鉆桿類型對松軟煤層順層鉆孔排渣的影響

李良偉，武文賓，唐建平

（1.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司，重慶400037；2.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400037）

在松軟煤層中施工順層鉆孔，保證鉆孔成孔深度和成孔率，是順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵。鉆孔的排渣工藝尤其是壓風(fēng)排渣工藝對順層鉆孔的成孔深度和成孔率有很大影響。壓風(fēng)排渣是是用壓縮空氣經(jīng)過鉆桿內(nèi)孔、鉆頭進(jìn)人孔底，在孔內(nèi)形成高速風(fēng)流，鉆屑則懸浮在風(fēng)流中被吹向孔口，從而實(shí)現(xiàn)排渣和鉆頭冷卻。風(fēng)力排渣的最大不足之處是作業(yè)地點(diǎn)灰塵不易控制。但在突出或松軟煤層中打鉆時，風(fēng)力排渣具有明顯的優(yōu)勢，如壓風(fēng)對孔壁的沖擊小，不易破壞孔壁，也不影響煤層中的瓦斯解吸，使瓦斯得以自由、快速地釋放，孔內(nèi)始終只有氣、固兩相流動，發(fā)生梗阻的概率降低[1-3]。

針對風(fēng)力排渣系列問題，部分學(xué)者開展了一系列研究，并取得了很多成果[4-13]。由這些研究可見，現(xiàn)有的三棱鉆桿和圓鉆桿仍然是最普及的鉆桿類型，但目前沒有人對三棱鉆桿和圓鉆桿在鉆進(jìn)過程中的風(fēng)量和風(fēng)壓等規(guī)律進(jìn)行研究。為解決風(fēng)力排渣困難、風(fēng)量和風(fēng)壓規(guī)律不清楚等問題，通過試驗(yàn)分析正常供風(fēng)時的風(fēng)壓和風(fēng)量隨鉆孔施工深度的變化規(guī)律，總結(jié)2 種鉆桿抑制噴孔的效果。

1 演馬莊礦松軟煤層順層鉆孔試驗(yàn)

演馬莊礦順層鉆孔施工采用的鉆桿分為圓鉆桿和三棱鉆2 種，順層鉆孔成孔深度一般孔深在70～100 m 之間，最深可達(dá)到130 m，成孔長度均能滿足抽采設(shè)計(jì)要求，本次以演馬莊礦現(xiàn)有圓鉆桿和三棱鉆為基礎(chǔ)對鉆孔成孔工藝進(jìn)行考察研究。

1）施工鉆具參數(shù)。演馬莊礦順層抽采鉆孔施工采用的鉆機(jī)為ZDY-4000S 型煤礦坑道全液壓鉆機(jī)，配備φ73 mm 的圓鉆桿和三棱鉆桿，使用φ94 mm鉆頭。ZDY-4000S 鉆機(jī)參數(shù)如下:①扭矩:1 050～4 000 N/m；②功率:55 kW；③轉(zhuǎn)速:5～280 r/min；④傾角:-45°～＋45°；⑤鉆深:50～200 m。單根鉆桿長度均為800 mm，試驗(yàn)中均使用全新鉆桿施工，排除舊鉆桿漏風(fēng)、磨損等因素影響。

2）試驗(yàn)工作面情況。22071 工作面位于22 采區(qū)，北部為未開采區(qū)，南部為2209 未采工作面，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)煤層及頂?shù)装鍩o構(gòu)造，平均煤厚5.5 m，試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)煤厚穩(wěn)定無夾矸。煤層及頂?shù)装迦缦?①煤層:22071 工作面煤層標(biāo)高-160～-198 m，地面標(biāo)高＋103～＋107 m，埋深263～305 m，工作面走向長301 m，傾斜長115 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單，以粉煤為主，中下部以塊炭為主，煤層平均厚度5.5 m，傾角11°，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f 值為0.2～0.5，煤層瓦斯含量為19.02 m3/t，瓦斯壓力0.95～1.39 MPa; ②頂?shù)装鍘r性特征:22071 工作面煤層直接頂多為砂質(zhì)泥巖，偽頂多為炭質(zhì)泥巖，基本頂砂巖；煤層底板中，直接底為砂質(zhì)泥巖，本底為石灰?guī)r。

3）試驗(yàn)方法。在22071 工作面按5 m 間距布置鉆孔施工，先后使用圓鉆桿和三棱鉆桿各施工36 個鉆孔，在施工過程中，將壓風(fēng)參數(shù)測定儀連接于壓風(fēng)管和旋轉(zhuǎn)接頭之間，每施工10 m 整記錄1 次風(fēng)量和風(fēng)壓并測量1 m 長度進(jìn)尺的鉆屑量，并通過調(diào)整閥門，記錄正常鉆進(jìn)時的最小風(fēng)壓，直至鉆進(jìn)至深度為70～80 m 停鉆。

2 鉆孔試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)情況

圓鉆桿在22071 運(yùn)輸巷施工了36 個鉆孔鉆孔編號1～36，總計(jì)進(jìn)尺2 543 m，平均孔深70.6 m，平均每天進(jìn)尺254.3 m；三棱鉆桿在22071 運(yùn)輸巷施工了36 個鉆孔，鉆孔編號37～72，總計(jì)進(jìn)尺2 840 m，平均孔深78.8 m，平均每天進(jìn)尺315.5 m。因鉆孔施工當(dāng)班實(shí)際及時間情況，鉆孔實(shí)際鉆進(jìn)深度存在不完全一致的情況但均在合理考察深度范圍，當(dāng)頂鉆抱鉆嚴(yán)重時停止鉆進(jìn)。

2.2 壓風(fēng)排渣合理參數(shù)的確定

2）正常鉆進(jìn)時供風(fēng)參數(shù)。現(xiàn)場實(shí)測圓鉆桿和三棱鉆桿正常鉆進(jìn)供風(fēng)壓力、供風(fēng)量結(jié)果如圖2。存在基本穩(wěn)定風(fēng)壓，能使整個鉆孔深度下能正常鉆進(jìn)，在基本穩(wěn)定的風(fēng)壓條件下，2 種類型鉆桿在施工過程中隨深度增加風(fēng)量均呈現(xiàn)下降的趨勢，而圓鉆桿下降的趨勢的絕對量比三棱鉆桿大。

2.3 壓風(fēng)排渣規(guī)律分析

圖1 不同深度鉆孔正常排渣所需最小供風(fēng)壓力Fig.1 Minimum air supply pressure required for normal slag removal in different drilling depths

圖2 正常鉆進(jìn)時參數(shù)變化（ 1 SCFM=28.3 L/min）Fig.2 Parameter change during normal drilling（ 1 SCFM=28.3 L/min）

在施工每10 m 整的鉆進(jìn)過程中使用定制鉆屑袋裝接排出的鉆屑并稱重，通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算平均鉆屑量情況，鉆屑量隨深度變化曲線圖如圖3，分析可得，2 種鉆桿隨著施工深度的增加，鉆屑量呈增加的趨勢，原因是隨著深度增加，已成孔的一段孔壁會受到鉆桿磨削而增大，統(tǒng)計(jì)鉆屑量會增加，而同一深度三棱鉆桿又比圓鉆桿鉆屑量要大，說明三棱鉆桿對孔壁磨削更強(qiáng)。

2.4 抑制噴孔效果

圖3 鉆屑量隨深度變化曲線圖Fig.3 Curves of cuttings change with depth

鉆孔噴孔是瓦斯動力現(xiàn)象的一種，主要是高壓瓦斯、應(yīng)力集中和軟煤3 個因素綜合作用的結(jié)果。當(dāng)鉆孔進(jìn)入軟煤分層時，鉆頭的切削旋轉(zhuǎn)對軟煤產(chǎn)生一種沖擊和破碎力，這種力使煤體破裂、粉碎，破裂和粉碎了的煤體順時產(chǎn)生瓦斯解吸，鉆孔周邊煤體快速的瓦斯解吸，使流入鉆孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的幾倍到幾十倍，此時鉆孔前方與后方出現(xiàn)了較大的瓦斯梯度，因而出現(xiàn)了明顯的瓦斯激流，承壓的瓦斯激流對破壞的煤顆粒起著邊運(yùn)送邊粉化的作用，同時還繼續(xù)向鉆孔周邊擴(kuò)大影響范圍，由于鉆孔孔徑小和鉆孔出現(xiàn)堵孔，瓦斯激流和粉化了的煤顆粒難以順利的向孔外排出，進(jìn)一步增加了鉆孔內(nèi)外的瓦斯壓力梯度，使這種瓦斯涌出變成了爆發(fā)性的孔內(nèi)瓦斯向孔口外流，形成噴孔。另一種噴孔是由于煤層中含水，鉆頭切削時的煤粉難以順利排出造成孔內(nèi)堵塞，在鉆孔的淺部（7～20 m）出現(xiàn)堵孔，或是打鉆風(fēng)壓和風(fēng)量不夠，排渣不力，出現(xiàn)堵孔。堵孔造成鉆孔前方和周邊的瓦斯無法排出，孔內(nèi)瓦斯不斷涌出，孔內(nèi)與孔外形成較大的壓力梯度，達(dá)到某個極限時，發(fā)生噴孔。根據(jù)現(xiàn)場施工情況，無論圓鉆桿還是三棱鉆桿都存在不同程度的噴孔現(xiàn)象，2 種鉆桿在鉆孔中的鉆進(jìn)情況如圖4。

圖4 圓鉆桿和三棱鉆桿在鉆孔中的前視圖Fig.4 Front view of different drill pipes in drilling

圓鉆桿與孔壁的排渣空間要小于三棱鉆桿，在鉆進(jìn)速度相同的情況下，煤屑在三棱鉆桿鉆孔中的阻塞幾率要小于圓鉆桿，三棱鉆桿更容易將鉆屑順利地排出，而且還有利于瓦斯的排放。

2 種鉆桿鉆孔施工噴孔情況統(tǒng)計(jì)見表1。“壓力大退鉆”表示在鉆進(jìn)過程中由于噴孔、卡鉆等瓦斯動力現(xiàn)象致使鉆機(jī)鉆進(jìn)困難而停止鉆進(jìn)。

表1 鉆孔施工噴孔情況統(tǒng)計(jì)Table 1 Statistics of spray holes during construction

從表1 可知，圓鉆桿施工的鉆孔噴孔數(shù)量是三棱鉆桿的1 倍多，現(xiàn)場觀測圓鉆桿在鉆孔施工過程中的噴孔強(qiáng)度和次數(shù)要遠(yuǎn)大于三棱鉆桿。因此，三棱鉆桿對于減輕煤層噴孔現(xiàn)象具有良好的效果。

2.5 施工工效

在22071 運(yùn)輸巷采用圓鉆桿和三棱鉆桿各施工36 個鉆孔，圓鉆桿和三棱鉆桿施工工效見表2。在施工相同鉆孔數(shù)量的情況下三棱鉆桿要比圓鉆桿用時少1 d，且平均孔深也高于圓鉆桿，說明三棱鉆桿在排渣速度上要優(yōu)于圓鉆桿。

表2 圓鉆桿和三棱鉆桿施工工效Table 2 Work efficiency of round drill pipe and triangular drill pipe

3 結(jié) 語

2）在穩(wěn)定的風(fēng)壓條件下，2 種類型鉆桿在施工過程中隨深度增加風(fēng)量均呈現(xiàn)下降的趨勢，而圓鉆桿下降絕對量比三棱鉆桿大。

3）已成孔段孔壁直徑會受到鉆桿磨削而增大，統(tǒng)計(jì)鉆屑量會增加，而同一深度三棱鉆桿又比圓鉆桿鉆屑量要大，三棱鉆桿對孔壁磨削更強(qiáng)。

4）圓鉆桿與孔壁的排渣空間要小于三棱鉆桿，通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在鉆進(jìn)速度相同的情況下，煤屑在三棱鉆桿鉆孔中的阻塞幾率要小于圓鉆桿，三棱鉆桿更容易將鉆屑順利地排出，而且還有利于瓦斯的排放。