煤層順層鉆孔施工工藝研究

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［摘要］對于松軟的突出煤層，采用螺紋或螺旋鉆桿施工時往往會出現(xiàn)排渣不暢現(xiàn)象，導致卡鉆、埋鉆等事故，鉆孔長度難以達到設計要求，致使順層鉆孔成孔率較低、鉆桿利用率小，造成消突效果不好、經(jīng)濟效益不高。為解決此類問題，臨渙煤礦引進三棱鉆桿進行順層鉆孔施工，取得了良好的效果。

［關鍵詞］順層鉆孔；三棱鉆桿；消突效果

臨渙煤礦是煤與瓦斯突出礦井，其開采范圍內(nèi)的7、8、9（10）主采煤層均為突出煤層。各煤層回采前均采取了保護層開采和預抽是煤層瓦斯等區(qū)域瓦斯治理措施。其中順層鉆孔預抽是回采區(qū)段煤層瓦斯的主要治理措施，順層鉆孔設計孔深一般在80~110m，9煤層厚度在1.8~4.5m，平均厚度在3.2m，工作面傾向長度較長，順層鉆孔設計深度長、鉆孔數(shù)量多，只有保證順層鉆孔的成孔率，才能有效提高消突效果。

1鉆孔施工工藝改進的必要性

1.1Ⅱ926工作面瓦斯情況。Ⅱ926工作面上距8層平均25.2m，屬Ⅱ826與Ⅱ824保護工作面。上煤層工作面開采后，測得本工作面剩余瓦斯含量仍在6.5m3/t，瓦斯含量依然較高，預計回采期間瓦斯涌出量為22m3/min。為保證回采期間安全，回采前進行順層鉆孔預抽。1.2原施工工藝情況。Ⅱ926工作面臨近Ⅱ924工作面，在回采前，順層預抽鉆孔施工采用ZDY3200S全液壓坑道鉆機，以覬94mm三翼刮刀鉆頭配覬73mm小螺紋或覬80mm大螺旋鉆桿開孔鉆進，風壓在3MPa左右。工作面傾斜長度為160m，設計鉆孔深度為90m，保證機風巷鉆孔壓茬10m，共設計鉆孔527個。但在施工過程中，經(jīng)常出現(xiàn)排渣不暢，致使鉆孔施工難度過大，頻繁出現(xiàn)抱鉆、埋鉆現(xiàn)象。施工中共出現(xiàn)斷鉆事故17起，鉆桿損失42m，鉆孔施工深度最長90m，平均深度僅在52.4m，合格鉆孔僅308個，成孔率僅為58.4%，嚴重影響瓦斯治理工程及其治理效果。同時，埋入鉆桿給工作面的安全回采帶來重大隱患。工作面回采過程中瓦斯涌出量最大在22.8m3/min，多次出現(xiàn)瓦斯預警現(xiàn)象，嚴重影響工作面的安全回采。1.3原施工工藝問題分析。Ⅱ926工作面順層鉆孔采用覬94mm三翼刮刀鉆頭配覬73mm小螺紋或覬80mm大螺旋鉆桿開孔鉆進時，雖在排渣過程中通過螺旋或螺紋鉆桿帶出一部分煤渣，可以減少風壓排渣的壓力，但相對于松軟突出煤層，由于煤質(zhì)松軟，在鉆進過程中容易吸附螺紋或螺旋內(nèi)側的粉塵，造成鉆桿周圍煤粉擁堵，壓風不通、排渣不暢，致使鉆孔事故較多、鉆孔成孔率低。因此必須對施工工藝進行改進，選擇利于排渣的施工裝備，才能有效保證鉆孔施工效果，大大提高Ⅱ926工作面瓦斯治理水平。

2順層鉆孔施工工藝改進及效果分析

2.1三棱鉆桿排渣原理。三棱鉆桿在鉆進過程中，鉆桿與鉆孔壁之間形成三個半圓形的空間，擴大了排除粉塵與瓦斯的通道，使瓦斯和粉煤順利排出［1-3］。在鉆桿旋轉鉆進時，鉆桿的三棱把多余鉆渣持續(xù)的向孔壁旋轉膩抹，達到固化鉆孔孔壁的作用，可以大大降低松軟煤層塌孔致使鉆具抱死卡鉆和鉆具損壞丟失的現(xiàn)象。三棱鉆桿排渣原理如圖1、2所示。2.2鉆孔施工效果分析。2.2.1三棱鉆桿試驗。為有效對比三棱鉆桿施工工藝的效果，在Ⅱ926工作面機巷安排2臺鉆機同時施工。1#鉆機采用ZDY3200S全液壓坑道鉆機，以覬94mm三翼刮刀鉆頭配覬73mm螺旋鉆桿開孔鉆進；2#鉆機采用ZDY3200S全液壓坑道鉆機，以覬94mm三翼刮刀鉆頭配覬73mm三棱鉆桿開孔鉆進；每臺鉆機共施工20個鉆孔，鉆孔設計深度90m。2臺鉆機施工鉆孔情況對比如圖2示。圖2三棱鉆桿與螺旋鉆桿鉆孔施工試驗對比由圖3可以看出，覬73mm鉆孔施工的順層鉆孔，滿足設計深度90m要求的只有7個，成孔率僅35%，其它鉆孔均出現(xiàn)排渣不暢，卡鉆現(xiàn)象嚴重；鉆孔深度平均在72.4m，最短的順層鉆孔深度只有39m，并發(fā)生埋鉆現(xiàn)象。而由三棱鉆桿施工的鉆孔滿足設計深度90m要求的高達15個，成孔率達75%，平均孔深88.5m，最短鉆孔深度也有78m，基本上滿足設計孔深要求；在施工過程中基本上杜絕卡鉆現(xiàn)象，并且未出現(xiàn)埋鉆事故。2.2.2Ⅱ926工作面順層鉆孔施工效果分析。通過Ⅱ926工作面機巷前40個鉆孔不同鉆桿施工情況，Ⅱ926工作面機風巷順層鉆孔全部采用ZDY3200S全液壓坑道鉆機，以覬94mm三翼刮刀鉆頭配覬73mm三棱鉆桿鉆進，共施工順層鉆孔608個；設計孔深90m，其中滿足設計要求的鉆孔513個，成孔率高達84.4%；施工過程中鉆進時間和排渣情況都有所提高，并未發(fā)生埋鉆現(xiàn)象，順層鉆孔成孔較好，有利于套管的下入，可以有效提高瓦斯抽放效果。從工作面回采情況來看，Ⅱ926工作面瓦斯涌出量最大17.9m3/min，平均在11.4m3/min，未出現(xiàn)過瓦斯預警現(xiàn)象，說明順層鉆孔預抽效果良好。順層鉆孔采用三棱鉆桿施工后，有效提高了鉆孔合格率，提高了瓦斯治理水平。2.2.3經(jīng)濟效益對比分析。目前臨渙礦瓦斯治理使用的覬73mm三棱鉆桿和覬73mm螺紋鉆桿采購價分別為360元/m、340元/m。可見三棱鉆桿比螺紋鉆桿價格偏高，但是螺紋鉆桿經(jīng)常出現(xiàn)埋鉆現(xiàn)象，鉆桿重復利用率僅為72%，而三棱鉆桿的重復利用率高達95%左右。按照同一個工作面使用220m鉆桿計算，三棱鉆桿損耗3960元，螺紋鉆桿損耗20944元，是三棱鉆桿損耗費用的5倍。同時，由于三棱鉆桿瓦斯治理效果好，工作面回采后可減少一路老塘埋管瓦斯抽放管路的使用，合計節(jié)約治理成本81000元。因此，采用三棱鉆桿施工順層預抽鉆孔，一個工作面瓦斯治理工程可以減少裝備投資約10萬元，安全經(jīng)濟效益更是不可估量。

3結論

（1）對于松軟突出煤層，采用原有裝備施工時容易出現(xiàn)卡鉆、埋鉆事故，鉆孔成孔率較低，瓦斯治理效果不好，已不能滿足松軟突出煤層瓦斯治理的需要，必須進行施工工藝改進。（2）松軟突出煤層采用三棱鉆桿施工順層預抽鉆孔，鉆孔成孔率由原有的58.4%提高到84.4%，成孔率提高了26%，鉆孔施工速度也大大提高，且基本不出現(xiàn)卡鉆埋鉆事故，顯著提高了瓦斯治理效果。（3）采用三棱鉆桿施工順層鉆孔后，同一個工作面可以減少瓦斯治理工程裝備投資近10萬元，安全經(jīng)濟效益也有很大提高，經(jīng)濟效益明顯。

［參考文獻］

［1］俞啟香.礦井瓦斯防治［M］.徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1992.

［2］彭臘梅，李光，蒲天一.松軟突出煤層整體式三棱螺旋鉆桿中試研究［J］.煤炭科學技術，2013，41（8）：133-136.

［3］楊明艷.三棱鉆桿在松軟突出煤層中的應用［J］.煤礦機械，2012，33（5）：218-220.

作者:方仲春 周為軍 謝 斌 單位:淮北礦業(yè)集團