煤層長鉆孔施工工藝研究

導(dǎo)語：煤層長鉆孔施工工藝研究一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：為保障胡底煤業(yè)3#松軟破碎煤層中長鉆孔的順利實(shí)施，通過理論分析空氣鉆進(jìn)原理和鉆進(jìn)工藝參數(shù)，對(duì)鉆進(jìn)工藝中鉆壓、轉(zhuǎn)速和供風(fēng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，確定長鉆孔施工采用ZDY4000L型鉆機(jī)，并對(duì)配套鉆具及設(shè)備進(jìn)行選型，設(shè)計(jì)長鉆孔施工工藝流程。根據(jù)中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝在1309工作面煤巷掘進(jìn)面順層鉆孔中的應(yīng)用效果可知，中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在松軟破碎煤層中進(jìn)行長鉆孔施工時(shí)，鉆進(jìn)效率及成孔率均較高，鉆孔效率顯著。

關(guān)鍵詞：長鉆孔；空氣鉆進(jìn)；松軟破碎煤層

1工程概況

胡底煤業(yè)主采3#和9#煤層，3號(hào)煤層厚度5.20~5.91m，平均5.67m，煤層傾角3°~10°，平均6°，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，屬松軟破碎煤層。礦井為高瓦斯高突出礦井，3#煤層原始瓦斯壓力3.83MPa，原始瓦斯含量25m3/t。開采3#煤層時(shí)，需大量施工瓦斯抽采鉆孔，其中條帶抽采鉆孔和工作面順層鉆孔長度均較長，屬于長鉆孔。為保障長鉆孔的施工質(zhì)量及效率，需進(jìn)行松軟破碎圍巖長鉆孔施工工藝的研究分析。

2空氣鉆進(jìn)原理及工藝參數(shù)分析

2.1空氣鉆進(jìn)原理

空氣鉆進(jìn)是以一定壓力的壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)，在鉆桿柱與孔壁形成的封閉空間內(nèi)形成高速風(fēng)流，通過形成的高速風(fēng)流實(shí)現(xiàn)將鉆屑排出孔外，同時(shí)高速風(fēng)流能夠在一定程度上降低鉆頭溫度，以此實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)作業(yè)。軟硬復(fù)合破碎煤層中沿煤層布置的瓦斯抽采鉆孔基本均為近水平鉆孔，在進(jìn)行該類鉆孔打孔作業(yè)時(shí)，其排粉機(jī)理類似于水平氣力輸送。在水平鉆孔中，鉆進(jìn)產(chǎn)生的煤屑在水平流動(dòng)和鉆桿旋轉(zhuǎn)攪動(dòng)作用下能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮輸送。使煤屑懸浮運(yùn)動(dòng)的力主要為五種，煤屑在五種力下實(shí)現(xiàn)鉆孔鉆進(jìn)時(shí)的風(fēng)力排粉[1-2]。具體鉆顆粒懸浮力如圖1。（1）紊流時(shí)氣流產(chǎn)生的向上的懸浮力如圖1（a）；（2）空氣鉆進(jìn)過程中，在鉆孔內(nèi)的風(fēng)流在上部的運(yùn)行速度大于下部產(chǎn)生的運(yùn)行速度，在管內(nèi)形成壓力差進(jìn)而使得處于管底的煤屑處于懸浮狀態(tài)，如圖1（b）；（3）煤屑旋轉(zhuǎn)環(huán)流與氣流差相反時(shí)，兩者速度差產(chǎn)生的升力如圖1（c）；（4）煤屑顆粒的形狀不規(guī)則，受到的推力在垂直方向產(chǎn)生分力，如圖1（d）；（5）煤屑與孔壁、鉆桿或者煤屑間相互碰撞產(chǎn)生的垂直方向分力，如圖1（e）。在軟硬復(fù)合破碎煤層鉆進(jìn)過程中，風(fēng)速應(yīng)大于鉆屑顆粒的沉降速度，但風(fēng)速過大時(shí)鉆屑會(huì)處于均勻流狀態(tài)，容易塌孔。合理的風(fēng)量應(yīng)控制在使得鉆屑顆粒處于底密流或停滯流的狀態(tài)[3-4]。

2.2空氣鉆進(jìn)工藝參數(shù)分析

中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和供風(fēng)參數(shù)，三者在鉆進(jìn)過程中相互影響，共同決定著成孔效果。具體空氣鉆進(jìn)參數(shù)分析如下：（1）鉆壓。鉆壓即為軸向壓力，鉆壓是在鉆進(jìn)過程中孔底破碎煤巖的必要條件，其會(huì)直接影響鉆孔的鉆進(jìn)速度。具體鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線如圖2.從圖2中能夠看出，以鉆壓為劃分標(biāo)準(zhǔn)，可將鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線劃分為三個(gè)區(qū)域，分別為表面破碎區(qū)（I區(qū)）、疲勞破碎區(qū)（Ⅱ區(qū)）和體積破碎區(qū)（Ⅲ區(qū)）。其中Ⅰ區(qū)內(nèi)鉆壓小，此時(shí)鉆速低，鉆孔主要通過表面研磨實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)；Ⅱ區(qū)內(nèi)鉆壓增大到一定程度，此時(shí)鉆壓產(chǎn)生的單位壓力仍小于巖石的壓入硬度，煤巖面的破碎需經(jīng)過多次重復(fù)作用，破碎產(chǎn)物中存在煤巖屑和煤巖粉兩種物質(zhì)；Ⅲ區(qū)內(nèi)鉆壓已增大的足夠大，此時(shí)鉆孔鉆進(jìn)過程主要表現(xiàn)為大體積崩落，這種情況下鉆孔在鉆進(jìn)速度很快的狀態(tài)下，其在表面產(chǎn)生的破碎物質(zhì)便會(huì)較少。當(dāng)鉆孔布置在軟硬復(fù)合煤層中時(shí)，鉆壓一般應(yīng)大于5kN；當(dāng)遇到頂?shù)装鍘r石及夾矸時(shí)，其所需的鉆壓應(yīng)大于15kN，加之軟硬復(fù)合破碎煤層容易發(fā)生塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故，所需鉆機(jī)的提升力較大，一般情況下，鉆機(jī)的提升力不能小于50kN，最好在100kN以上。（2）轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速即鉆頭每分鐘回轉(zhuǎn)的次數(shù)。軟硬復(fù)合破碎煤層的硬度一般低于粘土類巖石，在軟硬復(fù)合破碎煤層鉆進(jìn)，可以認(rèn)為切削具切削下來的煤屑厚度等于切削具切入煤層的厚度，并且在鉆進(jìn)過程中切削具磨損很小，當(dāng)鉆頭以一定的鉆壓鉆進(jìn)時(shí)，鉆速和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系[5-6]。轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速的影響曲線如圖3。（a）轉(zhuǎn)速對(duì)鉆速在軟硬復(fù)合破碎煤層鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，鉆速也會(huì)逐漸增大。此時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生較多的煤屑，若未被及時(shí)攜帶到孔外，則煤屑往往積聚在鉆具下部，形成巖屑楔，對(duì)鉆具產(chǎn)生上托作用，使鉆孔軌跡有向上偏斜的趨勢(shì)。當(dāng)供風(fēng)參數(shù)未及時(shí)調(diào)整時(shí)，會(huì)導(dǎo)致大量的煤屑在孔內(nèi)堆積，進(jìn)而易產(chǎn)生堵孔事故；當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的煤屑便會(huì)變少，此時(shí)在沖洗介質(zhì)的作用下鉆孔內(nèi)會(huì)較為干凈，鉆孔軌跡呈下斜趨勢(shì)。綜上，軟硬復(fù)合破碎煤層中采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)速要適中，不宜采用高轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)量和風(fēng)壓充足時(shí)，通過適當(dāng)提高鉆速能在一定程度上提升施工效率。（3）供風(fēng)參數(shù)。由于軟硬復(fù)合破碎煤層空氣鉆進(jìn)受到?jīng)_擊地壓、瓦斯壓力等因素的影響較大，同時(shí)鉆孔成孔也相對(duì)不穩(wěn)定，鉆孔中的流動(dòng)狀態(tài)更為復(fù)雜，鉆進(jìn)過程中供風(fēng)參數(shù)的選擇較為復(fù)雜。

3長鉆孔施工工藝應(yīng)用

3.1長鉆孔施工工藝流程

胡底煤業(yè)3#煤層長鉆孔施工時(shí)，鉆機(jī)采用ZDY4000L型鉆機(jī)，鉆機(jī)參數(shù)見表1。長鉆孔施工過程中使用的設(shè)備及鉆具見表2。采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行長鉆孔施工時(shí)，首先安裝、調(diào)試好鉆機(jī)，連接除塵裝置、壓風(fēng)管路、霧化及冷卻水管路，準(zhǔn)備開鉆相關(guān)事宜。鉆機(jī)運(yùn)行正常后，先選用Φ96mm三翼內(nèi)凹PDC鉆頭開孔,用Φ96/113mm擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔并安裝孔口管，然后使用Φ96mm三翼內(nèi)凹PDC鉆頭開始鉆進(jìn)。施工工藝流程如圖4。

3.2效果分析

1309工作面掘進(jìn)期間，1309進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯治理模式。其中，掘進(jìn)迎頭及鉆場(chǎng)內(nèi)布置10個(gè)鉆孔，鉆孔長度為200m，間距為0.5m；橫川煤柱處布置20~30個(gè)鉆孔，間距為2m，鉆孔呈三花布置，鉆孔長度為65m。巷道掘進(jìn)至預(yù)定位置（留有20m的超前距），再施工下一循環(huán)的鉆孔。具體鉆孔布置如圖5。1309進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)順槽煤巷掘進(jìn)面順層抽采鉆孔采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行長鉆孔施工。煤巷掘進(jìn)面順層鉆孔施工過程中，鉆孔內(nèi)排渣正常，鉆孔鉆進(jìn)效率高，成孔率高，有效實(shí)現(xiàn)了長鉆孔的高效施工。

4結(jié)論

根據(jù)3#煤層賦存地質(zhì)條件，通過理論分析空氣鉆進(jìn)原理，對(duì)中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)中鉆壓、轉(zhuǎn)速和供風(fēng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)行鉆機(jī)及鉆具的選型，對(duì)鉆進(jìn)施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)1309進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)順槽煤巷掘進(jìn)面抽采鉆孔的應(yīng)用效果可知，中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在長鉆孔施工中鉆進(jìn)效率高、成孔效果好。

【參考文獻(xiàn)】

［1］呂高磊，王志敏.松軟煤層穿層定向長鉆孔鉆進(jìn)工藝研究[J].煤炭工程，2021，53（08）：65-69.

［2］宋傳祥，賈楠生，季文淼，等.定向鉆進(jìn)技術(shù)與裝備在穿層定向長鉆孔中的應(yīng)用[J].鉆探工程，2021，48（08）：83-88.

［3］曹建明.煤層采動(dòng)卸壓瓦斯抽采頂板裂隙帶定向長鉆孔施工技術(shù)[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2020，36（12）：225-226+233.

［4］李寶軍，黃興利，焦博朋.定向高位裂隙長鉆孔施工工藝應(yīng)用[J].陜西煤炭，2020，39（06）：142-145.

［5］洪建俊，張杰，劉杰.復(fù)雜巖層高位定向長鉆孔成孔技術(shù)應(yīng)用研究[J].煤炭工程，2020，52（03）：57-61.

［6］楊利平.松軟煤層順層抽采長鉆孔施工工藝研究及應(yīng)用[J].內(nèi)蒙古煤炭經(jīng)濟(jì)，2020（05）：69-70.

作者：王濤 單位：晉能控股煤業(yè)公司胡底煤業(yè)