CKR2鉆機施工軟煤層抽采鉆孔技術探究

＊李建偉 馮志剛

（晉能控股裝備制造集團晟泰能源投資有限公司 山西 048000）

1.現場概況

趙莊煤業1104盤區回風巷為矩形斷面，凈寬為5500mm，凈高為4400mm，凈斷面積為24.2m2，采用錨索、金屬網、鋼筋托梁聯合支護。由于試驗鉆孔仍未受采動影響，除因煤層疏松質軟局部成型略差外，巷道整體基本完好。該區域西幫側布置有1趟靜壓水管，2趟排水管路，1趟壓風管路。頂部距東幫2m，距頂1.5m處布置有1趟Φ310mm瓦斯抽放管路。東幫側距底板1.5m高度處，均勻布置有1排間距為0.8m的本煤層瓦斯抽放鉆孔（已連入抽放系統）。

地質情況：煤層為4.8～5.5m，平均厚度為5.0m。煤層穩定，結構簡單，厚度無明顯變化。根據煤層厚度變化及回采因素影響，工作面采高控制在4.2～5.5m。煤層傾角0°～11°，平均傾角為3°。煤層為黑色，似金屬光澤，塊狀、粉末狀，外生裂隙發育，階梯狀斷口，層狀構造。煤層結構：煤層可采指數為1，變異系數20%，為穩定煤層，煤層普氏硬度（f）0.5～2.0。煤塵具有爆炸性。煤層自燃傾向性等級為III級，不易自然。地壓為：11.0～14.0MPa，無沖擊地壓危害。直接頂為砂質泥巖，厚3.0m，深灰色，薄層狀，水平層理，見裂隙面，含植物化石碎片，單向抗壓強度為30.4MPa，單向抗拉強度為1.63MPa，普氏系數f=3.1。基本頂為粉砂巖，厚7.3m，深灰色，薄層狀，水平層理，緩波狀層理，單向抗壓強度為29.8MPa，單向抗拉強度為2.12MPa，普氏系數f=3.0；砂質泥巖，厚4.6m，深灰色，薄層狀，水平層理，見裂隙面，含植物化石碎片，單向抗壓強度為30.4MPa，單向抗拉強度為1.63MPa，普氏系數f=3.1。

2.施工設計及技術要求

（1）試驗施工鉆孔地點：1104盤區回風巷（13171橫川向南50～65m），巷道東幫側。

（2）試驗鉆孔設計參數：鉆孔開孔高度距頂板距離2.5～3.0m；鉆孔間距為5m；鉆孔傾角為0°；試驗鉆孔垂直巷幫施工；試驗鉆孔深度為150m（依照施工條件、工藝可做出調整）。

（3）鉆孔實際開孔位置與設計要求誤差不得超過±0.2m（受錨桿、錨索等影響，可適當調整開孔位置），傾角誤差不得超過±1°。

（4）鉆孔施工嚴格執行三定標準（定孔位、定方位、定傾角）。①定傾角，CKR2型煤礦坑道鉆機結構原因，傾角不可調，為0°。②定孔位，以頂板平整處量起，通過使用手拉葫蘆調整CKR2型煤礦坑道鉆機給進梁高度來確定孔位。孔排間距嚴格按要求執行。③定方位，垂直巷幫施工，方位角為90°。

（5）機長根據現場施工情況自行控制洗孔時間，但鉆孔施工到位后洗孔時間不少于30min，保證出渣口處基本返出清水，方可退鉆。

3.CKR2鉆機與其他礦用坑道鉆機的主要區別

(1)CKR2鉆機簡要介紹

CKR2型全液壓煤礦坑道鉆機專門為松軟煤層反循環鉆進作業而設計。松軟突出煤層反循環鉆進是利用雙壁鉆桿進行鉆進，沖洗液從內外管間送入孔底，再攜帶巖粉或煤粉從內管中返出地面的一種鉆進方法。該鉆進方法在地質鉆探領域屬成熟技術，用該技術很好地解決了復雜地層鉆進和取樣問題，鉆進深度已有超過500m的記錄。將該技術移植到松軟突出煤層的鉆進，具有如下特點：

①由于沖洗液從內管返出，而不是像正循環那樣由孔壁間隙返出，因而最大限度地減少了對煤層的擾動，有效地防止了孔內坍塌的發生，也就避免了卡鉆事故的頻繁發生；

②鉆進過程中孔底釋放的大量瓦斯可由通暢的內管通道返出，沿孔壁滲出的瓦斯通過穩定通暢的孔壁間隙順暢排出，因為不存在瓦斯聚集的情況，因而避免噴孔現象的發生；

③由于沖洗液從內管返出，內管光滑且管徑一致，因而沖洗介質的壓力損失小且恒定，又因為過流斷面要比孔壁間隙小得多，所以滿足煤粉排出地面所需的沖洗液壓力和排量都相對較小，因而可用較小的空壓機或泥漿泵，使設備投資成本降低；

④因為孔壁穩定，坍塌少，鉆桿與孔壁摩擦力減小，因而所需鉆機的扭矩和起拔力都減小，從而減少了鉆機投資；

⑤由于沖洗液從內管返出，可以通過膠管直接導入煤粉接收裝置（集塵器），無需孔口捕塵裝置，更有效改善了施工現場作業環境；

⑥對于縮徑地層，鉆進結束后，可將內管拔出，再下入瓦斯抽排管或割縫管，起到與大通孔鉆桿同樣的作用，因此可用一種鉆桿同時在坍塌和縮徑地層中鉆進。

(2)CKR2鉆機與其他礦用坑道鉆機的主要區別

①動力區別：CKR2型鉆機動力頭型式為頂驅式，最大給進力600kN，最大提拔力380kN，給進/回拖速度1.8/2.7m/s，最大扭矩5300N·m。以ZDY4200LPS(A)型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機為例，動力頭型式為回轉給進式，最大給進力123kN，最大起拔力123kN，給進/回拖速度0.78m/s，最大扭矩4200N·m。

②鉆桿區別：CKR2型鉆機利用Φ89mm×1m雙壁鉆桿。雙壁鉆桿進行鉆進，沖洗液從內外管間送入孔底，再攜帶巖粉或煤粉從鉆桿內管中排渣至巷內。鉆桿拆、裝是在給進梁內槽進行。煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機鉆桿拆、裝是在回轉裝置尾部進行。

③鉆頭區別：CKR2型鉆機采用Φ98mm反循環取芯鉆頭。礦用履帶式全液壓坑道鉆機胎體式復合三翼內凹鉆頭。

4.CKR2型鉆機軟煤巖鉆探試驗情況

(1)施工工序

移鉆→進行“三定”（定孔位、傾角、方位角）→穩鉆→開孔→安裝孔口防噴裝置、防回火裝置→打鉆（鉆進→鉆桿入孔→鉆桿回拉→裝入鉆具→一次行程后二次鉆進）→專用水便→鉆進→停止鉆進→卸水便→（上鉆桿重復以上打鉆作業）→打鉆到設計進尺→洗孔→退鉆→退鉆完畢→臨時封孔→現場標準化動態達標。

(2)施工過程

①開孔使用羅盤、卷尺和線繩等確定鉆孔參數，嚴格按規定執行“三定”標準。

②鉆孔實際開孔位置與設計孔誤差不得超過±200mm，傾角、方位角誤差不得超過±1°（受錨桿、錨索等影響，可適當調整開孔位置）。

③“三定”確定后，在開孔位置下風側300～500mm，平行于孔口，懸掛便攜式瓦檢儀、一氧化碳便攜儀。

④鉆孔開孔后，將孔口防噴裝置插入孔內，用鐵絲將孔口防噴裝置固定在巷幫上，孔口防噴裝置外壁和孔內壁間用棉紗封嚴，確保不漏氣。把瓦斯抽采接口與抽采系統相連，孔口連接孔口防噴裝置時必須經過氣水分離器再連接抽采管路。

⑤單孔鉆孔結束后，對鉆孔時長及鉆孔過程中鉆機的使用情況做好記錄。

⑥鉆孔施工完畢后必須按規定將封孔管下到位，下管下不到位時，必須重新進行套孔，套孔時必須按規定使用好孔口防噴裝置，杜絕瓦斯事故，或者是退鉆后不要取下孔口裝置，下管下到位后再取下，避免重復安裝影響施工效率。

(3)鉆孔施工要求

①鉆機操作人員必須熟練掌握鉆機操作技能，嚴格按鉆機使用說明書及操作規程操作。

②開始鉆進時，要合理輕壓慢進，前20m要控制給進壓力，保證鉆孔平直，司機作業期間要觀察各壓力變化情況，并進行記錄。

③接卸鉆桿前，鉆頭退離孔底至少300mm。停鉆2h以上時，停鉆前施工負責人應根據孔內情況決定是否將鉆桿拉出。

④接卸鉆桿需要敲砸時，必須使用銅錘，嚴禁使用鐵器、管鉗敲砸鉆桿。

⑤上鉆桿時，要認真檢查鉆桿質量，彎曲、壞扣或磨損嚴重的鉆桿嚴禁使用。連接鉆桿時，鉆桿應不堵塞，對準絲扣，用鉆機緊固后，方準開啟鉆機。

⑥鉆機操作人員要精力集中，與上卸鉆桿人員配合一致，聽從一個口令，以免誤動作傷人，采用鉆機動力擰開鉆桿后人工接卸鉆桿。

⑦鉆進時若給進緩慢或不給進，應立即起鉆查明原因，采取措施后方可鉆進。

⑧鉆孔施工過程中，若孔內有異常情況時，必須立即停止鉆進，切斷鉆機電源，但不得拔出鉆桿，施工負責人及時匯報抽采工區和隊值班室，判斷清楚原因，并采取措施后，待恢復正常后方可恢復作業。

⑨每個鉆孔施工完畢后，必須將鉆孔封孔。封孔不能正對孔口操作。

(4)CKR2型鉆機軟煤巖鉆探試驗情況

施工時最大工效：單班進尺35m；而同等扭矩、功率的礦用坑道鉆機單班最大進尺為60m左右。

表1 CKR2型鉆機軟煤巖鉆探試驗記錄

5.鉆探成果分析

CKR2型全液壓煤礦坑道鉆機專門為松軟煤層反循環鉆進作業而設計。松軟突出煤層反循環鉆進是利用雙壁鉆桿進行鉆進，沖洗液從內外管間送入孔底，再攜帶巖粉或煤粉從內管中返出地面的一種鉆進方法。有以下優點：減少了對煤層的擾動，有效地防止了孔內坍塌的發生；沿孔壁滲出的瓦斯通過穩定通暢的孔壁間隙順暢排出，因而避免噴孔現象的發生；沖洗液從內管返出，可以通過膠管直接導入煤粉接收裝置（集塵器），無需孔口捕塵裝置，更有效改善了施工現場作業環境；鉆桿與孔壁摩擦力減小，因而所需鉆機的扭矩和起拔力都減小，從而減少了鉆機投資。

6.結語

在高瓦斯礦井施工本煤層瓦斯抽放鉆孔時，面對松軟煤層，采用反循環鉆進的方式，有效防止了孔內坍塌的發生，提高了鉆孔的成孔率，改善了作業環境，降低了鉆孔施工強度有利于礦井的生產銜接安排。達到了預期的效果，緩解了掘進接替和生產被動的緊張局面，也給礦井創造了更好的生產前提條件。對高瓦斯及突出礦井的軟煤巖鉆探起到很大參考意義和價值。