瓦斯抽放钻孔在瓦斯抽放中的应用

瓦斯抽放钻孔在瓦斯抽放中的应用

中国的煤炭资源总量超过70%，预计在未来几十年将超过50%。因此,煤炭在相当长的时期内仍为我国主要能源。煤矿瓦斯爆炸、煤与瓦斯突出等事故频发一直是我国煤炭行业面临的重大安全生产问题。要想实现全国煤矿安全生产的稳定运转,保证煤炭工业的可持续发展,就必须采取强有力的瓦斯治理措施,特别是对松软煤层的瓦斯治理。1煤层树下钻孔瓦斯抽放的直接手段是施工瓦斯抽放钻孔,通过负压抽出瓦斯,为掘进工作提供安全保障。但在普氏系数低于0.5的松软煤层中,由于煤层疏松,地层稳定性较差,钻孔施工期间极易发生孔壁坍塌,造成卡钻、埋钻,导致成孔率低,从而影响了瓦斯抽放效果,为煤矿生产埋下重大安全隐患。为此,迫切需要研发适用于松软煤层瓦斯抽放的钻孔工艺技术及其配套钻具,为松软煤层瓦斯抽放提供有力的技术支持。2传统的松散煤层砌块钻孔技术2.1减少了钻孔作业目前在松软煤层中钻进成孔主要应用三棱钻杆,与外平钻杆相比,其增大了钻杆与钻孔间形成的间隙,同时由于钻杆的搅动作用,在排粉过程中孔内煤粉一直处于运动状态,煤粉在孔内的沉积量大大减少,保障了钻孔施工过程中排粉通道始终畅通,从而降低了钻孔堵塞、卡钻和夹钻等事故发生的可能性。三棱钻杆在工业性现场实际应用中取得了较好的效果,但在使用中也暴露出一些技术问题:孔内煤粉在三棱钻杆的作用下只能以三棱钻杆为轴在同一径向平面作圆周运动,导致煤粉排出孔外的上升作用力不强,如果遇到更为松软的煤层同样会发生堵塞钻孔的现象;由于钻杆的回转半径大,当孔内煤与瓦斯突出时,钻杆所受的阻力太大,容易抱死钻杆。2.2风和高压水作用宽叶片螺旋钻杆是将螺旋叶片在钻杆有效长度内绕制而成的,与普通螺旋钻杆相比,宽叶片螺旋钻杆除了利用螺旋叶片排渣外,其主要排渣渠道是利用高压风和高压水的作用将大部分煤渣或岩屑排出孔外。在螺旋叶片与高压风或高压水的双重作用下,宽叶片螺旋钻杆的排渣情况极为顺畅,其排渣效率远胜于普通螺旋钻杆。但由于螺旋叶片的宽度有限,对煤粉的上升作用和搅拌作用有限,煤粉不能有效排出,易沉积,最终导致卡钻、埋钻等事故,降低了瓦斯抽放率。在结构上,由于宽叶片钻杆的螺旋叶片是焊接到钻杆本体上的,破坏了钻杆的整体结构,降低了钻杆的机械强度,在钻进过程中,增大了钻杆断裂的可能性。3研发适合软件抽放的钻井新技术及其配套钻具三棱钻杆和宽叶片螺旋钻杆在一定程度上缓解了松软煤层瓦斯抽放的难题。但是松软煤层极不稳定,即便采用三棱钻杆和宽叶片螺旋钻杆施工的抽放钻孔能达到设计深度,抽放钻孔也易坍塌。在后期瓦斯抽放过程中能有效利用的钻孔也远远低于设计深度,达不到设计的抽放效果,不能从根本上解决松软煤层瓦斯抽放问题。为解决抽放钻孔成孔后钻孔在抽放过程中的坍塌问题,提高抽采效率,需研发适合松软煤层瓦斯抽放钻孔新技术及其配套钻具。新技术的核心是研发出能够下放筛管的钻头。该钻头在保证钻进时效的同时,在钻达设计孔深后从钻杆内下入的筛管能通过钻头留在抽放钻孔内。筛管在后期的抽放过程中对孔壁起到有效的支撑作用,保证抽放钻孔的持续有效性,形成良好的瓦斯抽放通道,提高抽放钻孔的利用率。3.1棱钻杆的作用在结合三棱钻杆和宽叶片螺旋钻杆特点的基础上,研制了多功能钻杆,见图1。多功能钻杆既利用了三棱钻杆对煤粉的径向搅拌作用,又利用了螺旋钻杆对煤粉的轴向螺旋上升作用,使煤粉在其共同作用下顺利排出孔外,保证钻孔施工过程中排粉通道始终畅通,使瓦斯得到有效释放。此外,多功能钻杆具有辅助排渣散热、钻进效果好、转矩小、钻进深度大的技术优势,是适用于松软煤层钻进的钻杆。3.2开闭式钻头目前,瓦斯抽放主要采用裸眼钻孔抽放和下筛管抽放两种方式。在松软煤层中,采用退钻裸眼抽放会造成孔壁坍塌,局部堵塞钻孔,影响抽放效果。即使下入筛管抽放,筛管也因孔壁坍塌无法下入孔底,进而影响抽放效果。为保证在松软煤层中瓦斯抽放效果,研发了不退钻可下筛管的开闭式钻头。该钻头在不退钻的情况下,将筛管通过钻杆、开闭式钻头送入孔底后再退钻,保证了筛管的下入深度。开闭式钻头由外钻头、内钻头、中心钻头等部分组成,如图2所示。在正常钻进时,开闭式钻头的中心钻头3一端通过销轴5固定,另一端为自由端,通过搭接槽6处的防脱装置锁定,进行全面钻进。当钻进到设计孔深时,在不退钻的情况下,使筛管穿过钻杆。通过筛管向中心钻头施加一个轴向力,搭接槽6处的锁定装置解锁,中心钻头3围绕销轴5翻转,使筛管通过开闭式钻头下入到孔底,再进行退钻作业。退钻完成后,通过顶筛管装置将筛管留在孔底,完成筛管的整个下放过程。3.3顶筛管装置工作原理筛管通过钻杆和开闭式钻头下入孔底后,在退钻杆过程中,筛管与钻杆之间存在摩擦力。在摩擦力的作用下,筛管会随着钻杆一起退出,降低了筛管的下入深度,因此需要顶筛管装置来保证在退钻时筛管可下入指定位置。为此,研发了顶筛管装置,见图3。在退钻之前,将顶筛管装置安装在钻机导轨后面,将1根钢管插入钻杆,钢管的一端顶住筛管,另一端放入装置的凹槽内。卸钻时,先将凹槽后退取出钢管,再卸钻杆。4现场试验4.1试验单位及区域地层概况平煤十矿位于平顶山矿区东部、程平路何庄北,1964年建成投产,设计生产能力120万t/a,1982年矿井进行改扩建,扩建后生产能力达180万t/a,2006年矿井核定生产能力290万t/a。矿井主采丁、戊、己3组煤层,均为突出煤层。历史上共发生煤与瓦斯突出48次。本次试验所选钻场:己15-24080机巷外段距离原突出地点30~80m区域。试验煤层普氏系数0.2~0.4,瓦斯压力3.0MPa,瓦斯含量约20m3/t,煤层倾角10°~20°。试验采用中煤科工集团重庆研究院自主研制的ZYW-3000型液压钻机(最大转矩3kN·m,转速60~250r/min),试验历经102d,成孔抽采时间100d。4.2新型瓦斯抽放钻孔技术的应用效果本次试验选取钻孔10个,每个孔间隔2m,钻孔倾角12°~14°,成孔率82%~94%。具体数据见表1。通过表1可以看出:1)已下筛管的孔(除8#孔仅下筛管15m)抽放期间,瓦斯最高体积分数超过95%,最低也在50%以上;而未下筛管的孔最高瓦斯体积分数小于60%,最低时只有1%。试验数据表明,在松软煤层进行瓦斯抽放时,传统抽放技术的瓦斯抽放浓度低,衰减快,采用新技术抽放的瓦斯浓度高,衰减慢。2)据平煤十矿提供的数据,在传统抽采技术下单孔纯抽采量为0.015m3/min,而本次试验得出实际传统抽采技术单孔纯抽采量最高只有0.009m3/min。3)已下筛管的孔(除8#孔仅下筛管15m)平均纯抽采量是未下筛管孔平均纯抽采量的8.367倍。4)8#钻孔与9#、10#钻孔相比,即使筛管下深浅至15m,也比未下筛管的孔平均纯抽采量高出1.86倍。5)下筛管技术有效避免了钻孔坍塌,形成持续有效的瓦斯抽放通道,增强了瓦斯抽放效果;8#孔筛管下深只有15m时主要是因为成孔后,采取传统方法下筛管,即退钻后下放筛管。下至15m因孔壁坍塌遇阻。而1#~7#钻孔则是采用新技术下放筛管,即将筛管下至设计孔深后再退钻。表1的数据说明,新型瓦斯抽放钻孔技术显著提高了筛管下放深度和瓦斯抽放率。6)多功能钻杆排渣能力强,钻进深度大,能较好满足松软煤层钻进的要求,成孔率82%以上。另外,由于钻孔深度增加、瓦斯抽放效果显著,有效地减少了瓦斯抽放孔的布孔数量,减轻矿工工作量,缩短掘进煤层所需时间,提高单位时间内煤炭产量。由于开闭式钻头的破岩机理主要是针对松软煤层,在钻进中遇到矸石出现了钻具蹩跳现象,对钻头牙齿存在一定的磨损,在以后的研究中还需进一步对该钻头进行完善和优化。5新型瓦斯抽放钻孔技术在松软煤层钻进中容易出现垮孔、卡钻、埋钻等