煤礦井下松軟煤層鉆孔成孔、護孔及高效抽采工藝研究與應用

松軟煤層鉆孔成孔、護孔及高效抽采工藝研究與應用1實施前狀況及存在問題1.1實施前狀況**礦是高瓦斯礦井，所采煤層為3#煤，煤層分為硬質(zhì)煤層和松軟煤層。目前，在松軟煤層施工瓦斯抽放鉆孔主要采用的工藝有兩種：一種是光面圓形鉆桿配合水力排渣，另一種是螺旋鉆桿通過螺旋排渣。在松軟煤層中施工的抽放鉆孔，普遍存在鉆進困難、鉆孔成孔難度大，塌孔、堵孔、卡鉆、頂鉆、掉鉆等現(xiàn)象，抽放效果不理想，嚴重影響礦井正常的生產(chǎn)銜接。如何解決煤質(zhì)松軟區(qū)段鉆進成孔問題是礦井瓦斯抽采的一大難題。1.2存在的問題1.2.1不同類型鉆桿施工鉆孔時成孔困難1.2.1.1在松軟煤層中施工時，循環(huán)水對于孔壁的沖刷、浸泡破壞作用相當嚴重，鉆孔極易破碎塌孔，由于地應力、瓦斯壓力、鉆桿震動等因素，在鉆進過程中經(jīng)常出現(xiàn)局部塌孔、堵孔現(xiàn)象，成孔極其困難。同時因鉆孔塌孔、堵孔，導致水力排渣通道堵塞，輕者卡鉆、掉鉆，嚴重時因摩擦發(fā)熱引起煤和瓦斯燃燒，釀成重大安全事故。1.2.1.2螺旋鉆桿施工螺旋鉆桿施工時采用干鉆進沒有水的潤滑，長時間和煤體進行干摩擦容易產(chǎn)生高溫甚至火花，使摩擦力增大，鉆桿老化，易發(fā)生掉鉆事故。采用干鉆進施工，現(xiàn)場煤塵飛揚不易控制，作業(yè)環(huán)境惡劣，且煤粉容易被抽采系統(tǒng)的負壓帶進管路，增加瓦斯抽放管路自重，造成管路墜落事故，嚴重威脅抽采系統(tǒng)安全運行。螺旋鉆桿采用插接式連接，鉆桿在鉆進過程中擺動大，造成鉆孔偏離中心，孔壁不平直，增加鉆進時的阻力，同時孔壁受鉆桿擺動影響而破壞，容易出現(xiàn)鉆孔塌孔、堵孔等現(xiàn)象。退鉆時滯留在孔內(nèi)的煤渣多，減少孔內(nèi)的有效抽采面積，影響鉆孔抽采效果。1.2.2鉆孔孔壁穩(wěn)定性差，容易出現(xiàn)塌孔無法抽采井下松軟煤層中施工的裸眼鉆孔，煤壁穩(wěn)定性差，在鉆孔施工到位退鉆后，鉆孔孔壁短時間內(nèi)將出現(xiàn)坍塌，堵塞孔內(nèi)通道，導致堵塞段以里無法抽采。2改進目的2.1在松軟煤層中，采用光面圓形鉆桿和螺旋鉆桿鉆進時，均出現(xiàn)塌孔、堵孔、卡鉆、掉鉆等異常情況，無法繼續(xù)施工，嚴重制約礦井瓦斯抽采工作的順利開展。塌孔，塌孔是鉆孔壁發(fā)生垮塌的現(xiàn)象，形成垮孔的主要原因有3個方面：①煤層軟，孔壁受震動后隨鉆進而崩塌；②鉆孔深度增加，鉆頭下扎，孔不直，發(fā)生彎曲，鉆進時鉆桿發(fā)生大幅度偏離中心線擺動，破壞孔壁；③噴孔時瓦斯流對孔壁的破壞。堵孔，堵孔是鉆機過程中鉆孔被煤粉充實造成無法排渣的現(xiàn)象，形成堵孔的原因主要有：①孔內(nèi)排渣不盡并不斷積存，造成鉆孔前方的煤渣、煤粉無法外排，形成堵孔；②垮孔未能停止，邊排邊垮，造成無法正常清理孔內(nèi)殘渣；③噴孔的結(jié)果?？ㄣ@，卡鉆是鉆頭既不能前進也不能后退的一種狀態(tài)，它主要是由于噴孔時未能及時退出鉆桿，破碎的煤體將鉆桿和鉆頭箍緊，排渣不利，孔內(nèi)積塵增多，此時仍然鉆進，使堵孔、垮孔的范圍不斷增大，從而造成卡鉆，鉆桿無法進退。噴孔、塌孔、堵孔和卡鉆雖然是不同的現(xiàn)象，但他們之間有時相互聯(lián)系?？ㄣ@容易造成嚴重的孔內(nèi)事故，出現(xiàn)卡鉆時往往會進行強拉硬拽，進而發(fā)生掉鉆事故。根據(jù)上述孔內(nèi)事故的特征，在松軟煤層中，采用水排渣工藝不變的前提下，更換不同類型的鉆桿，以達到施工長鉆孔抽放瓦斯的目的。2.2在鉆孔完孔之后，將PVC篩管下入孔內(nèi)，鉆孔內(nèi)瓦斯可通過篩管抽出，確保鉆孔抽采效果。3主要改進方面根據(jù)上述孔內(nèi)事故的特征，主要從兩個方面進行改進。3.1鉆桿外形的改進采用三棱螺旋鉆桿替代光面鉆桿和螺旋鉆桿進行施工，確保與水力排渣工藝的充分結(jié)合，主要有以下幾點好處。第一，三棱螺旋鉆桿是采用三棱凸棱型中空合金鋼管結(jié)構制成，抗疲勞性好，傳遞扭矩大。第二，與傳統(tǒng)鉆桿相比，新型三棱螺旋鉆桿在鉆進過程中，平面比曲面更能把煤屑攪動起來。對煤渣有效的攪拌使鉆孔內(nèi)鉆渣圍繞鉆桿做軸向運動，并使鉆渣得到粉碎和揚起，使之處于懸浮狀態(tài)，而不會出現(xiàn)沉淀、堆積。不容易出現(xiàn)抱鉆、卡鉆等孔內(nèi)事故。第三，在鉆桿與鉆孔壁之間形成了三個半圓形空間，實現(xiàn)排渣量小，排渣顆粒均勻，流動通暢，成孔率高，成孔的線性好等特點。在鉆桿轉(zhuǎn)動過程中，六條棱能將顆粒進行再次粉碎，顆粒更小，更容易排除。此類鉆桿保留了部分圓鉆桿的表面，有利于鉆桿轉(zhuǎn)動時的穩(wěn)定。第四，在旋轉(zhuǎn)徑差的作用下，形成三棱螺旋鉆桿對鉆孔壁連續(xù)的膩抹加固，因而大大降低因塌孔造成鉆桿抱死的現(xiàn)象，又被稱為防抱死鉆桿，極大提高了煤礦生產(chǎn)的安全系數(shù)，提高生產(chǎn)效率作用突出。圖1光面鉆桿圖2三棱螺旋鉆桿3.2鉆桿排渣空間的改進三棱鉆桿銑削出三個面后，在半圓表面又增加了螺旋槽，大大增加了排泄通道，能加速鉆桿排渣。在孔內(nèi)遇到塌孔現(xiàn)象時，大塊碳卡在孔內(nèi)，通過旋轉(zhuǎn)鉆桿上方的六條棱將其擠碎，將渣排出孔外；螺旋槽還有加速排瓦斯的作用，鉆孔在施工過程中煤粉將鉆桿三面堵塞后,水混合著瓦斯從螺旋槽內(nèi)排出，防止因煤粉堆積引發(fā)孔內(nèi)瓦斯集聚，造成噴孔事故。3.2鉆孔封連孔方式的改進鉆孔用護孔篩管采用具有抗靜電阻燃性的聚氯乙烯材質(zhì)，簡稱PVC管。賽館設計參數(shù)：篩眼直徑10mm，孔間距200mm，4排布置，展開后孔眼呈梅花形，篩管外徑40mm，壁厚2.9mm，單根長度1.5m，采用絲扣連接。煤層鉆孔施工達到設計深度后，鉆桿供水的情況下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)30min左右，以保證充分排出孔內(nèi)煤渣，見返水變清后，退鉆下篩管。4效益及效果針對松軟煤層中瓦斯抽放鉆孔成孔率低的問題，我們引進三棱螺旋鉆桿結(jié)合鉆孔孔內(nèi)下篩管護孔工藝，分別在四五一巷、53144巷迎頭等地點進行了鉆孔施工實驗。取得的效果有以下幾點。第一、鉆孔成孔率明顯提升表1實驗地點鉆孔施工情況表實驗地點鉆桿類型施工孔數(shù)（個）平均鉆孔長度（m）單孔最深孔長（m）四五聯(lián)絡1巷正頭光面圓形鉆桿517.526三棱螺旋鉆桿2910814053114巷正頭光面圓形鉆桿43668三棱螺旋鉆桿45133202第二、鉆孔施工效率明顯提升在以上兩個實驗地點進行鉆孔施工時，由于煤體松軟破碎，光面鉆桿無法正常施工，頻繁的卡鉆、塌孔，導致一天的最高進尺也僅能完成70m左右，且多是長度在20m上下的短鉆孔，抽放價值不大。而采用三棱螺旋鉆桿之后，日進尺平均能達到160m，最高時能達到200m左右，鉆孔施工效率顯著提高。第三、鉆孔抽采效果較好通過對實驗地點抽采效果的連續(xù)考察，四五聯(lián)絡1巷迎頭采用三棱螺旋鉆桿施工鉆孔的平均百米流量達到0.0183m3/min*hm，原4310面施工所用螺旋鉆桿考察的鉆孔百米流量數(shù)據(jù)為0.003m3/min*hm，而四五聯(lián)絡1巷正頭鉆孔的百米流量數(shù)據(jù)要好于螺旋鉆桿的抽放情況，與光面鉆桿在正常煤體條件下的瓦斯抽采數(shù)據(jù)相近。表2實驗地點鉆孔瓦斯抽放情況測定日期施工地點負壓(KPa)濃度(%)流量(m3/min)純量(m3/min)百米流量(m3/min*hm)抽采總進尺(m)7月7日53144巷2513.40.430.0580.00160237月14日25100.430.0430.00077月28日259.60.440.0420.00078月4日2510.20.450.0460.00088月11日2517.60.460.0810.00138月4日四五一巷2221.830.6540.02