高瓦斯松软煤层瓦斯抽采钻孔清水钻进施工新技术试验解析

1、高瓦斯松软煤层瓦斯抽采钻孔清水钻进施工新技术 试验【摘 要】随着煤炭开采的深入，越来越多的煤矿进入深部高瓦斯区域，瓦 斯治理就成为煤矿安全生产的重中之重。瓦斯抽采是治理瓦斯问题的最主要手 段和措施，2010年全国瓦斯抽放量达到100亿立方米。但瓦斯抽放受煤层地质 情况影响，特别是在松软煤层高瓦斯区域，清水钻进钻孔不成孔的问题，严重 制约瓦斯抽放效率。【关键词】高瓦斯；松软煤层；清水钻进；不成孔松软煤层高瓦斯区域的钻孔施工一直是煤矿瓦斯治理的重点和难点，主要 是因为松软煤层钻孔成型差，特别是高瓦斯区域，由于瓦斯喷孔影响，钻孔成 孔率极低，多数钻孔无法达到设计深度要求，即使钻孔深度达到要求，钻孔还

2、 会经常出现塌孔、堵孔等情况，严重影响了钻孔的抽放效率。一、项目介绍余吾煤业公司（屯留煤矿）位于山西省长治市屯留县，属潞安矿区。井田 面积162.2平方公里，地质储量15.45亿吨，可采储量6.81亿吨，设计能力 600万吨/年。屯留煤矿 N2202工作面，走向长度1360m 工作面长225m 煤层 倾角-615，平均倾角3.6。工作面开采煤层为6号煤，煤层厚度为6m 左右。开采层平均瓦斯含量为 7.9m3/t，开采层残存瓦斯量2.5m3/t，回采面瓦 斯相对涌出量5.54m3/t，日产10000吨煤对应绝对瓦斯涌出量为 38.47m3/min。为高瓦斯工作面，煤质为软煤层。二、钻孔施工设计N

3、2202回风顺槽向工作面内部布置工作面平行预抽钻孔。钻孔呈三花眼布 置，第一排钻孔为垂直孔，钻孔设计深度115m （可覆盖工作面一半宽度），开口位置距底板1.2m ;第二排钻孔为斜平行孔，钻孔设计深度120m开口位置距底板1.5m，斜平行孔与垂直孔夹角为5，钻孔间距为2.5m，钻孔仰角为2- 3，钻孔直径为 94mm所有钻孔均为顺层煤孔，尽量保证钻孔在煤层中成 孔。平行预抽钻孔施工采用ZDY-1900S型钻机，该钻机适用钻孔深度为100 350m钻孔直径94200mm主轴倾角0土 90,利用矿井静压水系统进行孔 内排渣，静压水压力2-3MPa三、常规光面钻杆施工情况在屯留矿N2202工作面，从

4、2011年4月26日至5月10日，共有3台钻机 施工62个钻孔，总钻孔进尺3145米，平均钻孔深度50.7米，平均每班施工进 尺49.9米，钻孔施工详细情况如表1、表2、表3。表1常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计施工地点N2202回风巷时间钻孔编号施工深度成孔深度情况5.3-5.10 155-168 63-84小计969有效施工班数16每班进尺60.5625施工钻孔数量17平均孔深57表2常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计施工地点N2202回风巷时间钻孔编号施工深度成孔深度情况4.26. 5.6 B281 -257 18-100小计979有效施工班数16每班进尺61.1875施工钻孔数量17平均孔深57

5、.58823529表3常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计施工地点N2202回风巷时间钻孔编号施工深度成孔深度情况4.26 5.10 B215 -235 14-82 喷孔，顶钻，卡钻小计1197有效施工班数31每班进尺38.61290323施工钻孔数量28平均孔深42.75通过以上数据可知，常规光面钻杆的成孔深度、成孔率和排渣效果如表4所示。表4屯留矿常规光面钻杆钻进效果工作面钻机钻杆类型设计深度平均成孔深度成孔率排渣量屯留矿 N2202 ZDY-1900S 光面钻杆 120m 50.7m 22.5% 正常四、常规光面钻杆施工存在的问题1、瓦斯动力现象严重。在钻孔施工过程中，瓦斯动力现象表现特别频繁，

6、 瓦斯喷出不均匀，喷出量和喷出持续时间不稳定，携带大量煤块，给安全施工 带来极大的隐患，而且严重影响钻孔进尺。为确保施工安全，在孔口安设防喷 孔装置。2、钻孔塌孔严重。钻孔塌孔体现在两个阶段，第一阶段是钻孔施工过程 中，孔内壁由于水侵蚀和钻动影响，在钻孔施工过程中出现塌孔，塌孔量大 时，导致钻孔无法顺利排渣，出现堵孔现象，塌孔严重时，将导致夹钻，在 N2202回风巷施工过程中，因为钻孔塌孔出现两次掉钻头钻杆现象。第二阶段 是钻孔施工完成后容易出现塌孔现象，导致钻孔堵塞，影响瓦斯抽放效率。3、钻孔顶钻现象突出。钻孔顶钻的出现主要是由于瓦斯涌出不均匀，加上 水力排渣不均匀共同形成的结果，顶钻严重时

7、可将钻机连同钻杆推出，严重影 响钻孔施工效率。4、钻孔深度无法保证。因钻孔塌孔、堵孔、顶钻等多因素综合，导致钻孔施工过程中不出水、卡钻等情况，无法保证钻孔施工深度，特别是再18 30米的应力集中区域表现突出。五、设备及钻杆改造1、钻杆改造1）改造目的：在不影响钻孔施工效率的前提下，使钻孔在施工过程中能对瓦斯释放进行有序引导，解决瓦斯释放的不均衡问题，同时加速对煤渣的排放 效果。2）改造方法：在钻杆表层加工一层螺旋状耐磨层，螺旋角度45度左右，螺旋高度3mm螺旋宽度10mm如图1所示。2、设备改造1）钻机回转器钻机回转器，是钻杆的动力来源，是夹住钻杆推动、倒退以及旋转的部 件。回转器内部夹住钻杆

8、的是四片小卡瓦，通过外围胶筒挤压夹住钻杆，当钻 杆直径较大时，四片小卡瓦的闭合完全能提供足够的紧握力，推动钻杆旋转或 进退；但当钻杆直径偏小时，四片小卡瓦完全闭合后对钻杆的紧握力不够甚至 完全不能夹住钻杆，导致在在推进、倒退以及旋转时不能对钻杆提供足够动力 而影响施工效率。改造办法：将每片小卡瓦两侧分别切削 0.8 1m（通过计算是小卡瓦侧边 分别切削0.98mm，通过改造后，四片卡瓦吻合后，卡瓦围合内径将减少 2mm就能完全紧握直径在60-62mm之间的钻杆，改造内容如图二所示。2）钻机夹持器钻机夹持器，是在倒退钻杆过程中使用极其频繁的部件，主要用于紧握钻 杆进行反转拆卸钻杆。当钻杆直径较大

9、时，夹持器加紧后，回转器反向旋转， 使夹持器与回转器直径的钻杆丝扣松动进行拆卸钻杆；当钻杆直径偏小时，夹 持器完全闭合后对钻杆的紧握力不够甚至完全不能夹住钻杆，回转器反向旋转 时，导致孔内钻杆一起反向旋转，当孔内钻杆某个接头处丝扣紧合力稍弱时， 钻杆就会脱落，形成掉钻杆、钻头事故。改造办法：将夹持器两大夹合组件结合内侧分别切削 1-1.5mm,使夹持器 内部卡瓦夹合直径缩小2 3mm就能完全紧握直径在60-62mm之间的钻杆了， 改造内容如图三所示。六、改造后低螺旋耐磨钻杆施工情况钻杆和设备改造后，在屯留矿 N2202工作面，从2011年5月30日至6月 21日，1台钻机施工17个钻孔，总钻孔

10、进尺1755米，平均钻孔深度103.2 米，平均每班施工进尺45米，钻孔施工情况如表5所示。表5低螺旋耐磨钻杆瓦斯钻孔施工情况统计施工地点N2202回风巷时间钻孔编号施工深度成孔深度情况5.30 6. 21 B48-152 27-105小计1755有效施工班数39每班进尺45施工钻孔数量17平均孔深103.2352941通过以上数据可知，低螺旋耐磨钻杆的成孔深度、成孔率和排渣效果如表 6所示。表6屯留、高河矿低螺旋耐磨钻杆钻进效果工作面钻机钻杆类型设计深度平均成孔深度成孔率排渣量屯留矿 N2202 ZDY-1900S 螺旋钻杆 120m 103.2m 94.1% 较多七、结论通过对N2202回

11、风巷钻孔施工情况的分析，可以得出如下结论：（1 ）低螺旋耐磨钻杆钻孔深度得到大幅度提高。 N2202回风巷从原来 50.7m提高到103.2m,基本上能满足工作面钻孔的覆盖宽度要求，可有效解决 工作面内部区域的瓦斯突出问题；（2） 低螺旋耐磨钻杆钻孔成孔率大幅度提高，成孔率超过90%（3）瓦斯喷孔现象得到明显缓解。钻杆改造后进行施工时，钻杆的螺旋叶 片能够有效地引导瓦斯释放，防止瓦斯在孔内聚集喷发；（4）钻孔施工的稳定性得到保障。改造后钻孔施工过程比较稳定，单班钻 孔进尺比较均衡，钻孔施工的连续性得到了更好的保证；（5）钻孔见岩情况得到一定控制。熔覆的耐磨螺旋对钻杆有一定的扶稳作 用，能够使钻杆偏向得到一定控制，钻孔不容易见岩；（6）钻孔塌孔现象得到明显改善。改造后钻杆螺旋耐磨层对孔内壁进行挤压，将孔内壁特别酥软煤层刮出，扩大了孔内半径（孔经从原来的94mn提高到最大的220mm，增加孔内瓦斯释放面，提高瓦斯抽放效率。同时由于螺 旋叶片能够均匀排渣，防止煤渣聚集堵孔，有效保证了钻孔的成型；（7）改造后单班施工效率有所下降，主要原因有两个：新工艺的使用还需 要一段时间进行熟练；排渣量的提高，成孔直径增大一定程度上影响了钻进效 率。通过对试验的分析和总结，这套施工技术完全能够在屯留矿3#煤层进行大规模使用，将有助于