松软突出煤层长及定向长钻孔施工关键技术与装备

松软突出煤层及定向长钻孔

施工关键技术与装备俞启香(教授、博导、国家安全生产专家）中国矿业大学国家煤矿瓦斯治理工程研究中心主要内容

1、松软煤层抽放钻孔施工关键技术及装备2、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术及装备

1、松软煤层抽放钻孔关键技术

1）问题的提出、技术途径及其进展

①松软煤层钻孔难施工一直制约着我国煤矿瓦斯抽放与突出防治的技术发展。②实践证明，螺旋钻进、压风排渣是松软突出煤层成孔的有效途径，但还需要解决一些关键技术。③“十五”后期及近两年，重庆院西安院等创新研究思路，从工艺和装备两方面入手，通过2年多的攻关研究，取得了实质性的技术突破。

2）重点核心技术研究进展

①考察研究了钻机钻具转速与排渣效果的关系，确定了螺旋钻机的临界转速，解决或减弱了螺旋钻机施工时因排渣不畅而形成阻塞和憋钻现象。②试验研究了钻进速度与煤的性质、成孔直径、钻具转速的关系，对螺旋钻杆主要参数进行了分析，确定了螺旋钻杆合理螺旋角。③通过对螺旋成孔所需临界转速、钻杆螺旋升角、中心管径、螺距的优化研究，确定了钻机的最优参数，开发出适用于松软煤层顺层长钻孔施工的螺旋钻机和相应的钻具。1、松软煤层抽放钻孔关键技术3)重庆院的研究成果介绍150m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图(1)中空螺旋钻杆200m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图37kw型螺旋钻机(2)ZYW系列钻机该系列钻机有3种功率：22kw，37kw，55kw。55kw型螺旋钻机(3）现场实施效果

①松藻煤电公司打通一矿，采用ZYW--1200型螺旋钻机对8#突出煤层进行了连续施工5个顺层长钻孔的钻进试验，有4个钻孔深度达到100m以上，最大成孔深度128m。煤的坚固性系数为0.2，瓦斯压力2.2MPa左右，瓦斯含量15.3m3/t）。具体参数如下表：

3）现场实施效果钻孔编号钻孔直径/mm施工角度终孔深度/m卡钻情况终孔原因1#钻孔90+0.5°125.6-钻杆数量不够2#钻孔90-0.5°128.0-钻杆数量不够3#钻孔90-1.0°20.8-见岩石4#钻孔90-0.5°103.2钻进129根钻杆后,卡钻严重，排粉量剧增风压太小0.1MPa5#钻孔90-0.5°120.0-风压太小①打通一矿试验钻孔参数表②松藻渝阳煤矿现场钻孔对比

在渝阳煤矿N2707和N2709突出煤工作面施工500个本层钻孔，平均孔深达88m以上，达到设计深度的一次性成孔率达88%，台机月效率在300m以上（最高达到8700m），未出现抱钻、钻杆折断等事故，钻孔平均抽采浓度达到37%，平均单孔瞬时抽采量达到0.0157m3/min，成孔深度最长达168m，因见岩而终孔，。在同一地点，用相同能力的钻机，采用矿上现有的螺旋钻杆及钻头作对比试验，最大成孔深度还不到80m，60m左右就卡钻、抱钻，70多m时钻机就不能旋转了。通过现场试验，螺旋钻进成孔技术能成孔160m深度以上，为顺层长钻孔施工从装备和工艺技术上奠定了很好的基础。③王坡煤矿3207回风巷顺层长钻孔试验天地公司王坡煤矿3207回风巷，煤层较稳定，(瓦斯含量16m3/t，f值为0.53）采用普通钻机和工艺施工顺层钻孔，平均施工深度在60m左右。在2008年5月9日至6月28日期间，采用ZYW～1900R型试验钻机及施工工艺后在3207回风巷施工了55个下向孔，总计进尺6272m，平均孔深达114.3m，最大成孔深度165m（人为停钻），平均每天成孔187m。王坡矿3207回风巷施工钻孔竣工布置图两种钻机在王坡矿3207回风巷施工钻孔深度分布对比图两台螺旋钻机在3207回风巷施工水平长度约为200m，取同一时间段(1个月)各施工的28个钻孔深度对比如下图④在多个煤矿顺层长钻孔应用情况

在铁法煤业（集团）有限责任公司大兴煤矿、淮南矿业集团丁集煤矿、通化煤业集团松树镇煤矿、平煤集团四矿等进行了推广应用，这些矿井都为煤与瓦斯层埋藏较深（如丁集煤矿达910m）、透气性差、瓦斯含量高，通过现场钻孔施工试验，钻孔成孔深度都达到了100m以上。

4)西安院的研究成果介绍(1)成果简况西安院对风力钻进排粉机理进行了研究，提出利用中风压空气钻进工艺解决成孔问题，研制了配套装备以及保障工艺，主要包括适于松软突出煤层的①ZDY3200L和ZDY3200S两种型号钻机;②大通孔中风压密封钻杆、宽翼片大通孔螺旋钻杆;③多级无动力除尘器等；④研制了内芯可脱式钻头，可实现从钻杆内孔下放筛管以维护孔壁，大大提高了钻孔的深度，并解决了后期的护孔问题，从而提高了瓦斯抽采效率，达到降低煤与瓦斯突出危险性的目的。(2)ZDY系列钻机①ZDY3200I型全液压履带钻机适用于大断面巷道，采用整体式布局，宽度仅为1.35m，结构紧凑，能够满足大多数煤矿巷道的使用要求。该钻机采用负载传感器和恒压变量等先进技术和进口液压元件，提高了操控性、可靠度，并具有良好的节能效果。②ZDY3200S型全液压坑道钻机主要适用于小断面巷道，采用分体式结构，分为主机、操控台和泵站三部分，每部分的重量相对较轻，便于搬迁运输，满足煤矿狭小巷道的使用要求。该钻机全部采用国产优质液压元件，降低了成本，满足不同用户的需求。(2)ZDY系列钻机项目ZDY4000SZDY3200S终孔直径mm9494回转速度r/min5~28050~175最大扭矩kN40003200给进/起拔能力kN150/150102/70主轴倾角O0~±450~±90功率kw5545整机重量kg25402100主机重量kg15001180主机外形尺寸m(长X宽X高）)2.38X1.3X1.522.3X1.1X1.65ZDY系列钻机主要技术参数表ZDY暖320禾0I型尊全液压鸽整体式裁结构履敌带钻机（在煤戏矿井下组大断面况巷道中朋工作照无片）ZDY铁320级0S型纠全液压糕分体式识结构钻易机

（主要适弯用于小竖断面巷口道）(3)配套钻取具与装默置①通过钻杆饰内孔下放赛筛管的护趁孔工艺，赞解决提钻竭后易塌孔稼和瓦斯抽小放时的负嫁压造成孔总壁坍塌的骆问题。②中风压高西强度大通帆孔钻杆，辣减少了压牙缩空气通适过的压力圾损失，并悉为筛管下怠入提供了庭通道；③内芯可脱冻式钻头，根正常钻进阵时内芯与术钻头体结茂合牢固可咳靠，终孔细后钻头内台芯在钻杆沟内孔轴向昏外力用下糖可脱落，蜜能够满足勾钻杆内通岂孔下放筛粱管的需求半。④钻进除尘赏装置,根明据中风压吧空气钻进书的特点，苹采用经验庄计算和数污值模相结季合的方法肿研制出多盛级无动力廉孔口除尘走器。该尘仁器采用惯涌性除尘、缴冲击水浴窄除尘、文划丘里除尘夸等除尘原款理，具有昏结构简单垮、除尘效炮率高、操肃作方便、泡在高瓦斯森环境中使乒用不存在雷安全隐患薄等特点。(3)配套钻具径与装置设备技术参数空压机排气量m3/min17排气压力MPa1.25功率kw13.2除尘器最大处理风量m3/min20除尘效率%＞95外形尺寸（长X宽X高）m1.68X0.85X1.45(3)配套钻扎具与装粱置(3)配套钻讯具与装覆置配套设备树主要技术礼参数表(4)应用实例松软突出翻煤层中风腰压空气钻云进技术成后套装备，表于200鼠8年10竹月至20欲09年5查月先后在筑淮北矿业之（集团）擦有限责任胳公司芦岭像煤矿和祁弱南煤矿进野行了现场茫工业性试炸验：①芦岭矿煤层厚度持3.9~扶10.0讽m，煤层础硬度系数也f为0.米2~0．希45，试蜜验前普遍牙采用干式未螺旋钻，泛钻孔深度阀50m静左右。试萌验期间采肠用项目研狡制的ZD幻玉Y320写0S钻机感、配套移谊动空压机素、大通孔归钻杆、除洽尘器等，漂累计进尺盯l82逼4.5鼻m，终孔匀直径94菌mm，愁完成孔深枣100创m以上的妻钻孔8个休，最深孔客135m花，钻孔深渗度和成孔暖率得到大弄幅提高。②祁南矿煤层硬赞度系数谦f为0请.5~波0.8奸，试验秒前采用胳风力或椒水力排建渣成孔红，钻孔用深度一既般不足益100哭m，且韵成孔率尾低。试虏验期间航采用中国风压空劝气钻进可技术成秘套装备预，累计陈进尺1雹78印00余稠m，终钳孔直径磁94骗mm、僵深度在香110余-~1请20蜻rn的酷钻孔1芒40个种，纯钻染进平均馋时效为骆18.段38m那/h，佩最高3牌5m普/h。5）钻孔舰施工除尘夺技术及装赤备(1)瘦概述《煤矿安踩全规程》友第一百五煌十四条（含七）的规湖定：“在妙煤、岩层茧中钻孔，煮应采取湿母式钻孔。劫煤（岩）沿与瓦斯突群出煤层或悔软煤层中纱瓦斯抽放靠钻孔难以嫩采取湿式最钻孔时，全可采取干肚式钻孔，适但必须采删取捕尘、瓜降尘措施畅，工作人羊员必须佩牺戴防尘保漫护用品。胸”在钻孔数施工中，茄采用湿式候钻孔，基锯本能解决腥钻孔粉尘茧问题。但王是，采取住干式钻孔狮时，粉尘减污染极其畅严重，粉张尘浓度高墙达10匆00m益g/m3以上，严丽重影响作穿业人员身形体健康，察并造成安术全隐患。搞因此有效若降低干式爷钻孔时的驴粉尘浓度姜，已成为斜目前煤矿悬井下，特渴别是高瓦足斯突出矿称井急需解怨决的问题技。目前，国橡内采用风便力排渣的箭压缩空气嘱压力达0废.5M陵Pa，压提空耗量6轮-8仆m3/馋min（季标准状况池），通常记采用的降民、除尘措碍施主要是羞在孔口安尊设带套管墙的收尘罩似，然后在酸收尘罩内摧喷雾降尘爹，其收尘抹效率一般怕在50%宰～60%摧除尘效率洪在60%膝～70%征，总体降扫尘效率只续能达到3令0%～4侮0%，钻搏孔周围的醉粉尘浓度松仍高达6跑00m挣g/m3以上，远割远超过国啦家卫生标腿准。5）钻狂孔施工扣除尘技尼术及装搂备（2）兄水环泵动旷力型除尘奏器①技术模原理该除尘器采用多训种除尘够机理相计结合的屑三级除测尘技术竟：第一级采用惯性唉除尘机理被，去除大聚部分较大朵粒径的粉箭尘，第二级采用湿式而洗涤过滤呈捕尘技术恋，第三级采用旋弹风脱水岩和旋流搅捕尘相胶结合的比高效捕宅尘技术徒。钻孔施工岭除尘技术瓦及装备钻孔施停工除尘催技术及绸装备②工作原理：打开吼除尘器剧的进水闲阀，启仿动水环绩真空泵国，在封丝式孔器内现形成微础负压。斗钻孔时死产生的盘粉尘在扒压缩空弱气的作谈用下，疏从孔底须高速向替外扩散械，进入晋封孔器交后由于偿扩散空赶间的急雅剧增大黎，风速淘快速降辉低，大蜻颗粒的洗粉尘在让封孔器鼓内由于托重力的拥作用沉慕降下来削，经封赤孔器下哗部的排内尘口排凝出。没型有被沉所降下来忠的粉尘发在真空劣泵的作剩用下，坊被吸进昼除尘器顽内。粉凶尘进入扇除尘器捏后，首暴先经过旦一级惯骆性除尘厘，大颗洒粒粉尘兰被进一牲步沉降戏落入灰尸斗，落绝人灰斗迅的大颗辜粒粉尘罚达到一如定质量弓，灰斗卷底板自则动打开观，排出胡粉尘后知底板自临动关闭棕；细微估颗粒在妈风流的奥带动下峰进入过姐滤除尘辩段，过盖滤除尘阵段设有芹过滤网跳和新型碰螺旋喷洽嘴，螺满旋喷嘴币喷出的婶雾化水荣在过滤漂网上形边成水膜糠。当粉湿尘经过德该水膜暖时被拦汗截下来恐，大部脂分粉尘嫩和水形最成的尘傍水混合放物经排贩污通道原进入污即水箱。汁小部分爷尘水混御合物进呢入真空剖泵，由舞真空泵陪排入离狡心旋流歪气水分集离器，板利用离拣心分离誓原理将蕉尘水混尾合物与融气体分资离，进副一步提伴高除尘卧效率。的干净的桨空气由御排气口受排出除己尘器。县气水分默离器分炭离下来米的尘水磁混合物喇进人污蒸水箱。弟污水箱捕内的污驶水由溢猜水口排坊出除尘育器。钻孔施工饱除尘技术叔及装备③除尘装索备技术例参数Ⅰ、处理风量干式钻孔盘工艺耗气肿量通常在搜8m3/昏min左泡右，通过裳对配套水戴环真空泵副的选型试罚验，确定腐处理风量菊为11.勇8m或3/m鹿in。Ⅱ、除尘器工永作阻力除尘器的璃工作阻力双不大于8桌00P嚷a。Ⅲ、除尘效扛率除尘器的策总粉尘除尸尘效率大连于99%弊；呼吸性愁粉尘除尘森效率大于灶90%Ⅳ、脱水效谊率除尘器坐的脱水缘瑞效率≥叉95%聋。钻孔施假工除尘译技术及尊装备④井下工摔业性试轿验除尘器免于20谜06年煮9月至裙200茶6年1痕1月在师盘江煤屿电（集谜团）有代限责任版公司山艘脚树煤归矿进行食了为期平3个月许的井下炮工业性速试验，肢结果表萄明：试验期扫间除尘渡系统运禾行平稳酸、安全事可靠。凳同时，偶除尘器宴的总粉涝尘除尘洁效率达戒到99肢.4僵5%，忍呼吸性辆粉尘除森尘效率舱达到9始9.捆06%娱，收尘执罩的收虾尘效率汇达到9较8.先1%，偿除尘系视统降尘咏效率达浴到97胆.5王6%。2、立体止交叉钻孔腾布孔增透确技术国内外矿腰井试验与倾应用结果坏表明，立秧体交叉钻温孔预抽能啦提高瓦斯趟抽采量、关抽采率和撕煤层透气和性系数。各不同地质趁条件下，次最优交叉委钻孔的间就距不同。1）交叉尾钻孔布孔收增流提透招原理：①钻躬孔交叉瓶点及其樱邻区塑性与房诚流变范夜围增大，即卸压轮范围加大景与卸压程鹅度加深，冶卸压提透科增流；②各见孔之间互通成网，其任一冈孔不会出词现像平行缠孔的单一咏孔那样：很某点垮孔葵或被堵，音整个钻孔察瓦斯都转腊化为难流温出状态，谈形成断流查或微流③由于索工作面推肢进，从斜宾向孔孔底铲最先进入绢卸压增透高区获得卸源压流起，眯一直延续妹到孔口被健回采止，菠比平行孔锅在边采边架抽卸压带看中的时间长，况且持在现场雹软煤中或的孔位定看不到钥孔洞，肯斜孔出独露端基疗本不形枣成漏气约与短路。2、立帐体交叉惨钻孔布原孔增透缘瑞技术立体交灰叉钻孔收布孔示网意图2、立体盘交叉钻孔掌布孔增透逝技术2）焦作九里咏山矿现场擦试验研究骂成果1994三～199哄5，抚顺仓院与焦作导局合作，务在九里山般矿130递51面进昏行了交叉疾孔与平行羊孔预抽本皇煤层瓦斯扇对比的试邻验研究，顺平行孔和饿交叉孔分爽段分别布仰置，钻孔轻直径Φ65mm镜，钻孔平岂均长L6特3.8m复，孔间距磨D2.3愤5～3.退0m，斜泥向孔与平久行孔夹角伍15～2尺0°封孔刃管内径2恐5mm聚饿氨酯封堵量长1m，效封孔深6绑m,煤均悉厚m5.2m找、倾角1深7o、瓦斯寇含量X功=16堵.9m3/t、口坚固性阴系数f=0赛.2~0嚼.35、蝴煤容重γ=1泰.3t子/m3。结果渡表明，并在同一干工作面义相同钻拼孔工程宝量条件翻下，交土叉孔较概传统的培平行孔倍增加瓦校斯抽放忌量0.俭46～储1.0您2倍。布孔方式钻孔自然涌出量m3/min.hm钻孔瓦斯抽采量m3/min.hm百m孔t天累计瓦斯量m3/hm单孔瓦斯抽采率交叉钻孔q=0.0309e-0.016tq=0.064e-0.0063tQhm=14629(1-e-0.0063t)η=14629(1-e-0.0063t)/XγmLD=1.19(1-e-0.0063t）/D平行钻孔q=0.0116e-0.026tq=0.04e-0.0081tQhm=7111(1-e-0.0081t)η=0.58(1-e-0.0081t）/D九里山抄矿交叉罩孔与平凉行孔瓦缘瑞斯涌出骆与抽采肉规律比秀较表2、立体管交叉钻孔叔布孔增流谈提透技术九里山雹矿13勒051眼面交叉红孔与平敬行孔预档抽本煤犬层瓦斯细分段布症置图2、立体江交叉钻孔杀布孔增透语技术3）推广宽实例①某劲矿试验看采面斜积长16氏8m，滤煤层总咏厚4.探2m，悉上分层汉1.3昼-1.考4m，脸下分层疫2.6内-2.两8m，桥夹矸厚正0.1裂-0.找4m。添倾角1闷1-1搅7˚，互采深6谦20-孝750语m，瓦傻斯含量距11.扑4m3／t，渗色透率0.充0137奸5md。先在走向2匀00m试吃验段布置板90个交良叉钻孔（牺45个平绍行孔，4穿5个斜向浊孔），钻君孔总长7牛368m闷。分三组滚每组30皂孔，其孔殿间距分别睛为2.0勒m，2.秤5m，3其.0m。柴孔径75值mm，田平行孔开贪孔距底板烈0.8m始，方向垂苗直风巷，冻孔长80慌-90m签；斜向孔嘉开孔距底戴板1.2能m，方向园与风巷夹德角73˚跌，孔长8焰5-95教m，聚氨僚脂封孔，虏封孔长1弊.0m，封孔深度乳5.0m脱。抗静电后阻燃塑料在封孔管径2集5mm件。不同密朋度交叉描钻孔预铅抽率与武时间关雄系曲线η—叫—瓦斯抽采凳率，%；Qct谣——t天才钻孔百米殿抽放总量奥m3；S——莫平均单孔疫长度，m倦；N——卷布孔方式其系数，回间风巷或进中风巷单向师布孔时，猎N＝1，呼双向布孔启时，N＝叫2；Q0——煤层做原始瓦斯话含量，取锻11.3啊8m3/t；M—畜—煤层味厚度，缺取4.侄2m；C—部—孔间透距，m叹；L—巴—工作束面长度中，m；d—听—巷道托预排瓦历斯等值虑宽度，侨取20匆m；r——费煤的密度闭，取1.独30t嫩/m3。②不殖同孔间钳距交叉铜钻孔自透然瓦斯宫涌出量殊与时间锡的关系孔间距2傍.0m百粮米交叉孔弊瓦斯涌出白曲线孔间距2废.5m百坊米交叉孔援瓦斯涌出老曲线孔间距3芬.0m百理米交叉孔育瓦斯涌出趋曲线孔间距/m初始流量m3/min.hm衰减系数d-1极限流量m32.00.04680.011757602.50.03740.012443433.00.02940.029427132、立体交占叉钻孔布扫孔增透技亏术2、立怎体交叉押钻孔布添孔增透肢技术③不同孔间筋距交叉钻岔孔瓦斯抽课采量与时齿间的关系孔间距福2.0悬m百米甘交叉孔炊抽放量育与时间跨关系孔间距给2.5惑m百米尘交叉孔剪抽放量隆与时间醉关系孔间距3飘.0m百叨米交叉孔类瓦斯抽放市与时间关汁系孔间距/m初始流量m3/min.hm衰减系数d-1极限流量m32.00.04070.011451412.50.03850.015939883.00.03370.019225273、煤矿井身下定向长纽奉钻孔施工更关键技术玩及装备1）简列介（1）姥长钻孔西是实施王“先抽宣后采、燃抽放达绳标”的铁重要前铺提。近茅年来，砌西安院溉、重庆殖院等，币研制成宅功了施倦工长5浸00-退100俗0m钻词孔系列咱装备。（2）祥定向钻点进工艺茧和稳定弊组合钻俘具也证是实现员长钻孔焰施工成移功的关邪键。3、煤矿价井下定斥向长钻抹孔施工筐关键技魄术及装萄备1）简旧介针对长钻深孔施工中趁的钻孔定斑位和钻具姜等关键技罚术难题，少西安院在邀十五期间相，完善了甲稳定组合甩钻头、组之合钻具，朴开发了多绩点即时测篇斜仪等。①多点即窑时测斜仪边,方位角偏测量误差编小于0.室5º，筛倾角小于知0.5º呢，工具面寇向角误差慰小于3º需，可以满刊足施工要装求。②由钻头盟、钻杆和且稳定器组枕成的钻具口称之为稳嫂定组合钻唤具。根据影功能的不室同，定向翅钻进中使辟用的稳定酬组合钻具皆有下斜组朱合保直稳敞定组合钻肥具、上仰漏组合钻具判等5种组械合。

测量系统组成示意图线缆绞车钻机钻具测斜探管控制及显示界面水力输送钻杆推送①钻孔测斜逢系统(多点即时火测斜仪)：德由孔口控浇制单元钥、测斜探管沸、线缆绞车堪组成。根据需要阻可通过孔像口控制单饭元进行数翠据测量、属记录、显堪示和存储私。孔口控制拉单元功能①深度测宇量，实时仓显示②实时摸记录日骑期、时满间③测量数诸据和测量画结果显示④固定深美度值进行杂报警⑤测量焰数据管翁理2）稳闭定组合钻横头及稳定竹组合钻具多级组合钻头下斜钻具荣组合=球冠掌侧切削钻豪头+无磁钻杆+钻进钻练杆复合片组坊合式扩孔症钻头内凹复惩合片钻浆头3）保直折钻具组合兰系列，可让提高钻孔猾定向精度观和成孔率①内凹钻彩头+逼扶正暑器+务钻杆窝+佳扶正器理+见钻杆+寒扶正颜器