提高煤層頂板抽采鉆孔鉆進速度技術研究

朱定華

摘 要：中梁山煤田屬急傾斜近距離突出煤層群，煤層群的發育特征及其賦存的開發地質環境條件嚴重的制約了煤層氣開發技術的可選擇性，故開采前采取穿層鉆孔預抽煤層瓦斯。由于煤系地層中含有大量鐵質泥巖、硅質灰巖、菱鐵礦層等堅硬巖石，傳統打鉆方法進度慢、效率低、材耗多。利用力學原理，改進打鉆工藝，提高鉆進速度，降低材料消耗。

關鍵詞：抽采鉆孔；鉆進速度：技術

中圖分類號：：TD712 .62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2018）03（a）-0000-00

重慶中梁山煤田屬急傾斜近距離突出煤層群，建有南礦、北礦二個自然礦井。礦井煤層在開采過程中均有突出危險（K2除外），因此，在對煤層進行掘進和開采前必須預抽瓦斯。抽采巷道布置在煤層頂板或底板，采取穿層鉆孔預抽煤層瓦斯。由于煤巖系地層中含有大量茅口灰巖、長興灰巖、鐵質泥巖、硅質灰巖、泥灰巖等堅硬巖石（f≥12），傳統的抽采鉆孔施工方式打鉆困難、進度緩慢、效率低下、材料消耗大，造成礦井北翼工作面布置不能按時完成，給采掘接替帶來重大影響，對保護層掘進和開采帶來嚴重安全威脅。因此，需要對原打鉆工藝進行改進，以提高鉆孔施工速度。

1 礦井概況

中梁山井田煤巖系為二疊系上統龍潭組（P2l），北礦區內含煤10層（編號K1～K10），煤層總厚14.91m。根據巖性組合特征，可分為三段，含煤段區集中在一、二段內，可采和局部可采煤層9層，煤層傾角68°～72°，層間距3～10m。北礦屬于煤與瓦斯突出礦井，瓦斯、煤塵、自燃發火、頂板、地下水等災害非常嚴重。

1.1 煤系地層巖性狀況

（1）鐵質泥巖：為深灰色泥巖，巖層中含有大量菱鐵礦，分布于K1煤層頂部，俗稱“鐵板石”，厚度4m，巖石硬度系數f≥12。

（2）泥質巖：以灰色、灰黑色泥巖、砂質泥巖為主，其次為灰黑色炭質泥巖、灰～淺灰色粘土巖，分布于K1～K2煤層之間。

（3）粉砂巖：以灰色泥質粉砂巖、菱鐵質粉砂巖為主，分布于K2～K3煤層、K8～K9煤層之間。

（4）砂巖：以灰色細砂巖為主，其次為中粒砂巖，局部發育有粗粒砂巖，分布于K3～K5煤層、K9～K10煤層之間。

（5）灰巖：為深灰色硅質灰巖及泥灰巖，分別俗稱“小鐵板”和“大鐵板”，小鐵板厚度0.8m，巖石硬度系數f≥13，大鐵板厚度3.5m，巖石硬度系數f≥15，分布于K5～K7煤層之間。

（6）煤層：以亮煤為主，暗煤次之，夾鏡煤細條帶及絲炭透鏡體，含有菱鐵礦或黃鐵礦結核，占含煤巖系總厚的13.34%。

1.2 抽采巷道及鉆孔布置情況

根據中梁山煤層賦存條件、巖性特征、煤層氣運移規律，采用穿層鉆孔預抽煤層氣【1】。井下抽采巷道一般布置在煤層底板的茅口灰巖內，距離K10煤層20～30米，抽采鉆孔從茅口灰巖開口，穿透十層煤至K1頂板。二000年以后，北礦北端地質情況和煤層賦存條件發生了變化，礦井開拓方式也進行了調整，在220m水平北端C8～C10段，140m水平北端C8～C10段，煤層沿走向往北出現向下傾伏，煤層底板的茅口灰巖消失，從220mNC8以北，140mNC8以北，只能將抽采巷道布置在煤層頂板方向的西外長興灰巖段P2L3中，抽采巷距離K1煤層50～70米，每隔40米布置一個鉆場，在鉆場內安裝鉆機施工抽采鉆孔，鉆孔在西外長興灰巖開口，從煤系地層頂板向底板施工穿層鉆孔，分別穿過K1、K2···K9、K10煤層，呈立體網格狀布置（如圖1、圖2）。

2 傳統鉆孔施工工藝及課題提出

中梁山北礦抽采鉆傳統施工方式：使用全液壓鉆機，φ50mm鉆桿進行抽采鉆施工，鉆頭采用φ65mm三翼鉆頭外套φ75mm空心鉆頭，全斷面切割施工，鉆頭組合長度小于1米，空心鉆頭無專門反水槽，在巖石硬度系數f<8的巖層中打鉆時能夠保證施工進度，但遇粘土軟巖石時，容易發生堵塞甚至“燒鉆”。由于礦井北端抽采巷布置在西外長興灰巖中，巖石沉積不穩定，層位變化大，富含菱鐵礦、黃銅礦石，特別是K1頂板的鐵質泥巖（I4），煤系中的大鐵板（I3）、小鐵板（I2）等堅硬巖石，打鉆進度十分緩慢，施工效率極低。

為了不影響礦井北翼工作面布署，加快打鉆進度，北礦采取從打鉆工藝和管理著手，提出了“提高煤層頂板抽采鉆孔鉆進速度技術研究”的課題。

3 鉆孔施工工藝改進

3.1 改進鉆頭焊接方式

在西外長興巷內施工抽采鉆，由于巖石堅硬，打鉆時，鉆頭與巖石的摩擦阻力將極大增加，容易打斷鉆頭上的硬質合金片，減少鉆頭使用壽命，降低工效。根據鉆頭軸壓力計算方法【2】，對鉆頭加工進行改進，方法是把合金片與鉆頭的垂直連接改為傾斜連接（如圖3），從而降低磨擦阻力。同時，將鉆頭合金槽加深，減少合金外露長度，降低橫向受力，增加強度，一般從6mm降為3mm（如圖4）。

當鉆頭以相同壓力和轉速工作時，垂直連接和傾斜連接合金所受壓力均為F，垂直連接的合金片在水平方向上所受磨擦力F1= COS45?×F= 0.71F；傾斜連接的合金片在水平方向上所受磨擦力F2=COS60?×F=0.5F，因此F2

3.2 加大鉆頭反水槽

傳統抽采鉆孔施工，鉆頭反水槽深度一般為5mm，在硬巖石上施工和在層位變化較大的地段打鉆時，保持一定排水量，起到降溫排鉆屑作用，避免在軟質巖性施工時堵塞鉆頭，發生燒鉆、卡鉆等事故。針對220m、140m水平北翼西外長興巷施工抽采鉆，鉆孔需穿過鐵質泥巖、大鐵板、小鐵板等多層堅硬巖石，在普通空心鉆頭上加工2～3個“V”字型反水槽，反水槽深度增加至8mm，從而增大了鉆頭排水面積，保持水路暢通，打鉆時鉆頭上的合金不易斷裂，減少換鉆次數，提高效率。

3.3 采用巖芯管導向施工

西外長興巷施工抽采鉆時，鉆孔深度較深，鉆孔在50米見K1煤層，鉆孔終孔深度一般為120～150米。打鉆時，隨著鉆孔深度增加，巖芯管與鉆孔孔壁的磨擦力會不斷增加，加之鉆孔周邊的巖石密度不均勻，鉆孔會發生彎曲、變型，阻力將成倍上升，甚至損壞設備或扭斷鉆桿。為了保證鉆孔成型后盡量呈直線，降低曲率，減少阻力，施工時，采用雙向異徑接頭施工，在φ75mm的異徑接頭后面，另套上一根3-5米長的導向管（如圖6），不斷矯正鉆孔，保證施工成型鉆孔成直線。

3.4 改變鉆進切割方式

傳統抽采鉆孔施工，一般采用空心鉆頭套無芯鉆頭進行全斷面切割。西外長興巷打鉆時，由于長興灰巖、硅質灰巖、鐵板石等巖石堅硬，全斷面切割阻力大，進度慢，試驗時改進了施鉆工藝，采用空心鉆頭套巖芯管局部切割，提取巖芯的方法施工。打鉆時根據不同巖性分別使用不同鉆頭，巖石硬度系數較小的砂巖、泥巖、粘土巖施工，采用合金鉆頭鉆進，煤層頂板的鐵質泥巖、菱鐵礦層，煤系地層中的大鐵板（I3）、小鐵板（I2）施工，則采用天然金剛石鉆頭鉆進，極大提高了打鉆效率。

3.5 優化設計和強化勞動組織

選擇適宜的鉆機，合適的鉆具組合，優化鉆孔參數設計【3】，合理組織施工人員，增加打鉆班次，開展勞動競賽，保證工時利用，從而提高勞動生產效率和打鉆工效。

4 效果對比和經濟效益

4.1 改進工藝后的效果

該課題實施時間從2014年1月至2015年8月。在打鉆工藝改進前，礦井北端西外長興巷施工抽采鉆，每月單臺鉆機施工進度為500m，硬質合金、油酯等材料消耗極大。從2014年5月份改進工藝后，每月單臺鉆機可施工1500m，最高時達1800多米，進尺平均提高3倍以上，材料消耗下降了20%。

通過改進打鉆工藝，提高了打鉆速度，220m水平北翼抽采鉆比傳統施工方式提前7個月完成，140m水平北翼抽采鉆比傳統施工方式提前6個月完成，全礦有478個鉆孔提前抽采瓦斯，增大了礦井瓦斯抽采量，創造了經濟效益，同時為該區保護層（K2）安全掘進，礦井北端工作面正常接替提供保障，降低了回采過程中瓦斯涌出量，減少安全威脅，消除了事故隱患。

4.2 改進工藝后的經濟效益

（1）瓦斯收入

220NC8-C10瓦斯抽采流量：2.8m3/min，月瓦斯抽采總量Q月=120960m3。

瓦斯收入=120960×0.45=54432元/月（0.45元/m3：瓦斯氣結算單價）

七個月瓦斯收入=54432×7=381024元

140NC8-C10瓦斯抽采流量：3.1m3/min，月瓦斯抽采總量Q月=133920m3。

瓦斯收入=133920×0.45=60264元/月

六個月瓦斯收入=60264×6=361584元

220m、140m水平二個區域瓦斯收入共742608元。

（2）人力成本節約

改進前，打鉆工效為3.33m/工，改進后，打鉆工效為10.5m/工，工效提高7.17m/工。

220m、140m水平NC8-C10二個區域設計抽采鉆孔478個，鉆孔總進尺51000米，改進工藝后打鉆節約工時數：51000m÷7.17m/工=7113（工）

節約人工成本：7113工×68元/工=483684元

（3）材料節約

改進前，打鉆材料消耗為13.5元/m，改進后，材料消耗為10.8元/m，材料節約2.7元/m。

220m、140m水平NC8-C10二個區域打鉆節約材料：51000m×2.7元/m=137700元。

上述三項合計創效益136.4萬元。

5 適用范圍和推廣應用

礦井北端煤層頂板抽采鉆孔施工技術，通過不斷探索和實踐，努力改進打鉆工藝，強化組織管理，提高了鉆進效率，提升了打鉆進度，降低了生產成本，并為礦井北端工作面布置創造了良好條件。該項技術適用于礦井抽采鉆、地質鉆、防火鉆施工，也適合在其它類似礦井進行推廣應用。

參考文獻

[1] 張子敏.瓦斯地質學.中國礦業大學出版社.2009.

[2] 張鐵崗.礦井瓦斯綜合治理技術.煤炭工業出版社.2007.

[3] 趙鐵錘，袁亮.煤礦總工程師技術手冊.北京：煤炭工業出版社.2011.