下行抽采鉆孔排渣及排水技術研究與應用

王鋒偉

(平頂山天安煤業股份有限公司 一礦，河南 平頂山 467000)

國內外學者和現場技術人員為排出孔底積渣提出和實踐了很多措施。工程上常用加長孔深的辦法預留鉆渣占用空間，增加鉆孔深度，對于松軟煤層，殘留鉆屑量較大，且鉆屑會隨著鉆孔深度增加而顯著增大，雖然加大了鉆孔工作量，但效果并不明顯；積渣過多封孔器不能下放到設計位置時，就需要使用鉆機二次鉆孔，增加了現場工作量。

國內眾多學者針對如何清除孔底積渣這一課題進行了大量試驗研究。如，伍清等[1-3]利用磁鐵粉這種重介質懸浮液作為排渣介質，在一定程度上排出鉆渣，但懸浮液需要專門配置，使用中要及時回收利用，工藝較為復雜。楊虎偉等[4-5]提出高轉速壓風—螺旋復合排渣技術。韓曉明等[6-8]針對松軟突出煤層氣力排渣工藝進行了研究，優化了鉆桿結構和排渣工藝參數。付孟雄等[9-11]對小孔徑巷道底板錨固孔排渣機理進行研究，分析排渣影響因素、找到最佳排渣工藝參數。袁志堅[12]研究了氣舉反循環鉆進技術在煤礦瓦斯抽排井中的應用問題，取得較好效果，但存在如下問題：①鉆孔施工過程中形成的鉆渣不能有效排出鉆孔，鉆渣沉積在鉆孔底部，減少了鉆孔煤段長度，甚至完全堵死煤段鉆孔；②鉆孔施工過程中一般采用水排渣降溫，鉆孔成孔后，孔內積水不能完全清除，影響鉆孔封孔效果；③鉆孔在抽采鉆孔中沒有專門的排水裝置，孔內積水較多，封堵了瓦斯流動通道，影響瓦斯抽采效果。

許多學者從排渣機理、影響因素、排渣工藝及工藝參數等方面獲得了大量的研究成果，但主要是以普通鉆孔為研究對象開展的理論與試驗研究，而針對下行瓦斯抽采鉆孔排渣與排水技術的研究較少。特別是受到巖渣、煤渣、積水重力作用的影響，下行穿層抽采鉆孔在排渣和排水時更加困難。因此，急需開展下行瓦斯抽采鉆孔的排渣和排水技術研究，研發出快捷有效的排水裝置及簡單方便的工藝體系，從而能夠有效保障下行抽采鉆孔的瓦斯抽采濃度，并確保瓦斯治理的良好效果。

1 下行穿層鉆孔排水技術研究現狀

(1)封孔前排水技術。下行穿層鉆孔在鉆頭達到預定深度停止鉆孔，退出鉆頭、鉆桿后，由于采用水排粉工藝，在鉆孔內留有大量積水，若不排出孔外，則影響下一步的封孔質量，繼而影響瓦斯抽采效果。在鉆孔結束、未完全拔出鉆桿前，在孔口的鉆桿上固定一密封部件，在孔內形成一封閉空間，再向孔內通入壓縮空氣，利用鉆桿內部的中心孔來排出孔內積水。

(2)封孔后排水技術。對于抽采中的下行鉆孔，由于巖石與煤體含水，鉆孔抽采一段時間后，孔內就會集聚較多的積水，導致瓦斯抽采效果下降。為解決該問題，國內眾多煤炭生產和研究單位采用了大量的辦法來予以解決，有以下2類方式：①正壓排水法。利用密封裝置在孔內形成封閉空間，向孔內插入一排水管直到孔底，再向孔內通入壓縮空氣，在封閉空間內形成正壓，把積水排出孔外。②負壓吸水法。安徽理工大學的秦汝祥等設計了一種抽壓混合式瓦斯抽采下向鉆孔排水裝置，裝置由射流泵、連接軟管、壓風管、瓦斯抽采管、排水管和球閥等組成。利用文丘里射流泵形成的負壓排水，以壓風在鉆孔形成的正壓為輔，在排水管兩端形成抽和壓雙重動力排水，保持鉆孔內低正壓環境，減少鉆孔積水受壓進入巖體裂隙，避免積水停排反滲。需要時，可關閉球閥，降低鉆孔內壓力狀態，直接利用射流泵單獨排水，將鉆孔周圍巖體內反滲的水排出。

2 施工現狀與存在問題

2.1 施工現狀

目前，平煤股份一礦施工抽采鉆孔由勘探工程處所屬各打鉆工區完成，普遍應用高位巷下行穿層鉆孔水排渣施工技術，施工技術與裝備情況現狀如下。

(1)鉆機。打鉆工區采用最多的是轉矩3 200 N·m以上的鉆機，電機功率在55 kW以上。其中，在巖石巷道采用鉆車施工穿層鉆孔的比例較大，鉆車為煤礦用全液壓坑道無級調速鉆車。

(2)鉆頭與鉆桿。目前各打鉆工區所施工的穿層鉆孔大多采用φ89 mm 的PDC(聚晶金剛石復合片)鉆頭，該鉆頭適用于煤礦巷道中硬巖層施工，強度高，耐磨系數高。與φ89 mm 的PDC金剛石鉆頭配套的鉆桿為φ73 mm三棱凹槽鉆桿，三棱鉆桿廣泛應用于煤礦坑道中硬巖層和煤巖的深孔探水、瓦斯抽采鉆孔施工。該鉆桿采用整體式結構，機械強度高、使用壽命長，該鉆桿的3個棱邊在鉆桿與鉆孔壁之間形成了3個半圓形空間，擴大了排出煤渣和瓦斯的通道，同時將孔內的煤渣持續攪動起來，使鉆孔內鉆渣圍繞鉆桿做軸向運動，并使鉆渣得到粉碎和揚起，減小鉆渣顆粒的大小，使之處于懸浮狀態，不出現沉淀、堆積，起到輔助排渣的作用。

(3)供水管路基本情況。巷道供水壓力在2.0 MPa左右，鉆機供水管路內徑25 mm、流速2 m/s。但水壓、流速、流量等參數受井下供水管路影響較大。

(4)鉆孔布置與深度。根據圖紙設計，鉆孔沿巷道方向，靠巷道一側，每隔一定距離設置1組鉆孔，鉆孔布置如圖1所示。高位巷一般在煤層上方15 m左右，鉆孔在穿過煤層后再鉆2 m，用于沉積排不盡的鉆渣。

圖1 高位巷下行穿層鉆孔布置示意Fig.1 Schematic diagram of borehole layout for downward crossing of high level roadway

(5)鉆孔過程。施工人員按照預定鉆孔位置進行鉆孔時，沖洗液為壓力2 MPa的高壓水，輸水管內徑25 mm，鉆渣基本能夠順利的排出孔外。但若水壓不穩定時，尤其是2臺鉆機同時開鉆時，會出現排渣困難的現象。在鉆孔達到預定深度，繼續通入高壓水排除孔內鉆渣，當沖洗液變清，不再有鉆渣流出時，就開始退出鉆具，完成鉆孔。

2.2 存在問題

高位巷下行穿層鉆孔水排粉技術在施工過程中存在的主要問題：①鉆孔時，為了積沉排不盡的巖渣，穿過煤層后需要多打2 m孔深。為排盡鉆渣，每打完一根鉆桿需要上下多次拉動鉆桿排渣，這浪費較多的時間和高壓水。②在鉆孔完畢、退出鉆桿和鉆頭的過程中，鉆頭和鉆桿通過煤層或巖石破碎帶時，會碰落煤渣或巖渣，造成孔內積渣增多，嚴重時堵塞鉆孔。③由于巖石與煤體含水及沖洗液排渣，抽出鉆桿后，孔內有大量積水無法排出。④在孔口附近存在大量的巖石裂隙，對成孔后的排水工作產生不利影響。

3 研究內容及技術路線

(1)研究內容。①下行抽采鉆孔成孔后排渣工藝和裝置研制；②下行抽采鉆孔封孔前排水工藝和裝置研制；③下行抽采鉆孔抽采過程中手動排水工藝和裝置研制；④下行抽采鉆孔排水現場試驗與效果考查；⑤制定下行抽采鉆孔排渣排水技術規范。

(2)技術路線。技術路線如圖2所示。

圖2 技術路線Fig.2 Technology route

4 主要創新點

(1)運用氣舉反循環原理，研制了下行抽采鉆孔氣舉反循環排渣裝置，成功排出成孔后懸浮在以及沉積在鉆孔內的鉆屑，進而提高了封孔深度和瓦斯抽采效率，保證了礦井的安全生產。

(2)針對在裂隙發育的巖體上鉆孔的客觀實際，研制了潛入式排水器，克服了由于裂隙存在不能在孔內形成正壓、無法排水的難題，在排出鉆孔積水的同時，還能排出部分鉆渣。

5 氣舉反循環排渣裝置

向下施工穿層鉆孔時，鉆渣隨著螺旋鉆桿和沖洗液沖出鉆孔。鉆孔完畢抽出鉆桿后，懸浮在鉆孔沖洗液中的鉆渣和孔壁上的松動巖石塊極易落在孔底，形成積渣。鉆孔內的積渣過多，抽采管不能下至指定位置，導致封孔效果不好；抽采過程中，在抽采負壓作用下，積渣還易堵塞抽采管上的篩孔，阻礙瓦斯遷移，降低了瓦斯抽采效果。氣舉反循環清渣是通過充氣管將壓縮空氣送入排渣管內，壓縮空氣在排渣管內與沖洗液混合，形成低密度氣液混合物，氣泡由于上升過程中圍壓減小而膨脹，密度繼續減小，排渣管內外形成壓差，在壓差的作用下，沖洗液向上流動，帶動靠近排渣管口的積渣，沿著排渣管運動到孔口，從而清除了孔底積渣。

5.1 氣舉反循環排渣機理

氣舉技術原應用于地質采油工程中，當地層供給的能量不足以把原油從井底舉升到地面時，人為地把氣體壓入井底，與原油在井筒中混合，利用氣體膨脹使井筒中的混合液密度降低，將井內原油舉升到地面的一種技術。反循環是指沖洗液從鉆孔孔口流入孔底，經排渣管底部進入，依靠氣舉升力從排渣管頂部排出，經過濾沉淀后再進入鉆孔的循環，與正循環液體流動方向正好相反(圖3)。

圖3 正反循環液體流動示意Fig.3 Schematic diagram of positive and negative circulation liquid flow

排渣是指利用流動沖洗液的動能卷起鉆孔底部的固體沉渣，隨著沖洗液向上方循環流動，隨著沖洗液被帶出鉆孔，從而將孔底沉渣清理干凈的過程。氣舉反循環排渣是我國20世紀90年代引進推廣的技術，該技術在建筑工地樁基孔的鉆進和二次清孔中得到了大量應用。通過充氣管將壓縮空氣送入排渣管內，壓縮空氣在排渣管內與沖洗液混合，形成低密度氣液混合物，氣泡由于上升過程中圍壓減小而膨脹，密度繼續減小，排渣管內外形成壓差，在壓差的作用下，沖洗液向上流動，帶動靠近排渣管口的積渣，沿著排渣管運動到孔口，從而清除了孔底積渣。

5.2 氣舉反循環排渣裝置運行參數選擇

排渣管孔口距離積渣的距離(L)、風壓(P)、氣柱長度(H)、風量(Q)是氣舉反循環清渣裝置運行的重要參數，必須認真計算，并結合現場施工實際合理選擇。

(1)排渣管孔口距離積渣的距離(L)：排渣管底部孔口距離積渣面的距離。根據現場實際經驗，在300～400 mm時，排渣效果較好，距離過大，過小均影響積渣順暢的進入排渣管。這就要求在排渣過程中，隨著積渣的減少，要及時調整排渣管口距離積渣面的位置，保持適當的距離。

(2) 風壓(P)：是指供氣管路提供的壓縮空氣的壓力。主要與鉆孔的垂直深度和沖洗液密度和管道阻力有關，一般可按式(1)計算:

P=h×γ/100 +ΔP

(1)

式中，h為下行鉆孔的垂直深度；γ為沖洗液密度，采用清水作為沖洗液取；ΔP為供風管道壓力損失。

煤層上部布置高位巷距離煤層的垂直高度，取15 m左右，加上煤層厚度3 m，預留的積渣深度2 m左右。一般下行鉆孔的垂直深度h約為20 m。風壓P=0.3 MPa。經施工現場試驗，確定供風風壓達0.4 MPa 以上，氣舉反循環清渣工作可正常進行，實際操作控制在0.4～0.6 MPa，均能起到較好的排渣效果。

(3)氣柱長度(H)：即壓縮氣體進入排渣管的位置到孔口的垂直距離。根據經驗，一般為實際孔深的0.8倍左右。因下行鉆孔的垂直深度約20 m，充氣管接口在排渣管上的位置一般距離排渣管底部3～4 m，以保證排渣效果。

(4)風量(Q)：是指單位時間內供氣管路提供的壓縮空氣的體積。風量主要控制排渣管內沖洗液的流速。為避免排渣管內沖洗液流速過大，上返流速：

V≤0.17×[(D/d)2-1]

(2)

式中，D為下行鉆孔孔徑；d為排渣管內徑。

代入數據計算得出，V≤0.67 m/s。

風量可按Q=0.3d2V計算，Q=0.02 m3/min。

5.3 下行鉆孔封孔前排水裝置—潛入式排水器

5.3.1 裝置概述

下行穿層鉆孔在鉆頭達到預定深度停止鉆孔，退出鉆頭鉆桿后，由于采用水排粉工藝，在鉆孔內留有大量積水，若不排出孔外，則嚴重影響封孔質量，繼而影響瓦斯抽采效果。

(1)裝置特點。潛入式排水器在排水過程中，孔內積水進入筒體內后，向筒體內通入壓縮空氣，單向導通閥關閉，筒體內形成封閉空間，在壓縮空氣的作用下，筒體內的積水通過排水管排到孔外。克服了鉆孔孔壁存在裂隙，不能在孔內形成正壓排除積水的現狀，有效提高了排水效果。

(2)主要用途和適用范圍。適用于下行鉆孔排出孔內積水之用，尤其是鉆孔孔壁有裂隙，不能采用正壓排水的下行鉆孔。

5.3.2 裝置主要技術參數

裝置主要技術參數:筒體長為1 000 mm，筒體直徑為76 mm，排水管外徑為16 mm，進排氣管外徑為8 mm，1個循環排水量位4 L。

5.3.3 裝置組成與工作原理

(1)裝置組成。潛入式排水器主要由濾網、單向閥、筒體、快插、壓風進氣管、三通閥等零部件組成。其結構如圖4所示。

圖4 潛入式排水器結構示意Fig.4 Structural diagram of submerged drainer

(2)工作原理。在排水器插入孔底的過程中，轉動三通閥手柄，保證筒體內部的空氣能通過排氣管排出。孔內積水通過底部單向閥進入筒體內部，水只能從外部經此處進入筒體，不能從此處流出。當排氣管不再排氣后，表示筒體注滿積水，轉動三通閥手柄，向筒體內通入壓縮空氣，此時，孔底單向導通閥關閉，排水管管口位于筒底部，液面以下，筒體內形成一封閉空間，在壓縮空氣的作用下，筒體內的的積水通過排水管排到孔外。當排水管不再出水，噴出氣體時，筒體內積水就基本排除完畢。停止供氣，轉動三通閥手柄，進、排氣管處于排氣狀態，在外部水壓的作用下，積水通過單向導通閥進入筒體，同時，筒體內的空氣通過排氣管排到孔外。至此完成一個排水、進水循環。重復上述循環，就排出了孔內積水。

6 試驗分析

6.1 工作面概況

平煤股份一礦戊8-31220工作面位于三水平下延戊一上山采區西翼上部第一個工作面，東起三水平下延戊一上山采區軌道、膠帶、回風3條下山，西鄰三水平戊二采區3條下山，南鄰三水平戊一下延采區戊8-31200采面，北鄰三水平下延戊一上山采區戊8-31240工作面。工作面標高為-729～-839 m。地面標高為+141～+200 m，埋深870～1 039 m。工作面圈定區域為原生煤，與其他工作面不存在壓茬關系。工作面運輸巷、回風巷呈平行布置，運輸巷頂板抽采巷與運輸巷中—中外錯22 m，布置在距戊8煤層頂板以上10 m的穩定巖層中。回風巷布置在戊8-31200運輸巷以北，中—中外錯10 m，回風巷頂板抽采巷與回風巷中—中內錯20 m，布置在距戊8煤層頂板以上10 m的穩定巖層中。切眼頂板抽采巷與切眼中—中內錯10 m，布置在距戊8煤層頂板以上10 m的穩定巖層中。

該工作面總工程量6 715.37 m，其中運輸巷片盤車場389.64 m，回風巷片盤車場300.15 m；運輸巷頂板瓦斯抽采巷1 427.49 m，切眼頂板瓦斯抽采巷184.00 m，回風巷頂板瓦斯抽采巷1 391.73 m；采面運輸巷1 413.46 m，切眼182.25 m(中對中)，回風巷1 426.65 m。可采走向長度1 340 m，采長177 m，采高2.0 m。可采儲量69.8萬t。該工作面沿戊8煤層施工，戊8煤層厚度1.8～2.5 m，平均2.0 m，煤層中含有1層夾矸，厚度為0.1～0.4 m。煤層傾角12°～16°，平均14°。直接頂為灰及深灰色泥巖，塊狀，含植物化石，厚4.5～7.5 m，直接頂跨落距為15～20 m。基本頂為灰白色、淺灰色細—中粒石英砂巖，堅硬，厚4.5～14.5 m；直接底為灰及深灰色泥巖，底部為砂質泥巖，厚10.7～15.4 m；基本底為灰及深灰色中粒砂巖，局部夾有泥巖，厚10.5～18.5 m。

6.2 試驗過程

(1)試驗鉆孔。2020年5—7月，累計在平煤股份一礦戊8-31220運輸巷高抽巷選取50個試驗鉆孔進行排渣排水試驗，主要考察抽采鉆孔封孔前排渣、排水效果以及抽采過程中排水前后瓦斯抽采效果。鉆孔組號為264號—305號，并在其中選取11個鉆孔作為對比鉆孔。對比鉆孔設計參數見表1，試驗鉆孔、對比鉆孔相對位置如圖5所示。

表1 對比鉆孔設計參數Tab.1 Comparison of drilling design parameters

圖5 試驗鉆孔與對比鉆孔相對位置平面Fig.5 Plan view of relative position of test borehole and comparison borehole

(2)現場試驗工藝過程。①鉆孔施工完畢后，利用氣舉反循環排渣裝置進行排渣，并記錄排渣前后的鉆孔深度、鉆渣粒度等；②排渣完畢后，利用潛入式排水器進行排水，直至潛入式下降到排渣后的鉆孔深度位置，排凈孔內積水；③鉆孔排水完畢后，立刻采用兩堵一注封孔方法進行封孔；④鉆孔封孔完畢后，在孔口加裝正壓排水器，聯網抽采；⑤在抽采過程中，定期測量排水前后鉆孔孔口瓦斯濃度。

6.3 試驗效果分析

排渣效果：①鉆渣粒度大小。現場觀測表明，排渣過程中排出鉆渣粒徑大多在0.5～10.0 mm，以小顆粒狀為主。②鉆孔深度變化。排渣前后，試驗鉆孔的深度變化見表2 。

由表2可知，①氣舉反循環排渣后，50個試驗鉆孔的孔深全部增加，鉆孔深度增加2～15 m，平均增加5.78 m，鉆孔增加深度占設計孔深的8.1%～38.5%，平均增加17.3%；②氣舉反循環排渣裝置可有效排出下行抽采鉆孔孔內鉆渣。

表2 試驗鉆孔排渣前后鉆孔深度Tab.2 Drilling depth before and after slag removal of test drilling

7 排水效果

試驗鉆孔孔口安裝正壓排水器后，定期排水，并測定排水前后孔口瓦斯濃度。因采用壓縮空氣排出孔內積水，為保證測量準確度，排水后再次測量孔口瓦斯濃度的時間，應不小于30 min。測定結果如圖6所示。

圖6 試驗鉆孔排水前后孔口瓦斯濃度變化規律Fig.6 Variation law of gas concentration at orifice before and after drainage of test borehole

根據數據分析，計算50個試驗鉆孔排水前后孔口平均瓦斯濃度(表3)，排水前孔口平均瓦斯濃度為10.8%，排水后孔口平均瓦斯濃度為19.5%，在觀測周期內，孔口平均瓦斯濃度提升80.67%。

表3 試驗鉆孔排水前后孔口平均瓦斯濃度Tab.3 Average gas concentration at orifices before and after drainage of test boreholes

試驗鉆孔排水前后孔口平均瓦斯濃度變化規律如圖7所示。

圖7 試驗鉆孔排水前后孔口平均瓦斯濃度變化規律Fig.7 Variation law of average gas concentration at orifice before and after drainage of test borehole

8 結論

針對平煤股份一礦下行穿層抽采鉆孔施工過程中存在的鉆渣和積水問題以及抽采過程中的鉆孔積水問題，通過瓦斯抽采效果影響因素分析，以氣舉反循環排渣技術為核心，設計研發了下行抽采鉆孔封孔前排渣裝置—氣舉反循環排渣裝置、封孔前排水裝置—潛入式排水器、抽采過程中排水裝置—正壓排水器，形成了一整套下行抽采鉆孔排渣排水技術和裝備，經現場工業性試驗應用，顯著提升了下行穿層鉆孔瓦斯抽采效果，試驗達到了預期目標。

(1)影響下行穿層抽采鉆孔抽采效果的主要因素：①鉆孔施工過程中形成的鉆渣不能有效排出鉆孔，鉆渣沉積在鉆孔底部，減少了鉆孔煤段長度，甚至完全堵死煤段鉆孔；②鉆孔施工過程中一般采用水排渣降溫，鉆孔成孔后，孔內積水不能完全清除，影響鉆孔封孔效果；③鉆孔在抽采鉆孔中沒有專門的排水裝置，孔內積水較多，封堵了瓦斯流動通道，影響瓦斯抽采效果。

(2)氣舉反循環排渣后，試驗鉆孔深度增加2～15 m，平均增加5.78 m；鉆孔增加深度占設計孔深的8.1%～38.5%，平均增加17.3%。氣舉反循環排渣裝置可有效排出下行抽采鉆孔孔內鉆渣，在提升下行抽采鉆孔瓦斯抽采效果方面具有廣泛的應用前景。

(3)試驗鉆孔采用研制的下行抽采鉆孔排渣排水成套技術，排水前孔口平均瓦斯濃度為10.8%，排水后孔口平均瓦斯濃度為19.5%，在觀測周期內，孔口平均瓦斯濃度提升80.67%，瓦斯抽采效果提升明顯。

(4)對比鉆孔未采用研制的下行抽采鉆孔排渣排水成套技術，排水前孔口平均瓦斯濃度為0.2%，排水后平均孔口瓦斯濃度為4.2%，與試驗鉆孔向比較，抽采效果差距明顯。

(5)封孔前采取排渣排水技術，對提升下行抽采鉆孔抽采效果具有重要作用，在抽采鉆孔抽采過程中，試驗鉆孔排水前孔口平均瓦斯濃度為10.8%，對比鉆孔排水前孔口平均瓦斯濃度為0.2%。