圆弧凸棱高效顺层钻进技术在破碎突出煤体中的研究与应用

蒋和财

（重庆松藻煤电公司 通风瓦斯部，中国 重庆 400000）

0 引言

松藻煤电公司打通一矿为煤与瓦斯突出矿井，年设计生产能力180万t，目前实际年产量160万t，井田内含煤10－12层，自上而下6#、7#、8#煤可采， 其中 6#层局部可采，6#、7#、8#煤层位于煤系中部，层间距分别为5.8m和6.7m，平均厚度分别为0.74m、1.10m和2.85m。矿井绝对瓦斯涌出量达220m3/min，相对瓦斯涌出量达75 m3/t。

现开采的7#、8#煤层均为近水平松软破碎低透气性突出煤层，其原始透气性系数 5.71×10-3～3.19×10-2m2/MPa2·d、f值小于 0.5、原始瓦斯压力1.2～4.5MPa、平均瓦斯含量17.1m3/t～29m3/t。过去顺层钻孔均采用ZY-1250型全液压钻机+Φ87mm螺旋钻杆+压风排粉施工工艺，由于煤层薄、破碎且软分层厚度大，故顺层孔施工过程中垮孔、卡钻严重，深度浅，丢钻频繁，施工进度慢，抽采时间短、效果差，严重影响抽采达标进程和采掘工作面的安全生产及正常接替。为此，打通一矿通过改进圆弧凸棱钻杆并结合自身实际，研究形成了一套完整的圆弧凸棱顺层高效钻进新技术，大幅度提高了顺层钻进效率并在全公司推广应用，取得了明显成效。

1 破碎煤体顺层钻孔垮孔及卡钻原因

对于破碎松软突出煤层，钻孔孔壁的瓦斯压力、煤体自身力学性质及钻头和钻杆施工扰动是影响钻孔破坏形式的重要因素，尤其是煤体自身各向异性特征对钻孔垮孔影响至关重要。这主要表现在顺层钻孔施工过程中的排渣量远远大于理论排渣量，并且在钻进过程中的某一段内排渣量远远多于其他段。例如，打通一矿顺层孔施工采用Φ87mm螺旋钻杆，配合Φ94mmPDC钻头，实测孔径为105mm，7#层煤的比重为1700kg/m3，那么单孔理论排渣量为：

M理=孔断面S×孔深H×煤的比重γ（钻孔深度一般为80米）

但在实际施工过程中，单孔排渣量：

M实=2000～5000kg，远远大于单孔理论排渣量。

据此，该结论与国内有关学者提出的“钻穴”概念相符，钻穴实际上是由地应力、瓦斯压力、煤体力学性能和钻杆扰动力等4个因素共同作用造成的钻孔局部直径远远大于钻孔理论直径的准充填型洞穴，如图1。

图1 顺层钻孔“钻穴”示意图

钻孔实际上等同于微型巷道，在以上四大因素作用下钻孔内也会发生小型煤与瓦斯突出，且突出具有突发性，“钻穴”的形成也具有突发性，瞬间形成的“钻穴”处于准充填状态，“钻穴”产生后造成钻机负荷增大，排渣量增加，继续钻进“钻穴”前方新产生的钻屑难以短时间内排出，钻杆周向摩擦力大于钻机扭力时，出现直接抱死钻杆和丢钻事故。

2 圆弧凸棱顺层钻进技术

2.1 改进顺层钻孔钻杆

在原压风加螺旋钻杆正常钻进过程中，一旦“钻穴”产生后，由于螺旋在该段内叶片空隙被钻屑充填，“钻穴”体积逐渐增大，钻屑量瞬间增大，机械排渣能力难以短时间内发挥作用，同样，由于大量钻屑掩埋钻杆，风流只能沿钻穴上部通道流动甚至堵塞，如图2。

图2 螺旋钻杆“钻穴”钻进示意图

因此，在松软破碎煤层施工顺层孔，解决“钻穴”段排渣难题成为预防钻孔垮孔抱钻的关键。打通一矿提出了采用圆弧凸棱钻杆解决“钻穴”段排渣难题，其钻杆断面为近似三角形，为降低钻杆三边对煤体的切削破坏孔壁，三角采用圆角过渡，钻杆断面外接圆直径为73mm，施工钻头采用Φ94mmPDC钻头，钻孔排渣空间大大增加，钻杆实物图见图3。

图3 圆弧凸棱钻杆实物图

由于圆弧凸棱钻杆在“钻穴”段钻进时，钻杆自身旋转强行在钻屑中形成压风排渣通道（如图4），可实现快速排渣，同时钻杆圆角可对大粒径钻屑进行研磨捣碎，更有利于钻屑的排出，大大提高了钻进速度，进一步克服了卡钻、抱钻，提高了钻进深度和施工效率。

图4 圆弧凸棱钻杆“钻穴”钻进示意图

打通一矿将圆弧凸棱钻杆首次用于W2707运输巷S帮上段，钻进速度明显提高，但仍然存在钻杆断裂现象，根据钻杆断裂部位，设计了加强型圆弧凸棱钻杆，钻杆螺纹连接由M42×40增大为M48×40，螺纹由三角形螺纹改进为更加耐磨的梯形螺纹，增大了螺纹连接处的强度；针对钻杆壁厚较薄、容易被夹持器挤压变形的问题，将钻杆壁厚由5mm增大至8mm，大大降低了丢钻杆事故。

2.2 改进圆弧凸棱钻杆拆卸装置

打通一矿由于煤层薄、巷道断面小，原顺层孔施工钻机大多采用ZY-1250全液压钻机，钻机卡盘及夹持器结构均根据原普通Φ50mm圆柱形地质钻杆设计，而圆弧凸棱钻杆与圆柱形地质钻杆不同；若圆弧凸棱钻杆采用管钳人力拆卸，单孔钻杆拆卸平均时间达2.5h以上，劳动强度大，危险程度高，据统计，2007年～2011年打通一矿共发生钻杆拆卸伤人事故97次，其中重伤事故2次。

为解决圆弧凸棱钻杆拆卸难题，根据其结构及ZY-1250全液压钻机夹持器特点，研制了圆弧凸棱钻杆安全快速拆卸装置，实现了钻杆机械拆卸，碛结构包括三棱轴及三方套两部分，见图5。

图5 圆弧凸棱钻杆安全快速拆卸装置结构图

同时又根据圆弧凸棱钻杆结构特点，将ZY-1250钻机Φ60mm夹持器改进为Φ80mm的特殊夹持器与其配套。

圆弧凸棱钻杆拆卸装置使用步骤：

（1）钻孔钻进至设计位置后，在钻机卡盘上安装三棱轴和三方套，钻机卡盘卡紧三棱轴并推进至圆弧形凸棱钻杆位置，钻机卡盘正转，使三棱轴与圆弧形凸棱钻杆连接但不拧紧，拖动孔内圆弧形凸棱钻杆至一根钻杆长度位置；

（2）滑动三方套至三棱轴与圆弧形凸棱钻杆连接位置，卡紧钻机夹持器，钻机卡盘反转，松开首根钻杆与第二根钻杆的连接；

（3）滑动三方套至三棱轴棱柱段位置，手动反转首根钻杆并取下，重复以上步骤依次取下孔内钻杆。

2.3 中风压辅助钻进

由于圆弧凸棱钻杆钻进工艺采用压风排渣，钻孔排渣空间、钻进速度明显提高，若采用0.6MPa以下常压风难以满足钻进需要，故选用艾能MLGF 15/10-90G矿用移动式螺杆空压机供风，提供风压0.7～1.2MPa。

3 圆弧凸棱顺层钻进技术的应用及效果

3.1 顺层钻孔不同施工工艺

打通一矿W2707、W2704对拉工作面运输巷SN均采用原工艺即ZY-1250液压钻机+螺旋钻杆+常压风排渣；

W2704对拉工作面北回风巷采用ZY-1250液压钻机+常规圆弧凸棱钻杆+中风压排渣施工；

W2704对拉工作面南回风巷采用ZY-1250液压钻机+加强型圆弧凸棱钻杆+中风压排渣施工，各地点的施工工艺参数见表1。

表1 顺层钻孔施工工艺参数

3.2 应用效果

打通一矿在W2704北回风巷S帮使用普通圆弧形凸棱钻杆，157个班实际施工成孔171个；在W2704南回风巷N帮上下段采用加强型圆弧凸棱钻杆，261个班实际施工成孔252个；在W2707、W2704运输巷两帮均采用传统螺旋钻杆，1136个班实际施工成孔891个。W2704、W2707工作面钻孔竣工图见图6、图7。

（1）顺层孔钻进效率

应用结果表明：采用圆弧凸棱钻杆顺层孔钻进，增大了排渣空间及排渣速度，较螺旋钻杆施工工艺，平均钻进时间由86 s/根降低至63s/根；采用圆弧凸棱钻杆快速拆卸装置代替呆扳手，平均钻杆拆卸时间由79s/根提高至19s/根，且杜绝了呆扳手伤人事故；采用普通圆弧凸棱钻杆、加强型圆弧凸棱钻杆施工顺层钻孔，较螺旋钻杆施工工艺施工效率均有显著提高：普通圆弧凸棱钻杆施工工艺施工效率平均1.10孔/班、85.52米/班，加强型圆弧凸棱钻杆施工工艺施工效率平均0.93孔/班、70.21米/班，而传统螺旋钻杆施工工艺为平均0.78孔/班、56.6米/班。结果见表2。

表2 顺层钻孔施工效率比较表

（2）钻杆丢失率

顺层孔施工由于抱钻或卡钻丢钻，不仅造成大量经济损失，并且对工作面的回采埋下重大安全隐患。根据相邻的W2707、W2704工作面顺层孔施工记录，结果表明：采用加强型圆弧凸棱钻杆施工顺层钻孔钻杆丢失率由传统工艺的413.5根/万米降低至72.9根/万米。结果见表3。

表3 顺层钻孔施工钻杆丢失比较表

表4 钻孔成孔、报废孔、成孔率比较表

（3）钻孔成孔率

图6 W2704对拉工作面顺层钻孔竣工图

图7 W2707综采工作面顺层运输巷钻孔竣工图

顺层孔施工过程中，由于钻杆自重及挠度影响，钻杆在煤层中并不按照设计轨迹钻进，常常钻入顶底板，导致钻孔报废。加强型圆弧凸棱钻杆结构强度增加，进一步提高了在煤层中的钻进稳定性，结果表明：采用加强型圆弧凸棱钻杆施工钻孔成孔率由传统工艺的78.5%提高至92.2%。

（4）直接经济效益

新型顺层孔钻进工艺大大提高了钻进效率，缩短了钻孔施工工期，为保护层工作面的预抽及工作面接替提供了抽采时间保障，推广该工艺后的工作面均实现了提前投产。并且新工艺采用圆弧凸棱钻杆自动拆卸装置代替管钳人工撤卸后，杜绝了管钳伤人的安全事故。

直接经济效益主要表现在丢失钻杆、钻头现象大大降低，节约了材料费用。经计算，新工艺节约钻具费用为3.813万元/万米。

4 基本结论

（1）在破碎突出煤层中采用ZY-1250液压钻机+加强型圆弧凸棱钻杆+中风压顺层钻进及自动撤卸工艺，平均钻进时间由86 s/根降低至63s/根，平均钻杆拆卸时间由 79s/根提高至 19s/根，施钻效率由平均 0.78孔/班、56.6米/班提升至 0.93孔/班、70.21米/班；钻杆丢失率由413.5根/万米降低至72.9根/万米，成孔率由78.5%提高至92.2%，钻具费用节约3.813万元/万米；且杜绝了撤卸伤人事故。

（2）在破碎突出煤层中采用圆弧凸棱钻杆施工工艺严必须制定安全技术措施并规范操作，严禁强行进退钻或撤卸钻杆，否则易造成孔内燃烧或煤与瓦斯突出事故。

［1］张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社,2001.

［2］于不凡.煤和瓦斯的突出机理[M].北京:煤炭工业出版社,1985.

［3］袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京:煤炭工业出版社,2004.

［4］刘鸿文.材料力学[M].北京:高等教育出版社,2004.