軟硬復合突出煤層提高鉆進深度和效率的研究

常剛政 孫玉寧 王永龍 劉發義 韓寶燈

（1.晉煤集團趙莊煤業有限責任公司，山西省晉城市，048001；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南省焦作市，454000）

軟硬復合突出煤層提高鉆進深度和效率的研究

常剛政1孫玉寧2王永龍2劉發義1韓寶燈2

（1.晉煤集團趙莊煤業有限責任公司，山西省晉城市，048001；2.河南理工大學能源科學與工程學院，河南省焦作市，454000）

晉煤集團趙莊礦3301工作面，瓦斯含量高、地壓力大，煤體軟硬變化不均，穩定性差，可定義為軟硬復合突出煤層，采用常用光面鉆桿施工，多次出現卡鉆、斷鉆、丟鉆等鉆進事故。針對上述問題，研制大直徑高強扒孔降溫鉆桿，為保證該鉆桿強度的可靠性，建立73鉆桿數學模型，對其強度進行校核。研究結果表明，采用R780地質管材加工大直徑扒孔降溫鉆桿，其強度滿足實際工況，通過工業性試驗，鉆進排渣順暢，鉆桿無彎曲、斷裂現象，鉆進深度提高32.44%，鉆進效率提高30.41%。

煤與瓦斯突出煤層 扒孔降溫鉆桿 強度校核 鉆進效率

1 引言

瓦斯抽放鉆孔的深度決定瓦斯治理的效率和有效程度，由于受到現有技術的限制，突出煤層鉆孔深度難以達到要求，使得突出礦井很難實施大面積、高效率瓦斯抽放，給突出礦井采掘安全、采掘成本帶來很多負面影響。

趙莊礦一水平三盤區3301工作面的33011巷設計為矩形斷面，巷寬5.00m，巷高4.5m，長度1203.83m。煤層底板標高為470～510m。巷道煤層為3＃煤層，厚度為3.90～5.00m，平均4.80m。煤層瓦斯絕對涌出量為3.72m3／min。二氧化碳絕對涌出量為2.36m3／min。煤塵具有爆炸危險性，不易自燃。地溫11～17℃，地壓13.3～16.6MPa。掘進過程揭露煤層及頂板巖石裂隙發育，頂板破碎易塌矸冒頂，煤層易片幫，節理發育地段瓦斯涌出增大。煤層堅固性系數f＝0.4～1.2，煤體軟硬夾層變化不均，采用常用光面鉆桿施工，常出現卡鉆、斷鉆、丟鉆等鉆進事故，在鉆進方面可總結兩點：一方面鉆孔深度淺，鉆進效率低，嚴重影響瓦斯抽采進度；另一方面采煤工作面難以消滅抽采盲區，給采煤作業帶來安全隱患。

針對當前常用鉆桿在使用過程中存在的問題，礦方與河南理工大學聯合攻關，研制大直徑高強度扒孔降溫鉆桿并進行工業性試驗，以提高當前鉆進深度和鉆進效率的技術指標。

2 扒孔降溫鉆桿的特點

扒孔降溫鉆桿是在鉆桿外表加工螺旋輸送槽，新型鉆桿具有如下特點：

（1）高強扒孔降溫鉆桿具有優良的排渣功能，桿上的螺旋槽能輸送排渣，能快速解決夾鉆問題，繼續向里鉆進。

（2）高強扒孔降溫鉆桿具有快速穿越高應力易塌孔區的能力。由于趙莊礦3＃煤層煤質較軟，在鉆進過程中，易出現塌孔、堵孔、卡鉆、抱鉆、夾鉆等現象。出現上述現象后，不及時處理就可能造成各類鉆孔事故，導致鉆孔不能繼續鉆進或鉆孔報廢。高強扒孔降溫鉆桿先靠機械排渣后，用風力和機械協同排渣，快速解決上述問題，提高鉆孔鉆進深度和鉆進效率。

綜上分析，扒孔降溫鉆桿在使用方面，不影響正常夾持器使用，但由于在鉆桿表面加工螺旋槽，其強度降低，如不改進鉆桿的材料、提高桿體材質等級，鉆桿易彎曲斷裂。因此，扒孔降溫鉆桿的應用，要根據礦方的現有鉆機使用情況，在加工工藝上進行設計，以保證其鉆桿的整體強度。

3 扒孔降溫鉆桿的強度校核

在鉆桿的實際生產中，桿體因加工螺旋槽會造成鉆桿本身力學性能下降，為防止鉆桿在實際應用中出現彎曲，或因桿體的力學強度因素而造成鉆桿的斷裂等事故，采用實體建模軟件結合大型有限元分析軟件對扒孔降溫鉆桿進行力學強度校核。

3.1 采用普通材料鉆桿的強度分析

當前礦方所采用的鉆機為ZDY6000S鉆機，其動力較大，據此擬設計?73mm大直徑扒孔降溫鉆桿，該鉆桿常用材料為AISI1020冷拔無縫鋼管，其屈服強度為3.5×108N／m2，為了確定其強度的可靠性，建立?73光面鉆桿和扒孔降溫鉆桿數學模型，采用數值分析法，分析其強度降低情況。

其邊界條件是左側固定，右端加旋轉扭矩N＝6000N·m，圖1為扒孔降溫鉆桿的實體數學模型和網格劃分圖。

圖1 扒孔降溫鉆桿數學模型和網格劃分圖

通過運算得到相關的力學參數云圖，圖2為扒孔降溫鉆桿模型數值計算結果。

扒孔降溫鉆桿的安全度校驗，同樣采用數值分析的方法，其建模與扒孔降溫鉆桿的力學分析相同，從材料力學的角度分析，采用最大米賽斯應力準則、最大抗剪應力準則對材料的安全系數進行計算，圖3為扒孔降溫鉆桿的安全系數校驗圖。

（1）最大米賽斯應力準則：

（2）最大抗剪應力準則：

經過以上2個強度準則的設計檢查，其安全系數較低。特別是最大抗剪應力準則，其值為0.74，采用此種鋼材制造的鉆桿，在實際工作中容易出現彎曲和變形。

3.2 扒孔降溫鉆桿強度提高措施

根據以上的數值計算結果分析，從數據對比上能夠看到，采用AISI1020冷拔無縫鋼管加工該扒孔降溫鉆桿，力學強度降低幅度較大，從數據上分析，已經接近材料的屈服力，因此加工扒孔降溫鉆桿需要提高材料的等級。

圖2 AISI1020材料扒孔降溫鉆桿模型計算結果

為提高鉆桿的整體強度，材料選用強度較高的R780無縫地質管材，其屈服力為7.8×108N／m2，進行如上數值計算。由于在數值計算過程中，僅改變了桿體的材料，邊界條件未發生變化，因此，其應力分布云圖、靜態位移云圖、靜態應變云圖顯示的數值與圖2相同，見圖4。

圖3 扒孔降溫鉆桿的安全系數校驗圖

從圖4（a）的應力分布云圖可以看出，在扒孔降溫鉆桿的靜態應力分析中，最大節應力為3.7×108Pa，而鉆桿鋼材的屈服應力為7.8×108Pa，因此從數字上看完全符合安全規范。同樣，圖4（b）靜態位移圖和圖4（c）靜態應變圖可以看到扒孔降溫鉆桿的的變形特性也符合要求。為了保證扒孔降溫鉆桿在實際工作中的安全可靠，利用軟件自身的設計檢查功能，再一次對扒孔降溫鉆桿進行安全應力檢查，其結果如下：

（1）最大米賽斯應力準則：

（2）最大抗剪應力準則：

經過以上2個準則的設計檢查，安全系數都大于1，且有一個最小1.66倍率安全系數的保障，因此，所設計的扒孔降溫鉆桿能夠滿足要求。

圖4 R780材料扒孔降溫鉆桿模型計算結果

4 扒孔降溫鉆桿的工業性試驗

在趙莊礦一水平三盤區3301工作面33011巷進行了工業性試驗。高強扒孔降溫鉆桿累計有效鉆進時間為40d，共完成鉆孔72個，累計鉆進深度為10759m。平均深度為149m。礦方光面鉆桿統計18d的鉆進數據，共完成鉆孔33個，總累計鉆進深度為3713m，平均深度為112.5m。

5 結論

通過工業性試驗表明，采用R780地質管材加工大直徑扒孔降溫鉆桿鉆進排渣順暢，鉆桿無彎曲、斷裂現象，鉆進深度提高32.44%，鉆進效率提高30.41%。由于鉆進深度和鉆進效率的提高，改善了3301工作面的瓦斯抽采狀況，單孔瓦斯抽采濃度和總管抽采純量都有明顯的提高。

圖5 R780材料扒孔降溫鉆桿的安全系數校驗圖

[1] 袁亮.瓦斯治理理念和煤與瓦斯共采技術[J].中國煤炭，2010（6）

[2] 郭金鋼，孫玉寧，王永龍等.屯留礦松軟突出煤層提高鉆進深度研究[J].中國煤炭，2011（4）

[3] 孫玉寧.突出煤層扒孔降溫鉆具及其鉆進方法.中國，CN101131069[P].2008－02－27

[4] 王永龍，翟新獻，孫玉寧.刻槽鉆桿應用于突出煤層鉆進的合理參數研究[J].煤炭學報，2011（2）

Study on enhancing depth and efficiency of drilling in soft and hard combined outburst coal seam

Chang Gangzheng1，Sun Yuning2，Wang Yonglong2，Liu Fayi1，Han Baodeng2
（1.Zhaozhuang Coal Mine Limited Liability Company，Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group，Jincheng，Shanxi 048001，China；2.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China）

No.3301working face in Zhaozhuang coal mine of Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group falls into soft and hard combined outburst coal seam in view of high gas content，high underground pressure，soft and hard combined coal body and weak stability.If using common drilling rod，the rod sticking，breaking and missing occurred many times during the drilling operation.In view of above problems，the high strength hole－enlarging and cooling drilling rod in large diameter was invented.In order to ensure the reliability of the drill pipe strength，the mathematical model of 73drill pipe was established to check its strength.The results show that R780－type seamless steel tube in large diameter could be used as hole－enlarging and cooling drilling rod，whose strength could meet the actual condition.The industrial application indicated that the slag was easily discharged，without drilling rod bending or breaking.The drilling depth was increased by 32.44%，and the drilling efficiency was enhanced by 30.41%.

outburst coal seam，hole－enlarging and drilling rod，strength check，drilling efficiency

TD712.6

B

常剛政（1973－），男，工程師，山西晉煤集團趙莊煤業有限責任公司副總工程師，從事“一通三防”工作。

（責任編輯 梁子榮）