關(guān)于松軟（破碎）煤層施工鉆孔高成孔率工藝技術(shù)的探索

摘 要：順層長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯是工作面煤層治理瓦斯的重要措施，本文結(jié)合實(shí)際，針對(duì)松軟（破碎）煤層施工鉆孔高成孔率的工藝技術(shù)進(jìn)行了論述。

關(guān)鍵詞：松軟（破碎）煤層；鉆孔高成孔率；工藝技術(shù)

1 施工工藝

1.1 順層長(zhǎng)鉆孔成孔工藝

順層長(zhǎng)鉆孔抽放瓦斯作為工作面煤層治理瓦斯的措施，對(duì)于防治采煤工作面煤與瓦斯突出、降低回采過(guò)程中的瓦斯涌出量、大幅度減少回采中的局部防突工作量以及加快回采速度是非常必要的。順層鉆孔的成孔長(zhǎng)度是將其作為嚴(yán)重突出危險(xiǎn)煤層工作面的區(qū)域性防突措施先決條件，如果鉆孔長(zhǎng)度不足以達(dá)到控制整個(gè)回采工作面的范圍，也就無(wú)從談起將其作為區(qū)域性防突措施。因此，采用合適的順層長(zhǎng)鉆孔成孔工藝，使順層鉆孔長(zhǎng)度達(dá)到預(yù)定的要求是關(guān)鍵。

1.2 順層長(zhǎng)鉆孔施工鉆機(jī)的選擇

隨著鉆孔長(zhǎng)度的增大，鉆桿與鉆孔間接觸摩擦的面積和鉆桿本身的重量都相應(yīng)地增大，鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩和推進(jìn)力也相應(yīng)的需要增大。因此，要求選擇的鉆機(jī)要滿(mǎn)足旋轉(zhuǎn)扭矩和推進(jìn)力增大的要求。

1.3 順層鉆孔施工鉆具的選擇：

順層鉆孔的成孔長(zhǎng)度要求較長(zhǎng)，且在突出煤層施工過(guò)程中噴孔、卡鉆等現(xiàn)象也非常嚴(yán)重，因此，對(duì)順層長(zhǎng)鉆孔的施工鉆具提出了較高的要求。首先，鉆桿的強(qiáng)度必須相應(yīng)提高，因?yàn)殂@孔長(zhǎng)度增大后，鉆桿承受的旋轉(zhuǎn)扭距的推力大大增加了；其次，鉆頭也必須進(jìn)行改進(jìn)，因?yàn)殂@孔施工過(guò)程中的噴孔現(xiàn)象與鉆孔直徑有很大關(guān)系。根據(jù)理論分析和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，直徑小的鉆孔周?chē)貞?yīng)力變化和破壞范圍小于直徑大的鉆孔，發(fā)生噴孔的可能性及噴孔嚴(yán)重程度也明顯小于直徑大的鉆孔。因此，根據(jù)順層長(zhǎng)鉆孔的設(shè)計(jì)要求，可將鉆頭設(shè)計(jì)成二級(jí)組合鉆頭--在鉆具的設(shè)計(jì)上將前端設(shè)計(jì)為直徑較小的鉆頭，相隔一定距離后再增加一組正常直徑的鉆頭，即在鉆孔施工過(guò)程中，小直徑鉆頭鉆進(jìn)，隨后正常直徑的鉆頭再擴(kuò)孔，可以在很大程度上降低鉆孔的噴孔程度和減少?lài)娍赚F(xiàn)象的發(fā)生。

1.4 確定合理的排渣工藝

排渣工藝技術(shù)是長(zhǎng)鉆孔成孔的關(guān)鍵技術(shù)。鉆進(jìn)過(guò)程一般要求能完全、及時(shí)地排除孔內(nèi)的鉆屑，在煤層中鉆進(jìn)還要減少對(duì)孔壁的破壞，保持孔壁完整，而在突現(xiàn)出煤層中鉆進(jìn)還要考慮有利于瓦斯的涌出和排放。

1.5 傳統(tǒng)排渣方式及風(fēng)力排渣

傳統(tǒng)的排渣方式是用水作沖洗介質(zhì)，以攜帶、排出鉆屑，并起到冷卻鉆頭的作用。但是，水力排渣方式的最大缺點(diǎn)是對(duì)孔壁的沖擊作用太大，垮孔、噴孔嚴(yán)重。同時(shí)，鉆孔內(nèi)處于氣（瓦斯、空氣）、液、固（鉆屑）三相流動(dòng)狀態(tài)，流態(tài)極不穩(wěn)定，也容易造成卡鉆現(xiàn)象。

風(fēng)力排渣是用壓縮空氣經(jīng)過(guò)鉆桿內(nèi)孔、鉆頭進(jìn)入孔底，在孔內(nèi)形成高速風(fēng)流，鉆屑則懸浮在風(fēng)流中被吹向孔口，從而實(shí)現(xiàn)排渣和鉆頭冷卻。風(fēng)力排渣的最大缺點(diǎn)是，作業(yè)地點(diǎn)煤塵不易控制。但在突出或松軟煤層中打鉆時(shí)，風(fēng)力排渣具有明顯的優(yōu)勢(shì)：（1）壓風(fēng)對(duì)孔壁的沖擊小，不易破壞孔壁；（2）不影響煤層中的瓦斯解吸，使瓦斯得以自由、快速地釋放；（3）鉆孔內(nèi)始終只有氣、固兩相流動(dòng)，發(fā)生卡鉆的可能性也減小了。因此，風(fēng)力排渣是在突出或松軟煤層中打鉆比較理想的排渣方式。

1.6 風(fēng)力排渣的基本因素

排渣能力是影響鉆進(jìn)的主要因素之一。若鉆孔內(nèi)鉆屑一旦積累聚，孔壁、鉆屑、鉆桿之間的摩擦阻力增加，當(dāng)鉆孔內(nèi)鉆屑積聚到一定程度后，鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)扭矩不能克服阻力，即發(fā)生抱鉆現(xiàn)象。因此，正常鉆進(jìn)要求把不斷產(chǎn)生的鉆屑完全、快速地排出孔外，避免鉆屑在鉆孔內(nèi)積聚，這就要求有足夠的排渣能力。

根據(jù)氣力輸送原理，鉆孔內(nèi)的鉆屑能否被壓風(fēng)吹出，首先取決于鉆孔內(nèi)的風(fēng)速，其次是鉆孔傾角、鉆屑的粒徑和固氣混合比（鉆孔在單位時(shí)間的產(chǎn)渣量與壓風(fēng)流量的比值）等。鉆孔的傾角是根據(jù)煤層賦存條件和抽放的要求設(shè)計(jì)的；鉆屑的粒徑則主要與煤層的破壞程度、是否垮孔和噴孔、鉆頭形式、鉆頭鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)的速度等有關(guān)；固氣混合比則主要與鉆孔在單位時(shí)間內(nèi)的產(chǎn)渣量和壓風(fēng)流量有關(guān)；鉆孔內(nèi)的風(fēng)速與供風(fēng)的壓力、鉆桿內(nèi)孔及鉆孔的阻力系數(shù)等有關(guān)。風(fēng)速越大，排渣能力越強(qiáng)；固氣混合比、鉆屑的粒徑越小則排渣越容易；下向鉆孔排渣比上向鉆孔困難。

在地質(zhì)、設(shè)備、鉆孔直徑、鉆孔傾角、進(jìn)鉆速度等因素相對(duì)不變時(shí)，供風(fēng)參數(shù)成為風(fēng)力排渣能力的主要影響因素。

2 順層長(zhǎng)鉆孔施工成孔工藝的應(yīng)用效果

2.1 風(fēng)力排渣的最小風(fēng)速

粒子在流體介質(zhì)中由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始自由下落時(shí)，當(dāng)加速到一定速度后即變?yōu)榈人俪两?，此時(shí)的速度即稱(chēng)為粒子的沉降速度μc，且這一沉降速度的大小與粒子的物料性質(zhì)和粒徑有關(guān)。顯然，對(duì)于單個(gè)的鉆屑顆粒，風(fēng)速必須大于其沉降速度才能被吹出。同時(shí)，根據(jù)氣力輸送原理，實(shí)際打鉆時(shí)還要保證排渣量與產(chǎn)渣量的平衡，即滿(mǎn)足不堵塞的條件。

2.2 所需供風(fēng)壓力

排渣需要一定的風(fēng)速，但為使風(fēng)流達(dá)到這個(gè)風(fēng)速就要克服風(fēng)流的各種阻力損失，即需要一定的供風(fēng)壓力。排渣的壓風(fēng)阻力損失△p一般由以下幾個(gè)部分組成：（1）純空氣氣流從孔底輸送到孔口的阻力損失△Pa。（2）使鉆屑從孔底加速到一定速度而附加的阻力損失△Psac。（3）為使煤渣以一定的速度輸送并排出到孔口而附加的阻力損失△ps。（4）鉆頭的壓風(fēng)阻力損失△pt。（5）空氣在鉆桿內(nèi)流動(dòng)產(chǎn)生的阻力損失△pz。

風(fēng)力排渣的基本條件是鉆孔內(nèi)的風(fēng)速應(yīng)能夠吹動(dòng)孔內(nèi)的大煤塊，并且吹出鉆屑的能力大于鉆孔鉆進(jìn)時(shí)鉆屑的產(chǎn)生量。為此，根據(jù)鉆屑的粒度、打鉆速度等，運(yùn)用氣力輸送理論計(jì)算出風(fēng)力排渣的合理風(fēng)速，以確保足夠的排渣能力。

2.3 保證足夠的風(fēng)量和風(fēng)壓

目前一般煤礦的壓風(fēng)風(fēng)壓不超過(guò)0.5MPa，對(duì)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。使打鉆地點(diǎn)的風(fēng)壓通常達(dá)到0.65MPa以上，并且24h正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.4 鉆進(jìn)速度

當(dāng)發(fā)現(xiàn)鉆孔所排出的煤渣較多或有煤炮現(xiàn)象時(shí)，應(yīng)減慢鉆速或停止鉆進(jìn)，通過(guò)降低速度達(dá)到充分排渣的目的，減少沉渣，直到正常時(shí)再進(jìn)鉆。必要時(shí)還應(yīng)退掉幾根鉆桿，然后再邊排渣邊重新進(jìn)鉆。

2.5 設(shè)計(jì)采用滿(mǎn)足風(fēng)力排渣和長(zhǎng)鉆孔施工的大扭矩鉆桿

如果鉆孔穿煤長(zhǎng)，風(fēng)壓需要專(zhuān)用空氣壓縮機(jī)提供壓風(fēng)，效果會(huì)更好。

由于壓風(fēng)的壓力達(dá)到0.7MPa，要提高孔內(nèi)風(fēng)速，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(shí)，順層長(zhǎng)鉆孔的深度大，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。所以，試驗(yàn)所用鉆桿的內(nèi)、外徑應(yīng)該比常規(guī)的Φ42mm鉆桿都大，并在鉆桿結(jié)構(gòu)上考慮了降阻問(wèn)題。由于鉆桿直徑增大，通過(guò)的風(fēng)量和鉆桿強(qiáng)度等也相應(yīng)提高，更有利于順層長(zhǎng)鉆孔的施工。

作者簡(jiǎn)介：姚丙祥（1969，03-），2006年畢業(yè)于鶴礦學(xué)校，2007年從事一通三防工作技術(shù)工作至今。