突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)

1、2022-5-2712022-5-2722022-5-2732022-5-274l 2009年5月14日 國家安全監(jiān)管總局局長駱琳簽署總局第19號令，頒布防治煤與瓦斯突出規(guī)定，2009年8月1日起實(shí)施。原防治煤與瓦斯突出細(xì)則同時廢止。防突規(guī)定提出了“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補(bǔ)充”的理念，強(qiáng)調(diào)突出煤層必須采取區(qū)域綜合防突措施并達(dá)到規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)后方可進(jìn)行采掘作業(yè)。區(qū)域防突工作應(yīng)當(dāng)做到多措并舉、可保必保、應(yīng)抽盡抽、效果達(dá)標(biāo)。2022-5-275u松軟突出煤層（硬度系數(shù)f1）滲透性差、瓦斯含量高。鉆進(jìn)過程中，容易產(chǎn)生垮孔、卡鉆、噴孔等現(xiàn)象。我國在松軟突出煤層雖然有鉆孔深度超過150m甚至達(dá)到240m

2、的記錄，但大部分的鉆孔深度都在100m以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我國松軟煤層在所開采煤層中所占比例較大，因此，松軟突出煤層的鉆進(jìn)成孔問題一直是個亟待解決的難題。u實(shí)現(xiàn)松軟煤層中打深孔，必須采取綜合的辦法來解決，綜合辦法包括：鉆孔設(shè)計(jì)、打鉆設(shè)備和打鉆工藝等方面。2022-5-2762022-5-277龍煤集團(tuán)鶴崗分公司、沈陽煤業(yè)集團(tuán)、撫順礦業(yè)集團(tuán)淮南礦業(yè)集團(tuán)、淮北礦業(yè)集團(tuán)鄭州煤炭集團(tuán)、焦作煤業(yè)集團(tuán)陽泉煤業(yè)集團(tuán)、晉城煤業(yè)集團(tuán)松藻煤電公司2022-5-278松軟突出煤層中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)裝備研制與配套工藝開發(fā)井下水平長鉆孔鉆機(jī)研制及配套工藝開發(fā)低透氣性煤層瓦斯抽采增效技術(shù)開發(fā)低濃度瓦

3、斯輸送安全保障成套技術(shù)開發(fā)與裝備研制防突遠(yuǎn)距離控制鉆機(jī)研制及配套工藝開發(fā)松軟突出煤層順層鉆孔螺旋鉆進(jìn)裝備研制與配套工藝開發(fā)瓦斯抽采礦井的風(fēng)流監(jiān)測與智能控制關(guān)鍵技術(shù)研制地面瓦斯抽采的欠平衡車裝鉆機(jī)研制2022-5-279u示范工程建設(shè)取得階段性效果：推廣了一批瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯利用的先進(jìn)適用技術(shù)和裝備。2022-5-27102022-5-27112022-5-27122022-5-2713ZDY6000LZDY6000L、ZDY4000LZDY4000L、ZDY3200LZDY3200L、ZDY1900LZDY1900L、ZDY1200LZDY1200L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)屬于自行

4、式、低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩類型鉆機(jī)?？刹捎每卓诨剞D(zhuǎn)鉆進(jìn)，也可采用孔底動力鉆進(jìn)，主要用于煤礦井下近水平長距離瓦斯抽放鉆孔以及本煤層和鄰近層中深瓦斯抽放鉆孔的施工。鉆機(jī)能力：100600m。 2022-5-27142022-5-2715ZDY8000 10000SZDY8000 10000S型全液壓鉆機(jī)型全液壓鉆機(jī)2022-5-27162022-5-27172022-5-27182022-5-2719有葉片式螺旋鉆桿、淺槽螺旋鉆桿兩種。葉片式螺旋鉆桿、淺槽螺旋鉆桿兩種。晉城趙莊礦晉城趙莊礦50 mm1 000 mm的淺槽螺旋的淺槽螺旋鉆桿鉆桿葉片、插接式螺旋鉆桿葉片、插接式螺旋鉆桿2022-5-27202

5、022-5-27212022-5-27222022-5-2723穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)：就是在回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)的基礎(chǔ)上，在靠近鉆頭的1020 m的鉆桿上接上35個接近于鉆頭直徑的穩(wěn)定器(也稱扶正器)，通過調(diào)整穩(wěn)定器的位置和數(shù)量，并配合相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝參數(shù)，使鉆具對鉆頭產(chǎn)生向上、向下或保直鉆進(jìn)的控制力，從而起到控制鉆孔軌跡的目的。順層長鉆孔的施工，關(guān)健在于打鉆過程中，防止鉆桿下沉，保持鉆桿一定的直度。鉆頭鉆頭穩(wěn)定器穩(wěn)定器鉆桿鉆桿保直保直上斜上斜下斜下斜2022-5-2724套筒式穩(wěn)定器套筒式穩(wěn)定器穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進(jìn)技術(shù)主要適用于對鉆孔軌跡有特殊要求的瓦斯抽放鉆孔施工，如沿煤層水平定向長鉆孔的施工(孔深

6、500 m)、頂板高位水平定向鉆孔的施工。2022-5-27255、引進(jìn)國外定向長鉆孔鉆機(jī)的應(yīng)用情況美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家，從上世紀(jì)70年代初就開始了井下近水平長鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)的研究。通過三十年的發(fā)展，目前以孔底動力為主要鉆進(jìn)方法、隨鉆測斜為主要定向手段的鉆孔工藝方法已非常成熟，并取得較廣泛的推廣應(yīng)用，技術(shù)上處于國際領(lǐng)先水平。2022-5-27265、引進(jìn)國外定向長鉆孔鉆機(jī)的應(yīng)用情況19971998年間，國內(nèi)松藻、鐵法、淮南、平頂山和撫順5個礦務(wù)局引進(jìn)了9套美國和澳大利亞千米定向鉆機(jī)。共打成鉆孔19個，鉆孔深度范圍為45470m，其中:小于100m的有10個，100200m的有2個，20

7、0 400m的有6個，最深的一個孔達(dá)470m。在煤層中打成順層鉆孔的深度幾乎都不超過100m?？咨疃紱]有達(dá)到引進(jìn)鉆機(jī)設(shè)計(jì)施工能力的二分之一。試驗(yàn)效果不好。2022-5-27275、引進(jìn)國外定向長鉆孔鉆機(jī)的應(yīng)用情況2022-5-27285、引進(jìn)國外定向長鉆孔鉆機(jī)的應(yīng)用情況20022007年間，山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦、晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)公司引進(jìn)了4套美國和澳大利亞生產(chǎn)的采用孔底馬達(dá)定向鉆進(jìn)的千米鉆機(jī)，用于煤礦井下定向長鉆孔抽采瓦斯。使用情況很不錯。大寧煤礦為高瓦斯礦井，預(yù)抽本煤層（3號煤層）瓦斯為主，最大孔深達(dá)1002m。至2007年底已完成鉆孔數(shù)1980個，累計(jì)進(jìn)尺803753m，抽混

8、合瓦斯9.05億m3。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，近幾年國內(nèi)已定購的澳大利亞VLD1000定向長鉆孔鉆進(jìn)設(shè)備多達(dá)50余套。2022-5-2729 山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦采用孔底馬達(dá)定向鉆進(jìn)的千米鉆機(jī)，預(yù)抽本煤層（3號煤層）瓦斯為主，最大孔深達(dá)1002m。5、引進(jìn)國外定向長鉆孔鉆機(jī)的應(yīng)用情況2022-5-27305、引進(jìn)國外定向長鉆孔鉆機(jī)的應(yīng)用情況晉城煤業(yè)井下區(qū)域性遞進(jìn)式預(yù)抽采 千米鉆機(jī)等機(jī)具施工長鉆孔，一個預(yù)抽區(qū)域至少應(yīng)涵蓋1個工作面。 2022-5-27315、引進(jìn)國外定向長鉆孔鉆機(jī)的應(yīng)用情況國內(nèi)從上世紀(jì)90年代正式開始煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)的研究，在對以螺桿馬達(dá)為孔底動力的鉆進(jìn)方法的研究方面曾取

9、得過一些階段性成果。但是由于國產(chǎn)孔底馬達(dá)可靠性較差，壽命太短，設(shè)備成本比回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)鉆機(jī)的高，不便于推廣，導(dǎo)致國內(nèi)對這項(xiàng)技術(shù)研究并沒有繼續(xù)深入下去。2022-5-27326、部分國產(chǎn)長鉆孔鉆進(jìn)設(shè)備的使用情況目前，ZDY8000 10000S型全液壓鉆機(jī)已在銅川礦務(wù)局推廣使用，施工的瓦斯預(yù)抽采鉆孔深度多在600m左右。晉城無煙煤礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司已大面積推廣使用ZDY6000S 鉆機(jī)，施工深度為400600m的本煤層瓦斯預(yù)抽采長鉆孔。2022-5-27332022-5-27341、順層長鉆孔排渣工藝n 水力排渣 傳統(tǒng)的排渣工藝是用水作沖洗介質(zhì)攜帶和排出鉆屑、冷卻鉆頭。由于水注滿整個鉆孔，對瓦斯的自

10、然排放起封閉作用，易造成噴孔，對鉆孔施工人員的安全有一定的威脅。在松軟煤層中鉆進(jìn)時，循環(huán)水對于孔壁的沖刷、浸泡等破壞作用相當(dāng)嚴(yán)重，鉆孔極易破碎坍塌，成孔極其困難。 因而，在施工順煤層抽放鉆孔時，用水作為排渣介質(zhì)是不利于深鉆孔的施工。2022-5-27351、順層長鉆孔排渣工藝n 風(fēng)力排渣 風(fēng)力排渣用風(fēng)作介質(zhì)排渣和鉆頭冷卻。其顯著的優(yōu)點(diǎn)在于壓風(fēng)對孔壁的沖擊較弱，對瓦斯解吸影響小。因此，從技術(shù)上來看，風(fēng)力排渣更適合于突出煤層順層長鉆孔的施工。 其缺點(diǎn)是作業(yè)地點(diǎn)粉塵不易控制，多數(shù)礦井的風(fēng)壓、流量也不能滿足長鉆孔的要求。2022-5-27362、松軟突出煤層打鉆遇到的問題及原因分析n 問題：2022-

11、5-27372、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析n問題 噴孔、卡鉆形成過程。噴孔可分成：煤體破碎瓦斯聚積（瓦斯迅速解吸孔壁破裂孔內(nèi)堵塞瓦斯梯度猛增） 瓦斯釋放（突破堵塞噴孔和卡鉆）三個階段。2022-5-27382、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題 噴孔和卡鉆原因分析：噴孔應(yīng)看作是鉆孔中出現(xiàn)的動力現(xiàn)象，類似煤與瓦斯突出，是高壓瓦斯、應(yīng)力集中和軟煤存在三個因素綜合作用的結(jié)果。 當(dāng)鉆孔進(jìn)入軟煤分層時，鉆頭切削旋轉(zhuǎn)，對軟煤產(chǎn)生一種沖擊和破碎力，使煤體破裂、粉碎，鉆孔周邊煤體瓦斯迅速解吸，流入鉆孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的幾倍到幾十倍，此時鉆孔前后方出現(xiàn)了較大的瓦斯梯度，產(chǎn)生明顯的瓦斯激流，承壓

12、的瓦斯激流對破壞的煤顆粒起著邊運(yùn)送邊粉化的作用，瓦斯激流和粉化了的煤顆粒難以順利的向孔外排出，進(jìn)一步增加了孔內(nèi)瓦斯壓力梯度，形成噴孔。2022-5-27392、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題 另一種噴孔是由于煤層中含水，鉆頭切削時的煤粉難以順利排出，在鉆孔的淺部（1020m的范圍內(nèi)）出現(xiàn)堵孔。再就是打鉆風(fēng)壓和風(fēng)量不夠，排碴不力，出現(xiàn)堵孔。堵孔造成迅速解吸的瓦斯無法排出，孔內(nèi)的壓力梯度達(dá)到某個極限時，發(fā)生噴孔。 2022-5-27402、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題 卡鉆是與噴孔聯(lián)系和同時發(fā)生的一種現(xiàn)象，噴孔時末能及時退出鉆桿，破碎的煤體將鉆桿和鉆頭箍緊?；蚴强變?nèi)出現(xiàn)塌孔、堵孔時，

13、排渣不力，此時仍然鉆進(jìn)，使堵孔、塌孔的范圍不斷擴(kuò)大，造成鉆桿和鉆頭箍緊，鉆頭無法進(jìn)退。 噴孔、垮孔、堵孔和卡鉆是不同現(xiàn)象，但又是相互聯(lián)系的，卡鉆是嚴(yán)重的打鉆事故，往往可能出現(xiàn)扭斷鉆桿丟失鉆頭。2022-5-27412022-5-27422、提高突出煤層鉆孔孔深的技術(shù)途徑l2)確定為達(dá)到要求的風(fēng)速，需要足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓。目前礦井的井下壓風(fēng)管道風(fēng)壓一般不超過0.5MPa，而對目前的鉆具而言，這一風(fēng)壓顯然不能達(dá)到足夠的供風(fēng)量。為此，可使用井下移動式空壓機(jī)，使打鉆地點(diǎn)的風(fēng)壓正常時達(dá)到0.65MPa以上，最大時達(dá)0.7MPa。2022-5-2743不同深度鉆孔正常排渣所需的供風(fēng)壓力（煤科總院重慶研究院在

14、芙蓉珙泉煤業(yè)公司芙蓉珙泉煤業(yè)公司 試驗(yàn)結(jié)果）2022-5-27442、提高突出煤層鉆孔孔深的技術(shù)途徑l3)采用滿足風(fēng)力排渣和長鉆孔施工的大扭矩鉆桿。由于壓風(fēng)的壓力最高為0.7MPa， 要在一定的壓力下提高孔內(nèi)的風(fēng)速(或風(fēng)量)，就只有降低壓風(fēng)的沿程阻力損失，這就要適當(dāng)擴(kuò)大輸送壓風(fēng)的鉆桿內(nèi)孔直徑。同時，順層長鉆孔的長度大，孔壁、鉆屑與鉆桿之間的摩擦阻力也大，應(yīng)適當(dāng)增加鉆桿強(qiáng)度。2022-5-27452、提高突出煤層鉆孔孔深的技術(shù)途徑l4)根據(jù)礦井具體的地質(zhì)條件和煤層特征，采用較大能力并適合順層鉆孔施工條件的鉆機(jī)。盡管順層長鉆孔成孔的關(guān)鍵是打鉆排渣工藝技術(shù)，但足夠能力的鉆機(jī)是施工長鉆孔的基礎(chǔ)。202

15、2-5-27462、提高突出煤層鉆孔孔深的技術(shù)途徑l5)采用多級組合鉆頭，利用前端小直徑鉆頭的超前卸壓作用減輕鉆孔的噴孔程度，同時提高鉆孔的定向鉆進(jìn)效果。l6)其他輔助技術(shù)措施還包括降塵、安全防護(hù)、防止孔內(nèi)爆燃等，制訂操作規(guī)程，對打鉆過程中的各種現(xiàn)象提出觀察、應(yīng)對方法。2022-5-2747搞好鉆孔設(shè)計(jì)：鉆孔設(shè)計(jì)不能簡單化，一次完成。工作面布孔設(shè)計(jì)分為方案設(shè)計(jì)、分段設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)3個階段進(jìn)行。布孔方案設(shè)計(jì)：布孔方案設(shè)計(jì)是工作面瓦斯抽放設(shè)計(jì)的重要組成部分。根據(jù)煤層和巷道狀況，按不留或少留空白帶的要求，對采面全面布孔。明確布孔形式、鉆孔密度和施工順序。2022-5-2748鉆孔施工分段設(shè)計(jì)：目的：

16、根據(jù)工作面抽放方案設(shè)計(jì)的要求，結(jié)合不同地段的瓦斯地質(zhì)和巷道條件，進(jìn)行逐段設(shè)計(jì)。通過分段設(shè)計(jì)優(yōu)選鉆孔施工參數(shù)，實(shí)現(xiàn)抽放鉆孔優(yōu)化。分段設(shè)計(jì)前要調(diào)查該段地質(zhì)構(gòu)造煤層傾角、煤厚、巷道條件等。設(shè)計(jì)中包括不岡鉆孔的方位角、傾角、孔深、孔徑和開孔點(diǎn)距底板高度等，并有附圖。2022-5-2749鉆孔施工設(shè)計(jì)：主要是鉆孔參數(shù)的調(diào)整。由于煤層產(chǎn)狀和厚度不穩(wěn)定，鉆孔深處往往存在變化，因此必須通過施工鉆孔，及時判斷鉆孔前方的煤層賦存狀況。對設(shè)計(jì)鉆孔及時調(diào)整參數(shù)，經(jīng)調(diào)整參數(shù)后施工的鉆孔基本能達(dá)到設(shè)計(jì)深度。2022-5-27502022-5-2751掌握給進(jìn)壓力和鉆進(jìn)速度：鉆機(jī)給進(jìn)壓力的極限是固定的，不同層段要掌握不同的給進(jìn)壓力，壓力升高的原因是換層；孔內(nèi)出現(xiàn)堵孔；鉆具損壞，斷鉆頭鉆桿也會致使壓力突然變化。當(dāng)給進(jìn)壓力突然升高時必須采取果斷措施，一是停止鉆進(jìn)，進(jìn)行壓風(fēng)排碴；另一種是撤鉆退鉆。鉆進(jìn)速度必須保持適當(dāng)，軟煤分層中鉆進(jìn)主要是降速，通過降速充分排碴，減少沉碴，同時也起到降低給進(jìn)壓力的作用。所以軟煤鉆進(jìn)速度要比硬煤慢。鉆進(jìn)速度和給進(jìn)壓力的掌握，需要針對不同鉆機(jī)、不同煤層特征和排碴條件進(jìn)行測試和總結(jié)。2022-5-2752圖1是河南理工大學(xué)在平頂山十礦測試的一個實(shí)例。17號鉆孔開始