在很大程度上降低鉆孔的噴孔程度和減少噴孔現象的發生。

1.4 確定合理的排渣工藝

排渣工藝技術是長鉆孔成孔的關鍵技術。鉆進過程一般要求能完全、及時地排除孔內的鉆屑，在煤層中鉆進還要減少對孔壁的破壞，保持孔壁完整，而在突現出煤層中鉆進還要考慮有利于瓦斯的涌出和排放。

1.5 傳統排渣方式及風力排渣

傳統的排渣方式是用水作沖洗介質，以攜帶、排出鉆屑，并起到冷卻鉆頭的作用。但是，水力排渣方式的最大缺點是對孔壁的沖擊作用太大，垮孔、噴孔嚴重。同時，鉆孔內處于氣（瓦斯、空氣）、液、固（鉆屑）三相流動狀態，流態極不穩定，也容易造成卡鉆現象。

風力排渣是用壓縮空氣經過鉆桿內孔、鉆頭進入孔底，在孔內形成高速風流，鉆屑則懸浮在風流中被吹向孔口，從而實現排渣和鉆頭冷卻。風力排渣的最大缺點是，作業地點煤塵不易控制。但在突出或松軟煤層中打鉆時，風力排渣具有明顯的優勢：（1）壓風對孔壁的沖擊小，不易破壞孔壁；（2）不影響煤層中的瓦斯解吸，使瓦斯得以自由、快速地釋放；（3）鉆孔內始終只有氣、固兩相流動，發生卡鉆的可能性也減小了。因此，風力排渣是在突出或松軟煤層中打鉆比較理想的排渣方式。

1.6 風力排渣的基本因素

排渣能力是影響鉆進的主要因素之一。若鉆孔內鉆屑一旦積累聚，孔壁、鉆屑、鉆桿之間的摩擦阻力增加，當鉆孔內鉆屑積聚到一定程度后，鉆機的旋轉扭矩不能克服阻力，即發生抱鉆現象。因此，正常鉆進要求把不斷產生的鉆屑完全、快速地排出孔外，避免鉆屑在鉆孔內積聚，這就要求有足夠的排渣能力。

根據氣力輸送原理，鉆孔內的鉆屑能否被壓風吹出，首先取決于鉆孔內的風速，其次是鉆孔傾角、鉆屑的粒徑和固氣混合比（鉆孔在單位時間的產渣量與壓風流量的比值）等。鉆孔的傾角是根據煤層賦存條件和抽放的要求設計的；鉆屑的粒徑則主要與煤層的破壞程度、是否垮孔和噴孔、鉆頭形式、鉆頭鉆進和旋轉的速度等有關；固氣混合比則主要與鉆孔在單位時間內的產渣量和壓風流量有關；鉆孔內的風速與供風的壓力、鉆桿內孔及鉆孔的阻力系數等有關。風速越大，排渣能力越強；固氣混合比、鉆屑的粒徑越小則排渣越容易；下向鉆孔排渣比上向鉆孔困難。

在地質、設備、鉆孔直徑、鉆孔傾角、進鉆速度等因素相對不變時，供風參數成為風力排渣能力的主要影響因素。

2 順層長鉆孔施工成孔工藝的應用效果

2.1 風力排渣的最小風速

粒子在流體介質中由靜止狀態開始自由下落時，當加速到一定速度后即變為等速沉降，此時的速度即稱為粒子的沉降速度μc，且這一沉降速度的大小與粒子的物料性質和粒徑有關。顯然，對于單個的鉆屑顆粒，風速必須大于其沉降速度才能被吹出。同時，根據氣力輸送原理，實際打鉆時還要保證排渣量與產渣量的平衡，即滿足不堵塞的條件。

2.2 所需供風壓力

排渣需要一定的風速，但為使風流達到這個風速就要克服風流的各種阻力損失，即需要一定的供風壓力。排渣的壓風阻力損失△p一般由以下幾個部分組成：（1）純空氣氣流從孔底輸送到孔口的阻力損失△Pa。（2）使鉆屑從孔底加速到一定速度而附加的阻力損失△Psac。（3）為使煤渣以一定的速度輸送并排出到孔口而附加的阻力損失△ps。（4）鉆頭的壓風阻力損失△pt。（5）空氣在鉆桿內流動產生的阻力損失△pz。

風力排渣的基本條件是鉆孔內的風速應能夠吹動孔內的大煤塊，并且吹出鉆屑的能力大于鉆孔鉆進時鉆屑的產生量。為此，根據鉆屑的粒度、打鉆速度等，運用氣力輸送理論計算出風力排渣的合理風速，以確保足夠的排渣能力。

2.3 保證足夠的風量和風壓

目前一般煤礦的壓風風壓不超過0.5MPa，對目前的鉆具而言，這一風壓顯然不能達到足夠的供風量。使打鉆地點的風壓通常達到0.65MPa以上，并且24h正常運轉。

2.4 鉆進速度

當發現鉆孔所排出的煤渣較多或有煤炮現象時，應減慢鉆速或停止鉆進，通過降低速度達到充分排渣的目的，減少沉渣，直到正常時再進鉆。必要時還應退掉幾根鉆桿，然后再邊排渣邊重新進鉆。

2.5 設計采用滿足風力排渣和長鉆孔施工的大扭矩鉆桿

如果鉆孔穿煤長，風壓需要專用空氣壓縮機提供壓風，效果會更好。

由于壓風的壓力達到0.7MPa，要提高孔內風速，只有降低壓風的沿程阻力損失，這就要適當擴大輸送壓風的鉆桿內孔直徑。同時，順層長鉆孔的深度大，孔壁、鉆屑與鉆桿之間的摩擦阻力也大，應適當增加鉆桿強度。所以，試驗所用鉆桿的內、外徑應該比常規的Φ42mm鉆桿都大，并在鉆桿結構上考慮了降阻問題。由于鉆桿直徑增大，通過的風量和鉆桿強度等也相應提高，更有利于順層長鉆孔的施工。

作者簡介：姚丙祥（1969，03-），2006年畢業于鶴礦學校，2007年從事一通三防工作技術工作至今。