高瓦斯礦井順層長鉆孔施工工藝改進研究

曹志剛 劉 俊

（1.國家能源集團新疆能源有限責任公司，新疆 烏魯木齊 830027；2.中煤科工集團重慶研究院有限公司，重慶 400037）

烏東煤礦為高瓦斯礦井，主采43#、45#煤層，均為急傾斜特厚煤層，平均煤層傾角45°。隨著礦井開采水平的延伸，開采煤層的瓦斯含量和壓力都不斷增加，使得瓦斯災害成為影響烏東煤礦安全的第一因素[1]。煤層瓦斯壓力的不斷遞增，往往會造成鉆孔施工困難，甚至出現鉆孔卡鉆、噴孔現象，鉆孔無法達到設計施工要求，造成回采工作面出現大面積的空白帶，影響掘進工作面正常掘進。鉆孔不能按照設計要求完成，直接影響采掘接替工作的開展。

烏東煤礦北采區在鉆孔施工前期，由于煤層瓦斯含量較小，在鉆孔施工過程中尚未出現卡鉆、頂鉆等現象，鉆孔施工比較順利。但是在+500 m 水平施工邊掘邊抽鉆孔時，特別是在+500 m 水平43#煤層東翼施工鉆孔時，按照平常鉆孔施工速度，常會出現鉆孔排渣不及時，導致卡鉆和頂鉆現象，鉆孔很難施工至設計深度。因此，需要分析卡鉆、頂鉆以及鉆孔排渣不及時的原因，采取措施提高鉆孔施工長度[2-4]。

1 鉆孔施工裝備

烏東煤礦擁有ZDY1900S 和DY4000S 鉆機，進行煤層瓦斯預抽鉆孔施工的主要是ZDY4000S 鉆機。本裝置的主要組成部分有主機、操縱臺和泵站，由于裝置的特殊性，連接時選用特制高壓膠管將各部分進行拼接。主機是鉆機傳動裝置，里面有給進裝置、回轉器等；操縱臺是鉆機的核心裝置，主要用于控制鉆機的運行，有控制閥、壓力表以及各種管件；泵站是鉆機的動力裝置，靠著泵站提供的動力，鉆機才能正常運行，其由彈性聯軸器、斜軸式軸向柱塞泵、隔爆型電動機和油箱等組成。ZDY4000S 鉆機主要技術參數見表1。

表1 ZDY4000S 鉆機參數表

2 前期鉆孔施工工藝

烏東煤礦在前期鉆孔施工過程中，采用的鉆孔施工工藝如下：

（1）鉆孔開孔前必須要防止隱患的發生，主要從三個大的方面進行考慮：鉆場內回風流瓦斯濃度必須低于0.5%；供水和供電保持正常；排水和排廢物等通道通暢。只有等到一切安全隱患都消除后，才能進行開鉆。

（2）鉆機開孔時必須嚴格按照設計要求進行開孔，必須與設計參數保持一致，包括傾角、方位角等各個因素。

（3）開孔采用Φ113 mm 的PDC 鉆頭施工至設計位置，之后通知相關部門驗收鉆孔。

（4）鉆孔參數驗收后，開始退鉆，退鉆結束后要進行擴孔。擴孔選用專用復合擴孔鉆頭，需要擴至6～7 m 左右進行處理，確保鉆孔內無廢渣后再進行退鉆。然后嵌入套管，管口外端超出煤壁30 cm 左右，下管同時用馬麗散進行封孔，之后接抽。

3 卡鉆、頂鉆原因分析和改進措施

3.1 卡鉆、頂鉆及排渣不及時原因分析

當鉆孔進入軟分層時（煤層瓦斯壓力和瓦斯含量大），極易使煤層內的瓦斯快速的解吸，原因是鉆頭的鉆進過程中會對煤體產生沖擊使其破碎。粉碎后煤體會在鉆孔周圍迅速解吸，使得流入鉆孔內的瓦斯含量急劇增加，最高可以達到正常瓦斯含量的幾十倍。鉆孔前后兩端產生較大的壓力梯度，從而發生瓦斯激流現象。由于鉆桿使得鉆孔孔徑變小，從而影響了瓦斯和煤粉顆粒的排出，使得內部壓力變大，內外形成了壓強差使得瓦斯和粉塵顆粒向外噴出，形成噴孔和卡鉆[5]。

若要進行正常的鉆孔施工，需要完全、及時地排出鉆孔內的鉆屑，且在鉆孔過程中盡量減少對鉆孔孔壁的破壞，否則易出現卡鉆、噴孔現象。一般情況下鉆孔的施工采用水作為沖洗介質，也有采用風力排渣，風力排渣缺點是作業地點的粉塵較難控制，對于順層長鉆孔一般礦井的風壓和流量可能不滿足要求。另外，如果煤層中含水量豐富，采用風力排渣就難以將鉆孔的鉆屑排出，導致鉆桿在鉆孔過程中發生燒死現象。

3.2 解決卡鉆、頂鉆及排渣不及時的措施

通過生產實踐發現，針對上述現象可以采取如下措施：

（1）及時對操作人員進行技術和安全培訓，不僅要提高施工效率，同時也要保證施工安全。在打鉆過程中不可以強行鉆進，要進行多次的瓦斯含量監測，根據瓦斯的含量調整鉆進的速度。

（2）遇到響煤炮、頂鉆和夾鉆時應當立即停止施工，減少水量供應，對其進行排放卸壓，一段時間后再進行施工。同樣遇到鉆進過程中持續劇烈噴孔、煤壁開裂或移動、濕式打眼噴干煤等現象時不僅要立即停止施工，還要注意不能退鉆洗孔，并且要求技術人員安全撤離至有新鮮風流處，直到瓦斯不再突出后再進行鉆進。

（3）定時進行瓦斯含量的監測。要求瓦斯監測人員嚴格按照檢查制度進行現場瓦斯含量檢查，若有瓦斯超限情況出現，立即組織人員撤離至安全位置。

（4）對現場鉆孔施工和監管人員進行相關知識認識及預兆方面的專項培訓，提高安全意識。

（5）調整鉆孔施工工藝，采用邊鉆邊抽措施，促進鉆孔排渣。

3.3 改進鉆孔施工工藝

（1）開孔前必須防止隱患的發生，鉆場內回風流瓦斯濃度必須低于0.5%，供水和供電必須正常，例如各線路是否可以正常運行，排水和排廢物等是否通暢。只有等到一切安全隱患都消除后，才能進行開鉆。

（2）鉆機開孔時必須嚴格按照設計要求進行開孔，必須與設計參數保持一致，包括傾角、方位角等各個因素，從而使鉆進達到要求。

（3）鉆孔參數驗收后，開始退鉆，退鉆結束后要進行擴孔，擴孔選用專用復合擴孔鉆頭，需要擴至6～7 m 左右進行處理，確保鉆孔內無廢渣后再進行退鉆。套上直徑Φ108 mm、長度為6 m 的套管，管口外端超出煤壁30 cm 左右，進行臨時封孔（使用棉紗以及專用裝置封嚴，確保鉆進過程中無瓦斯和水溢出）。

（4）安裝四通（四通結構如圖2），并用氣水分離進行連接，在回風側接上排水和排渣管；同時為了保證裝置的密封性，采用鋼絲將各個軟管扎緊。四通的連接如圖3。

圖2 四通示意圖

圖3 四通連接示意圖

（5）為了保證退鉆和抽放通道的順利進行，當鉆機鉆桿深入到設定距離時，對其進行一次洗孔。之后通知有關部門驗孔。然后退鉆、拆除裝置、重新封孔并接抽[6]。

4 現場試驗考察及結果分析

由于烏東煤礦在+500 m 水平43#煤層東翼南巷施工掩護式邊掘邊抽鉆孔過程中，出現了頂鉆現象，而且在鉆孔施工過程中由于排渣不及時，導致鉆孔中有明顯的激流產生，造成無法正常鉆孔施工。鉆孔在施工至50 m 左右長度就已經無法推進，距離設計長度150 m，差距較大，會直接影響巷道的正常掘進。此外，施工鉆孔中瓦斯濃度普遍較高，達80%以上，因此必須采取邊抽邊鉆措施，將鉆孔施工長度延長至120～150 m。

4.1 試驗工作面概況

+500 m 水平43#煤層東翼南巷掘進工作面設計全長2880 m，工作面沿煤層走向由西向東掘進，煤層平均厚度45.1 m。工作面南部為43#煤層頂板，工作面北部為43#煤層底板，工作面上部為原始煤層段，上部僅有+600 m 水平進行了煤層開采，工作面下部為原始43#煤層，沒有采動影響。43#煤層為巨厚煤層，煤層厚度大，結構復雜，層位、厚度均穩定，總厚27.88 m，有益厚度19.43 m，向東部厚度增大，規律明顯。43#煤層相對瓦斯壓力為0.40～0.69 MPa，煤層瓦斯含量為6.21～8.06 m3/t，煤的堅固性系數f值為0.65～0.95，煤的瓦斯放散初速度ΔP為12.85～14.96 mL/s。

掘進工作面在之前掘進過程中，供風量為579.6 m3/min 時，巷道回風流瓦斯濃度最大為0.68%，即掘進工作面瓦斯涌出量達到3.94 m3/min。

4.2 現場試驗效果

對巷道實施邊掘邊抽，但在施工第一個鉆孔施工長度為52 m 時，鉆場距離掘進工作面約30 m，出現了頂鉆及排渣不暢的情況。為此，按照改進的施工工藝進行施工，鉆孔施工竣工參數如圖4，竣工參數見表2。

圖4 試驗鉆孔竣工圖

表2 竣工參數表

經過鉆孔施工工藝改進后，施工掩護式掘進鉆孔6 個，平均鉆孔深度為123.8 m，較之前鉆孔深度增加71.8 m，增加138%，效果顯著。但值得注意的是，鉆孔施工尚未完成設計鉆孔長度200 m 的要求。為此，建議烏東煤礦可采用Φ94 mm 鉆頭直接進行施工，采用小鉆頭可降低對煤體的破壞，此外要注意鉆孔施工安全，實時進行瓦斯監測。

5 結論

（1）針對順層鉆孔在施工過程中卡鉆、頂鉆及排渣不暢導致鉆孔不能正常施工的情況，改進鉆孔施工工藝，使鉆孔施工長度顯著增加。

（2）根據烏東煤礦的試驗結果，總體上看順層長鉆孔施工工藝經過改進后，效果顯著，能滿足礦井瓦斯抽采鉆孔設計長度的要求。