突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术

1、2022-3-512022-3-522022-3-532022-3-54l 2009年5月14日 国家安全监管总局局长骆琳签署总局第19号令，颁布防治煤与瓦斯突出规定，2009年8月1日起实施。原防治煤与瓦斯突出细则同时废止。防突规定提出了“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的理念，强调突出煤层必须采取区域综合防突措施并达到规定标准后方可进行采掘作业。区域防突工作应当做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标。2022-3-55u松软突出煤层（硬度系数f1）渗透性差、瓦斯含量高。钻进过程中，容易产生垮孔、卡钻、喷孔等现象。我国在松软突出煤层虽然有钻孔深度超过150m甚至达到240m的记录，但

2、大部分的钻孔深度都在100m以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我国松软煤层在所开采煤层中所占比例较大，因此，松软突出煤层的钻进成孔问题一直是个亟待解决的难题。u实现松软煤层中打深孔，必须采取综合的办法来解决，综合办法包括：钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等方面。2022-3-562022-3-57龙煤集团鹤岗分公司、沈阳煤业集团、抚顺矿业集团淮南矿业集团、淮北矿业集团郑州煤炭集团、焦作煤业集团阳泉煤业集团、晋城煤业集团松藻煤电公司2022-3-58松软突出煤层中风压空气钻进装备研制与配套工艺开发井下水平长钻孔钻机研制及配套工艺开发低透气性煤层瓦斯抽采增效技术开发低浓度瓦斯输送安全保障成

3、套技术开发与装备研制防突远距离控制钻机研制及配套工艺开发松软突出煤层顺层钻孔螺旋钻进装备研制与配套工艺开发瓦斯抽采矿井的风流监测与智能控制关键技术研制地面瓦斯抽采的欠平衡车装钻机研制2022-3-59u示范工程建设取得阶段性效果：推广了一批瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯利用的先进适用技术和装备。2022-3-5102022-3-5112022-3-5122022-3-5132022-3-5142022-3-5152022-3-5162022-3-5172022-3-518有叶片式螺旋钻杆、浅槽螺旋钻杆两种。叶片式螺旋钻杆、浅槽螺旋钻杆两种。晋城赵庄矿晋城赵庄矿50 mm1 000 mm的浅槽螺旋的浅

4、槽螺旋钻杆钻杆叶片、插接式螺旋钻杆叶片、插接式螺旋钻杆2022-3-5192022-3-5202022-3-5212022-3-522稳定组合钻具定向钻进技术：就是在回转钻进的基础上,在靠近钻头的1020 m的钻杆上接上35个接近于钻头直径的稳定器(也称扶正器),通过调整稳定器的位置和数量,并配合相应的钻进工艺参数,使钻具对钻头产生向上、向下或保直钻进的控制力,从而起到控制钻孔轨迹的目的。顺层长钻孔的施工,关健在于打钻过程中,防止钻杆下沉,保持钻杆一定的直度。2022-3-523套筒式稳定器套筒式稳定器稳定组合钻具定向钻进技术主要适用于对钻孔轨迹有特殊要求的瓦斯抽放钻孔施工,如沿煤层水平定向长

5、钻孔的施工(孔深500 m)、顶板高位水平定向钻孔的施工。2022-3-5245、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况美国、德国、日本等工业发达国家，从上世纪70年代初就开始了井下近水平长钻孔钻进技术的研究。通过三十年的发展，目前以孔底动力为主要钻进方法、随钻测斜为主要定向手段的钻孔工艺方法已非常成熟，并取得较广泛的推广应用，技术上处于国际领先水平。2022-3-5255、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况19971998年间，国内松藻、铁法、淮南、平顶山和抚顺5个矿务局引进了9套美国和澳大利亚千米定向钻机。共打成钻孔19个，钻孔深度范围为45470m，其中:小于100m的有10个，100200m的

6、有2个，200 400m的有6个，最深的一个孔达470m。在煤层中打成顺层钻孔的深度几乎都不超过100m。孔深都没有达到引进钻机设计施工能力的二分之一。试验效果不好。2022-3-5265、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况2022-3-5275、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况20022007年间，山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿、晋城无烟煤矿业集团公司引进了4套美国和澳大利亚生产的采用孔底马达定向钻进的千米钻机，用于煤矿井下定向长钻孔抽采瓦斯。使用情况很不错。大宁煤矿为高瓦斯矿井，预抽本煤层（3号煤层）瓦斯为主，最大孔深达1002m。至2007年底已完成钻孔数1980个，累计进尺803753

7、m，抽混合瓦斯9.05亿m3。据不完全统计，近几年国内已定购的澳大利亚VLD1000定向长钻孔钻进设备多达50余套。2022-3-528 山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿采用孔底马达定向钻进的千米钻机，预抽本煤层（3号煤层）瓦斯为主，最大孔深达1002m。5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况2022-3-5295、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况晋城煤业井下区域性递进式预抽采 千米钻机等机具施工长钻孔，一个预抽区域至少应涵盖1个工作面。 2022-3-5305、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况国内从上世纪90年代正式开始煤矿井下定向钻进技术的研究，在对以螺杆马达为孔底动力的钻进方法的研究方面曾

8、取得过一些阶段性成果。但是由于国产孔底马达可靠性较差，寿命太短，设备成本比回转钻进钻机的高，不便于推广，导致国内对这项技术研究并没有继续深入下去。2022-3-5316、部分国产长钻孔钻进设备的使用情况目前，ZDY8000 10000S型全液压钻机已在铜川矿务局推广使用，施工的瓦斯预抽采钻孔深度多在600m左右。晋城无烟煤矿业集团有限责任公司已大面积推广使用ZDY6000S 钻机，施工深度为400600m的本煤层瓦斯预抽采长钻孔。2022-3-5322022-3-5331、顺层长钻孔排渣工艺n 水力排渣 传统的排渣工艺是用水作冲洗介质携带和排出钻屑、冷却钻头。由于水注满整个钻孔，对瓦斯的自然排

9、放起封闭作用，易造成喷孔，对钻孔施工人员的安全有一定的威胁。在松软煤层中钻进时,循环水对于孔壁的冲刷、浸泡等破坏作用相当严重,钻孔极易破碎坍塌,成孔极其困难。 因而，在施工顺煤层抽放钻孔时，用水作为排渣介质是不利于深钻孔的施工。2022-3-5341、顺层长钻孔排渣工艺n 风力排渣 风力排渣用风作介质排渣和钻头冷却。其显著的优点在于压风对孔壁的冲击较弱，对瓦斯解吸影响小。因此，从技术上来看，风力排渣更适合于突出煤层顺层长钻孔的施工。 其缺点是作业地点粉尘不易控制，多数矿井的风压、流量也不能满足长钻孔的要求。2022-3-5352、松软突出煤层打钻遇到的问题及原因分析n 问题：2022-3-53

10、62、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析n问题 喷孔、卡钻形成过程。喷孔可分成：煤体破碎瓦斯聚积（瓦斯迅速解吸孔壁破裂孔内堵塞瓦斯梯度猛增） 瓦斯释放（突破堵塞喷孔和卡钻）三个阶段。2022-3-5372、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析问题 喷孔和卡钻原因分析：喷孔应看作是钻孔中出现的动力现象，类似煤与瓦斯突出，是高压瓦斯、应力集中和软煤存在三个因素综合作用的结果。 当钻孔进入软煤分层时，钻头切削旋转，对软煤产生一种冲击和破碎力，使煤体破裂、粉碎，钻孔周边煤体瓦斯迅速解吸，流入钻孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的几倍到几十倍，此时钻孔前后方出现了较大的瓦斯梯度，产生明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激流对

11、破坏的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，瓦斯激流和粉化了的煤颗粒难以顺利的向孔外排出，进一步增加了孔内瓦斯压力梯度，形成喷孔。2022-3-5382、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析问题 另一种喷孔是由于煤层中含水，钻头切削时的煤粉难以顺利排出，在钻孔的浅部（1020m的范围内）出现堵孔。再就是打钻风压和风量不够，排碴不力，出现堵孔。堵孔造成迅速解吸的瓦斯无法排出，孔内的压力梯度达到某个极限时，发生喷孔。 2022-3-5392、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析问题 卡钻是与喷孔联系和同时发生的一种现象，喷孔时末能及时退出钻杆，破碎的煤体将钻杆和钻头箍紧。或是孔内出现塌孔、堵孔时，排渣不力，此时仍

12、然钻进，使堵孔、塌孔的范围不断扩大，造成钻杆和钻头箍紧，钻头无法进退。 喷孔、垮孔、堵孔和卡钻是不同现象，但又是相互联系的，卡钻是严重的打钻事故，往往可能出现扭断钻杆丢失钻头。2022-3-5402022-3-5412、提高突出煤层钻孔孔深的技术途径l2)确定为达到要求的风速，需要足够的风量和风压。目前矿井的井下压风管道风压一般不超过0.5MPa，而对目前的钻具而言，这一风压显然不能达到足够的供风量。为此，可使用井下移动式空压机，使打钻地点的风压正常时达到0.65MPa以上，最大时达0.7MPa。2022-3-542不同深度钻孔正常排渣所需的供风压力（煤科总院重庆研究院在芙蓉珙泉煤业公司芙蓉珙

13、泉煤业公司 试验结果）2022-3-5432、提高突出煤层钻孔孔深的技术途径l3)采用满足风力排渣和长钻孔施工的大扭矩钻杆。由于压风的压力最高为0.7MPa， 要在一定的压力下提高孔内的风速(或风量)，就只有降低压风的沿程阻力损失，这就要适当扩大输送压风的钻杆内孔直径。同时，顺层长钻孔的长度大，孔壁、钻屑与钻杆之间的摩擦阻力也大，应适当增加钻杆强度。2022-3-5442、提高突出煤层钻孔孔深的技术途径l4)根据矿井具体的地质条件和煤层特征，采用较大能力并适合顺层钻孔施工条件的钻机。尽管顺层长钻孔成孔的关键是打钻排渣工艺技术，但足够能力的钻机是施工长钻孔的基础。2022-3-5452、提高突出

14、煤层钻孔孔深的技术途径l5)采用多级组合钻头，利用前端小直径钻头的超前卸压作用减轻钻孔的喷孔程度，同时提高钻孔的定向钻进效果。l6)其他辅助技术措施还包括降尘、安全防护、防止孔内爆燃等，制订操作规程，对打钻过程中的各种现象提出观察、应对方法。2022-3-546搞好钻孔设计：钻孔设计不能简单化，一次完成。工作面布孔设计分为方案设计、分段设计和施工设计3个阶段进行。布孔方案设计：布孔方案设计是工作面瓦斯抽放设计的重要组成部分。根据煤层和巷道状况，按不留或少留空白带的要求，对采面全面布孔。明确布孔形式、钻孔密度和施工顺序。2022-3-547钻孔施工分段设计：目的：根据工作面抽放方案设计的要求，结

15、合不同地段的瓦斯地质和巷道条件，进行逐段设计。通过分段设计优选钻孔施工参数，实现抽放钻孔优化。分段设计前要调查该段地质构造煤层倾角、煤厚、巷道条件等。设计中包括不冈钻孔的方位角、倾角、孔深、孔径和开孔点距底板高度等，并有附图。2022-3-548钻孔施工设计：主要是钻孔参数的调整。由于煤层产状和厚度不稳定，钻孔深处往往存在变化，因此必须通过施工钻孔，及时判断钻孔前方的煤层赋存状况。对设计钻孔及时调整参数，经调整参数后施工的钻孔基本能达到设计深度。2022-3-5492022-3-550掌握给进压力和钻进速度：钻机给进压力的极限是固定的，不同层段要掌握不同的给进压力，压力升高的原因是换层；孔内出现堵孔；钻具损坏，断钻头钻杆也会致使压力突然变化。当给进压力突然升高时必须采取果断措施，一是停止钻进，进行压风排碴；另一种是撤钻退钻。钻进速度必须保持适当，软煤分层中钻进主要是降速，通过降速充分排碴，减少沉碴，同时也起到降低给进压力的作用。所以软煤钻进速度要比硬煤慢。钻进速度和给进压力的掌握，需要针对不同钻机、不同煤层特征和排碴条件进行测试和总结。2022-3-551图1是河南理工大学在平顶山十矿测试的一个实例。17号钻孔开始给进压力保持在5-6Mpa，速度每根钻杆3.5-4.