瓦斯抽采钻孔施工工艺研究

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［摘要］如何在松软煤层应力集中区域施工顺层钻孔，保证钻孔成孔深度和成孔率，是关系顺层钻孔瓦斯抽采技术应用成败的关键因素。在已有螺旋钻进自排渣的钻孔施工技术基础上，结合孤岛工作面应力集中区施工地质条件，对原有ZYW-1900R钻机配套钻具进行升级改造，并进行对比性试验。试验结果表明，采用改造后的钻机及钻具配套注浆加固技术施工，成孔率和成孔深度更好，更适合应力集中区瓦斯抽采钻孔施工，解决钻孔施工技术难题，有效提升矿井松软煤层应力集中区域的瓦斯治理能力。

［关键词］应力集中区；螺旋钻进；自排渣；成孔率

0引言

一般来说，瓦斯抽采钻孔施工钻具分为2类，一是光滑的圆钻杆，采用风或水力排渣；二是螺旋钻杆，采用螺纹的自排渣［3］。理论和实践都证明，螺旋钻进自排渣的钻孔施工技术增强高地应力区域松软、破碎煤层特点下的钻孔的施工能力并减弱喷孔和垮孔，是施工顺层长钻孔的最佳方式［4~5］。选择合理的钻进施工参数和下筛管（或套管）参数，才能有效提高施工效果［6~7］。本文以王坡煤矿某孤岛工作面瓦斯预抽钻孔为例，对顺层钻孔的施工工艺进行研究并在现场进行了工业试验，旨在为应力集中区瓦斯抽采钻孔施工提供借鉴。

1矿井及工作面概况

王坡煤矿位于山西省晋城市泽州县境内，属沁水煤田；矿井主采3号煤层，煤层平均厚5.9m，平均倾角6°，为高瓦斯矿井，目前开采深度约为620~750m。该矿采用顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯，但由于地面村庄压煤的影响，部分回采工作面属于孤岛工作面。3210工作面位于二采区4条集中巷南侧，该工作面北侧与4条开拓大巷连通，南侧为井田边界紧邻成庄矿，井田间设有边界煤柱；工作面地面标高+980～+1260m，井下标高+490～+545m，工作面埋深600～720m。3210工作面东、西侧为3208和3212采空区，留设20m保护煤柱。停采线距南集中回风巷100m。煤层平均厚度5.2m。停采线距南集中回风巷100m，停采线以里走向长度2116m，开切眼长度159m。该工作面施工瓦斯预抽钻孔存在极大的难度，普遍成孔率不高。该矿以往的预抽钻孔采用圆钻杆+水力排渣的施工方式，但在孤岛工作面施工时，钻孔几乎难以穿过孔口往里15m的距离，后改为螺旋钻杆，成孔效果依然不佳；设计孔深100m，平均成孔深度约为60m，难以保证工作面的瓦斯抽采效果，而且经常出现钻杆脱落现象。

2钻机升级改造

2.1螺旋钻进排渣主要参数

（1）成孔直径。在顺煤层钻孔抽采过程中，直径大的钻孔比直径小的钻孔成孔效果要好，根据王坡矿抽采数据分析，成孔直径大于85mm更有利于提高抽采效果。（2）成孔深度。抽采钻孔的钻进深度主要根据矿井抽采工作的需要确定。王坡矿工作面倾向长度为180m，钻孔深度一般要求达到100~160m，理想的钻进深度为160m。（3）钻进速度。从提高成孔率和施工效率角度考虑，在矿井煤层赋存条件下，理想的钻进速度为0.5~1m/min。

2.2钻机主要参数

通过王坡煤矿的长期实践，螺旋钻机更适合松软突出煤层的钻孔施工。正确选择螺旋钻机工作参数、优化施工参数，对保证螺旋钻进施工松软突出煤层钻孔质量将起着重要作用。结合王坡煤矿工作面的实际情况，为了便于施工顺层煤瓦斯抽采钻孔，使瓦斯抽采效果达到最佳，钻机的煤层钻进能力应为150~200m，终孔直径一般大于85mm。为了能够在高瓦斯复杂地质条件的煤层中钻进，钻机必须具备足够的动力，以处理可能出现的垮孔、抱钻等孔内事故；同时由于巷道断面小，又是快循环作业，要求钻机体积小、重量轻、移动锚固方便快捷。螺旋钻机的参数不仅影响到钻机本身的结构，同时也关系到钻机的功效、成孔时间、动力消耗和劳动条件的改善。在充分考虑各参数间的相互影响的基础上，适合王坡矿抽采钻孔成孔的钻机应该至少具备以下参数：（1）成孔直径90、100mm；（2）钻孔深度150~200m；（3）钻进速度0.5~1m/min；（4）钻具转速150~480r/min；（5）螺旋叶片的升角21~31°。

2.3钻机具优化改造

针对王坡矿煤层条件和施工顺层钻孔的技术要求，通过对原有ZYW-1900R钻机配套钻具进行升级改造，并进行对比性试验，从中选择适合矿井条件的煤层顺层钻孔施工钻机具。

3钻孔布置及施钻区域加固

王坡煤矿3210工作面采用在回风顺槽和运输顺槽施工扇形顺层钻孔的方式进行煤层瓦斯预抽。由于回风顺槽内每隔50m有1个钻场，将钻孔布置在钻场内，每个钻场施工15个钻孔；钻孔开孔间距为0.6m，上下2层布置；钻孔终孔间距为3m，孔深为146m，控制范围为运输顺槽轮廓线以西15m。在运输顺槽内每隔50m设置1个钻孔施工地点，每个地点施工15个钻孔，钻孔开孔间距为0.6m，上下2层布置，钻孔终孔间距为3m，孔深为145~146m，控制范围为回风顺槽轮廓线以东15m。累计钻孔数量为600个，累计钻孔工程总量为87600m。考虑到孤岛工作面应力集中的影响，结合王坡煤矿以往的经验，需要在施钻地点对巷帮往里15m范围进行注浆加固。待水泥浆凝固后，再施工预抽钻孔。注浆范围为钻孔施工地点（含钻场）周围5m。初步布置5个注浆钻孔，钻孔深度为20m，采用探水钻机（准50mm）或手持式防突钻机施工。每个预抽钻孔施工地点布置注浆钻孔，除施钻区域注浆加固以外，在钻孔施工后仍需要下套管进行护孔处理。根据王坡矿煤层特点，经过试验研究，最终确定抽采钻孔施工之后，立即下放准50mm的筛管，除了在孔口段预留18m的PE管（准75）封孔段外，剩余钻孔段全部下放筛管，筛管与PE管之间采用变径接头连接。

4钻孔施工效果考察

将升级改造后的钻机在王坡煤矿3210工作面开展了工业试验，在试验过程中，新式工艺及装备施工55个钻孔，与之前采用原有工艺及装备施工的153个钻孔施工效果进行对比，在孔深、成孔率以及施工效率方面都有很大提高。通过对原有钻机和升级改造后的钻机施钻效果进行考察对比分析，可以发现，改造后的ZYW-1900R型钻机及钻具成孔效果更好，更适合应力集中区瓦斯抽采钻孔施工。

5结论

（1）升级改造后的ZYW-1900R型钻机功率更大，最大转速更高，更适合松软突出煤层顺层钻孔的施工。（2）钻机配套的准95mm螺旋钻杆参数设计更合理，采用防滑螺栓为钻杆连接件，钻杆连接更安全稳定，在现场施工过程中未出现过钻杆脱落现象。（3）新型ZYW-1900R型钻机采用松软煤层顺层钻孔施工的专用钻头，其钻进能力在施工过程中也得到了验证。百米以上成孔率由3.3％提高到65.5％，平均进尺由104m/d提高到180.2m/d。

［参考文献］

［1］孟晓红.松软煤层瓦斯抽放钻孔塌孔机理及改进措施研究［D］.太原：太原理工大学，2016.

［2］马沈岐，王力，李乔乔.松软喷突型煤层螺旋钻进工艺发展［J］.煤矿安全，2010（4）:112-116.

［3］李强,胡振阳.新型螺旋钻具试验与螺旋钻进工艺探讨［J］.陕西煤炭，2010（5）:18-20.

［4］毕耀坤.螺旋钻采煤机钻头布齿及其截割过程动力学分析［D］.重庆：重庆大学，2013.

［5］石智军，姚宁平，叶根飞.煤矿井下瓦斯抽采钻孔施工技术与装备［J］.煤炭科学技术，2009（7）:1-4.

［6］李玉南.软煤层钻孔施工与钻具选择及应用效果分析［J］.能源技术与管理，2015（2）:47-49.

［7］任仲久.大直径走向长钻孔瓦斯抽采在15108工作面应用［J］.能源技术与管理，2015（5）:44-45.

作者:范晓刚 马钱钱 范彦阳 单位:中煤科工集团重庆研究院有限公司