煤矿井下松软煤层钻孔成孔、护孔及高效抽采工艺研究与应用

松软煤层钻孔成孔、护孔及高效抽采工艺研究与应用1实施前状况及存在问题1.1实施前状况**矿是高瓦斯矿井，所采煤层为3#煤，煤层分为硬质煤层和松软煤层。目前，在松软煤层施工瓦斯抽放钻孔主要采用的工艺有两种：一种是光面圆形钻杆配合水力排渣，另一种是螺旋钻杆通过螺旋排渣。在松软煤层中施工的抽放钻孔，普遍存在钻进困难、钻孔成孔难度大，塌孔、堵孔、卡钻、顶钻、掉钻等现象，抽放效果不理想，严重影响矿井正常的生产衔接。如何解决煤质松软区段钻进成孔问题是矿井瓦斯抽采的一大难题。1.2存在的问题1.2.1不同类型钻杆施工钻孔时成孔困难1.2.1.1在松软煤层中施工时，循环水对于孔壁的冲刷、浸泡破坏作用相当严重，钻孔极易破碎塌孔，由于地应力、瓦斯压力、钻杆震动等因素，在钻进过程中经常出现局部塌孔、堵孔现象，成孔极其困难。同时因钻孔塌孔、堵孔，导致水力排渣通道堵塞，轻者卡钻、掉钻，严重时因摩擦发热引起煤和瓦斯燃烧，酿成重大安全事故。1.2.1.2螺旋钻杆施工螺旋钻杆施工时采用干钻进没有水的润滑，长时间和煤体进行干摩擦容易产生高温甚至火花，使摩擦力增大，钻杆老化，易发生掉钻事故。采用干钻进施工，现场煤尘飞扬不易控制，作业环境恶劣，且煤粉容易被抽采系统的负压带进管路，增加瓦斯抽放管路自重，造成管路坠落事故，严重威胁抽采系统安全运行。螺旋钻杆采用插接式连接，钻杆在钻进过程中摆动大，造成钻孔偏离中心，孔壁不平直，增加钻进时的阻力，同时孔壁受钻杆摆动影响而破坏，容易出现钻孔塌孔、堵孔等现象。退钻时滞留在孔内的煤渣多，减少孔内的有效抽采面积，影响钻孔抽采效果。1.2.2钻孔孔壁稳定性差，容易出现塌孔无法抽采井下松软煤层中施工的裸眼钻孔，煤壁稳定性差，在钻孔施工到位退钻后，钻孔孔壁短时间内将出现坍塌，堵塞孔内通道，导致堵塞段以里无法抽采。2改进目的2.1在松软煤层中，采用光面圆形钻杆和螺旋钻杆钻进时，均出现塌孔、堵孔、卡钻、掉钻等异常情况，无法继续施工，严重制约矿井瓦斯抽采工作的顺利开展。塌孔，塌孔是钻孔壁发生垮塌的现象，形成垮孔的主要原因有3个方面：①煤层软，孔壁受震动后随钻进而崩塌；②钻孔深度增加，钻头下扎，孔不直，发生弯曲，钻进时钻杆发生大幅度偏离中心线摆动，破坏孔壁；③喷孔时瓦斯流对孔壁的破坏。堵孔，堵孔是钻机过程中钻孔被煤粉充实造成无法排渣的现象，形成堵孔的原因主要有：①孔内排渣不尽并不断积存，造成钻孔前方的煤渣、煤粉无法外排，形成堵孔；②垮孔未能停止，边排边垮，造成无法正常清理孔内残渣；③喷孔的结果。卡钻，卡钻是钻头既不能前进也不能后退的一种状态，它主要是由于喷孔时未能及时退出钻杆，破碎的煤体将钻杆和钻头箍紧，排渣不利，孔内积尘增多，此时仍然钻进，使堵孔、垮孔的范围不断增大，从而造成卡钻，钻杆无法进退。喷孔、塌孔、堵孔和卡钻虽然是不同的现象，但他们之间有时相互联系。卡钻容易造成严重的孔内事故，出现卡钻时往往会进行强拉硬拽，进而发生掉钻事故。根据上述孔内事故的特征，在松软煤层中，采用水排渣工艺不变的前提下，更换不同类型的钻杆，以达到施工长钻孔抽放瓦斯的目的。2.2在钻孔完孔之后，将PVC筛管下入孔内，钻孔内瓦斯可通过筛管抽出，确保钻孔抽采效果。3主要改进方面根据上述孔内事故的特征，主要从两个方面进行改进。3.1钻杆外形的改进采用三棱螺旋钻杆替代光面钻杆和螺旋钻杆进行施工，确保与水力排渣工艺的充分结合，主要有以下几点好处。第一，三棱螺旋钻杆是采用三棱凸棱型中空合金钢管结构制成，抗疲劳性好，传递扭矩大。第二，与传统钻杆相比，新型三棱螺旋钻杆在钻进过程中，平面比曲面更能把煤屑搅动起来。对煤渣有效的搅拌使钻孔内钻渣围绕钻杆做轴向运动，并使钻渣得到粉碎和扬起，使之处于悬浮状态，而不会出现沉淀、堆积。不容易出现抱钻、卡钻等孔内事故。第三，在钻杆与钻孔壁之间形成了三个半圆形空间，实现排渣量小，排渣颗粒均匀，流动通畅，成孔率高，成孔的线性好等特点。在钻杆转动过程中，六条棱能将颗粒进行再次粉碎，颗粒更小，更容易排除。此类钻杆保留了部分圆钻杆的表面，有利于钻杆转动时的稳定。第四，在旋转径差的作用下，形成三棱螺旋钻杆对钻孔壁连续的腻抹加固，因而大大降低因塌孔造成钻杆抱死的现象，又被称为防抱死钻杆，极大提高了煤矿生产的安全系数，提高生产效率作用突出。图1光面钻杆图2三棱螺旋钻杆3.2钻杆排渣空间的改进三棱钻杆铣削出三个面后，在半圆表面又增加了螺旋槽，大大增加了排泄通道，能加速钻杆排渣。在孔内遇到塌孔现象时，大块碳卡在孔内，通过旋转钻杆上方的六条棱将其挤碎，将渣排出孔外；螺旋槽还有加速排瓦斯的作用，钻孔在施工过程中煤粉将钻杆三面堵塞后,水混合着瓦斯从螺旋槽内排出，防止因煤粉堆积引发孔内瓦斯集聚，造成喷孔事故。3.2钻孔封连孔方式的改进钻孔用护孔筛管采用具有抗静电阻燃性的聚氯乙烯材质，简称PVC管。赛馆设计参数：筛眼直径10mm，孔间距200mm，4排布置，展开后孔眼呈梅花形，筛管外径40mm，壁厚2.9mm，单根长度1.5m，采用丝扣连接。煤层钻孔施工达到设计深度后，钻杆供水的情况下继续旋转30min左右，以保证充分排出孔内煤渣，见返水变清后，退钻下筛管。4效益及效果针对松软煤层中瓦斯抽放钻孔成孔率低的问题，我们引进三棱螺旋钻杆结合钻孔孔内下筛管护孔工艺，分别在四五一巷、53144巷迎头等地点进行了钻孔施工实验。取得的效果有以下几点。第一、钻孔成孔率明显提升表1实验地点钻孔施工情况表实验地点钻杆类型施工孔数（个）平均钻孔长度（m）单孔最深孔长（m）四五联络1巷正头光面圆形钻杆517.526三棱螺旋钻杆2910814053114巷正头光面圆形钻杆43668三棱螺旋钻杆45133202第二、钻孔施工效率明显提升在以上两个实验地点进行钻孔施工时，由于煤体松软破碎，光面钻杆无法正常施工，频繁的卡钻、塌孔，导致一天的最高进尺也仅能完成70m左右，且多是长度在20m上下的短钻孔，抽放价值不大。而采用三棱螺旋钻杆之后，日进尺平均能达到160m，最高时能达到200m左右，钻孔施工效率显著提高。第三、钻孔抽采效果较好通过对实验地点抽采效果的连续考察，四五联络1巷迎头采用三棱螺旋钻杆施工钻孔的平均百米流量达到0.0183m3/min*hm，原4310面施工所用螺旋钻杆考察的钻孔百米流量数据为0.003m3/min*hm，而四五联络1巷正头钻孔的百米流量数据要好于螺旋钻杆的抽放情况，与光面钻杆在正常煤体条件下的瓦斯抽采数据相近。表2实验地点钻孔瓦斯抽放情况测定日期施工地点负压(KPa)浓度(%)流量(m3/min)纯量(m3/min)百米流量(m3/min*hm)抽采总进尺(m)7月7日53144巷2513.40.430.0580.00160237月14日25100.430.0430.00077月28日259.60.440.0420.00078月4日2510.20.450.0460.00088月11日2517.60.460.0810.00138月4日四五一巷2221.830.6540.02