瓦斯抽采鉆孔施工工藝研究

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［摘要］如何在松軟煤層應(yīng)力集中區(qū)域施工順層鉆孔，保證鉆孔成孔深度和成孔率，是關(guān)系順層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用成敗的關(guān)鍵因素。在已有螺旋鉆進(jìn)自排渣的鉆孔施工技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合孤島工作面應(yīng)力集中區(qū)施工地質(zhì)條件，對(duì)原有ZYW-1900R鉆機(jī)配套鉆具進(jìn)行升級(jí)改造，并進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用改造后的鉆機(jī)及鉆具配套注漿加固技術(shù)施工，成孔率和成孔深度更好，更適合應(yīng)力集中區(qū)瓦斯抽采鉆孔施工，解決鉆孔施工技術(shù)難題，有效提升礦井松軟煤層應(yīng)力集中區(qū)域的瓦斯治理能力。

［關(guān)鍵詞］應(yīng)力集中區(qū)；螺旋鉆進(jìn)；自排渣；成孔率

0引言

一般來說，瓦斯抽采鉆孔施工鉆具分為2類，一是光滑的圓鉆桿，采用風(fēng)或水力排渣；二是螺旋鉆桿，采用螺紋的自排渣［3］。理論和實(shí)踐都證明，螺旋鉆進(jìn)自排渣的鉆孔施工技術(shù)增強(qiáng)高地應(yīng)力區(qū)域松軟、破碎煤層特點(diǎn)下的鉆孔的施工能力并減弱噴孔和垮孔，是施工順層長(zhǎng)鉆孔的最佳方式［4~5］。選擇合理的鉆進(jìn)施工參數(shù)和下篩管（或套管）參數(shù)，才能有效提高施工效果［6~7］。本文以王坡煤礦某孤島工作面瓦斯預(yù)抽鉆孔為例，對(duì)順層鉆孔的施工工藝進(jìn)行研究并在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)，旨在為應(yīng)力集中區(qū)瓦斯抽采鉆孔施工提供借鑒。

1礦井及工作面概況

王坡煤礦位于山西省晉城市澤州縣境內(nèi)，屬沁水煤田；礦井主采3號(hào)煤層，煤層平均厚5.9m，平均傾角6°，為高瓦斯礦井，目前開采深度約為620~750m。該礦采用順煤層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，但由于地面村莊壓煤的影響，部分回采工作面屬于孤島工作面。3210工作面位于二采區(qū)4條集中巷南側(cè)，該工作面北側(cè)與4條開拓大巷連通，南側(cè)為井田邊界緊鄰成莊礦，井田間設(shè)有邊界煤柱；工作面地面標(biāo)高+980～+1260m，井下標(biāo)高+490～+545m，工作面埋深600～720m。3210工作面東、西側(cè)為3208和3212采空區(qū)，留設(shè)20m保護(hù)煤柱。停采線距南集中回風(fēng)巷100m。煤層平均厚度5.2m。停采線距南集中回風(fēng)巷100m，停采線以里走向長(zhǎng)度2116m，開切眼長(zhǎng)度159m。該工作面施工瓦斯預(yù)抽鉆孔存在極大的難度，普遍成孔率不高。該礦以往的預(yù)抽鉆孔采用圓鉆桿+水力排渣的施工方式，但在孤島工作面施工時(shí)，鉆孔幾乎難以穿過孔口往里15m的距離，后改為螺旋鉆桿，成孔效果依然不佳；設(shè)計(jì)孔深100m，平均成孔深度約為60m，難以保證工作面的瓦斯抽采效果，而且經(jīng)常出現(xiàn)鉆桿脫落現(xiàn)象。

2鉆機(jī)升級(jí)改造

2.1螺旋鉆進(jìn)排渣主要參數(shù)

（1）成孔直徑。在順煤層鉆孔抽采過程中，直徑大的鉆孔比直徑小的鉆孔成孔效果要好，根據(jù)王坡礦抽采數(shù)據(jù)分析，成孔直徑大于85mm更有利于提高抽采效果。（2）成孔深度。抽采鉆孔的鉆進(jìn)深度主要根據(jù)礦井抽采工作的需要確定。王坡礦工作面傾向長(zhǎng)度為180m，鉆孔深度一般要求達(dá)到100~160m，理想的鉆進(jìn)深度為160m。（3）鉆進(jìn)速度。從提高成孔率和施工效率角度考慮，在礦井煤層賦存條件下，理想的鉆進(jìn)速度為0.5~1m/min。

2.2鉆機(jī)主要參數(shù)

通過王坡煤礦的長(zhǎng)期實(shí)踐，螺旋鉆機(jī)更適合松軟突出煤層的鉆孔施工。正確選擇螺旋鉆機(jī)工作參數(shù)、優(yōu)化施工參數(shù)，對(duì)保證螺旋鉆進(jìn)施工松軟突出煤層鉆孔質(zhì)量將起著重要作用。結(jié)合王坡煤礦工作面的實(shí)際情況，為了便于施工順層煤瓦斯抽采鉆孔，使瓦斯抽采效果達(dá)到最佳，鉆機(jī)的煤層鉆進(jìn)能力應(yīng)為150~200m，終孔直徑一般大于85mm。為了能夠在高瓦斯復(fù)雜地質(zhì)條件的煤層中鉆進(jìn)，鉆機(jī)必須具備足夠的動(dòng)力，以處理可能出現(xiàn)的垮孔、抱鉆等孔內(nèi)事故；同時(shí)由于巷道斷面小，又是快循環(huán)作業(yè)，要求鉆機(jī)體積小、重量輕、移動(dòng)錨固方便快捷。螺旋鉆機(jī)的參數(shù)不僅影響到鉆機(jī)本身的結(jié)構(gòu)，同時(shí)也關(guān)系到鉆機(jī)的功效、成孔時(shí)間、動(dòng)力消耗和勞動(dòng)條件的改善。在充分考慮各參數(shù)間的相互影響的基礎(chǔ)上，適合王坡礦抽采鉆孔成孔的鉆機(jī)應(yīng)該至少具備以下參數(shù)：（1）成孔直徑90、100mm；（2）鉆孔深度150~200m；（3）鉆進(jìn)速度0.5~1m/min；（4）鉆具轉(zhuǎn)速150~480r/min；（5）螺旋葉片的升角21~31°。

2.3鉆機(jī)具優(yōu)化改造

針對(duì)王坡礦煤層條件和施工順層鉆孔的技術(shù)要求，通過對(duì)原有ZYW-1900R鉆機(jī)配套鉆具進(jìn)行升級(jí)改造，并進(jìn)行對(duì)比性試驗(yàn)，從中選擇適合礦井條件的煤層順層鉆孔施工鉆機(jī)具。

3鉆孔布置及施鉆區(qū)域加固

王坡煤礦3210工作面采用在回風(fēng)順槽和運(yùn)輸順槽施工扇形順層鉆孔的方式進(jìn)行煤層瓦斯預(yù)抽。由于回風(fēng)順槽內(nèi)每隔50m有1個(gè)鉆場(chǎng)，將鉆孔布置在鉆場(chǎng)內(nèi)，每個(gè)鉆場(chǎng)施工15個(gè)鉆孔；鉆孔開孔間距為0.6m，上下2層布置；鉆孔終孔間距為3m，孔深為146m，控制范圍為運(yùn)輸順槽輪廓線以西15m。在運(yùn)輸順槽內(nèi)每隔50m設(shè)置1個(gè)鉆孔施工地點(diǎn)，每個(gè)地點(diǎn)施工15個(gè)鉆孔，鉆孔開孔間距為0.6m，上下2層布置，鉆孔終孔間距為3m，孔深為145~146m，控制范圍為回風(fēng)順槽輪廓線以東15m。累計(jì)鉆孔數(shù)量為600個(gè)，累計(jì)鉆孔工程總量為87600m。考慮到孤島工作面應(yīng)力集中的影響，結(jié)合王坡煤礦以往的經(jīng)驗(yàn)，需要在施鉆地點(diǎn)對(duì)巷幫往里15m范圍進(jìn)行注漿加固。待水泥漿凝固后，再施工預(yù)抽鉆孔。注漿范圍為鉆孔施工地點(diǎn)（含鉆場(chǎng)）周圍5m。初步布置5個(gè)注漿鉆孔，鉆孔深度為20m，采用探水鉆機(jī)（準(zhǔn)50mm）或手持式防突鉆機(jī)施工。每個(gè)預(yù)抽鉆孔施工地點(diǎn)布置注漿鉆孔，除施鉆區(qū)域注漿加固以外，在鉆孔施工后仍需要下套管進(jìn)行護(hù)孔處理。根據(jù)王坡礦煤層特點(diǎn)，經(jīng)過試驗(yàn)研究，最終確定抽采鉆孔施工之后，立即下放準(zhǔn)50mm的篩管，除了在孔口段預(yù)留18m的PE管（準(zhǔn)75）封孔段外，剩余鉆孔段全部下放篩管，篩管與PE管之間采用變徑接頭連接。

4鉆孔施工效果考察

將升級(jí)改造后的鉆機(jī)在王坡煤礦3210工作面開展了工業(yè)試驗(yàn)，在試驗(yàn)過程中，新式工藝及裝備施工55個(gè)鉆孔，與之前采用原有工藝及裝備施工的153個(gè)鉆孔施工效果進(jìn)行對(duì)比，在孔深、成孔率以及施工效率方面都有很大提高。通過對(duì)原有鉆機(jī)和升級(jí)改造后的鉆機(jī)施鉆效果進(jìn)行考察對(duì)比分析，可以發(fā)現(xiàn)，改造后的ZYW-1900R型鉆機(jī)及鉆具成孔效果更好，更適合應(yīng)力集中區(qū)瓦斯抽采鉆孔施工。

5結(jié)論

（1）升級(jí)改造后的ZYW-1900R型鉆機(jī)功率更大，最大轉(zhuǎn)速更高，更適合松軟突出煤層順層鉆孔的施工。（2）鉆機(jī)配套的準(zhǔn)95mm螺旋鉆桿參數(shù)設(shè)計(jì)更合理，采用防滑螺栓為鉆桿連接件，鉆桿連接更安全穩(wěn)定，在現(xiàn)場(chǎng)施工過程中未出現(xiàn)過鉆桿脫落現(xiàn)象。（3）新型ZYW-1900R型鉆機(jī)采用松軟煤層順層鉆孔施工的專用鉆頭，其鉆進(jìn)能力在施工過程中也得到了驗(yàn)證。百米以上成孔率由3.3％提高到65.5％，平均進(jìn)尺由104m/d提高到180.2m/d。

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作者:范曉剛 馬錢錢 范彥陽 單位:中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司