煤礦巷道底板錨固鉆孔鉆具的研制與應用

徐佑林 張 輝

(1.貴州理工學院礦業工程學院，貴州省貴陽市，550003；2.河南理工大學能源學院，河南省焦作市，454000)

煤礦巷道底鼓是巷道圍巖控制的關鍵，底板的破壞會加劇巷道兩幫及頂板變形破壞。受開采強度和地質條件的影響，煤礦巷道底鼓情況會越來越嚴重，并且已經成為制約煤礦巷道圍巖穩定的關鍵因素。因巷道底鼓造成巷道報廢的情況時有發生，嚴重時直接影響煤礦的安全生產。對此，國內外眾多學者及工程技術人員對煤礦巷道底鼓進行了大量的研究。有些專家對軟巖巷道底鼓的各種因素機型進行分析，得出了底鼓的原因；有些專家將巷道底鼓分為4種，認為巷道底鼓主要是由于工作面超前支承壓力的作用使巷道產生擠壓而引起；還有些專家對超千米深井高應力巷道底鼓進行研究，得出了超千米深井巷道以應力型底鼓為主，提出了全斷面預應力錨注加固控制方法，并研發了底板鉆孔泵吸反循環鉆具及施工工藝。從上述研究現狀來看，已有研究主要偏向于巷道底鼓的機理和類型，而在底鼓治理中，底板的錨固效果與底板錨固孔施工后的成孔率有著很大的關系，因此，底板錨固孔施工機具是治理底鼓的重要保障。本文在前人研究的基礎上，研制了底板鉆孔高壓強力正循環鉆具，這對煤礦巷道底鼓治理具有一定的現實意義。

1 煤礦巷道底板錨固鉆孔鉆進存在的問題

從目前研究來看，煤礦巷道底板錨固鉆孔鉆進的方式主要有以下三大類型：一是使用頂錨機進行鉆進，其原理主要是通過高壓風吹孔或高壓水沖孔先鉆進后排渣；二是使用煤電鉆及配套的麻花鉆桿進行鉆孔，通過鉆桿的旋轉進行排渣；三是使用液壓坑道鉆機進行鉆孔。第一種和第二種方式存在排渣效果較差、鉆進速度慢以及鉆孔淺等問題；第三種方式使用的設備存在較為笨重、操作困難、成孔速度慢以及孔徑大等問題，達不到錨桿(索)支護要求的“三徑匹配”。因此，當前在底鼓治理中存在的突出問題是底板鉆進機具在施工中不能有效成孔，故而不能對底板進行有效的注漿加固及錨桿(索)施工，難以保證底板的穩定性。制約巷道底板加固控制的關鍵因素在于錨固孔的成孔效率，而影響錨固孔成孔關鍵在于鉆孔排渣。

2 煤礦巷道底板錨固鉆孔鉆具的研發

2.1 小孔徑錨固鉆孔鉆具

與其它巷道底板鉆孔鉆進相比，煤礦巷道底板鉆孔的高壓強力鉆進存在以下顯著的不同：一是鉆孔直徑較小，需滿足“三徑匹配”；二是底板鉆孔相對較淺(要求4～8 m左右)，且受巷道環境的限制，沖洗液選擇井下靜壓水；三是井下巷道空間較小且底板鉆孔數目較多，要求鉆具及鉆機井下搬動方便靈活，施工工藝簡便可行。

針對底板鉆孔鉆進過程中遇到的技術難題，采用高壓強力正循環排渣鉆進原理設計了一套底板鉆孔鉆具，該套鉆具主要包括高壓密封鉆桿、鉆桿接頭和鉆頭。底板鉆孔高壓強力正循環鉆具示意圖如圖1所示。

圖1 底板鉆孔高壓強力正循環鉆具示意圖

在施工過程中，井下的靜壓水經過高壓水泵的作用形成高壓水流，從鉆桿的進水口輸入沖洗液，鉆渣從高壓密封鉆桿與鉆孔孔壁之間的環形空間利用高壓水泵把沖洗液和鉆渣沖出鉆孔，完成高壓強力正循環排渣任務。鉆桿的截面為六棱柱，兩端有螺紋段，鉆桿與鉆桿之間通過鉆桿接頭連接，沖洗液從鉆桿內部的圓孔進入孔底沖洗鉆孔，通過高壓水將沖洗液和鉆渣排出。鉆頭為刮刀式兩翼鉆頭，鉆頭與鉆桿之間利用螺紋與密封圈密閉，沖洗液從鉆頭開設的圓孔流出沖洗孔底。

2.2 小孔徑錨固鉆孔鉆進工藝

底板鉆孔高壓強力正循環施工原理如圖2所示。

圖2 底板鉆孔高壓強力正循環施工原理

(1)首先確定需要進行鉆孔的位置，將整個裝置穩固在平穩的地面上，通過液壓槍將穩固裝置的頂部上升到巷道頂板并接觸，穩定鉆機并對鉆機的高度和角度進行調節，將鉆機裝置的位置固定，接通高壓水泵，然后接通水泵和鉆機之間的進水管并接通鉆機與水泵自身所需接通的油管和水管。

(2)將鉆桿安裝在鉆機動力頭上，然后安裝鉆頭，至此底板鉆孔高壓強力正循環鉆具安裝完畢。

(3)依次運行水泵、鉆機、高壓水泵和油泵，通過控制裝置控制鉆機移速或轉速，控制鉆機在滑道上的前后移動，打開進水管截止閥，開動鉆機帶動鉆桿和鉆頭旋轉鉆進。

(4)鉆機停止旋轉推進后，關閉進水管截止閥，卸下水龍頭接長鉆桿，然后重新打開進水管的截止閥，開動鉆機繼續鉆進，實現鉆桿深孔鉆進。

(5)鉆孔達到設計深度后停止鉆機旋轉推進，關閉進水管截止閥，稍停一會等待水泵抽干孔內沖洗液后關閉水泵，接著卸下水龍頭并拆卸鉆桿。

(6)移動鉆機進行下一鉆孔的施工，水泵根據吸水管的長短及移動鉆機的需要來確定是否移動。

3 煤礦巷道底板錨固鉆孔鉆具的工程應用

3.1 工程概況

貴州灣田煤業集團有限公司一采區上山巷道群從西向東依次為回風上山、運輸上山和軌道上山，3條上山巷道均布置于距18煤垂距為27 m的底板巖層中，巷道間距均為20 m。截至2017年11月，巷道上方布置8個開采工作面，其中6個分布于上山巷道兩翼，區段兩翼工作面遺留保護煤柱為5～8 m，造成底板巷道群整體底鼓嚴重，最大底鼓量達到300 cm。

3.2 巷道底板預應力錨固

(1)拉底。一采區受上部煤柱影響，煤層下部巷道底鼓嚴重，落底高度在550～700 mm。

(2)底板鉆孔。采用自行設計的底板鉆孔高壓強力正循環鉆具進行現場施工，鉆桿的直徑為?26 mm，鉆頭直徑為?32 mm，最大允許通過鉆渣顆粒為?8 mm，鉆機最大回程為1000 mm。

(3)底板注漿及錨索安裝。底板注漿錨索選用鳥籠錨索，采用直徑為?22 mm、1×19股高強度低松弛預應力鋼絞線，錨索長度為5300 mm，延伸率為7%，配合高強度鎖具和可調心托板，配套托板為300 mm×300 mm×14 mm高強度可調心托板及配套鎖具，拱部高度不小于56 mm，承載能力大于400 kN。錨固方式采用預制具有一定流動性的混凝土，灌入錨索底端，用塑料管搗實，錨索垂直底板打設。混凝土錨固7 d后進行孔內注漿，注漿完畢1 d后進行張拉。注漿材料采用水泥漿，鋼筋托梁采用?18 mm螺紋鋼焊接而成，寬度為210 mm，長度為4200 m。

(4)錨索施加預緊力。底板安裝錨索構件及止漿塞后，使用風動錨索張拉器及時對錨索逐排逐個施加預緊力，要求底板錨索初次張拉達到250 kN，預應力損失完成后不低于200 kN。

(5)底板硬化。底板錨索整排施加預緊力后，為方便巷道使用，及時將底板硬化。

3.3 巷道底鼓監測

施工結束后，對錨固后的巷道底板進行變形監測，底鼓監測曲線如圖3所示。

圖3 底鼓監測曲線

從圖3可以看出，采用本文研制的鉆具進行鉆孔施工，然后采用底板鳥籠錨索進行錨固后，巷道底鼓在第6個月的時候出現一個高峰值，底鼓量達到15 cm左右，到第10個月的時候又出現一個高峰值，底鼓量達到24 cm，僅為原來底鼓量的8%，說明采用底板鉆孔高壓強力正循環鉆具施工底板錨固孔能夠有效地保證底板鉆孔的成孔率和底板穩定。

4 結語

運用高壓強力正循環排渣鉆進原理研制出一套小孔徑高壓強力正循環鉆具，大大提高了鉆孔的速度和鉆孔質量。巷道底鼓治理的關鍵在于底板錨固孔的施工及成孔率，采用高壓強力正循環鉆具能保證底板錨固孔的成孔率，巷道底板注漿后采用鳥籠錨索進行錨固能有效解決巷道底鼓嚴重問題。

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