复采掘进过程中的探放水钻探设备分析_武靖轩.pdf

复采掘进过程中的探放水钻探设备分析武靖轩1，程海兵1，李建兵1，2，樊帆1，李斗1（1.沁和能源集团有限公司，山西晋城048000；2.山西沁和绿色智能煤炭科学研究院有限公司，山西晋城048000）摘要：针对复采掘进过程中的探放水钻孔常常出现塌钻、压钻、卡钻和退钻难等问题，从出现原因、设备型号和技术措施三方面进行分析。分析表明，钻机向前钻进的过程中，“压酥”煤体就容易受到钻杆钻进扰动，使得钻杆外壁“压酥”煤体在应力作用下向钻杆中心应力传递，从而导致难钻进现象；使用 PDC 刮刀钻头、刻槽钻杆或多棱钻杆和大扭矩钻机在复采煤层中钻进效果较好；采用注浆套管技术可有效解决难钻进的问题。该研究成果可指导复采或软岩探放水的施工，保障安全生产。关键词：钻探设备复采掘进探放水中图分类号：TD822文献标识码：A文章编号：1003-773X（2023）02-0269-02引言因复采生产工艺的特殊性，老窑巷道布置的不确定性，探放水是掘进过程中必不可少的环节。在安全生产过程中，掘进巷道与老窑空巷、空区的位置关系呈垂直、斜交和平行三种形式。空区、空巷两侧均留有一定宽度的保安煤柱，若探放水孔钻探至空区内，则存在不反水现象；若探放水孔钻探至空区两侧煤柱内，因保安煤柱处于应力集中区，就存在实体煤被压酥，部分钻孔不反水，只出渣等情况，导致压钻、卡钻、退钻难等现象。为解决复采探放水技术难题，现主要从复采探放水钻探和实体煤探放水钻探的区别以及复采卡钻、压钻、退钻难等问题的本质原因进行分析。1原因分析实体煤探放水时，煤层未受到开采影响，在盖山岩体三维应力作用下，煤层处于应力平衡状态，因探放水钻孔直径一般小于 94 mm，且钻杆为圆柱状，在钻探过程中并未在短时间内影响钻孔周围大范围煤体应力发生变化，固实际钻孔长度主要取决于外部因素，例如钻机、钻杆和钻头的实际参数。复采探放水时，老窑巷道或老窑采空区应力就会向空区、空巷内传递，使空区、空巷顶底板或两帮出现不同程度的冒顶和片帮现象，在应力平衡区与片帮区中间存在次应力平衡区。若探放水钻探至片帮区，则出现钻杆不反水、不退渣现象；若探放水钻探至次应力平衡区，则出现钻杆不反水、只退渣现象。当探放水钻探至次应力平衡区，煤层就存在不同程度的“压酥”现象，在钻机向前钻进的过程中，“压酥”煤体就容易受到钻杆钻进扰动，使得钻杆外壁“压酥”煤体在应力作用下向钻杆中心应力传递，从而导致压钻、卡钻、难钻进、退钻难等问题。2设备分析2.1钻头分析查阅市场中在售探放水钻头型号，主要为 PDC（聚晶金刚石复合片）内凹三翼钻头、PDC 烧结体内凹三翼钻头、PDC 内凹四翼钻头、PDC 三翼刮刀钻头、PDC 四翼刮刀钻头、PDC 侧翼刮刀钻头、PDC 扩孔钻头和 PDC组合钻头。依据其可钻性级别进行分类，其中可钻性级别与普氏硬度对照如表 1 所示，不同型号钻头的可钻性级别划分如表 2 所示。目前永安煤矿使用的是 PDC内凹三翼钻头。经过对钻头分析可知，在复采次应力平衡区“压酥”煤体中钻探过程中，PDC刮刀钻头（三翼、四翼、侧翼）容易钻进较软煤体，但是 PDC 刮刀三/四翼钻头的直径一般大于 94 mm，PDC 刮刀侧翼钻头的直径一般大于 70 mm。收稿日期：2022-05-22第一作者简介：武靖轩（1994），男，山西忻州人，硕士，研究方向为煤矿安全生产技术管理工作。总第 238 期2023 年第 2 期机械管理开发MechanicalManagementandDevelopmentTotal 238No.2，2023DOI:10.16525/14-1134/th.2023.02.108硬度分类软中软 中等中硬硬坚硬可钻性级别1234567891011普氏硬度f1010f15代表性岩石砂岩，石灰岩，大理岩，白云岩，黄铁矿，不坚固的花岗岩花岗岩，石灰岩，砾岩表 1可钻性级别与普氏硬度对照钻头型号钻孔直径/mm可钻性级别适用岩层（普氏硬度 f）PDC内凹三翼普通/加强/高强 651534116f12PDC烧结内凹三翼 普通/加强/高强 6515341112f16PDC内凹四翼普通/加强/高强 941534116f15PDC三翼刮刀普通/加强/高强 941531111f8PDC四翼刮刀普通/加强/高强 943111111f8PDC侧翼刮刀普通/加强/高强 42561111f8PDC扩孔普通/加强/高强 421532121f18PDC组合普通/加强/高强 421532121f18表 2不同型号钻头的可钻性级别划分技术应用机械管理开发第 38 卷2.2钻杆分析查阅市场中在售的探放水钻杆型号，主要有刻槽钻杆、三棱钻杆、地质钻杆、螺旋钻杆、镦头钻杆、内方扣钻杆 6 类。不同形式的钻杆适用条件及环境如表 3所示。对六类钻杆进行分析，其中刻槽钻杆和三棱钻杆比较适用于容易卡钻的钻探环境。查阅市场中在售的可用于探放水的钻机主要有履带式钻机、架柱式钻机和巷道钻机三大类。不同类钻机适用环境不一样，与探放水有关的参数主要为钻机扭矩，各类钻机均有不同型号的扭矩钻机。3技术分析李怀玉在研究中表明：在遇岩层破碎，并有软岩、孔壁坍塌、缩径、影响成孔率等问题，采用大功率、大扭矩、低转速全液压钻机，配合大通径凹槽地质螺旋钻杆复合排粉钻进，PAM（聚丙烯酰胺）水溶液配制絮凝剂定孔深、定量洗孔等技术工艺，取得了较好的效果1。邵建平在研究中表明采用煤体注浆加固技术、孔口管控水技术及双套管放水技术，解决了在软岩探放水过程中所遇到的技术难题，为软岩探放老空水工作摸索出了成功经验2。陈寒秋在研究中表明布置钻孔开口位置时，开口位置应尽量布置在煤层的中间为宜3。通过文献查询和理论分析，可以采用“大钻头+小钻杆+套管”方式在复采煤层中钻进，选用 94 mm钻头开孔（因为规定探放水钻孔一般不超过 94 mm），用直径 4050 mm钻杆连接，外套 72 mm 空心钻头连接 72 mm套管，在探放水作业过程中，先用 94 mm 钻头开孔，待钻进 2 根钻杆时，钻机连接 72 mm 钻头，钻进 1 根套管，随后连接 94 mm 钻头钻进 2 根钻杆，随后再连接 72 mm 钻头钻进 2 根套管，以此依次钻进，始终保持 94 mm 钻头与 72 mm 钻头间距相差 1根钻杆长度。当存在明显压钻、卡钻现象时，选用水泥浆等注浆材料从 7294 mm 间压力注浆（可根据长度、间距计算注浆体积），待稳定后，继续对 94 mm 钻头进行钻进，反复。复采探放水套管设计见图 1。采用此方法可以解决钻孔成孔难等问题，也可以保障钻进距离符合相关规定，更适用于软岩、复采掘进过程中的探放水作业。4结论1）通过对设备的分析，按适用顺序分类。钻头为刮刀内凹；钻杆为刻槽多棱地质螺旋；钻机为优先使用大扭矩钻机。2）通过对技术的分析，可以采用“大钻头+小钻杆+套管”的方式，可大大提高成孔率，也解决了复采探放水过程中的压钻、卡钻等现象。参考文献1李怀玉，田茂虎.地应力集中区软岩钻孔快速成孔技术J.中国西部科技，2015，14（8）：34-37.2邵建平.软岩探放高压老空水技术J.煤矿现代化，2005（2）：30-31.3琚宏兴，冯卫.影响煤层深孔打钻的原因分析和防治措施J.山东煤炭科技，2008（3）：4-6.（编辑：贾娟）钻杆型号钻杆直径/mm钻杆长度/m适用环境特点刻槽钻杆508911.5适用于通水排渣效果不好的松软煤层与类煤岩的深孔钻探低螺旋的螺旋叶片设计使刻槽钻杆具有扭矩大，排渣速度快，钻孔成型好，不宜卡钻等多棱钻杆507311.5应用于煤层地质条件下的钻探、和瓦斯排放的钻孔施工能对煤渣进行有效的搅拌，使钻孔内钻渣围绕钻杆做轴向运动，并使钻渣得到粉碎和扬起，使之处于悬浮状态，从而不会出现沉淀、堆积地质钻杆428913适用于大部分岩体抗弯强度高、旋转扭矩大、运转平稳等特点螺旋钻杆501460.51.5适用于较硬的岩体提高了抗疲劳强度和抗剪切强度、具有抗弯强度高等特点表 3不同型号的钻杆适用环境和特点图 1复采探放水套管设计50 mm72 mm94 mmAnalysis of Water Exploration and Drainage Drilling Technology in the Process of Re-miningand TunnelingWu Jingxuan1,Cheng Haibing1,Li Jianbing1,2,Fan Fan1,Li Dou1（1.Qinhe Energy Group Co.,Ltd.,Jincheng Shanxi 048000;2.Shanxi Qinhe Green Intelligent CoalResearch Institute Co.,Ltd.,Jincheng Shanxi 048000）Abstract:In view of the difficulties of drilling hole collapse,pressure drilling,sticking and withdrawal in the process of water explorationand drainage in the excavation of re mining,this paper analyzes the causes of the problems,equipment models and technical measures.Thecause analysis of the problem shows that in the process of drilling forward,the pressed crisp coal body is easy to be disturbed by the drillpipe drilling,which makes the pressed crisp coal body on the outer wall of the drill pipe transfer the stress to the center of the drill pipeunder the action of stress,resulting in the phenomenon of difficult drilling;Equipment analysis shows that PDC scraper bit,grooved drillpipe or multi edge drill pipe and high torque drill rig have better drilling effect in re mining coal seam;In terms of technology,groutingcasing technology can effectively solve the problem of difficult drilling.The research results can guide the construction of re mining or softrock exploration and drainage,and ensure safe production.Key words:drilling equipment;mining again;driving;water exploration and drainage270