掏穴钻头煤层段扩孔快速消突技术试验研究

摘要：针对穿层掩护钻孔及石门揭煤钻孔快速消突问题，提高预抽效果，缩短预抽时间。在潘一矿西一采区-530～-630m轨道斜巷上部车场试验了掏穴钻头煤层段扩孔快速消突技术。试验通过对瓦斯压力、瓦斯抽采两个指标的综合分析考察，最终确定掏穴钻孔施工的有效影响半径可以达到5m，抽采半径3m以上。

关键词：掏穴钻头；煤层段；扩孔快速消突技术；瓦斯压力；瓦斯抽采 文献标识码：A

中图分类号：TD713 文章编号：1009-2374（2015）33-0147-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.33.079

为了解决穿层掩护钻孔及石门揭煤钻孔快速消突问题，提高预抽效果，缩短预抽时间，在潘一矿西一采区-530～-630m轨道斜巷上部车场试验了掏穴钻头煤层段扩孔快速消突技术。该技术使钻孔煤层段孔径由原来的∮133mm扩大为∮260mm，增大了钻孔煤层暴露面和钻孔卸压范围，增加了单孔抽采半径。下面对该技术的试验过程及初步取得的效果进行了分析总结。

1 试验区工作面概况

1.1 试验巷道简介

-530～-630m西一轨道斜巷位于潘一矿西一采区，是潘一矿二水平延伸主要运输提升巷道，该巷道自西一运输石门开窝，沿310°方位施工，其中上平巷183m，标高为-526m，施工上平巷段过程中曾揭13-1煤层，该区段13-1煤层标高为-522～-530m。

1.2 试验巷道瓦斯地质情况

1.2.1 该区段巷道所掘主要岩性为：试验巷道顶板距13-1煤底板法距5～7m，13-1煤底板主要岩性为中砂岩、泥岩及12煤。

1.2.2 区段地质构造：该区段煤岩层产状为232°～236°∠6°～7°。

自西一运输石门开窝点向前33m，巷道揭露13-1煤。

1.3 试验巷道瓦斯情况

该区段13-1煤层厚度5.0～5.5m，原始瓦斯含量9～11m3/t，瓦斯压力1.3MPa，自燃发火期3～6个月，煤尘爆炸指数37%～40%。

由于该段巷道于2004年4月已安全揭穿13-1煤层，当时共施工64个揭煤措施钻孔，钻孔控制到巷道周边轮廓线外10m。根据此次打钻取样化验分析，经计算得出目前该处13-1煤层瓦斯含量为2.8m3/t。

2 施工钻孔所需设备

钻机：ZDY-3200S型煤矿用全液压坑道钻机，属于低转速、大转矩类型，适于采用复合片钻头施工大直径钻孔，主要用于煤矿井下施工近水平长距离瓦斯抽放钻孔，也可用于地面和坑道近水平工程钻孔的施工，因此在该处施工时我们选用ZDY-3200S型钻机。

3 掏穴钻孔设计及施工

3.1 掏穴工艺试验钻孔设计

根据现场状况，本次试验共分三个阶段：

第一阶段：在巷道左帮沿250°方位线，分别选取倾角为10°、15°、20°范围、孔深为30～40m范围钻孔进行试验。

第二阶段：在巷道左帮沿250°方位线，分别选取倾角为50°、40°、30°、25°范围、孔深为20～30m范围钻孔进行试验。

第三阶段：在巷道左帮沿250°方位线，分别选取倾角为5°、0°范围、孔深为50～60m范围钻孔进行试验。

通过以上三个阶段对不同倾角、不同角度范围的钻孔进行掏穴钻头扩孔试验，以试验出不同角度钻孔施工时，侧翼钻头孔内打开情况及扩孔效果如何，在施工工艺及设计上有哪些难点，并使以上倾角钻孔的施工工艺更加成熟。以上倾角钻孔使用单翼掏穴钻头均试验成功。

3.2 掏穴钻孔实际施工

从8月9日早班开始至24日夜班，我们在西一-530～630m轨道下山上部车场共施工了31个掏穴钻孔，全部施工成功。由此可以得出结论，单翼掏穴钻孔适用于倾角≥0°、孔深60m以内范围的钻孔。

4 掏穴钻孔施工工艺及注意事项

第一，钻孔钻进期间必须做到先开压力风（水）后钻进，先停压力风（水）后撤钻。

第二，先使用∮133mm孔径钻头，按照设计要求施工至过13-1煤，见顶0.5m左右。

第三，钻进时要轻压慢钻（钻速控制在50～92r/min之间），控制给进压力（给进压力控制在5MPa左右），保证钻孔平直，钻机工作业期间要经常观察风表、油表压力变化情况。认真准确记录钻孔见煤岩情况，判清钻孔过煤段层位。排尽孔内煤岩粉后方可撤钻。

第四，使用掏穴钻头（∮260mm孔径）扩孔实验前，先在孔外安装上掏穴钻头实验压力风（水）压力状况，确定是否能正常打开钻头侧翼。待确认正常后方可下入孔内。观察并记录压力风（水）压力变化情况。

第五，开始扩孔钻进前，先把掏穴钻头不带风（水）送入孔内见煤段100mm以上，然后缓慢开启压力风（水），钻杆只旋转不给进，待掏穴钻头侧翼完全打开后，方可正常扩孔钻进。钻进时要轻压慢钻，控制给进压力，确保钻孔扩孔段施工质量（给进压力控制在0～6MPa之间）。

第六，旋转钻进施工前人员使用瓦斯便携仪测量掌握孔口风排瓦斯浓度变化情况，待压风全部打开，孔口瓦斯浓度≤0.5%时，方可开始旋转钻进施工。每扩孔钻进1～2m，都必须用瓦斯便携仪检查孔口风排瓦斯浓度。

第七，掏穴钻孔施工期间详细记录每个钻孔掏孔前后掏出煤量，用编织袋或矿车度量。

第八，待过煤段施工完毕后，扩孔钻头不给进，保持旋转2分钟以上，待把孔内煤渣排尽，确保孔内无遗煤后，先停止旋转，再停止风（水）供给，待侧翼钻头复位后，方可缓慢撤钻。

5 掏穴钻孔效果考察

5.1 考察方案

本次试验主要考察以下方面：掏出的总煤量、掏穴排放瓦斯量及考察掏穴有效影响半径。考察方法采用瓦斯压力的变化和瓦斯抽采量的变化进行考察。endprint

此次共设计2组考察孔，每组3个孔，瓦斯压力考察孔距掏穴孔距离分别为5m、8m；瓦斯抽采考察孔距掏穴孔距离分别为3m、5m。

5.1.1 压力考察孔（抽采考察孔）。

5.1.2 压力考察孔施工：（1）先用Ф133mm钻头钻进5m深后，冲净孔内岩粉，退出钻杆，下Ф108mm孔口管5m。孔口管下入孔内后及时用木楔进行固定，将木楔用锤砸实，保证足够的摩擦力，同时用铁丝将孔口管与巷道内金属网或锚索联在一起，防止孔口管下窜伤人；（2）将2m长的Ф20mm的注浆管下入孔内，外露200mm，然后用注浆泵向孔内注水泥浆（水∶水泥∶速凝剂=1∶0.75∶0.1），待浆液注满为止；（3）待浆液凝固24h后，用Ф75mm钻头经定位后正常钻进，钻进到距煤层1m时立即停钻并撤钻，然后进行注水泥浆（水∶水泥∶速凝剂=1∶0.75∶0.1）封堵岩层裂隙，注浆终压稳定在12MPa后停止注浆；（4）待水泥浆凝固16小时，用Ф75mm钻头扫孔钻进，并穿过煤层见岩0.5m左右撤钻，退出钻杆，即可进行煤层瓦斯压力测定。

5.1.3 抽采考察孔施工：（1）使用∮113mm孔径钻头，按照设计要求施工至过煤，见岩0.5m左右撤钻，立即封孔并合茬抽采；（2）抽采考察孔封孔要求：钻孔下2寸抗静电塑料管8m，同时在孔壁与套管之间插入一根Ф20mm的注浆管，塑料管下入孔内后及时用木楔进行固定，将木楔用锤砸实，保证足够的摩擦力，同时用铁丝将塑料管与巷道内金属网或锚索联在一起，防止岩芯管下窜伤人。封孔材料为水泥浆（水灰比为1∶0.75），封孔时将注浆管用高压软管与注浆泵连接。下封孔管和封孔过程中人员不得正对孔口进行操作。

5.1.4 在线监测系统。为考察掏穴钻孔工艺在矿井煤层消突方面的效果，确保考察期间瓦斯抽采数据的真实性、连续性，在西翼轨道斜巷上部车场建立一套防突在线监测系统，实现信息化管理。

5.2 本次试验效果考察

5.2.1 考察掏出总煤量的大小。详细记录每个钻孔掏孔前后掏出煤量，用编织袋或矿车装累计计算掏出煤量。

5.2.2 考察掏孔排放瓦斯量。每次掏孔前、后分别对钻后瓦斯传感器进行考察，后又结合钻孔穿煤期间的打钻探头瓦斯报表，根据通风区测量该巷道风量，对比计算掏出的瓦斯量。

5.2.3 掏穴钻孔有效影响半径考察。考察方法采用瓦斯抽采量的变化和瓦斯压力的变化进行考察。

此次共设计2组考察孔，每组3个孔，选择K1、K2号孔作为掏穴钻孔有效影响半径试验被试验孔，考察孔为Y1、Y2、C1、C2（“Y”代表测压，“C”代表抽采）。

第一，利用瓦斯压力考察。

施工顺序：施工考察孔（孔号：Y1、Y2）→封孔测压→在线观测压力→压力稳定→施工掏穴孔（孔号：K1）→观测掏穴后考察孔（孔号：Y1、Y2）压力变化情况。

在施工考察孔（孔号：Y1、Y2）时，由防突人员分别取11-2煤层的煤样一份，煤样重量不少于3.5kg，煤样取好后及时送集团公司通风实验室做全面分析化验。

经考察，实测瓦斯压力为0.33MPa，在距瓦斯压力孔5m位置的掏穴孔施工后，瓦斯压力降为0.02MPa，即此次掏穴试验钻孔的有效影响半径可以达到5m。

第二，利用钻孔流量法考察。

施工顺序：施工考察孔（孔号：C1、C2）→封孔并安装孔板→施工掏穴钻孔（孔号：K2）→掏穴前瓦斯流量→掏穴中瓦斯流量→掏穴后瓦斯流量。

钻孔流量考察：采用2寸孔板流量计对C1、C2抽采考察孔抽采负压、浓度、压差等参数在掏穴孔施工前后每2h测量一次，抽采考察孔抽采参数变化情况考察。

通过考察发现，C1抽采考察孔（与掏穴孔平距5m）在掏穴孔施工前后，抽采浓度、压差没有明显变化；C2抽采考察孔（与掏穴孔平距3m）在掏穴孔施工后抽采浓度由23%增加到了46%，增加了1倍，抽采混合量由0.15m3/min增加到0.21m3/min，增加到原来的1.4倍，掏穴孔施工8h后，抽采纯量上升到原来的2倍，掏穴孔施工24h后，抽采纯量上升到原来的3倍。

C1考察孔距掏穴孔5m，C2考察孔距掏穴孔3m。由以上考察数据可得，即此次掏穴试验钻孔的有效影响半径可以达到5m，抽采半径3m以上。

6 初步结论

第一，掏穴钻孔在倾角≥0°、孔深60m以内范围的施工工艺已比较成熟，关键在钻孔保直上还需完善。

第二，通过对瓦斯压力、瓦斯抽采两个指标的综合分析考察，最终确定掏穴钻孔施工的有效影响半径可以达到5m，抽采半径3m以上。

7 下步打算

第一，孔深在60m以上的掏穴钻孔，进一步完善岩石段钻孔的保直工艺。长钻孔的快速保直施工，是决定掏穴钻头能否顺利进入孔内煤段的主要因素，也是决定施工进度的瓶颈问题。

第二，继续试验下向钻孔的扩孔工艺，在所有施工头面进行推广。

第三，继续试验不施工导向钻孔、直接进行扩孔的工艺，并通过钻孔测斜来对钻孔进行校正。

第四，掏穴钻头二次煤层段扩孔施工，如何处理孔内积聚瓦斯，避免钻孔瓦斯事故发生，是影响钻孔安全施工的重要因素。

作者简介：邰兵（1975-），男，山东枣庄人，淮南矿业集团地质勘探工程处潘一东项目部副经理，助理工程师，研究方向：煤矿瓦斯治理。

（责任编辑：蒋建华）endprint