松樹突出煤層瓦斯抽放孔鉆孔工藝技術研究

由于松樹和突出的煤層穩定性差、高裝甲和高壓力，孔施工中易出現噴孔、坍塌孔和卡孔等異常現象，孔深平坦，成孔率低。如何提高松軟突出煤層的鉆進深度和成孔率,從而提高瓦斯抽采效率,達到降低煤與瓦斯突出危險性的目的,是松軟突出煤層瓦斯治理的重要問題。針對這種情況,國內進行了螺旋鉆進和常風壓空氣鉆進的嘗試,但效果一般。螺旋鉆進是一種干式回轉鉆進方法,螺旋鉆桿與鉆孔組成了一個螺旋輸送帶,螺旋鉆桿連續不斷地將鉆頭破碎的巖渣輸送至孔外。螺旋鉆進有效地解決了排粉問題,但對鉆孔擾動大,成孔困難;常風壓空氣鉆進的風壓過低,不能有效地解決攜粉排渣等問題,鉆孔深度和效率一般。以上2種方法能解決提高松軟突出煤層中鉆孔深度的問題,而對提鉆后易塌孔和瓦斯抽放時的負壓造成孔壁坍塌的問題沒有解決。1外平墻桿配合煤粉鉆孔空氣鉆進是用壓縮空氣經過鉆桿內孔、鉆頭進入孔底,在孔內形成高速風流,鉆屑則浮在風流中被吹向孔口,從而實現風力排粉的一種鉆進方法。在壓力的作用下,煤粉顆粒(鉆屑)在水平鉆孔內懸浮并隨著氣流做跳躍式的向前推進,直至返出孔口。在同類地層同等供風量的情況下,鉆孔深度和風壓大小成正比,而和鉆具的沿程阻力、局部阻力成反比。目前主要采用?42mm和?50mm的外平鉆桿配合煤礦井下的管道風在松軟突出煤層施工鉆孔,多數鉆孔的深度不超過100m。百米鉆桿的風阻加上攜帶煤粉的阻力在0.4MPa左右,常風壓鉆進壓力相對較低,限制了鉆孔深度的提高,僅適用于鉆孔深度較淺(小于40m),終孔口徑較小(小于70mm)的松軟煤層瓦斯鉆孔的施工。為此,本文提出將中風壓空氣鉆進工藝應用于松軟突出煤層的鉆進,提高鉆孔深度和成孔率。2抗靜電阻燃可碎瓦斯的地層開孔利用風力排粉,為了提高排粉效果,鉆桿的外徑較大,以提高鉆桿與孔壁間的通風速度,從而保證煤(巖)粉能順利排出孔外。成孔以后鉆桿一提出孔外,由于煤層松軟,就容易發生塌孔、縮徑等現象,使瓦斯不能正常排出,影響抽采效果。通過鉆桿內部向已成孔的煤層中下入篩管,防止煤層塌孔,延長瓦斯的抽采時間,提高鉆孔的利用率。具體方法是采用大通孔外平鉆桿和中壓風作沖洗介質進行鉆進,到達預定孔深后,將抗靜電阻燃可碎性篩管通過大通孔鉆桿的內孔下到鉆孔內,并將鉆頭頂脫,然后將鉆桿提出孔外,將篩管留在孔內的,將成為瓦斯排出煤層或抽采瓦斯的通道。其中篩管是可碎的,不會影響后期的采煤。3相關設備的開發3.1最大誤差拓展液壓鉆機松軟突出煤層鉆進時易發生抱鉆、噴孔等事故,需要鉆機具備很強的處理孔內事故的能力;目前松軟突出煤層施工需求深度在200m以內,施工周期短,鉆機搬遷頻繁,要求鉆機具有很高靈活性。針對這些要求,專門研制了ZDY3200L型履帶式全液壓坑道鉆機(圖1),主要技術參數如下:最大額定轉矩/(N·m)3200額定轉速/(r·min-1)105~360最大給進力/kN112起拔力/kN77主軸傾角/(°)-10~20電動機功率/kW45行走速度/(km·h-1)0~2.5最大爬坡能力/(°)20該鉆機主要施工200m以內的鉆孔,但設計最大額定轉矩達到3200N·m,最大起拔力達到112kN,以提高鉆機處理孔內事故的能力;鉆機采用履帶自行式整體結構,鉆機主機、操縱臺、泵站和穩固裝置共同設置在履帶車體上,搬遷迅速、穩固方便;液壓系統中回轉和給進回路分別采用負載敏感和恒壓變量技術,能減少了液壓系統的能量損失,達到節能的目的;同時穩定的輸出流量使馬達轉速穩定,降低了負載劇變對馬達和鉆頭的沖擊,提高了鉆機的可靠性,完全滿足鉆機回轉回路的性能要求并具備節能的特點,在復雜地層中對成孔質量、鉆機及鉆具的壽命提高有顯著的意義。3.2內芯可脫式鉆頭當鉆進到預定孔深后,篩管通過鉆桿的內孔將鉆頭頂脫,將篩管留在孔內。如果將整個鉆頭頂脫留在孔內,這樣每個鉆孔都需要消耗一個鉆頭,成本太高。而如果每次只頂脫掉鉆頭的一小部分,剩余的大部分可以多次重復使用,就可以節約大量成本,為此設計了內芯可脫式鉆頭(圖2)。該鉆頭由鉆頭體和內芯2部分組成,這2部分依靠彈簧和定位鋼球固定,并依靠設置在鉆頭體上的臺階和鍵傳遞鉆進時需要的給進壓力和扭矩,實現正常的鉆進功能。當鉆進完畢后,將篩管輸送到孔底,然后提鉆,內芯在篩管軸向力作用下與鉆頭體脫落,由此打開通道,并使篩管留在孔內。3.3除塵裝置空氣鉆進過程中會產生大量的粉塵,不僅影響職工身體健康,也是煤礦安全生產的一大隱患,中風壓空氣鉆進時粉塵更大、顆粒更細,為此專門設計了除塵裝置。鉆孔產生的煤塵通過孔口集塵裝置和導塵膠管進入除塵裝置。除塵裝置主要由慣性旋風除塵段、噴霧水浴除塵段和文氏等部分組成,具有良好的除塵效果,改善了鉆場環境。凈化后氣體排入巷道或瓦斯抽放管路。4鉆機、鉆機、除塵裝置的現場試驗為了驗證中風壓空氣鉆進在松軟突出煤層中鉆進的效果、鉆桿內下篩管工藝的可行性和配套鉆機、鉆頭和除塵裝置的使用可靠性,在淮北礦業(集團)公司進行了試驗。4.1工作面周邊地質構造試驗在淮北蘆嶺煤礦Ⅱ827工作面進行。該工作面煤厚為3.9~10.0m,平均6.95m,發育較穩定,煤層總體分布為東部較薄;工作面東西邊界附近煤層受構造影響煤層厚度賦存不穩定。該面地質構造較復雜,受構造影響,斷層附近煤層起伏較大。煤層普氏系數為0.20~0.45,瓦斯壓力約3.5MPa,相對涌出量約20m3/t。試驗點Ⅱ827運輸巷寬度約3.3m,局部寬2.8m,巷道高度2.8m,巷道有局部地區受地壓作用而變形。4.2孔深度及錨點的施工分析試驗共施工鉆孔11個,其中1個鉆孔鉆進至54m時進入煤層頂板停鉆,另有3個鉆孔分別鉆進至49,69,76m時,因鉆孔垮塌嚴重而停鉆,其余鉆孔深度均超過100m,最深鉆孔為120m。平均鉆進效率達10.10m/h,其中純鉆進效率為20.76m/h。在鉆孔過程中經常遇到瓦斯噴孔、煤炮和卡鉆等現象,鉆機能力大,處理了絕大部分的孔內事故。在篩管輸送工藝現場試驗中,2人即可完成篩管輸送的全部工作;內芯可脫式鉆頭在篩管軸向力作用下脫落后,順利提出鉆桿并將篩管留在孔中作為瓦斯抽放通道,達到預期效果。除塵器水源直接采用礦井靜壓水,除塵效果良好,改善了鉆場的施工環境。5現場試驗的結果利用中風壓空氣鉆進工藝應用在松軟突出煤層中鉆進,設計了通過鉆桿內下篩管的成孔工藝,并設計了配套的鉆機、鉆具和孔口除塵器。通過現場試驗表明:①中風壓空氣鉆進工藝在松軟突出煤層中有良好的應用效果;②利用內芯可