深井高瓦斯低透气性松软煤层深孔施工技术研究

文/李光华

深井高瓦斯低透气性松软煤层深孔施工技术研究

文/李光华

近年来，我国煤矿针对瓦斯抽放理论及技术做了诸多工作并取得了一些成就。本文针对张家口矿业集团宣东矿在进行Ⅲ3煤层瓦斯预抽钻孔施工中遇到的困难为背景进行研究，分析总结出了影响钻孔深度浅、钻杆损坏严重的原因，在钻机机具选择及人工操作水平等方面进行了调试试验。

一、煤层概况

Ⅲ3煤层为宣东煤矿主采煤层之一，为突出煤层，埋深800～1100m，属中灰特低硫低磷的弱粘煤、气煤、1/3焦煤，最短自然发火期为41天。Ⅲ3煤层可采厚度0.85～6.96m，平均2.38m，煤层倾角0°～15°，平均5°。煤层结构复杂，且呈薄层，个别点含有夹矸2～4层，夹矸厚度0～1.3m。煤层顶板为粉砂岩和细砂岩，底板为砂质泥岩，顶底板岩石坚固性系数（f）平均值均小于5。

Ⅲ3煤层属低透气性松软煤层。煤层透气性系数仅为0.129m2／MPa2·d，钻孔瓦斯衰减系数较大（0.018d-1），衰减速度较快。煤层煤体破坏严重（II类～III类），坚固性系数f只有0.5～0.98。煤层瓦斯含量较高（7.2m3/t），瓦斯压力较大（1.6MPa），被鉴定为瓦斯突出煤层。

二、煤层钻孔预抽瓦斯必要性及遇到的问题

宣东矿不具备开采保护层条件，只能采用预抽煤层瓦斯区域防突措施。开始采用顺层煤孔孔深仅仅停留在较浅的水平，不能满足区域防突的要求，但就在此浅水平深度煤层钻孔施工难度也很大，喷孔塌孔吸钻夹钻时有发生，严重制约着煤巷掘进速度，采掘关系十分紧张。因此有必要进行本煤层深孔施工研究，解决钻孔施工难及增大预抽采的控制范围，以缓解采掘关系紧张的问题。

三、初始采用煤层钻孔施工试验研究

1．岩石电钻煤孔试验

岩石电钻全称为矿用隔爆电动变速岩石钻机，型号为KHYO155dIAB型，最大扭矩700N·m，配套长1.5米螺旋钻杆80根及岩石钻头，采用压风排渣，钻杆间丝扣连接。采用该机在井下205工作面巷道进行了钻孔试验，该配套钻机在2个月的时间内仅仅钻孔9个，累积工程量只有300多米，205中间巷两个钻孔勉强达到最低要求，但钻进速度较慢，断杆、丢杆严重，新配备的80根钻杆最后仅剩7根，其间还烧过一次电机；其余钻孔均深度较浅达不到要求。总体看来该套钻机钻孔效果不理想，不能满足施工的要求。

2.乳化液钻机煤孔试验

在此试验中选用波兰产WSP-500型架柱式乳化液钻机进行煤孔试验，该机最大扭矩500N· m，该配套钻机采用乳化液作为工作介质，提高了打钻作业的安全性，但钻孔深度及钻孔效率很不理想，平均孔深只有13m，同时联接卡松脱、钻杆断丢现象仍比较严重，钻杆间采用销子连接不适合。另外Ⅲ3煤层含有夹矸，而煤钻头穿岩能力低，在打钻过程中又无法避开，一旦遇到夹矸钻齿便被磨坏，所以煤孔施工不能选用煤钻头。

3.改装MKD-5S型钻机煤孔试验

此次试验大胆改装MKD-5S型液压钻机，打钻速度及成孔深度明显提高,平均孔深达到了41m,但钻孔过程中塌孔夹钻、断、丢杆现象仍比较严重。从钻孔试验看出，采用水力排渣容易塌孔夹钻，不易成孔，反之，风力排渣塌孔现象不明显，所以水力排渣不适宜在煤钻孔中使用。

四、钻孔施工困难原因分析及解决思路

1．Ⅲ3煤层钻孔施工困难原因分析

（1）煤层特性影响：上覆岩浆侵入是影响Ⅲ3煤层瓦斯封闭赋存的主控因素，因而瓦斯含量较高（7.2m3/t），瓦斯压力较大（1.6MPa）。Ⅲ3煤层属低透气性煤层，不利于高压瓦斯流动释放。同时煤层属松软煤层，煤层结构复杂，且呈薄状复合层，煤体破坏严重。

（2）钻机钻具选用方面：瓦斯抽采区成立初期对Ⅲ3煤层打钻存在着错误认识，认为煤钻比岩钻好打，没有考虑到煤层本身基本特性，所选用的矿用隔爆电动变速岩石钻机和WSP-500型架柱式乳化液钻机最大扭矩均未达到1000N· m，钻机扭矩小，电机功率明显不足，给进速度稍快电机便停止转动，相应配套钻杆强度也较低。

（3）人为操作方面：当钻孔与煤岩层理夹角成90°时，钻孔方向偏移量最小；钻孔与煤岩层理夹角越小，钻孔方向越容易偏离；当顺层钻孔遇到坚硬夹矸时，钻孔方向最容易沿着夹矸与煤层的结合面偏离。在近水平煤层中，比较理想的顺层钻孔应当是一条自然下垂的直线，因为在这种状态下钻杆受力最小，排渣最畅通。而要保持这种状态必须控制好给进速度，不能急于求成。与MKD-5S型全液压坑道钻机后配套的螺旋钻杆，是由直径Φ50mm，壁厚10mm圆钻杆加工而成，强度较高，然而打第5个孔时，竟断丢23根，不排除人为操作方面存在着问题。

2．Ⅲ3煤层钻孔施工困难解决思路

根据试验及原因分析，解决本煤层深孔施工这一难题，须选择大功率大扭矩钻机，配套高强度高韧性螺旋钻杆及岩石钻头，并辅以压风排渣工艺。要求钻机扭矩不低于2000N·m，螺旋钻杆直径不低于Φ60mm，壁厚不低于10mm圆钻杆加工而成，钻头能穿过夹矸，选普通岩石钻头即可，风压不小于4个大气压，否则应选用移动空压机近距离供风，同时对操作人员进行培训。

五、大扭矩钻机钻孔试验

经过充分的准备，在205机巷和轨巷进行了钻孔试验，通过以上三种钻机试验情况如表1所示。

由表1可以看出：96天共打孔93个，平均每天成孔约1个，80m以下只有4个，仅占约4.3%，其余全部达到80m，并且有近40%的钻孔突破百米。这表明对本煤层钻孔施工困难的原因分析是客观的，解决思路是正确的，三种类型的钻机均适合钻孔施工的要求。

表1 三种类型钻机煤孔试验情况汇总表

六、结论

1．Ⅲ3煤层本身特性极易造成塌孔喷孔甚至吸钻夹钻，给本煤层钻孔施工带来困难，钻孔施工要尽量避开采动应力集中区域。

2．解决Ⅲ3煤层深孔施工这一难题，须选择钻机扭矩不低于2000N·m，大功率大扭矩钻机，配套直径Φ100mm，螺旋叶片高20mm，由直径Φ60mm，壁厚10mm圆高强度高韧性螺旋钻杆并采用丝扣连接。钻头采用直径不低于Φ113mm的岩石钻头。辅以压风排渣工艺（当风压小于4个大气压时，可选用移动空压机近距离供风），同时加强现场技能培训。

(作者单位：冀中能源张家口矿业集团公司)

（责任编辑：马茂洋）