深井高瓦斯低透氣性松軟煤層深孔施工技術研究

文/李光華

深井高瓦斯低透氣性松軟煤層深孔施工技術研究

文/李光華

近年來，我國煤礦針對瓦斯抽放理論及技術做了諸多工作并取得了一些成就。本文針對張家口礦業集團宣東礦在進行Ⅲ3煤層瓦斯預抽鉆孔施工中遇到的困難為背景進行研究，分析總結出了影響鉆孔深度淺、鉆桿損壞嚴重的原因，在鉆機機具選擇及人工操作水平等方面進行了調試試驗。

一、煤層概況

Ⅲ3煤層為宣東煤礦主采煤層之一，為突出煤層，埋深800～1100m，屬中灰特低硫低磷的弱粘煤、氣煤、1/3焦煤，最短自然發火期為41天。Ⅲ3煤層可采厚度0.85～6.96m，平均2.38m，煤層傾角0°～15°，平均5°。煤層結構復雜，且呈薄層，個別點含有夾矸2～4層，夾矸厚度0～1.3m。煤層頂板為粉砂巖和細砂巖，底板為砂質泥巖，頂底板巖石堅固性系數（f）平均值均小于5。

Ⅲ3煤層屬低透氣性松軟煤層。煤層透氣性系數僅為0.129m2／MPa2·d，鉆孔瓦斯衰減系數較大（0.018d-1），衰減速度較快。煤層煤體破壞嚴重（II類～III類），堅固性系數f只有0.5～0.98。煤層瓦斯含量較高（7.2m3/t），瓦斯壓力較大（1.6MPa），被鑒定為瓦斯突出煤層。

二、煤層鉆孔預抽瓦斯必要性及遇到的問題

宣東礦不具備開采保護層條件，只能采用預抽煤層瓦斯區域防突措施。開始采用順層煤孔孔深僅僅停留在較淺的水平，不能滿足區域防突的要求，但就在此淺水平深度煤層鉆孔施工難度也很大，噴孔塌孔吸鉆夾鉆時有發生，嚴重制約著煤巷掘進速度，采掘關系十分緊張。因此有必要進行本煤層深孔施工研究，解決鉆孔施工難及增大預抽采的控制范圍，以緩解采掘關系緊張的問題。

三、初始采用煤層鉆孔施工試驗研究

1．巖石電鉆煤孔試驗

巖石電鉆全稱為礦用隔爆電動變速巖石鉆機，型號為KHYO155dIAB型，最大扭矩700N·m，配套長1.5米螺旋鉆桿80根及巖石鉆頭，采用壓風排渣，鉆桿間絲扣連接。采用該機在井下205工作面巷道進行了鉆孔試驗，該配套鉆機在2個月的時間內僅僅鉆孔9個，累積工程量只有300多米，205中間巷兩個鉆孔勉強達到最低要求，但鉆進速度較慢，斷桿、丟桿嚴重，新配備的80根鉆桿最后僅剩7根，其間還燒過一次電機；其余鉆孔均深度較淺達不到要求。總體看來該套鉆機鉆孔效果不理想，不能滿足施工的要求。

2.乳化液鉆機煤孔試驗

在此試驗中選用波蘭產WSP-500型架柱式乳化液鉆機進行煤孔試驗，該機最大扭矩500N· m，該配套鉆機采用乳化液作為工作介質，提高了打鉆作業的安全性，但鉆孔深度及鉆孔效率很不理想，平均孔深只有13m，同時聯接卡松脫、鉆桿斷丟現象仍比較嚴重，鉆桿間采用銷子連接不適合。另外Ⅲ3煤層含有夾矸，而煤鉆頭穿巖能力低，在打鉆過程中又無法避開，一旦遇到夾矸鉆齒便被磨壞，所以煤孔施工不能選用煤鉆頭。

3.改裝MKD-5S型鉆機煤孔試驗

此次試驗大膽改裝MKD-5S型液壓鉆機，打鉆速度及成孔深度明顯提高,平均孔深達到了41m,但鉆孔過程中塌孔夾鉆、斷、丟桿現象仍比較嚴重。從鉆孔試驗看出，采用水力排渣容易塌孔夾鉆，不易成孔，反之，風力排渣塌孔現象不明顯，所以水力排渣不適宜在煤鉆孔中使用。

四、鉆孔施工困難原因分析及解決思路

1．Ⅲ3煤層鉆孔施工困難原因分析

（1）煤層特性影響：上覆巖漿侵入是影響Ⅲ3煤層瓦斯封閉賦存的主控因素，因而瓦斯含量較高（7.2m3/t），瓦斯壓力較大（1.6MPa）。Ⅲ3煤層屬低透氣性煤層，不利于高壓瓦斯流動釋放。同時煤層屬松軟煤層，煤層結構復雜，且呈薄狀復合層，煤體破壞嚴重。

（2）鉆機鉆具選用方面：瓦斯抽采區成立初期對Ⅲ3煤層打鉆存在著錯誤認識，認為煤鉆比巖鉆好打，沒有考慮到煤層本身基本特性，所選用的礦用隔爆電動變速巖石鉆機和WSP-500型架柱式乳化液鉆機最大扭矩均未達到1000N· m，鉆機扭矩小，電機功率明顯不足，給進速度稍快電機便停止轉動，相應配套鉆桿強度也較低。

（3）人為操作方面：當鉆孔與煤巖層理夾角成90°時，鉆孔方向偏移量最小；鉆孔與煤巖層理夾角越小，鉆孔方向越容易偏離；當順層鉆孔遇到堅硬夾矸時，鉆孔方向最容易沿著夾矸與煤層的結合面偏離。在近水平煤層中，比較理想的順層鉆孔應當是一條自然下垂的直線，因為在這種狀態下鉆桿受力最小，排渣最暢通。而要保持這種狀態必須控制好給進速度，不能急于求成。與MKD-5S型全液壓坑道鉆機后配套的螺旋鉆桿，是由直徑Φ50mm，壁厚10mm圓鉆桿加工而成，強度較高，然而打第5個孔時，竟斷丟23根，不排除人為操作方面存在著問題。

2．Ⅲ3煤層鉆孔施工困難解決思路

根據試驗及原因分析，解決本煤層深孔施工這一難題，須選擇大功率大扭矩鉆機，配套高強度高韌性螺旋鉆桿及巖石鉆頭，并輔以壓風排渣工藝。要求鉆機扭矩不低于2000N·m，螺旋鉆桿直徑不低于Φ60mm，壁厚不低于10mm圓鉆桿加工而成，鉆頭能穿過夾矸，選普通巖石鉆頭即可，風壓不小于4個大氣壓，否則應選用移動空壓機近距離供風，同時對操作人員進行培訓。

五、大扭矩鉆機鉆孔試驗

經過充分的準備，在205機巷和軌巷進行了鉆孔試驗，通過以上三種鉆機試驗情況如表1所示。

由表1可以看出：96天共打孔93個，平均每天成孔約1個，80m以下只有4個，僅占約4.3%，其余全部達到80m，并且有近40%的鉆孔突破百米。這表明對本煤層鉆孔施工困難的原因分析是客觀的，解決思路是正確的，三種類型的鉆機均適合鉆孔施工的要求。

表1 三種類型鉆機煤孔試驗情況匯總表

六、結論

1．Ⅲ3煤層本身特性極易造成塌孔噴孔甚至吸鉆夾鉆，給本煤層鉆孔施工帶來困難，鉆孔施工要盡量避開采動應力集中區域。

2．解決Ⅲ3煤層深孔施工這一難題，須選擇鉆機扭矩不低于2000N·m，大功率大扭矩鉆機，配套直徑Φ100mm，螺旋葉片高20mm，由直徑Φ60mm，壁厚10mm圓高強度高韌性螺旋鉆桿并采用絲扣連接。鉆頭采用直徑不低于Φ113mm的巖石鉆頭。輔以壓風排渣工藝（當風壓小于4個大氣壓時，可選用移動空壓機近距離供風），同時加強現場技能培訓。

(作者單位：冀中能源張家口礦業集團公司)

（責任編輯：馬茂洋）