中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在平煤某礦的應(yīng)用

王建彬，金新，王力，黃寒靜

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077)

中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在平煤某礦的應(yīng)用

王建彬，金新，王力，黃寒靜

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院，陜西西安 710077)

在松軟突出煤層鉆進(jìn)中，采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在工藝及配套裝備方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)在平煤某礦的應(yīng)用，解決了鉆孔深度不足、孔內(nèi)事故預(yù)防及處理難度大等問(wèn)題。實(shí)踐證明，中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在松軟突出煤層中值得推廣。

松軟突出煤層;中風(fēng)壓;空氣鉆進(jìn);鉆孔深度;孔內(nèi)事故

0 引言

平煤股份某礦規(guī)劃開(kāi)采的三水平煤層，垂深在1015～1100 m，其埋藏深度已經(jīng)達(dá)到了發(fā)生沖擊地壓的臨界深度，受到高地溫、高瓦斯、沖擊地壓和煤與瓦斯突出等自然災(zāi)害威脅。

己15－31010工作面為三水平首采工作面，煤層堅(jiān)固性系數(shù)(f)0.5～0.8，煤層平均厚度3.3 m，傾角3°～9°，煤體整體破碎，結(jié)構(gòu)從塊狀到粒狀再至粉狀，質(zhì)地疏松，煤層瓦斯壓力2.85 MPa，瓦斯含量25～28 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量1.7～3 m3/min，屬于松軟突出煤層。為了實(shí)施先抽后采，采用螺旋鉆進(jìn)施工鉆孔，依靠螺旋葉片旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)排粉，孔內(nèi)阻力大，隨孔深的增加鉆進(jìn)難度增大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鉆孔深度≯100 m(平均80～90 m)，達(dá)不到設(shè)計(jì)(大于150 m)對(duì)接孔的要求，影響了瓦斯抽采效率;采用其它鉆進(jìn)方法又常伴有坍塌、卡埋鉆事故。為了提高瓦斯抽采效率，預(yù)防及增大處理事故的能力，決定采用松軟突出煤層中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝及配套裝備施工瓦斯抽采鉆孔。

1 中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)工藝特點(diǎn)及配套裝備

1.1 工藝特點(diǎn)

松軟突出煤層一般煤質(zhì)松軟、滲透性差、瓦斯含量高、壓力大。在鉆進(jìn)過(guò)程中，易發(fā)生坍塌、噴孔、卡埋鉆等孔內(nèi)事故，造成成孔深度淺、成孔率低，影響了瓦斯抽采效果。

空氣鉆進(jìn)主要依靠壓縮空氣即壓風(fēng)實(shí)現(xiàn)排粉，鉆進(jìn)阻力小，保證供風(fēng)壓力和供風(fēng)流量，就可有效提高壓風(fēng)排粉效率，增加鉆孔深度，保障成孔率。根據(jù)系統(tǒng)提供的風(fēng)壓大小，空氣鉆進(jìn)可分為常風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)和中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)。常風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)采用礦井系統(tǒng)風(fēng)，其優(yōu)點(diǎn)是連接方便、無(wú)專用壓風(fēng)設(shè)備，但是風(fēng)壓＜0.7 MPa，風(fēng)量不穩(wěn)定，制約了孔深的延伸;中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)采用空壓機(jī)提供壓力風(fēng)，風(fēng)壓在0.7～1.2 MPa范圍內(nèi)，風(fēng)壓大，風(fēng)量穩(wěn)定，故適用于大直徑鉆孔和深孔鉆進(jìn)。

采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)，當(dāng)遇到局部塌孔或排粉不暢情況時(shí)，此處煤粉會(huì)增多，風(fēng)速將增大，增加后的風(fēng)速其攜粉能力大大增強(qiáng)，煤粉被迅速帶走，減輕了鉆進(jìn)阻力;風(fēng)流對(duì)孔壁的擾動(dòng)作用小，可減輕對(duì)孔壁的破壞作用;壓風(fēng)和瓦斯均屬于氣體，不阻塞煤層中瓦斯的運(yùn)移通道，不影響瓦斯的解析速度，瓦斯能夠自由、快速地釋放，減小了成孔過(guò)程中發(fā)生噴孔的可能性;壓風(fēng)通過(guò)鉆頭水口進(jìn)入孔底后，瞬間壓力驟降、體積急劇脹大，在此過(guò)程中需要吸收大量的熱量，從而實(shí)現(xiàn)鉆頭的冷卻;但是孔口粉塵污染嚴(yán)重，需要專用的除塵設(shè)備來(lái)改善現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境。

1.2 配套設(shè)備的優(yōu)選

根據(jù)松軟煤層中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)的要求，并結(jié)合煤層地質(zhì)條件，選取的主要設(shè)備包括鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭、空壓機(jī)，輔助設(shè)備包括除塵器、流量計(jì)、集塵器、高壓膠管、管路總成等。

1.2.1 主要設(shè)備

31010 工作面巷道寬4 m，凈斷面約14 m2左右，選用了ZDY4000L型全液壓坑道鉆機(jī)。此鉆機(jī)體積小，搬遷方便，靈活性高，適用于煤礦井下作業(yè)，另外鉆機(jī)能力大，在預(yù)防及處理孔內(nèi)事故方面優(yōu)勢(shì)顯著;寬葉片螺旋鉆桿強(qiáng)度大、壓風(fēng)過(guò)流面積充裕，采用錐形絲扣后，增強(qiáng)了鉆桿連接的密封性，其寬葉片設(shè)計(jì)起到了攪動(dòng)煤粉的作用，更有利于排粉;三翼刮刀硬質(zhì)合金鉆頭翼片薄、強(qiáng)度大、設(shè)計(jì)合理、壽命長(zhǎng)，在松軟和軟地層鉆進(jìn)中，可獲得較高的機(jī)械鉆速。

1.2.2 輔助設(shè)備

采用的防爆式移動(dòng)空壓機(jī)，風(fēng)壓大、流量穩(wěn)定、濾芯工作壽命長(zhǎng)、搬遷方便;無(wú)動(dòng)力除塵器安裝方便、除塵效果好;旋進(jìn)漩渦式流量計(jì)精確度高、操作方便、直觀明確。

⑤施工期水生生物受干擾度。施工過(guò)程臨時(shí)改變水流條件，增加河道含沙量，對(duì)水生生物造成一定影響的，應(yīng)盡量減少其影響程度和影響時(shí)間，尤其是某些生物可能在特殊時(shí)期具有特殊生活條件需求的，施工時(shí)應(yīng)考慮予以避讓。

選用的主要配套設(shè)備如表1所示。

表1 中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)主要配套設(shè)備組成

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果分析

2.1 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

根據(jù)工作面煤層特點(diǎn)，設(shè)計(jì)鉆孔垂直于己15－31010工作面，鉆孔孔深≥150 m，開(kāi)孔傾角2°～5°，距離底板1.2 m，孔距2 m，單排布置，開(kāi)孔孔徑133 mm，終孔孔徑94 mm，迎頭向外施工(如圖1所示)。

選用的開(kāi)孔鉆具組合:Φ133 mm復(fù)合片刮刀鉆頭+Φ73/63.5 mm寬葉片螺旋鉆桿，開(kāi)孔后，下Φ127 mm孔口管，連接除塵設(shè)備等。

正常鉆進(jìn)鉆具組合:Φ94 mm薄翼片硬質(zhì)合金鉆頭+Φ73/63.5 mm寬葉片螺旋鉆桿。

圖1 鉆孔布置示意圖

表2 鉆孔統(tǒng)計(jì)表

2.2 應(yīng)用效果分析

(1)施工了10個(gè)鉆孔，累計(jì)進(jìn)尺1352 m，最深鉆孔162 m，完成150 m以深鉆孔8個(gè)，單班最高進(jìn)尺81 m，純鉆進(jìn)效率接近20 m/h。在施工1號(hào)孔時(shí)，發(fā)生“煤炮”引發(fā)塌孔，孔口返渣量減少、系統(tǒng)壓力快速升高、流量計(jì)顯示風(fēng)壓持續(xù)增大，為防止埋鉆，加大了供風(fēng)流量，并卸下一根鉆桿，經(jīng)反復(fù)疏通鉆孔通道，返渣量逐漸回復(fù)正常。6號(hào)鉆孔在鉆進(jìn)到110 m后，不返風(fēng)、不排渣，發(fā)生了卡鉆事故，在鉆孔兩側(cè)均找不到返風(fēng)、返渣的其它通道，后經(jīng)強(qiáng)力起拔，終孔。8號(hào)孔在22～26 m進(jìn)入底板巖層，巖屑為白色粉狀，后進(jìn)入煤層，46 m后再次進(jìn)入底板巖層，經(jīng)過(guò)調(diào)整加快了回轉(zhuǎn)速度，但因巖層太硬，鉆速漸緩，最終選擇停止鉆進(jìn)。在施工其它鉆孔時(shí)，發(fā)生了幾次因瓦斯局部突出或煤層松軟引發(fā)的塌孔狀況，通過(guò)調(diào)整鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)速度，增大了鉆機(jī)的扭矩，這樣大大增加了鉆具在孔內(nèi)可回轉(zhuǎn)的機(jī)率，預(yù)防了卡埋鉆事故的發(fā)生。

(2)在鉆進(jìn)過(guò)程中，鉆機(jī)系統(tǒng)壓力一般從最初的2 MPa逐漸增至8～10 MPa，給進(jìn)壓力在0.4～0.8 MPa。因?yàn)樵趯?shí)際鉆進(jìn)中，管路及鉆具存在泄漏，壓風(fēng)在孔內(nèi)受溫度、壓力等影響，壓力風(fēng)存在流量損失，即使依據(jù)最大風(fēng)速計(jì)算出的流量仍小于實(shí)際所用風(fēng)量的最大值。鉆進(jìn)中，所需風(fēng)量和孔深的關(guān)系如圖2所示。因此，建議施工直徑100 mm左右、孔深＜200 m的鉆孔，保證單孔的供風(fēng)流量在8～10 m3/min。

圖2 所需風(fēng)量和孔深關(guān)系擬合曲線圖

(3)在鉆進(jìn)過(guò)程中，寬葉片螺旋鉆桿其寬葉片在孔內(nèi)的回轉(zhuǎn)，可起到對(duì)煤粉攪動(dòng)作用，沉積的煤粉被攪動(dòng)后，煤粉更容易被壓風(fēng)攜帶出孔口。所使用的除塵器采用三級(jí)除塵程序，因一級(jí)除塵出塵口采用氣動(dòng)式，在煤屑增多情況下，容易出現(xiàn)阻塞問(wèn)題，影響了除塵效率，后改用重錘式除塵器，解決了一級(jí)出塵口阻塞問(wèn)題，而且操作也更加方便。

3 結(jié)語(yǔ)

中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝及配套裝備適用于平煤某礦瓦斯抽采鉆孔，相對(duì)于干式螺旋鉆進(jìn)其平均孔深提高了50%以上，中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)具備施工中深孔瓦斯抽采能力;寬葉片螺旋鉆桿不影響夾持器對(duì)鉆桿的夾持力，在鉆進(jìn)過(guò)程中可用鉆機(jī)進(jìn)行機(jī)械擰卸，減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度;在鉆進(jìn)中通過(guò)對(duì)孔口返風(fēng)、返渣情況的觀察，及對(duì)流量計(jì)壓力風(fēng)流量、壓力的監(jiān)測(cè)，可以準(zhǔn)確地反映孔內(nèi)狀況，為調(diào)整鉆進(jìn)工藝參數(shù)提供了依據(jù)，保證了成孔質(zhì)量，預(yù)防了孔內(nèi)事故的發(fā)生。

中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在平煤某礦的應(yīng)用取得了良好效果，為在松軟煤層中施工瓦斯抽采鉆孔提供了借鑒意義。隨著工藝日趨成熟和設(shè)備的不斷升級(jí)，中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)會(huì)得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

［1］王建彬，金新，黃寒靜.高壓力松軟煤層大直徑深孔瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)研究［R］.陜西西安:煤炭科學(xué)研究總院西安研究院，2010.

［2］馬沈岐，王力，李喬喬.松軟噴突型煤礦螺旋鉆進(jìn)工藝發(fā)展［J］.煤礦安全，2010，(4).

［3］石智軍，胡少韻，姚寧平.煤礦井下瓦斯抽采(放)鉆孔施工新技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2008.148－150.

［4］王毅.中風(fēng)壓鉆進(jìn)在煤礦井下的應(yīng)用［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2009，37(3).

Application of Medium Pressure Air Drilling Technology in Pingdingshan Coalmine

WANG Jian-bin，JIN Xin，WANG Li，HUANG Han-jing(Xi’an Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corp.，Xi’an Shaanxi 710077，China)

Drilling in soft and outburst coal seam，the medium pressure air drilling has obvious advantages in technology and supporting equipment.Through the application of this technology in Pingdingshan coalmine，borehole without enough depth，borehole accident prevention and accident treatment difficulties were effectively resolved.The practice showed that the medium pressure air drilling technology is worth popularizing in soft and outburst coal seam drilling.

soft and outburst coal seam;medium air pressure;air drilling;borehole depth;accident in borehole

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0035－03

2011－06－03

王建彬(1982－)，男(漢族)，河北藁城人，中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院工程師，礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，碩士，從事鉆探工藝技術(shù)及勘探機(jī)具研究工作，陜西省西安市高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開(kāi)發(fā)區(qū)錦業(yè)一路82號(hào)，wjb_sjz0320@163.com。