突出松软煤层打深孔技术

突出松软煤层

打深孔技术河南理工大学彭立世教授（煤矿瓦斯治理研讨会交流材料）松软煤层打钻遇到的

问题及原因分析松软煤层打钻遇到的问题喷孔、卡钻形成过程喷孔和卡钻原因分析松软煤层打钻遇到的问题是：喷孔、跨孔、堵孔和卡钻，严重的诱发瓦斯突出。喷孔是一种小型的井喷，高压瓦斯气流向孔口喷出，承压瓦斯携带的煤粉直接冲向巷道对帮。顿时，孔口烟雾迷漫，并伴随煤炮声和气流冲击声。有的短时间几分钟停止，也有的可延续到20多分钟，表现为脉冲形式，喷出的煤粉在孔口附近形成锥状堆积，最多达到一顿或更多。此时巷道瓦斯严重超限，只好停钻撤人。喷孔往往伴随着跨孔、堵孔和卡钻的出现。无法继续钻进，甚至由钻进变成事故处理。鹤壁十矿1113采面切眼打钻诱发瓦斯突出，停一个月才恢复打钻。

喷孔、卡钻形成过程：根据随班观测，松软煤层打钻喷孔可分成：煤体破碎→瓦斯聚积→瓦斯释放三个阶段，各阶段又有多种状态发生。煤体破碎（钻进→切削煤→煤体粉碎）→瓦斯聚积（瓦斯迅速解吸→孔壁破裂→孔内堵塞→瓦斯梯度猛增）→瓦斯释放（突破堵塞→喷孔和卡钻）

喷孔和卡钻原因分析：钻孔喷孔应看作是钻孔中出现的动力现象，这种现象的出现类似煤与瓦斯突出，主要是高压瓦斯、应力集中和软煤存在三个因素综合作用的结果。当钻孔进入软煤分层时，钻头的切削旋转，对软煤产生一种冲击和破碎力，这种力使煤体破裂、粉碎，破裂和粉碎了的煤体，顿时产生瓦斯迅速解吸。钻孔周边煤体快速度的瓦斯解吸，使流入钻孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的几倍到几十倍，此时钻孔前方与后方出现了较大的瓦斯梯度，因而出现了明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激流对破坏的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，同时还继续向钻孔周边扩大影响范围，由于钻孔孔径小和钻孔出现堵孔，瓦斯激流和粉化了的煤颗粒难以顺利的向孔外排出，进一步增加了钻孔内外的瓦斯压力梯度，致使这种瓦斯涌出变成了爆发性的孔内瓦斯向孔口外流，形成喷孔。

另一种喷孔是由于煤层中含水，钻头切削时的煤粉难以顺利排出，在钻孔的浅部（10-20m的范围内）出现堵孔。再是打钻风压和风量不够，排碴不力，出现堵孔。堵孔造成迅速解吸的瓦斯无法排出，孔内的压力梯度达到某个极限时，发生喷孔。卡钻是与喷孔联系和同时发生的一种现象，喷孔时末能及时退出钻杆，破碎的煤体将钻杆和钻头箍紧。或是孔内出现塌孔、堵孔时，排渣不力，孔内积尘增多，此时仍然钻进，使堵孔、塌孔的范围不断扩大，造成钻杆和钻头箍紧，钻头无法进退。喷孔、塌孔、堵孔和卡钻是不同现象，但又是相互联系的，卡钻是严重的打钻事故，往往可能出现扭断钻杆丢失钻头。松软煤层中打深孔的

基本技术实现松软煤层中打深孔，必须采取综合的办法来解决，综合办法包括：钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等方面。因为目前使用的钻机已定型，液压150钻机已广泛使用，这里主要总结打钻工艺。松软煤层中打深孔的

基本技术稳固钻机保证风压风量、钻孔排渣好掌握给进压力和钻进速度搞好钻孔设计提高钻工技术素质

稳固钻机：钻机底部有垫木垫在实底上，要用立柱控制钻机位置，防止钻机在钻进过程中震动，钻机震动将会造成钻杆在钻进过程中摆动或闪动，形成钻孔偏离中心，孔壁不平直，增加阻力，削弱前进能力，孔壁受钻杆摆动影响而破坏，增加跨孔堵孔的形成条件。这是打钻前重要环节。保证风压风量、钻孔排渣好：做到不堵孔，减少喷孔，降低喷孔强度都靠排碴，排碴的好坏，直接关系到钻孔的成败，排碴不好，不仅造成堵孔、卡钻，而且会磨擦发热产生高温，严重时导致钻孔内起火，带来安全隐患。钻孔排碴好依托两个条件：保证打钻风压和风量。根据我们测定风压必须在3-4kg/cm2，风量必须每分钟2-3m3/min。当井下压风满足不了时，必须采取安装井下压风机来解决。

钻进过程中必须观察排碴情况，及时采取退钻措施，经实践我们形成“低压慢速、边进边退、掏空前进”的软煤打钻工艺思路，经平煤和鹤煤三个工作面反复试验，证明这一工艺思路是正确的。退多少根钻杆要根据排碴效果确定，严格禁止在排碴不顺的情况下强拔硬进，有时可以先停止进退，送风排碴，使钻杆活动后再进或再退。不看排碴盲目钻进，出事故是不可避免的。含水煤层孔内煤粉变成煤泥糊或煤泥团，单纯送风往往难以达到孔内通畅的效果，多退钻，反复退是完全必要的。此时决不能强调钻进速度，单纯要进尺，会事与愿违，欲速不达。

掌握给进压力和钻进速度：钻机给进压力的极限是固定的，不同层段要掌握不同的给进压力，压力升高的原因是①换层；②孔内出现堵孔；③钻具损坏，断钻头钻杆也会致使压力突然变化。当给进压力突然升高时必须采取果断措施，一是停止钻进，进行压风排碴；另一种是撤钻退钻。钻进速度必须保持适当，软煤分层中钻进主要是降速，通过降速充分排碴，减少沉碴，同时也起到降低给进压力的作用。所以软煤钻进速度要比硬煤慢。钻进速度和给进压力的掌握，需要针对不同钻机、不同煤层特征和排碴条件进行测试和总结。

图1是在平顶山十矿测试的一个实例。17号钻孔开始给进压力保持在5-6Mpa，速度每根钻杆3.5-4.5分钟，即每分钟钻进0.33-0.43m，基本正常，到14根(21m)时出现煤炮，属进入软煤分层。钻进速度和给进压力未能及时下调，到16根(24m)出现大喷孔，随后虽放慢速度采用进进退退，而给进压力反而上升到8-11Mpa，打到34根（51m）出现钻杆折断，钻头丢到孔内。

搞好钻孔设计：钻孔设计不能简单化，一次完成。我们把工作面布孔设计分为方案设计、分段设计和施工设计，三个阶段进行。布孔方案设计：布孔方案设计是工作面瓦斯抽放设计的重要组成部分。根据煤层和巷道状况，按不留或少留空白带的要求，对采面全面布孔。明确布孔形式，钻孔密度、施工顺序。

钻孔施工分段设计：目的：根据工作面抽放方案设计的要求，结合不同地段的瓦斯地质和巷道条件，进行逐段设计。通过分段设计优选钻孔施工参数，实现抽放钻孔优化。分段设计前要调查该段地质构造煤层倾角、煤厚、巷道条件等。设计中包括不冈钻孔的方位角、倾角、孔深、孔径和开孔点距底板高度等，并有附图。钻孔施工设计：主要是钻孔参数的调整。由于煤层产状和厚度不稳定，钻孔深处往往存在变化，因此必须通过施工钻孔，及时判断钻孔前方的煤层赋存状况。对设计钻孔及时调整参数，经调整参数后施工的钻孔基本能达到设计深度。

提高钻工技术素质：为实现“先抽后采”，在打钻过程中，要特别重视提高打钻工人的技术素质，并从体制和机制上落实，使他们不仅会使用钻机、维修钻机，还要弄懂松软煤层打钻技术，规范操作，并具备应变能力，这是当前充分发挥抽放设备资金投入的作用，提高打钻深度的关键环节。主要效果提高了打钻深度提高了单机月进尺

防止了卡钻事故严重突出工作面实现了放顶煤开采提高了打钻深度：在三个矿三个工作面组织实施，皆采用液压150钻机，钻孔深度皆有显著提高，单孔深度由原来30-40m，向上孔和水平孔平均深度达到60m以上。在平顶山十矿20150采面，实施43个钻孔，最大深度72m。在鹤壁六矿2814采面实施376个孔，总进尺23307m。最大深度77.8m。在鹤壁十矿1113采面组织实施224个孔，总进尺11650m，最大深度73.6m。提高了单机月进尺：鹤壁六矿2#钻机月进尺达到3570.8m。防止了卡钻事故：在鹤壁研究期间未出现卡钻事故。严重突出工作面实现了放顶煤开采：鹤壁2814和1113皆为严重突出采面，煤层以软煤为主，通过系统布孔和本煤层打深孔措施，基本实现无空白带，瓦斯预抽率在30%以上，因而经审批获得放顶煤开采通行证。二个工作面皆于2003年11月前后正式投产，未出现瓦斯突出。

结论和今后研究方向提高松软突出煤层打深孔是实现“先抽后采”的基础技术工程。当前钻机能力基本相同的情况下，提高深度的关键在于研究打钻工艺和提高钻工素质，规范和掌握打钻工艺。为了在突出煤层实现打深孔，满足于采面防突和治理瓦斯的需要，应继续开展松软煤层打深孔攻关。在提高钻机能力，完善适应钻具和操作工艺等方面继续进行研究和实验。亟待解决提高瓦斯抽放效果的体制和机制问题

自国家煤矿安全监察局提出瓦斯治理十二字方针以来，瓦斯抽放得到了长足的进展。加强了领导，加大了投入，健全了队伍，瓦斯抽放量显著增加，是有目共睹的事实。当前我们需要关注的是：如何进一步提高投资效益，抽放投入如何作到效益最大化。不少矿井存在三个偏低：抽放瓦斯浓度偏低，打钻深度偏低，抽放率偏低。本煤层抽放瓦斯浓度不到20%，松软煤层打钻深度60m左右或更低，百米钻孔抽放量在0.02m3/min·百米左右，工作面本煤层抽放率还在20%以下。原因在哪里？除煤层透气性低外，（1）瓦斯抽放队伍的素质还不适应瓦斯抽放严要求的形势；（2）瓦斯抽放技术力量较为薄弱。不少矿井没有瓦斯抽放工程师和技师，熟练技术工人也较少；（3）瓦斯抽放的体制和机制不适应提高抽放效益的要求；（4）瓦斯抽放工程是主？还是辅？还不明朗。为了进一步落实先抽后采，在继续增加投入和开展技术攻关的同时，建议：1、建立和健全瓦斯抽放评估的定量体系；2、将瓦斯抽放基础工作纳入矿井安全评估和安全监察工作中；3、抽放队伍专业化、工程化：建立抽放工程监理制度，采用工程承包和招标方式，将瓦斯浓度、钻孔深度、抽放率作为工程考核目标。通过承包或招标来提高素质、调动积极性、进而保证工程运行质量。4、尽快培养一批瓦斯抽放技师和高级技术工人；