屯留礦松軟突出煤層提高鉆進深度研究

郭金鋼孫玉寧王永龍王東飛尚志遠

(1.潞安礦業(集團)有限責任公司,山西省長治市,046204;2.河南理工大學能源科學與工程學院,河南省焦作市,454000)

屯留礦松軟突出煤層提高鉆進深度研究

郭金鋼1孫玉寧2王永龍2王東飛1尚志遠2

(1.潞安礦業(集團)有限責任公司,山西省長治市,046204;2.河南理工大學能源科學與工程學院,河南省焦作市,454000)

針對目前松軟突出煤層深孔鉆進技術面臨的難題,以屯留礦為例分析了井下鉆進施工存在的問題,在“鉆穴”理論基礎上,分析了常用鉆具在應用中存在的缺陷,研制了扒孔降溫鉆桿,并進行了工業性試驗。研究結果表明,扒孔降溫鉆桿有效地提高了松軟煤層鉆進深度和鉆進效率,為松軟突出煤層深孔鉆進提供了技術裝備支持,在試驗過程,無“卡鉆”、“斷鉆”現象,鉆進深度提高54.36%,效果明顯。

瓦斯抽采 扒孔降溫鉆桿 松軟煤層 突出煤層

1 引言

本煤層深孔鉆進技術是井下瓦斯抽采的關鍵技術之一。鉆孔深度決定著瓦斯抽采的范圍和效率,間接影響回采效率。由于全國各地的煤層條件不同,特別是松軟易塌孔煤層的鉆進問題,盡管許多工程研究人員做了許多工作,仍然沒有徹底解決。

袁亮院士曾經說過:“沒有治理不了的瓦斯,只有打不到位的鉆孔”,說明對于實施抽采鉆孔治理瓦斯的方法,打鉆技術是個難題,同時實現煤層深孔鉆進也是治理瓦斯的保障。

本文分析了常用鉆桿應用于松軟煤層鉆進存在的缺陷,并針對潞安集團屯留礦當前鉆進存在的問題,研制扒孔降溫鉆桿,通過在屯留礦松軟易塌孔煤層進行工業性試驗,實現提高當前鉆進深度和鉆進效率的技術指標,為煤礦本煤層實現深孔鉆進提供技術裝備支持。

2 礦方鉆進面臨的問題

(1)煤層工作面存在“抽采盲區”。

圖1 采煤工作面抽采空白帶

當前,屯留礦采用光面鉆桿實施鉆孔,采用風力排渣鉆進,由于煤層松軟,鉆進深度達不到設計深度,因此在采煤工作面的中間部位存在沒有進行鉆孔施工的空白地帶,這里稱之為“抽采盲區”,如圖1所示。抽采盲區位于煤層工作面的中間位置,容易被工程人員忽視,且瓦斯釋放慢,因此,在煤層回采時,存在安全隱患。

(2)鉆進“卡鉆”問題嚴重。

松軟煤層受塌孔、軟煤帶、孔內煤與瓦斯突出和煤層夾矸等因素的影響,鉆進過程中“卡鉆”現象嚴重,有時會出現丟鉆桿現象,打鉆問題已經成為影響煤層鉆進效率的重要因素,進而影響抽采濃度和抽采效率,最終結果會直接影響工作面的回采進度,給礦方帶來一定的經濟損失。

3 常用鉆具應用情況分析

(1)光面鉆具。光面鉆桿是煤層鉆進使用最為廣泛的鉆桿,采用流體動力排渣,在煤層條件較好的情況下,鉆進效率較高,但對于高應力、高瓦斯煤層,光面鉆桿就暴露出其缺陷,在打鉆過程中,經常出現“塌孔”、“堵孔”等現象。圖2為以風力排渣為主的光面鉆桿鉆進示意圖,一旦遇到“煤炮區”、“嚴重噴孔區”和“塌孔區”,其風力排渣通道被塌孔形成的“鉆穴”封堵,風力排渣很快失效,繼續鉆進必然引起卡鉆夾鉆,旋轉退鉆時又很容易引起鉆孔瓦斯燃燒。

圖2 風力排渣路線示意圖

(2)麻花鉆具。麻花鉆桿的結構是在光面鉆桿的表面上焊有一定高度的螺旋葉片,通過鉆桿的旋轉,葉片螺旋結構對渣體產生的摩擦力帶運渣體向外運動,可以稱之為機械排渣鉆桿。當螺旋鉆桿在鉆進過程中出現塌孔現象時,其機械排渣葉片被塌孔形成的“鉆穴”封堵,鉆桿很快被煤渣裹緊抱死,嚴重時會出現“吸鉆”、“丟鉆桿”等現象。

4 扒孔降溫鉆桿的研制

綜上分析,結合常用鉆桿在實際應用中存在的缺陷,發明了扒孔降溫鉆桿,即在厚壁圓鉆桿表面刻制螺旋槽,降低排渣阻力,充分發揮流體與機械排渣的優勢,該新型鉆桿具備以下兩個特點。

(1)鉆桿扒孔緩解鉆孔堵塞。扒孔降溫鉆桿在鉆桿外表設置螺旋輸送槽,在不影響正常夾持器使用、不提高鉆機動力要求的前提下,保證鉆桿的最小強度不變,給鉆桿增加一個螺旋輸送功能,即扒孔功能。在“煤炮”或“堵孔”風力排粉通道堵塞的情況下,發揮鉆桿的扒孔功能,重新打通風力排粉通道,從理論上分析,該鉆桿實現了流體排渣與機械排渣的結合,其排渣鉆進原理如圖3所示。

(2)煤渣流動,根除鉆孔瓦斯燃燒、協助排渣引流。螺旋溜道使鉆桿表面的煤渣在鉆桿旋轉期間始終處于流動狀態,煤渣及時帶走鉆桿磨擦所產生熱量(防止熱量聚集),保持鉆桿的溫度不升高。鉆桿的散熱功能,可以從根本上消除打鉆期間鉆孔瓦斯燃燒事故隱患。

圖3 機械與風力協同排渣路線示意圖

5 新型鉆具工業應用分析

新型鉆桿的工業試驗施工地點為屯留礦2#回風下山,在同一施工地點,采用現行鉆桿和新型鉆桿同時施工,對比鉆進深度和有無“卡鉆”、“斷鉆”或“丟鉆”故障。鉆進深度數據統計如表1所示,新型鉆桿相對于現行光面鉆桿鉆進深度平均提高54.36%,且在鉆進施工過程中,現行鉆桿仍然經常出現“卡鉆”現象,新型鉆桿排渣順暢,無“卡鉆”現象。

表1 屯留礦2#回風巷打鉆數據對比表

6 結論

在潞安集團屯留礦進行了扒孔降溫鉆桿井下工業性試驗,結果表明,新型鉆桿排渣效率高,在試驗過程中無“卡鉆”現象,鉆進深度提高54.36%,且在施工過程中無斷鉆現象發生。

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(責任編輯 梁子榮)

Study on enhancing drilling depth in soft and outburst seam in Tunliumine

Guo Jingang1,Sun Yuning2,Wang Yonglong2,Wang Dongfei1,Shang Zhiyuan2
(1.Lu’an Mining Industry(Group)Limited Liability Company,Changzhi,Shanxi 046204,China;2.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)

Aiming at the problems of deep-drilling on soft and outburst seam,the drilling rod with the capability of hole enlarging and cooling was used in Tunliumine on the basis of hole drilling theory and the analysis of defects of drilling tools in common use.The results show that this kind of drilling rod effectively enhances the drilling depth and efficiency on soft seam,without rod sticking and breaking.The drilling depth was enhanced by 54.36%.

gas drainage,hole enlarging and cooling drilling rod,soft seam,outburst seam

TD721.6

A

郭金鋼(1964-),男,回族,河南中牟人,1983年畢業于焦作礦業學院,現任山西潞安礦業(集團)有限責任公司副總經理、總工程師、潞新集團董事長。曾獲全國五一勞動獎章、中國青年科技創新獎、中國百名經濟杰出人物、全國雙十佳礦長等14項省部級以上榮譽稱號,享受國務院政府特殊津貼。