三軟突出煤層深孔鉆進技術與裝備應用研究

左 楊 崔 峰

（1.河南能源義煤集團技術中心瓦斯研究所，河南 義馬 472300；2.河南能源義煤集團新安煤礦，河南 新安 471800）

新安煤田為典型的豫西“三軟”煤層，瓦斯壓力大，瓦斯含量高，煤層透氣性較差。松軟煤層、破碎煤層等施工本煤層鉆孔時，孔壁穩定性差，成孔后孔壁易坍塌，影響瓦斯抽采效果，存在一定的盲區，一般抽采措施的抽采效果普遍較差且采掘過程中容易造成瓦斯事故。順層長鉆孔瓦斯抽采技術在一定程度上提高了瓦斯抽放效果，實現鉆孔“打多深、抽多深”，有效提高成孔深度與成孔率。

1 礦井概況

1.1 礦井開采與開拓

義安井田位于新安煤田深部，二1煤層埋藏深度550～950m，采用立井開拓方式。采煤方法采用傾斜長壁采煤法，全部陷落法管理頂板。

1.2 礦井瓦斯

義安礦業共發生了3次瓦斯動力現象，其中二1煤層發生2次，二2煤層發生1次。2007年經河南理工大學煤礦安全工程技術研究中心鑒定，義安礦為突出礦井。

地勘期間共采集瓦斯煤樣7個，全部采用解吸罐采取。由瓦斯試驗成果來看，全礦井總瓦斯含量4.02～12.19m3/t，平均為 7.22m3/t。

井下實測煤層瓦斯含量14個，二1煤10個，二2煤4個。其中二1煤層瓦斯含量為6.22～14.52m3/t，二2煤層為3.36～10.20m3/t。義安礦二1煤層瓦斯壓力為 0.29～1.51MPa，二2煤層為 0.42～0.93MPa。

2 鉆機裝備及鉆具

2.1 鉆機裝備

本次試驗共采用了中煤科工集團西安研究院ZDY10000S、江蘇中煤礦山設備有限公司CMS1-4200等七種鉆機進行打鉆試驗。

2.2 鉆具

螺旋鉆桿分為螺紋式螺旋鉆桿和插接式螺旋鉆桿。規格為 Ф78/50、Ф88/50、Ф90/63.5、Ф100/63.5、Ф110/73、Ф120/73等，也可根據礦井煤層情況進行加工，適用于松軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工。插接式螺旋鉆桿采用相位摩擦焊接技術生產，葉片連續，排粉效果好。

采用胎體式PDC鉆頭、深孔用金剛石復合片鉆頭等鉆頭設備，規格為Ф60、Ф75、Ф94、Ф110、Ф113、Ф120、Ф133、Ф153等，根據礦井工作面煤層、地質情況選用合適的鉆頭，根據具體使用情況專門設計和制造。如圖1、圖2所示。

圖1 螺紋鉆桿及插接式螺旋鉆桿連接圖

圖2 深孔用金剛石復合片鉆頭及硬質合金鉆頭

3 試驗工作面概況

義安礦業原始瓦斯含量在9.30～14.52m3/t之間，原始瓦斯壓力在0.29～1.51MPa之間。

3.1 11100工作面概況

11100工作面切眼長度為152.9m，具備施工深鉆孔條件，為了解決該工作面防突打鉆及區域瓦斯治理難題，探索在新安井田“三軟”煤層深孔（孔深不低于100m）鉆孔施工的大功率鉆機及配套鉆具。

對11100工作面外段345m區域進行了透射法槽波勘探。從11100工作面外段槽波波速成果圖上看，該工作面有兩處薄煤區域，一處薄煤區域為11100下巷E6點前8.3m～54.2m處，范圍45.9m，延伸工作面內部51.7m；另一處薄煤區域為11100下巷E9點后38m到E9點前4.3m，范圍42.3m，寬度40.6m。11100下巷試驗鉆孔未在薄煤區域施工。

3.2 12090工作面概況

二112090工作面位于義安井田中部，為傾向長壁綜采工作面，主采二1煤層。

4 鉆孔施工試驗

4.1 第一階段試驗

中煤科工集團西安研究院ZDY10000S、ZDY3200S、3000LG鉆機、江蘇中煤礦山設備有限公司CMS1-4200和浙江杭鉆機械制造股份有限公司ZLJ2300B五種鉆機在11100上巷試驗；中煤科工集團西安研究院ZDY3500LP、ZDY4300LF（A）兩種鉆機在11100下巷試驗，共計約220d。

第一階段試驗完畢后，共計施工118個鉆孔。根據各鉆機及配套鉆具在11100工作面的鉆孔施工試驗情況，對各鉆機現場施工優缺點進行了總結，并對第一階段試驗未達到預期效果的原因進行了分析，主要有以下幾個方面：

（1）工作面煤層地質構造復雜，煤質太松軟，另外11100工作面切眼寬度近160m，地應力、瓦斯壓力疊加，鉆孔施工至20～40m期間壓力大，出煤量大，出現塌孔、壓鉆現象。

（2）煤層頂板較穩定，但底板起伏大。采用煤鉆頭施工，若遇底板起伏段、煤巖結合段、煤矸石結合段鉆頭易損壞。

（3）鉆頭與鉆桿直徑大小相差小，匹配不合理，導致鉆桿與孔壁之間空間太小，影響排粉效果。

（4）鉆孔施工期間易出現硫鐵硬煤核，無法破裂，卡在孔內某一段將排粉空間堵住，需要空間排出。

4.2 第二階段試驗

根據第一階段鉆孔施工試驗情況以及存在的問題，重新配備了鉆桿和鉆頭等鉆具，在12090工作面軌道順槽采用中煤科工集團西安研究院ZDY3500LP和ZDY3000LG型履帶式鉆機進行第二階段順層長鉆孔（孔深不低于90m的順層鉆孔）施工試驗。

ZDY3500LP型大功率履帶式鉆機共完成鉆孔13個，10個鉆孔全部試驗成孔，3個鉆孔報廢。9個正常施工完成的鉆孔孔深全部達到了90m以上，孔深為93～150m，最深孔深達到了150m，平均孔深為105m，從穩鉆至退鉆單孔平均有效施工時間11.1h，鉆孔成孔率為100%。

ZDY3000LG型大功率履帶式鉆機共完成鉆孔75個。其中53個鉆孔孔深超過了90m，14個鉆孔孔深超過了80m，僅8個鉆孔孔深低于80m，鉆孔成孔率近90%，最深孔深達到了120m，20個鉆孔平均孔深為102.6m，從穩鉆至退鉆單孔平均有效施工時間12.9h。

鉆孔施工期間在20～30m段經常出現鉆進困難現象，主要表現在鉆機回轉壓力急劇增大、給進力變大、鉆屑量增多、鉆速降低等。出現此類現象要及時調整鉆機鉆速，根據壓力變化調至匹配轉速，結合大功率鉆機較強的給進、起拔力緩慢退鉆，排凈孔內積煤，降低扭矩衰減量，有效利用大功率鉆機的優勢穿過應力集中區。

傳統的SGZ-ⅢA坑道鉆機在12090軌道施工孔深為60m的順層鉆孔，平均用時為13.6h，平均工效為4.4m/h，且難以超過孔深75m的瓶頸。經統計分析，ZDY3500型和ZDY3000型試驗鉆機工效分別為9.4m/h和8.5m/h，比傳統防突鉆機工效分別提高了136%和90.9%，且平均孔深分別達到了105m和93m，大大突破了傳統SGZ-ⅢA坑道鉆機孔深難以超過75m的瓶頸，有效解決了義安礦順層長鉆孔施工難度大的問題。

5 瓦斯預抽關鍵技術試驗

通過之前采用中煤科工集團西安研究院ZDY3500LP和ZDY3000LG型履帶式鉆機進行第二階段順層長鉆孔的施工試驗，選取較為理想的10個試驗鉆孔。

5.1 封孔工藝

采取“兩堵一注”封孔工藝進行封孔，形成永久瓦斯抽放通道。如圖3所示。

5.2 抽采效果考察

12090軌道順槽二1煤層原始瓦斯含量最大值為8.87m3/t，煤層原始瓦斯含量較低，抽采期間鉆孔內瓦斯涌出相對較小。

各鉆孔施工完畢后進行了聯管抽采，每天測定各試驗鉆孔瓦斯抽采濃度、流量等瓦斯抽采參數，其鉆孔抽采負壓在12～20kPa之間，對其瓦斯抽采參數及流量衰減系數進行了統計分析。根據瓦斯抽采參數數據表得出單孔瓦斯抽采濃度、瓦斯抽采量等走勢情況如圖4所示。

圖3 快速下套管工藝示意圖

圖4 瓦斯預抽鉆孔單孔平均抽采量

試驗抽采期間單孔平均濃度在22.6%～46.3%之間，每天平均瓦斯抽采量在43.8～126.3m3之間，得其總平均濃度和平均抽采量分別為36.99%、76.84m3。通過試驗期間的單孔抽放濃度和抽采量與之前抽采孔深的抽采數據進行對比，抽采效果有較為明顯提高，對于高瓦斯礦井進行預抽瓦斯有較好的指導意義。但是，在長鉆孔預抽瓦斯過程中，由于孔深較長、煤層松軟，容易出現塌孔現象，為了更好地提高順層長鉆孔預抽瓦斯的抽采效果，該技術還有待提高成孔率，改進工藝水平，從而提高抽采效果。

6 結論

（1）通過選取中煤科工集團西安研究院ZDY3500型和ZDY3000型履帶式鉆機進行順層長鉆孔試驗，實現了大采長工作面順層長鉆孔瓦斯預抽，消除中間空白帶，提高防突措施效果。同時，為工作面優化布置提供了基礎，減少巷道掘進量。（10個切眼長度為120m的工作面共需要掘進20條煤巷和11條底抽巷，優化為6個長度為200m的工作面后一共需要掘進12條煤巷和13條底抽巷，可少施工巷道6條，效益非常明顯）

（2）摸索出了一套適合新安井田松軟煤層打深孔的大功率鉆機及配套裝備、管理制度、操作規程。

（3）通過松軟煤層順層打深孔的實現，完成了長鉆孔封孔預抽瓦斯的試驗。此次長鉆孔瓦斯預抽試驗共選取了試驗鉆孔10個，真正實現了“打多深、抽多深”，抽采效果顯著提高（最大約36%）。