煤层井下中风压空气钻进工艺技术研究

煤层井下中风压空气钻进工艺技术研究

在松散层中，很难将长井和宽井进行开采。在钻孔过程中，容易发生喷孔、坍塌孔和卡孔事故，导致孔深而平，孔率低。针对松软煤层钻进难题,前人做了大量研究工作、尝试了多种钻进工艺方法,包括水力排渣钻进技术、低风压空气钻进技术、干式螺旋钻进技术等。其中,常规水力排渣钻进由于水的冲刷作用强,钻进过程中孔壁垮塌严重,频繁引起卡钻事故,实践证明它适合钻进硬煤层,而不适合钻进松软煤层。随后开发的井下低风压空气钻进技术和干式螺旋钻进技术使松软煤层中瓦斯抽采钻孔的平均成孔深度有所增加,不同矿区达到几十米不等,少数矿区超过了100m,但仍然不能完全满足高效抽采瓦斯的需要。综合分析低风压空气钻进技术与干式螺旋钻进技术在松软煤层中施工瓦斯抽采钻孔深度受限的主要原因是:(1)低风压空气钻进技术以矿井压风系统作为风源,供风压力低,且风量不稳定,钻孔施工至一定深度后排粉困难,往往因孔内卡钻事故增多而导致无法继续钻进;(2)常规螺旋钻杆的叶片高、窄,钻进过程中对孔壁的刮削作用强,钻孔下沉快,易钻出煤层,且深孔钻进时钻具回转阻力大,对钻机的能力、钻具的强度要求高,限制了其成孔深度。此外,松软煤层中瓦斯抽采钻孔成孔提钻后易出现坍塌堵孔现象,影响瓦斯抽采效果。松软煤层在我国可采煤层中占有相当大的比例,开发松软煤层瓦斯抽采钻孔施工技术与装备具有重要的现实意义。1研制内芯可脱式钻头开发井下中风压空气钻进技术、研制集成配套装备的整体思路是:(1)针对低风压空气钻进供风压力低、风量不稳定的问题,以中等压力级别的防爆空压机作为风源独立供风,提高排粉动力;针对常规钻杆通孔直径小、过风压力损失大,煤粉易在钻孔下侧沉积的问题,研制大通孔宽矮叶片螺旋钻杆,通过钻杆的旋转搅动钻孔下侧沉积的煤粉,实现空气与螺旋钻杆复合排渣,以此达到顺利排渣的目的;(2)针对松软煤层中风压空气钻进时煤粉量大、孔口粉尘大的问题,研制多级无动力源除尘器,达到降尘、防止巷道粉尘污染的目的;(3)松软煤层中长钻孔钻进成孔难度大,如何保证成孔后钻孔的有效性,防止孔壁坍塌影响瓦斯抽采效果十分关键,为此研制内芯可脱式钻头,结合大通孔宽矮叶片螺旋钻杆,开发通过钻杆内孔安设筛管的护孔工艺,达到护孔的目的;(4)此外,针对松软煤层小断面巷道条件下钻进深孔及方便搬迁等对钻机的要求,研制小体积、大功率、履带自行式全液压钻机。针对井下中风压空气钻进工艺参数,重点研究了供风流量和供风压力。供风流量以使钻孔内煤粉处于“悬浮”状态为准,结合水平孔内煤粉的运移特点,确定供风流量的经验计算公式如下:式中:Q为供气流量,m3/min;D为孔径,m;d为钻杆直径,m;V为上返风速,m/s;K为系数,一般取1.3左右;λ为钻孔扩径系数,取值界于1~1.1之间。式(1)中首次引入了钻孔扩径系数,它使计算结果更加趋于准确,具体取值根据所施工煤层的坚固性系数f的值来确定:0.2≤f<0.5时,λ取1.05~1.1;供风压力以克服循环过程中各种流动阻力为准,计算公式如下:式中:p为供风风压,MPa;△p为总压力损失,MPa;△pna为压缩空气通过钻杆内孔的压损,MPa;△pma为空气与钻屑的加速压损,MPa;△pmf为空气与钻屑摩擦压损,MPa;△pst为钻屑颗粒群悬浮提升压损,MPa;∑△p1x为各局部压力损失之和,MPa。同时开展了地面模拟试验以研究水平环状间隙内煤粉的运动方式、运移规律及沿程压力分布:以透明有机玻璃管和钢管模拟孔壁,通过有机玻璃管可直接观察钻杆外煤粉的运移情况;通过布置压力变送器来测量压力分布。结合经验计算公式和室内模拟试验确定:ue78894mm孔径、ue78873mm钻杆,孔深达到200m时,钻进排粉所需风速须大于23m/s,所需最小供风流量须大于306m3/h,排渣所需供风压力须大于0.64MPa。2海洋平台空气钻机,如图4所示专门设计2.井下中风压空气钻进技术配套装备主要由6部分组成:防爆空压机、流量计、大通孔宽矮叶片螺旋钻杆、全液压履带式钻机、孔口密封器和孔口除尘器。1)防爆空压机作为独立风源为中风压空气钻进提供流量稳定的压缩空气,其主要技术参数见表1。2)流量计的型号为CX-100-MA,它是一种旋进漩涡式流量计,用于测量送入孔内压缩空气的体积流量,指导钻速、钻压等工艺参数的调控。3)大通孔宽矮叶片螺旋钻杆是为实施空气与螺旋钻杆复合排渣及下筛管护孔工艺而专门设计的,它能够实现机械拧卸、减轻工人劳动强度;钻杆旋转过程中,宽矮叶片能够有效搅动孔壁下侧沉粉,提高空气排粉效果,与常规螺旋钻杆相比,宽矮叶片对孔壁的刮削作用小;大通孔一方面减小了过风阻力,同时为下入大直径筛管提供了通道。4)中风压空气钻进用ZDY3200L钻机,主要技术参数见表2。采用一体化紧凑设计,在小体积条件下实现了功率的最大化,钻机机体宽度为1.35m,与同类型钻机相比紧缩10%,适合松软煤层小断面巷道作业条件;同时,运用仿真技术为该钻机开发了低发热型液压系统,提高了效率;新研制的液压卡盘采用插入式卡瓦,其更换更加快捷,并使胶筒的使用寿命大幅延长。5)孔口密封器的作用是使孔内返出的气固两相流进入除尘器,防止孔口粉尘污染。6)中风压空气钻进用三级无动力源除尘器综合利用了惯性、水浴和文丘里3种除尘原理,以排粉的残余风压作为动力,按照大中小的顺序逐级分离煤渣屑,其结构简单,安全可靠,除尘效率高。3抗静电阻燃筛管制备工艺中风压空气钻进筛管护孔工艺的基本流程:钻孔施工到预定孔深后,将孔内钻具提离孔底一小段距离(一般30~50cm即可),在孔口将抗静电阻燃筛管通过钻杆内通孔下放到孔底,并施加一定的轴向推力将钻头内芯顶掉,提钻后将筛管留置在孔内完成安设。筛管护孔工艺的关键是内芯可脱式钻头的研制,要求钻头内芯在正常钻进时与钻头体可靠连接成为一体,全断面切削孔底煤层;下放筛管时,在筛管推力的作用下脱芯要灵活方便。研制的内芯可脱式钻头的内芯与钻头体之间依靠弹簧和定位钢球固定,钻头体通过其上的台阶和键为内芯传递给进压力和扭矩。4煤层凝固性系数界松软煤层中风压空气钻进技术与装备已在淮南、淮北、通化、韩城、平顶山等多个矿区推广应用,其中芦岭煤矿和祁南煤矿是该技术及装备成功应用的典范。在淮北芦岭煤矿II827工作面先后共施工瓦斯抽采钻孔110余个,总进尺近8000m,所钻煤层坚固性系数界于0.2~0.45之间,钻孔平均成孔深度由原来的40m左右提高到了70m左右,有效解决了该采面瓦斯抽采钻孔的施工难题,使瓦斯实际抽采时间较预计缩短数个月,保证了采面的顺利接续。祁南煤矿34下3#工作面煤层坚固性系数界于0.5~0.8之间,利用中风压空气钻进技术及装备共施工瓦斯抽采钻孔50余个,总进尺超过了10000m,平均成孔深度由原来的100m左右提高到了200m左右,最大成孔深度为238.5m;713工作面煤层坚固性系数仅有0.18左右,利用中风压空气钻进技术施工瓦斯抽采钻孔150余个,平均成孔深度由原来的30m左右提高了70m左右,满足了施工松软煤层瓦斯抽采钻孔的需要。5提高成孔率、成孔效率井下中风压空