屯留矿松软突出煤层提高钻进深度研究

郭金钢孙玉宁王永龙王东飞尚志远

(1.潞安矿业(集团)有限责任公司,山西省长治市,046204;2.河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,454000)

屯留矿松软突出煤层提高钻进深度研究

郭金钢1孙玉宁2王永龙2王东飞1尚志远2

(1.潞安矿业(集团)有限责任公司,山西省长治市,046204;2.河南理工大学能源科学与工程学院,河南省焦作市,454000)

针对目前松软突出煤层深孔钻进技术面临的难题,以屯留矿为例分析了井下钻进施工存在的问题,在“钻穴”理论基础上,分析了常用钻具在应用中存在的缺陷,研制了扒孔降温钻杆,并进行了工业性试验。研究结果表明,扒孔降温钻杆有效地提高了松软煤层钻进深度和钻进效率,为松软突出煤层深孔钻进提供了技术装备支持,在试验过程,无“卡钻”、“断钻”现象,钻进深度提高54.36%,效果明显。

瓦斯抽采 扒孔降温钻杆 松软煤层 突出煤层

1 引言

本煤层深孔钻进技术是井下瓦斯抽采的关键技术之一。钻孔深度决定着瓦斯抽采的范围和效率,间接影响回采效率。由于全国各地的煤层条件不同,特别是松软易塌孔煤层的钻进问题,尽管许多工程研究人员做了许多工作,仍然没有彻底解决。

袁亮院士曾经说过:“没有治理不了的瓦斯,只有打不到位的钻孔”,说明对于实施抽采钻孔治理瓦斯的方法,打钻技术是个难题,同时实现煤层深孔钻进也是治理瓦斯的保障。

本文分析了常用钻杆应用于松软煤层钻进存在的缺陷,并针对潞安集团屯留矿当前钻进存在的问题,研制扒孔降温钻杆,通过在屯留矿松软易塌孔煤层进行工业性试验,实现提高当前钻进深度和钻进效率的技术指标,为煤矿本煤层实现深孔钻进提供技术装备支持。

2 矿方钻进面临的问题

(1)煤层工作面存在“抽采盲区”。

图1 采煤工作面抽采空白带

当前,屯留矿采用光面钻杆实施钻孔,采用风力排渣钻进,由于煤层松软,钻进深度达不到设计深度,因此在采煤工作面的中间部位存在没有进行钻孔施工的空白地带,这里称之为“抽采盲区”,如图1所示。抽采盲区位于煤层工作面的中间位置,容易被工程人员忽视,且瓦斯释放慢,因此,在煤层回采时,存在安全隐患。

(2)钻进“卡钻”问题严重。

松软煤层受塌孔、软煤带、孔内煤与瓦斯突出和煤层夹矸等因素的影响,钻进过程中“卡钻”现象严重,有时会出现丢钻杆现象,打钻问题已经成为影响煤层钻进效率的重要因素,进而影响抽采浓度和抽采效率,最终结果会直接影响工作面的回采进度,给矿方带来一定的经济损失。

3 常用钻具应用情况分析

(1)光面钻具。光面钻杆是煤层钻进使用最为广泛的钻杆,采用流体动力排渣,在煤层条件较好的情况下,钻进效率较高,但对于高应力、高瓦斯煤层,光面钻杆就暴露出其缺陷,在打钻过程中,经常出现“塌孔”、“堵孔”等现象。图2为以风力排渣为主的光面钻杆钻进示意图,一旦遇到“煤炮区”、“严重喷孔区”和“塌孔区”,其风力排渣通道被塌孔形成的“钻穴”封堵,风力排渣很快失效,继续钻进必然引起卡钻夹钻,旋转退钻时又很容易引起钻孔瓦斯燃烧。

图2 风力排渣路线示意图

(2)麻花钻具。麻花钻杆的结构是在光面钻杆的表面上焊有一定高度的螺旋叶片,通过钻杆的旋转,叶片螺旋结构对渣体产生的摩擦力带运渣体向外运动,可以称之为机械排渣钻杆。当螺旋钻杆在钻进过程中出现塌孔现象时,其机械排渣叶片被塌孔形成的“钻穴”封堵,钻杆很快被煤渣裹紧抱死,严重时会出现“吸钻”、“丢钻杆”等现象。

4 扒孔降温钻杆的研制

综上分析,结合常用钻杆在实际应用中存在的缺陷,发明了扒孔降温钻杆,即在厚壁圆钻杆表面刻制螺旋槽,降低排渣阻力,充分发挥流体与机械排渣的优势,该新型钻杆具备以下两个特点。

(1)钻杆扒孔缓解钻孔堵塞。扒孔降温钻杆在钻杆外表设置螺旋输送槽,在不影响正常夹持器使用、不提高钻机动力要求的前提下,保证钻杆的最小强度不变,给钻杆增加一个螺旋输送功能,即扒孔功能。在“煤炮”或“堵孔”风力排粉通道堵塞的情况下,发挥钻杆的扒孔功能,重新打通风力排粉通道,从理论上分析,该钻杆实现了流体排渣与机械排渣的结合,其排渣钻进原理如图3所示。

(2)煤渣流动,根除钻孔瓦斯燃烧、协助排渣引流。螺旋溜道使钻杆表面的煤渣在钻杆旋转期间始终处于流动状态,煤渣及时带走钻杆磨擦所产生热量(防止热量聚集),保持钻杆的温度不升高。钻杆的散热功能,可以从根本上消除打钻期间钻孔瓦斯燃烧事故隐患。

图3 机械与风力协同排渣路线示意图

5 新型钻具工业应用分析

新型钻杆的工业试验施工地点为屯留矿2#回风下山,在同一施工地点,采用现行钻杆和新型钻杆同时施工,对比钻进深度和有无“卡钻”、“断钻”或“丢钻”故障。钻进深度数据统计如表1所示,新型钻杆相对于现行光面钻杆钻进深度平均提高54.36%,且在钻进施工过程中,现行钻杆仍然经常出现“卡钻”现象,新型钻杆排渣顺畅,无“卡钻”现象。

表1 屯留矿2#回风巷打钻数据对比表

6 结论

在潞安集团屯留矿进行了扒孔降温钻杆井下工业性试验,结果表明,新型钻杆排渣效率高,在试验过程中无“卡钻”现象,钻进深度提高54.36%,且在施工过程中无断钻现象发生。

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(责任编辑 梁子荣)

Study on enhancing drilling depth in soft and outburst seam in Tunliumine

Guo Jingang1,Sun Yuning2,Wang Yonglong2,Wang Dongfei1,Shang Zhiyuan2
(1.Lu’an Mining Industry(Group)Limited Liability Company,Changzhi,Shanxi 046204,China;2.School of Energy Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo,Henan 454000,China)

Aiming at the problems of deep-drilling on soft and outburst seam,the drilling rod with the capability of hole enlarging and cooling was used in Tunliumine on the basis of hole drilling theory and the analysis of defects of drilling tools in common use.The results show that this kind of drilling rod effectively enhances the drilling depth and efficiency on soft seam,without rod sticking and breaking.The drilling depth was enhanced by 54.36%.

gas drainage,hole enlarging and cooling drilling rod,soft seam,outburst seam

TD721.6

A

郭金钢(1964-),男,回族,河南中牟人,1983年毕业于焦作矿业学院,现任山西潞安矿业(集团)有限责任公司副总经理、总工程师、潞新集团董事长。曾获全国五一劳动奖章、中国青年科技创新奖、中国百名经济杰出人物、全国双十佳矿长等14项省部级以上荣誉称号,享受国务院政府特殊津贴。