“三软”突出煤层顺层长钻孔施工技术的研究与应用.docVIP

“三软”突出煤层顺层长钻孔施工技术的研究与应用 　　【摘 要】 针对“三软”突出煤层顺层钻孔预抽瓦斯中存在的钻孔施工困难的关键问题，介绍了裴沟煤矿所采用的新装备、新工艺提高深层钻孔深度。通过选择合适的钻机、钻具、钻孔施工技术、工艺和改进钻孔设计等，提高了顺层钻孔的施工深度和钻进效率，解决了突出煤层顺层预抽中不能满足区域消突需要的难题，确保了采掘工作面安全生产。 　　【关键词】 “三软”突出煤层 顺层长钻孔 施工技术 　　瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，2009年国家安全监管总局实施的《防治煤与瓦斯突出规定》中提出了“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的理念，强调突出煤层必须采取区域综合防突措施并达到规定标准后方可进行采掘作业。对于“三软”突出煤层，由于受煤层地质构造、力学性质、瓦斯，钻机钻具能力、 施工工艺等因素影响，在顺层钻孔施工中 ，钻孔深度往往达不到设计深度，导致采掘工作面经常出现预抽“空白带”，给安全生产带来了极大的突出威胁，因此，在“三软”突出煤层中开展顺层长钻孔施工技术研究具有现实普遍意义。 　　1 试验矿井概述 　　裴沟煤矿于1966年建成投产，是郑煤集团的主力矿井之一，2012年度矿井瓦斯等级鉴定为煤与瓦斯突出矿井，主采的二1煤层属“三软”不稳定突出煤层，地质条件较复杂，全层构造煤，煤层硬度系数f≤1，瓦斯压力大、含量高，透气性低。在施工区域防突措施钻孔中，容易产生垮孔、卡钻、喷孔等现象，成孔率低，不能满足采掘面消突技术要求。 　　2 打钻遇到的问题及原因分析 　　（1）钻孔喷孔：当钻孔进入软煤分层时，钻头切削旋转，对软煤产生一种冲击和破碎力，使煤体破裂、粉碎，破裂后的煤体立即产生解吸，快速的解吸使流入钻孔中的瓦斯增加几倍到几十倍，使钻孔的前方与后方出现了较大的瓦斯梯度，因而出现较明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激对破碎的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，由于钻孔孔径较小，瓦斯与粉化了的煤粉难以顺利向孔外排出，进一步增加了钻孔内外的瓦斯压力梯度，致使这种涌出变成了爆炸性孔口外流，形成喷孔。 　　（2）夹钻：夹钻是与喷孔不同现象，但又是相互联系或同时发生的一种现象，打钻时因孔内出现塌孔、堵孔时，排渣不力，此时仍然钻进，使堵孔、塌孔的范围不断扩大，使钻机在运转当中转速降低，压力升高，从孔内涌出瓦斯浓度升高，孔内破碎的煤体将钻杆和钻头抱紧。造成钻杆和钻头箍紧，钻头无法进退，就称为夹钻。夹钻是严重的打钻事故，往往可能出现扭断钻杆丢失钻头、钻杆，长时间硬磨钻杆，易引起煤体自燃，一氧化碳超限事故。 　　（3）吸钻：前提是用螺旋钻杆施工钻孔，在煤粉排泄不畅的时候出现在旋转中钻杆自动前进的现象喷孔、夹钻形成过程。 　　（4）喷孔、夹钻、吸钻形成过程可分成：煤体破碎→瓦斯聚积（瓦斯迅速解吸→孔壁破裂→持续钻进→塌孔的范围扩大→孔内堵塞→瓦斯梯度猛增→瓦斯释放（突破堵塞→喷孔和卡钻）三个阶段。 　　3 提高孔深的技术途径 　　选取裴沟煤矿31131工作面作为实验工作面，确定风力排渣的合理供风参数，提高排渣能力。31131工作面可采走向长1720m，倾斜宽130m，工作面地质构造以单斜为主，煤层厚度平均8.5m，煤层倾角平均17°。掘进期间采取“顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯+顺层预抽回采区域煤层瓦斯”的区域防突措施。 　　3.1 风力排渣工艺 　　顺层长钻孔成孔的关键是打钻排渣工艺技术。采用风力排渣，用压风作为介质排渣和冷却钻头，其显著的优点在于压风对孔壁的冲击较弱，对瓦斯解吸影响小，能减弱钻孔的喷孔和垮孔。因此，从技术上来看，风力排渣更适合于突出煤层顺层长钻孔的施工。其缺点主要是打钻地点煤尘不易控制，多数矿井、采区的风压、流量也不能满足长钻孔的要求；另外风力排粉易产生一氧化碳，发生煤体燃烧等事故。 　　31131工作面掘进期间，该矿对矿井压风系统进行升级改造，使打钻地点的风压由以往正常时的0.5MPa逐步提升到0.8MPa以上，最大时达1.2MPa，确保足够的排渣能力，取得了明显的效果（如图1）。 　　另外，该矿通过增加孔口扑尘器下设深度，引进负压除尘装置，提高了孔口降尘效果，通过制定防火防一氧措施，严禁钻机原地长时间旋转硬磨钻头，杜绝事故发生。 　　3.2 打钻设备的改进 　　（1）钻机：足够能力的钻机是施工顺层长钻孔的基础。裴沟煤矿原来多采用ZY-750/150型全液压支柱支撑式坑道钻机作为主导钻机机型，该型钻机虽然在井下适应性强、解体性好、易搬迁，但因钻进扭矩较小，钻进效率低，现更换为ZY3200/1200型全液压座式坑道钻机后，钻进扭矩由750KN提高到1200-3200KN，同时具有操作安全、解体性好、易搬迁等特点，钻进效率高得到大幅度提高。 　　（2）钻杆：原来以单一的光