松树突出煤层瓦斯抽放孔钻孔工艺技术研究

松树突出煤层瓦斯抽放孔钻孔工艺技术研究

由于松树和突出的煤层稳定性差、高装甲和高压力，孔施工中易出现喷孔、坍塌孔和卡孔等异常现象，孔深平坦，成孔率低。如何提高松软突出煤层的钻进深度和成孔率,从而提高瓦斯抽采效率,达到降低煤与瓦斯突出危险性的目的,是松软突出煤层瓦斯治理的重要问题。针对这种情况,国内进行了螺旋钻进和常风压空气钻进的尝试,但效果一般。螺旋钻进是一种干式回转钻进方法,螺旋钻杆与钻孔组成了一个螺旋输送带,螺旋钻杆连续不断地将钻头破碎的岩渣输送至孔外。螺旋钻进有效地解决了排粉问题,但对钻孔扰动大,成孔困难;常风压空气钻进的风压过低,不能有效地解决携粉排渣等问题,钻孔深度和效率一般。以上2种方法能解决提高松软突出煤层中钻孔深度的问题,而对提钻后易塌孔和瓦斯抽放时的负压造成孔壁坍塌的问题没有解决。1外平墙杆配合煤粉钻孔空气钻进是用压缩空气经过钻杆内孔、钻头进入孔底,在孔内形成高速风流,钻屑则浮在风流中被吹向孔口,从而实现风力排粉的一种钻进方法。在压力的作用下,煤粉颗粒(钻屑)在水平钻孔内悬浮并随着气流做跳跃式的向前推进,直至返出孔口。在同类地层同等供风量的情况下,钻孔深度和风压大小成正比,而和钻具的沿程阻力、局部阻力成反比。目前主要采用ø42mm和ø50mm的外平钻杆配合煤矿井下的管道风在松软突出煤层施工钻孔,多数钻孔的深度不超过100m。百米钻杆的风阻加上携带煤粉的阻力在0.4MPa左右,常风压钻进压力相对较低,限制了钻孔深度的提高,仅适用于钻孔深度较浅(小于40m),终孔口径较小(小于70mm)的松软煤层瓦斯钻孔的施工。为此,本文提出将中风压空气钻进工艺应用于松软突出煤层的钻进,提高钻孔深度和成孔率。2抗静电阻燃可碎瓦斯的地层开孔利用风力排粉,为了提高排粉效果,钻杆的外径较大,以提高钻杆与孔壁间的通风速度,从而保证煤(岩)粉能顺利排出孔外。成孔以后钻杆一提出孔外,由于煤层松软,就容易发生塌孔、缩径等现象,使瓦斯不能正常排出,影响抽采效果。通过钻杆内部向已成孔的煤层中下入筛管,防止煤层塌孔,延长瓦斯的抽采时间,提高钻孔的利用率。具体方法是采用大通孔外平钻杆和中压风作冲洗介质进行钻进,到达预定孔深后,将抗静电阻燃可碎性筛管通过大通孔钻杆的内孔下到钻孔内,并将钻头顶脱,然后将钻杆提出孔外,将筛管留在孔内的,将成为瓦斯排出煤层或抽采瓦斯的通道。其中筛管是可碎的,不会影响后期的采煤。3相关设备的开发3.1最大误差拓展液压钻机松软突出煤层钻进时易发生抱钻、喷孔等事故,需要钻机具备很强的处理孔内事故的能力;目前松软突出煤层施工需求深度在200m以内,施工周期短,钻机搬迁频繁,要求钻机具有很高灵活性。针对这些要求,专门研制了ZDY3200L型履带式全液压坑道钻机(图1),主要技术参数如下:最大额定转矩/(N·m)3200额定转速/(r·min-1)105~360最大给进力/kN112起拔力/kN77主轴倾角/(°)-10~20电动机功率/kW45行走速度/(km·h-1)0~2.5最大爬坡能力/(°)20该钻机主要施工200m以内的钻孔,但设计最大额定转矩达到3200N·m,最大起拔力达到112kN,以提高钻机处理孔内事故的能力;钻机采用履带自行式整体结构,钻机主机、操纵台、泵站和稳固装置共同设置在履带车体上,搬迁迅速、稳固方便;液压系统中回转和给进回路分别采用负载敏感和恒压变量技术,能减少了液压系统的能量损失,达到节能的目的;同时稳定的输出流量使马达转速稳定,降低了负载剧变对马达和钻头的冲击,提高了钻机的可靠性,完全满足钻机回转回路的性能要求并具备节能的特点,在复杂地层中对成孔质量、钻机及钻具的寿命提高有显著的意义。3.2内芯可脱式钻头当钻进到预定孔深后,筛管通过钻杆的内孔将钻头顶脱,将筛管留在孔内。如果将整个钻头顶脱留在孔内,这样每个钻孔都需要消耗一个钻头,成本太高。而如果每次只顶脱掉钻头的一小部分,剩余的大部分可以多次重复使用,就可以节约大量成本,为此设计了内芯可脱式钻头(图2)。该钻头由钻头体和内芯2部分组成,这2部分依靠弹簧和定位钢球固定,并依靠设置在钻头体上的台阶和键传递钻进时需要的给进压力和扭矩,实现正常的钻进功能。当钻进完毕后,将筛管输送到孔底,然后提钻,内芯在筛管轴向力作用下与钻头体脱落,由此打开通道,并使筛管留在孔内。3.3除尘装置空气钻进过程中会产生大量的粉尘,不仅影响职工身体健康,也是煤矿安全生产的一大隐患,中风压空气钻进时粉尘更大、颗粒更细,为此专门设计了除尘装置。钻孔产生的煤尘通过孔口集尘装置和导尘胶管进入除尘装置。除尘装置主要由惯性旋风除尘段、喷雾水浴除尘段和文氏等部分组成,具有良好的除尘效果,改善了钻场环境。净化后气体排入巷道或瓦斯抽放管路。4钻机、钻机、除尘装置的现场试验为了验证中风压空气钻进在松软突出煤层中钻进的效果、钻杆内下筛管工艺的可行性和配套钻机、钻头和除尘装置的使用可靠性,在淮北矿业(集团)公司进行了试验。4.1工作面周边地质构造试验在淮北芦岭煤矿Ⅱ827工作面进行。该工作面煤厚为3.9~10.0m,平均6.95m,发育较稳定,煤层总体分布为东部较薄;工作面东西边界附近煤层受构造影响煤层厚度赋存不稳定。该面地质构造较复杂,受构造影响,断层附近煤层起伏较大。煤层普氏系数为0.20~0.45,瓦斯压力约3.5MPa,相对涌出量约20m3/t。试验点Ⅱ827运输巷宽度约3.3m,局部宽2.8m,巷道高度2.8m,巷道有局部地区受地压作用而变形。4.2孔深度及锚点的施工分析试验共施工钻孔11个,其中1个钻孔钻进至54m时进入煤层顶板停钻,另有3个钻孔分别钻进至49,69,76m时,因钻孔垮塌严重而停钻,其余钻孔深度均超过100m,最深钻孔为120m。平均钻进效率达10.10m/h,其中纯钻进效率为20.76m/h。在钻孔过程中经常遇到瓦斯喷孔、煤炮和卡钻等现象,钻机能力大,处理了绝大部分的孔内事故。在筛管输送工艺现场试验中,2人即可完成筛管输送的全部工作;内芯可脱式钻头在筛管轴向力作用下脱落后,顺利提出钻杆并将筛管留在孔中作为瓦斯抽放通道,达到预期效果。除尘器水源直接采用矿井静压水,除尘效果良好,改善了钻场的施工环境。5现场试验的结果利用中风压空气钻进工艺应用在松软突出煤层中钻进,设计了通过钻杆内下筛管的成孔工艺,并设计了配套的钻机、钻具和孔口除尘器。通过现场试验表明:①中风压空气钻进工艺在松软突出煤层中有良好的应用效果;②利用内芯可