高瓦斯矿井顺层长钻孔施工工艺改进研究_曹志刚.pdf

73高瓦斯矿井顺层长钻孔施工工艺改进研究曹志刚1刘俊2（1.国家能源集团 新疆能源有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830027；2.中煤科工集团 重庆研究院有限公司，重庆 400037）摘要针对乌东煤矿顺层钻孔施工过程中发生卡钻、顶钻及排渣不畅导致钻孔不能正常施工的情况，通过现场考察及理论分析后可知，造成喷孔和卡钻的主要原因是钻杆使得钻孔孔径变小，从而影响了瓦斯和煤粉颗粒的排出，使得内部压力变大。内外形成了压强差使得瓦斯和粉尘颗粒向外喷出，形成喷孔和卡钻，导致钻孔施工深度浅。通过针对性的改进钻孔施工工艺，使钻孔施工长度显著增加。研究结果对乌东煤矿和其他类似矿井今后的顺层长钻孔施工具有重要的指导作用。关键词顺层钻孔喷孔顶钻钻进工艺瓦斯抽采Research on improvement of construction technology of long drilling along the layer in high gas mineCAO Zhigang1LIU Jun2（1.National Energy Group Xinjiang Energy Co.，Ltd.，Urumchi Xinjiang 830027，China）AbstractIn response to the situation that the drill hole could not be constructed normally due to the jamming，topdrilling and poor slag discharge during the drilling process in the Wudong coal mine，the main reason for the spray holeand jamming is that the drill pipe makes the hole diameter smaller，which affects the discharge of gas and coal dust par-ticles and makes the internal pressure bigger.The pressure difference between inside and outside makes the gas anddust particles spray outward，resulting in spray holes and stuck holes，which leads to shallow drilling depth.By impro-ving the drilling process，the drilling length was significantly increased.The results of the study will be an importantguide for the future construction of long drill holes in Wudong coal mine and other similar mines.Key wordsbedding drilling jet hole top drilling drilling technology gas drainage0引言乌东煤矿为高瓦斯矿井，主采 43#、45#煤层，均为急倾斜特厚煤层，平均煤层倾角 45。随着矿井开采水平的延伸，开采煤层的瓦斯含量和压力都不断增加，使得瓦斯灾害成为影响乌东煤矿安全的第一因素。伴随着煤层瓦斯压力的不断递增，往往会造成钻孔施工困难，甚至出现钻孔卡钻、喷孔现象，造成钻孔无法施工达到设计要求，导致回采工作面出现大面积的空白带和影响掘进工作面正常掘进。钻孔不能按照设计要求完成，直接影响采掘接替工作的开展。乌东煤矿北采区在钻孔施工前期，煤层瓦斯含量较小，在钻孔施工过程中尚未出现卡钻、顶钻等现象，钻孔施工比较顺利。但是在+500 m 水平施工边掘边抽钻孔时，特别是在+500 m 水平 43#煤层东翼施工钻孔时，按照平常钻孔施工速度，常会出现钻孔排渣不及时，导致有卡钻和顶钻现象，钻孔很难施工至设计深度。因此，需要分析卡钻、顶钻以及钻孔排渣不及时的原因，采取措施提高钻孔施工长度。1钻孔施工装备乌东煤矿拥有ZDY1900S和 DY4000S钻机，进行煤层瓦斯预抽钻孔施工的主要是ZDY4000S钻机，该钻机由主机、泵站和主操纵台三大部分组成，各部分之间通过高压胶管连接。本装置的主要组成部分有主机、操纵台和泵站，由于装置的特殊性，连接时选用特制高压胶管将各部分进行拼接。现详细介绍各组成部分，主机是钻机传动装置，里面有给进装置、回转器等；而操纵台则是钻机的核心装置，主要是用于控制钻机的运行，有控制阀、压力表以及各种管件；泵站是钻机的动力装置，靠着泵站提供的动力，钻机才能正常运行，其由弹性联轴器、斜轴式轴向柱塞泵、隔爆型电动机和油箱等组成。ZDY4000S 钻机主要技术参数见表 1。2前期钻孔施工工艺乌东煤矿在前期钻孔施工过程中，采用的钻孔施工工艺如下：2023 年第 49 卷第 3 期March 2023741）钻孔开孔前必须要防止隐患的发生，主要从三个大的方面进行考虑，首先是钻场内回风流瓦斯浓度大小，要求瓦斯体积分数必须低于0.5%；其次是查看供水和供电是否正常，例如各线路是否可以正常运行，排水和排废物等是否通畅。只有等到一切安全隐患都消除后，才能进行开钻。2）钻机开孔时必须严格按照设计要求进行开孔，必须与设计参数保持一致，包括倾角、方位角等各个因素。表 1ZDY4000S 钻机参数物理量型 号钻孔深度/m钻杆直径/mm钻孔倾角/()额定输出转速/（rmin-1）最大转矩/(Nm)数值ZDY4000S300（200）73-45 455 2804 000物理量给进能力/kN起拔能力/kN电机功率/kW整机质量/kg主机外形尺寸/(mmm)数值150150551 5002.381.31.523）开孔采用 113 mm 的 PDC 钻头施工至设计位置，之后通知相关部门验收钻孔。4）钻孔参数验收后，开始退钻，退钻结束后要进行扩孔，扩孔选用专用复合扩孔钻头，需要扩至 67m左右进行处理，确保钻孔内无废渣后再进行退钻。然后嵌入套管，管口外端超出煤壁 30cm 左右，下管同时用马丽散进行封孔，之后接抽。3卡钻、顶钻原因分析和改进措施3.1卡钻、顶钻及排渣不及时原因分析当钻孔进入软分层时（煤层瓦斯压力和瓦斯含量大），极易使煤层内的瓦斯快速解吸，原因是钻头的钻进过程中会对煤体产生冲击使其破碎。而粉碎后煤体会在钻孔周围迅速解吸，使得流入钻孔内的瓦斯含量急剧增加，最高可以达到正常瓦斯含量的几十倍。钻孔前后两端产生较大的压力梯度，从而发生瓦斯激流现象。由于钻杆使得钻孔孔径变小，从而影响了瓦斯和煤粉颗粒的排出，使得内部压力变大。内外形成了压强差使得瓦斯和粉尘颗粒向外喷出，形成喷孔和卡钻1。若想进行正常的钻孔施工，就要求完全、及时排出钻孔孔内的钻屑，且在钻孔工程尽量减少对钻孔孔壁的破坏，否则易出现卡钻、喷孔现象。一般情况下钻孔的施工采用水作为冲洗介质，也有采用风力排渣，风力排渣缺点是作业地点的粉尘较难控制，对于顺层长钻孔，一般矿井的风压和流量可能不满足要求，另外如果煤层中含水量丰富，采用风力排渣就难以将钻孔的钻屑排出，导致钻杆在钻孔过程中发生烧死现象。3.2解决卡钻、顶钻及排渣不及时的措施通过生产实践发现，针对上述现象可以采取如下措施：1）应当及时对操作人员进行技术和安全培训，不仅要提高施工效率，同时也要保证施工安全；在打钻过程中不可以强行钻进，要进行多次的瓦斯含量监测，根据瓦斯的含量调整钻进的速度。2）遇到响煤炮、顶钻和夹钻时应当立即停止施工，减少水量供应，对其进行排放卸压，一段时间后再进行施工。同样遇到钻进过程中持续剧烈喷孔、煤壁开裂或移动、湿式打眼喷干煤等现象时不仅要立马停止施工，还要注意不能退钻洗孔，并且要求技术人员安全撤离至有新鲜风处，直到瓦斯不再突出后再进行钻进。3）定时进行瓦斯含量的监测，要求瓦斯监测人员严格按照检查制度和指示制度进行现场瓦斯含量检查。若有瓦斯超限情况出现，立即组织人员撤离至安全位置。4）应该对现场钻孔施工和监管人员进行相关知识认识及预兆方面的专项培训，提高安全意识。5）调整钻孔施工工艺，采用边钻边抽措施，促进钻孔排渣。3.3改进钻孔施工工艺1）开孔前必须要防止隐患的发生，主要从两个大的方面进行考虑，首先是钻场内回风流瓦斯浓度大小，要求瓦斯体积分数必须低于0.5%；其次是查看供水和供电是否正常，例如各线路是否可以正常运行，排水和排废物等是否通畅。只有等到一切安全隐患都消除后，才能进行开钻。2）钻机开孔时必须严格按照设计要求进行开孔，必须与设计参数保持一致，包括倾角、方位角等各个因素从而使钻进达到要求。3）钻孔参数验收后，开始退钻，退钻结束后要进行扩孔，扩孔选用专用复合扩孔钻头，需要扩至 67m左右进行处理，确保钻孔内无废渣后再进行退钻。套上直径 108mm、长度为 6m的套管，管口外端超出煤壁 30cm 左右，进行临时封孔（使用棉纱以及专用装置封严，确保钻进过程中无瓦斯和水溢出）。4）安装四通，并用气水分离进行连接，在回风侧接上排水和排渣管；同时为了保证装置的密封性，采75用钢丝将各个软管扎紧。四通的连接如图 1 所示。图 1四通连接示意5）为了保证退钻和抽放通道的顺利进行，当钻机钻杆深入到设定距离时，对其进行一次洗孔。之后通知有关部门验孔，然后退钻、拆除装置、重新封孔并接抽2。4现场试验考察及结果分析由于乌东煤矿在+500m水平 43#煤层东翼南巷施工掩护式边掘边抽钻孔过程中，出现了顶钻现象，而且在钻孔施工过程中由于排渣不及时，导致钻孔中有明显的激流产生，导致无法正常钻孔施工，钻孔在施工至 50m左右长度就已经无法推进，距离设计长度 150m差距较大，会直接影响巷道的正常掘进，此外，施工钻孔中瓦斯体积分数普遍在 80%以上。因此有必要采取边抽边钻措施，将钻孔施工长度延长至 120150 m。4.1试验工作面概况+500m水平 43#煤层东翼南巷掘进工作面设计全长 2 880 m，工作面沿煤层走向由西向东掘进，煤层平均厚度 45.1 m，工作面南部为 43#煤层顶板，工作面北部为 43#煤层底板，工作面上部为原始煤层段，上部仅有+600m水平进行了煤层开采，工作面下部为原始 43#煤层，没有采动影响。43#煤层为巨厚煤层，煤层厚度大，结构复杂，层位厚度均稳定，总厚27.88m，有益厚度19.43m，向东部厚度增大，规律明显。掘进工作面在之前掘进过程中，供风量为 579.6m3/min 时，巷道回风流瓦斯体积分数最大为 0.68%，即掘进工作面瓦斯涌出量达到 3.94 m3/min。4.2现场试验效果对巷道实施边掘边抽，但在施工第一个钻孔施工长度为 52 m 时，此时钻场距离掘进工作面约 30m，出现了顶钻及排渣不畅的情况，为此按照改进的施工工艺进行施工，钻孔施工竣工参数如图 2 所示，竣工参数见表 2。图 2试验钻孔竣工表 2竣工参数孔号 钻孔倾角/（）施工方位角/（）终孔深度/m终孔原因1#067123顶钻2#070129顶钻3#073126顶钻4#269117顶钻5#373128顶钻6#376120顶钻经过钻孔施工工艺改进后，施工掩护式掘进钻孔 6 个，平均钻孔深度为 123.8 m，较之前钻孔深度增加 71.8m，增加 138%，效果显著，但值得注意的是钻孔施工尚未完成设计钻孔长度 200m 的要求。为此，建议乌东煤矿可采用 94 mm 钻头直接进行施工，采用小钻头可减小对煤体破坏，此外要注意钻孔施工安全，实时进行瓦斯监测。5结论1）针对顺层钻孔在施工过程中，卡钻、顶钻及排渣不及时导致钻孔不能正常施工的情况，改进钻孔施工工艺，使钻孔施工长度显著增加。2）根据乌东煤矿的试验结果，总体上看顺层长钻孔施工工艺经过改进后，效果显著，能满足矿井瓦斯抽采钻孔设计长度