中风压空气钻进技术在平煤某矿的应用

王建彬，金新，王力，黄寒静

(中国煤炭科工集团西安研究院，陕西西安 710077)

中风压空气钻进技术在平煤某矿的应用

王建彬，金新，王力，黄寒静

(中国煤炭科工集团西安研究院，陕西西安 710077)

在松软突出煤层钻进中，采用中风压空气钻进技术在工艺及配套装备方面具有明显的优势。通过在平煤某矿的应用，解决了钻孔深度不足、孔内事故预防及处理难度大等问题。实践证明，中风压空气钻进技术在松软突出煤层中值得推广。

松软突出煤层;中风压;空气钻进;钻孔深度;孔内事故

0 引言

平煤股份某矿规划开采的三水平煤层，垂深在1015～1100 m，其埋藏深度已经达到了发生冲击地压的临界深度，受到高地温、高瓦斯、冲击地压和煤与瓦斯突出等自然灾害威胁。

己15－31010工作面为三水平首采工作面，煤层坚固性系数(f)0.5～0.8，煤层平均厚度3.3 m，倾角3°～9°，煤体整体破碎，结构从块状到粒状再至粉状，质地疏松，煤层瓦斯压力2.85 MPa，瓦斯含量25～28 m3/t，绝对瓦斯涌出量1.7～3 m3/min，属于松软突出煤层。为了实施先抽后采，采用螺旋钻进施工钻孔，依靠螺旋叶片旋转实现排粉，孔内阻力大，随孔深的增加钻进难度增大。据统计，钻孔深度≯100 m(平均80～90 m)，达不到设计(大于150 m)对接孔的要求，影响了瓦斯抽采效率;采用其它钻进方法又常伴有坍塌、卡埋钻事故。为了提高瓦斯抽采效率，预防及增大处理事故的能力，决定采用松软突出煤层中风压空气钻进工艺及配套装备施工瓦斯抽采钻孔。

1 中风压空气钻进技术工艺特点及配套装备

1.1 工艺特点

松软突出煤层一般煤质松软、渗透性差、瓦斯含量高、压力大。在钻进过程中，易发生坍塌、喷孔、卡埋钻等孔内事故，造成成孔深度浅、成孔率低，影响了瓦斯抽采效果。

空气钻进主要依靠压缩空气即压风实现排粉，钻进阻力小，保证供风压力和供风流量，就可有效提高压风排粉效率，增加钻孔深度，保障成孔率。根据系统提供的风压大小，空气钻进可分为常风压空气钻进和中风压空气钻进。常风压空气钻进采用矿井系统风，其优点是连接方便、无专用压风设备，但是风压＜0.7 MPa，风量不稳定，制约了孔深的延伸;中风压空气钻进采用空压机提供压力风，风压在0.7～1.2 MPa范围内，风压大，风量稳定，故适用于大直径钻孔和深孔钻进。

采用中风压空气钻进，当遇到局部塌孔或排粉不畅情况时，此处煤粉会增多，风速将增大，增加后的风速其携粉能力大大增强，煤粉被迅速带走，减轻了钻进阻力;风流对孔壁的扰动作用小，可减轻对孔壁的破坏作用;压风和瓦斯均属于气体，不阻塞煤层中瓦斯的运移通道，不影响瓦斯的解析速度，瓦斯能够自由、快速地释放，减小了成孔过程中发生喷孔的可能性;压风通过钻头水口进入孔底后，瞬间压力骤降、体积急剧胀大，在此过程中需要吸收大量的热量，从而实现钻头的冷却;但是孔口粉尘污染严重，需要专用的除尘设备来改善现场作业环境。

1.2 配套设备的优选

根据松软煤层中风压空气钻进的要求，并结合煤层地质条件，选取的主要设备包括钻机、钻杆、钻头、空压机，辅助设备包括除尘器、流量计、集尘器、高压胶管、管路总成等。

1.2.1 主要设备

31010 工作面巷道宽4 m，净断面约14 m2左右，选用了ZDY4000L型全液压坑道钻机。此钻机体积小，搬迁方便，灵活性高，适用于煤矿井下作业，另外钻机能力大，在预防及处理孔内事故方面优势显著;宽叶片螺旋钻杆强度大、压风过流面积充裕，采用锥形丝扣后，增强了钻杆连接的密封性，其宽叶片设计起到了搅动煤粉的作用，更有利于排粉;三翼刮刀硬质合金钻头翼片薄、强度大、设计合理、寿命长，在松软和软地层钻进中，可获得较高的机械钻速。

1.2.2 辅助设备

采用的防爆式移动空压机，风压大、流量稳定、滤芯工作寿命长、搬迁方便;无动力除尘器安装方便、除尘效果好;旋进漩涡式流量计精确度高、操作方便、直观明确。

⑤施工期水生生物受干扰度。施工过程临时改变水流条件，增加河道含沙量，对水生生物造成一定影响的，应尽量减少其影响程度和影响时间，尤其是某些生物可能在特殊时期具有特殊生活条件需求的，施工时应考虑予以避让。

选用的主要配套设备如表1所示。

表1 中风压空气钻进主要配套设备组成

2 现场应用及效果分析

2.1 现场应用

根据工作面煤层特点，设计钻孔垂直于己15－31010工作面，钻孔孔深≥150 m，开孔倾角2°～5°，距离底板1.2 m，孔距2 m，单排布置，开孔孔径133 mm，终孔孔径94 mm，迎头向外施工(如图1所示)。

选用的开孔钻具组合:Φ133 mm复合片刮刀钻头+Φ73/63.5 mm宽叶片螺旋钻杆，开孔后，下Φ127 mm孔口管，连接除尘设备等。

正常钻进钻具组合:Φ94 mm薄翼片硬质合金钻头+Φ73/63.5 mm宽叶片螺旋钻杆。

图1 钻孔布置示意图

表2 钻孔统计表

2.2 应用效果分析

(1)施工了10个钻孔，累计进尺1352 m，最深钻孔162 m，完成150 m以深钻孔8个，单班最高进尺81 m，纯钻进效率接近20 m/h。在施工1号孔时，发生“煤炮”引发塌孔，孔口返渣量减少、系统压力快速升高、流量计显示风压持续增大，为防止埋钻，加大了供风流量，并卸下一根钻杆，经反复疏通钻孔通道，返渣量逐渐回复正常。6号钻孔在钻进到110 m后，不返风、不排渣，发生了卡钻事故，在钻孔两侧均找不到返风、返渣的其它通道，后经强力起拔，终孔。8号孔在22～26 m进入底板岩层，岩屑为白色粉状，后进入煤层，46 m后再次进入底板岩层，经过调整加快了回转速度，但因岩层太硬，钻速渐缓，最终选择停止钻进。在施工其它钻孔时，发生了几次因瓦斯局部突出或煤层松软引发的塌孔状况，通过调整钻机的回转速度，增大了钻机的扭矩，这样大大增加了钻具在孔内可回转的机率，预防了卡埋钻事故的发生。

(2)在钻进过程中，钻机系统压力一般从最初的2 MPa逐渐增至8～10 MPa，给进压力在0.4～0.8 MPa。因为在实际钻进中，管路及钻具存在泄漏，压风在孔内受温度、压力等影响，压力风存在流量损失，即使依据最大风速计算出的流量仍小于实际所用风量的最大值。钻进中，所需风量和孔深的关系如图2所示。因此，建议施工直径100 mm左右、孔深＜200 m的钻孔，保证单孔的供风流量在8～10 m3/min。

图2 所需风量和孔深关系拟合曲线图

(3)在钻进过程中，宽叶片螺旋钻杆其宽叶片在孔内的回转，可起到对煤粉搅动作用，沉积的煤粉被搅动后，煤粉更容易被压风携带出孔口。所使用的除尘器采用三级除尘程序，因一级除尘出尘口采用气动式，在煤屑增多情况下，容易出现阻塞问题，影响了除尘效率，后改用重锤式除尘器，解决了一级出尘口阻塞问题，而且操作也更加方便。

3 结语

中风压空气钻进工艺及配套装备适用于平煤某矿瓦斯抽采钻孔，相对于干式螺旋钻进其平均孔深提高了50%以上，中风压空气钻进具备施工中深孔瓦斯抽采能力;宽叶片螺旋钻杆不影响夹持器对钻杆的夹持力，在钻进过程中可用钻机进行机械拧卸，减轻了工人的劳动强度;在钻进中通过对孔口返风、返渣情况的观察，及对流量计压力风流量、压力的监测，可以准确地反映孔内状况，为调整钻进工艺参数提供了依据，保证了成孔质量，预防了孔内事故的发生。

中风压空气钻进技术在平煤某矿的应用取得了良好效果，为在松软煤层中施工瓦斯抽采钻孔提供了借鉴意义。随着工艺日趋成熟和设备的不断升级，中风压空气钻进技术会得到越来越广泛的应用。

［1］王建彬，金新，黄寒静.高压力松软煤层大直径深孔瓦斯抽采钻孔施工技术研究［R］.陕西西安:煤炭科学研究总院西安研究院，2010.

［2］马沈岐，王力，李乔乔.松软喷突型煤矿螺旋钻进工艺发展［J］.煤矿安全，2010，(4).

［3］石智军，胡少韵，姚宁平.煤矿井下瓦斯抽采(放)钻孔施工新技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2008.148－150.

［4］王毅.中风压钻进在煤矿井下的应用［J］.煤田地质与勘探，2009，37(3).

Application of Medium Pressure Air Drilling Technology in Pingdingshan Coalmine

WANG Jian-bin，JIN Xin，WANG Li，HUANG Han-jing(Xi’an Research Institute of China Coal Technology＆Engineering Group Corp.，Xi’an Shaanxi 710077，China)

Drilling in soft and outburst coal seam，the medium pressure air drilling has obvious advantages in technology and supporting equipment.Through the application of this technology in Pingdingshan coalmine，borehole without enough depth，borehole accident prevention and accident treatment difficulties were effectively resolved.The practice showed that the medium pressure air drilling technology is worth popularizing in soft and outburst coal seam drilling.

soft and outburst coal seam;medium air pressure;air drilling;borehole depth;accident in borehole

P634.5

A

1672－7428(2011)11－0035－03

2011－06－03

王建彬(1982－)，男(汉族)，河北藁城人，中国煤炭科工集团西安研究院工程师，矿产普查与勘探专业，硕士，从事钻探工艺技术及勘探机具研究工作，陕西省西安市高新技术产业开发区锦业一路82号，wjb_sjz0320@163.com。