胡底煤業(yè)松軟破碎煤層長鉆孔施工工藝研究與應(yīng)用

王 濤

（晉能控股煤業(yè)公司胡底煤業(yè)，山西 晉城 048000）

1 工程概況

胡底煤業(yè)主采3#和9#煤層，3 號煤層厚度5.20～5.91 m，平均5.67 m，煤層傾角3°～10°，平均6°，煤層節(jié)理裂隙發(fā)育，屬松軟破碎煤層。礦井為高瓦斯高突出礦井，3#煤層原始瓦斯壓力3.83 MPa，原始瓦斯含量25 m3/t。開采3#煤層時(shí)，需大量施工瓦斯抽采鉆孔，其中條帶抽采鉆孔和工作面順層鉆孔長度均較長，屬于長鉆孔。為保障長鉆孔的施工質(zhì)量及效率，需進(jìn)行松軟破碎圍巖長鉆孔施工工藝的研究分析。

2 空氣鉆進(jìn)原理及工藝參數(shù)分析

2.1 空氣鉆進(jìn)原理

空氣鉆進(jìn)是以一定壓力的壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)，在鉆桿柱與孔壁形成的封閉空間內(nèi)形成高速風(fēng)流，通過形成的高速風(fēng)流實(shí)現(xiàn)將鉆屑排出孔外，同時(shí)高速風(fēng)流能夠在一定程度上降低鉆頭溫度，以此實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)作業(yè)。

軟硬復(fù)合破碎煤層中沿煤層布置的瓦斯抽采鉆孔基本均為近水平鉆孔，在進(jìn)行該類鉆孔打孔作業(yè)時(shí)，其排粉機(jī)理類似于水平氣力輸送。在水平鉆孔中，鉆進(jìn)產(chǎn)生的煤屑在水平流動和鉆桿旋轉(zhuǎn)攪動作用下能夠?qū)崿F(xiàn)懸浮輸送。使煤屑懸浮運(yùn)動的力主要為五種，煤屑在五種力下實(shí)現(xiàn)鉆孔鉆進(jìn)時(shí)的風(fēng)力排粉[1-2]。具體鉆顆粒懸浮力如圖1。

圖1 顆粒懸浮力示意圖

（1）紊流時(shí)氣流產(chǎn)生的向上的懸浮力如圖1（a）；（2）空氣鉆進(jìn)過程中，在鉆孔內(nèi)的風(fēng)流在上部的運(yùn)行速度大于下部產(chǎn)生的運(yùn)行速度，在管內(nèi)形成壓力差進(jìn)而使得處于管底的煤屑處于懸浮狀態(tài)，如圖1（b）；（3）煤屑旋轉(zhuǎn)環(huán)流與氣流差相反時(shí)，兩者速度差產(chǎn)生的升力如圖1（c）；（4）煤屑顆粒的形狀不規(guī)則，受到的推力在垂直方向產(chǎn)生分力，如圖1（d）；（5）煤屑與孔壁、鉆桿或者煤屑間相互碰撞產(chǎn)生的垂直方向分力，如圖1（e）。

在軟硬復(fù)合破碎煤層鉆進(jìn)過程中，風(fēng)速應(yīng)大于鉆屑顆粒的沉降速度，但風(fēng)速過大時(shí)鉆屑會處于均勻流狀態(tài)，容易塌孔。合理的風(fēng)量應(yīng)控制在使得鉆屑顆粒處于底密流或停滯流的狀態(tài)[3-4]。

2.2 空氣鉆進(jìn)工藝參數(shù)分析

中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和供風(fēng)參數(shù)，三者在鉆進(jìn)過程中相互影響，共同決定著成孔效果。具體空氣鉆進(jìn)參數(shù)分析如下：

（1）鉆壓。鉆壓即為軸向壓力，鉆壓是在鉆進(jìn)過程中孔底破碎煤巖的必要條件，其會直接影響鉆孔的鉆進(jìn)速度。具體鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線如圖2。

圖2 鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線

從圖2 中能夠看出，以鉆壓為劃分標(biāo)準(zhǔn)，可將鉆速與鉆壓的關(guān)系曲線劃分為三個(gè)區(qū)域，分別為表面破碎區(qū)（I 區(qū)）、疲勞破碎區(qū)（Ⅱ區(qū)）和體積破碎區(qū)（Ⅲ區(qū)）。其中Ⅰ區(qū)內(nèi)鉆壓小，此時(shí)鉆速低，鉆孔主要通過表面研磨實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)；Ⅱ區(qū)內(nèi)鉆壓增大到一定程度，此時(shí)鉆壓產(chǎn)生的單位壓力仍小于巖石的壓入硬度，煤巖面的破碎需經(jīng)過多次重復(fù)作用，破碎產(chǎn)物中存在煤巖屑和煤巖粉兩種物質(zhì)；Ⅲ區(qū)內(nèi)鉆壓已增大的足夠大，此時(shí)鉆孔鉆進(jìn)過程主要表現(xiàn)為大體積崩落，這種情況下鉆孔在鉆進(jìn)速度很快的狀態(tài)下，其在表面產(chǎn)生的破碎物質(zhì)便會較少。

當(dāng)鉆孔布置在軟硬復(fù)合煤層中時(shí)，鉆壓一般應(yīng)大于5 kN；當(dāng)遇到頂?shù)装鍘r石及夾矸時(shí)，其所需的鉆壓應(yīng)大于15 kN，加之軟硬復(fù)合破碎煤層容易發(fā)生塌孔、埋鉆等孔內(nèi)事故，所需鉆機(jī)的提升力較大，一般情況下，鉆機(jī)的提升力不能小于50 kN，最好在100 kN 以上。

（2）轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速即鉆頭每分鐘回轉(zhuǎn)的次數(shù)。軟硬復(fù)合破碎煤層的硬度一般低于粘土類巖石，在軟硬復(fù)合破碎煤層鉆進(jìn)，可以認(rèn)為切削具切削下來的煤屑厚度等于切削具切入煤層的厚度，并且在鉆進(jìn)過程中切削具磨損很小，當(dāng)鉆頭以一定的鉆壓鉆進(jìn)時(shí)，鉆速和轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系[5-6]。轉(zhuǎn)速、增大轉(zhuǎn)速對鉆速的影響曲線如圖3。

圖3 轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)速對鉆速影響曲線圖

在軟硬復(fù)合破碎煤層鉆進(jìn)時(shí)，鉆壓一定時(shí)，隨著轉(zhuǎn)速的增大，鉆速也會逐漸增大。此時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)會產(chǎn)生較多的煤屑，若未被及時(shí)攜帶到孔外，則煤屑往往積聚在鉆具下部，形成巖屑楔，對鉆具產(chǎn)生上托作用，使鉆孔軌跡有向上偏斜的趨勢。當(dāng)供風(fēng)參數(shù)未及時(shí)調(diào)整時(shí)，會導(dǎo)致大量的煤屑在孔內(nèi)堆積，進(jìn)而易產(chǎn)生堵孔事故；當(dāng)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的煤屑便會變少，此時(shí)在沖洗介質(zhì)的作用下鉆孔內(nèi)會較為干凈，鉆孔軌跡呈下斜趨勢。

綜上，軟硬復(fù)合破碎煤層中采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)時(shí)，轉(zhuǎn)速要適中，不宜采用高轉(zhuǎn)速。當(dāng)風(fēng)量和風(fēng)壓充足時(shí)，通過適當(dāng)提高鉆速能在一定程度上提升施工效率。

（3）供風(fēng)參數(shù)。由于軟硬復(fù)合破碎煤層空氣鉆進(jìn)受到?jīng)_擊地壓、瓦斯壓力等因素的影響較大，同時(shí)鉆孔成孔也相對不穩(wěn)定，鉆孔中的流動狀態(tài)更為復(fù)雜，鉆進(jìn)過程中供風(fēng)參數(shù)的選擇較為復(fù)雜。

3 長鉆孔施工工藝應(yīng)用

3.1 長鉆孔施工工藝流程

胡底煤業(yè)3#煤層長鉆孔施工時(shí)，鉆機(jī)采用ZDY4000L 型鉆機(jī)，鉆機(jī)參數(shù)見表1。

表1 ZDY4000L 型鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

長鉆孔施工過程中使用的設(shè)備及鉆具見表2。

表2 現(xiàn)場試驗(yàn)設(shè)備及鉆具

采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行長鉆孔施工時(shí)，首先安裝、調(diào)試好鉆機(jī)，連接除塵裝置、壓風(fēng)管路、霧化及冷卻水管路，準(zhǔn)備開鉆相關(guān)事宜。鉆機(jī)運(yùn)行正常后，先選用Φ96 mm 三翼內(nèi)凹PDC 鉆頭開孔，用Φ96/113 mm 擴(kuò)孔鉆頭擴(kuò)孔并安裝孔口管，然后使用Φ96 mm 三翼內(nèi)凹PDC 鉆頭開始鉆進(jìn)。施工工藝流程如圖4。

圖4 施工工藝流程圖

3.2 效果分析

1309 工作面掘進(jìn)期間，1309 進(jìn)風(fēng)順槽和回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間采用順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯治理模式。其中，掘進(jìn)迎頭及鉆場內(nèi)布置10 個(gè)鉆孔，鉆孔長度為200 m，間距為0.5 m；橫川煤柱處布置20～30 個(gè)鉆孔，間距為2 m，鉆孔呈三花布置，鉆孔長度為65 m。巷道掘進(jìn)至預(yù)定位置（留有20 m的超前距），再施工下一循環(huán)的鉆孔。具體鉆孔布置如圖5。

圖5 1309 進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)順槽煤巷掘進(jìn)面鉆孔布置圖（m）

1309 進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)順槽煤巷掘進(jìn)面順層抽采鉆孔采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)進(jìn)行長鉆孔施工。煤巷掘進(jìn)面順層鉆孔施工過程中，鉆孔內(nèi)排渣正常，鉆孔鉆進(jìn)效率高，成孔率高，有效實(shí)現(xiàn)了長鉆孔的高效施工。

4 結(jié)論

根據(jù)3#煤層賦存地質(zhì)條件，通過理論分析空氣鉆進(jìn)原理，對中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)中鉆壓、轉(zhuǎn)速和供風(fēng)參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)分析，進(jìn)行鉆機(jī)及鉆具的選型，對鉆進(jìn)施工工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)1309 進(jìn)風(fēng)和回風(fēng)順槽煤巷掘進(jìn)面抽采鉆孔的應(yīng)用效果可知，中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)在長鉆孔施工中鉆進(jìn)效率高、成孔效果好。