白龙煤矿瓦斯抽放钻孔施工工艺研究

朱 捷

（霍州煤电集团云厦建筑白龙矿建分公司，山西 霍州 031400）

1 前言

对于软硬复合煤层，因软分层比较容易吸水膨胀和垮落，钻渣量显著增加，易于卡住钻杆；硬分层则不易垮塌，使得孔内断面积减小，过渣能力减小。同时打钻现场喷孔、垮孔和卡钻现象频出，导致施工效率低、成孔率低，对于100m以上的长深孔基本无法施工，这给瓦斯抽放工作带来了困难。

在对白龙煤矿3#煤层进行浅孔抽采试验时，软分层就出现了塌孔、压钻、抱钻等现象，因此需要就3#软硬复合煤层的钻孔施工进行全方位的探索，从钻孔施工装备、配套钻具、排渣方式等方面加强钻孔深度。

2 煤层赋存概况

白龙煤矿共有1号、2号、3号、5号和9号可采煤层，当前主采3号煤层，煤层厚度为2.5～7.3m，平均厚度为4.5m，坚固性系数为0.23～0.45。煤系地层岩性自下而上为：泥岩：紫杂色、灰绿色，含团块状，易碎，遇水膨胀，一般厚8～10m，厚度变化大；根土岩：粉砂质，灰一深褐色，含植物根部化石，较坚硬，一般厚2～6m；炭质泥岩：0～5m，为煤层直接底板；中部有1～2层夹矸，局部地区加厚至2～5m；灰黑色粉砂岩、砂质泥岩：水平层理，厚2～3m；中粗砂岩：厚度为0～30m，局部为砂岩，含植物化石及煤屑；细粉砂岩互层：灰-灰黑色，厚度0～73m，缓波状、微波状层理，含植物化石。该煤层瓦斯基本参数测量结果：煤层瓦斯压力测定值为0.71MPa，瓦斯含量处于4～21m3/t之间，煤层透气性系数为4.0076～7.9727m2/（MPa2•d），钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1525～0.2830d-1，放散初速度△ p为20～25。

3 3#煤层中深孔施工方案设计

为了增加3#煤层的钻孔施工深度，从而提高该煤层瓦斯治理能力，基于影响钻孔施工的因素，从钻孔施工装备、配套钻具、排渣方式等方面对加强钻孔深度的施工进行了实践应用的探讨，取得了较好的实践效果。

3.1 钻机选型

目前煤矿井下常用的钻机类别主要有杭州钻探机械厂的SGZ系列、西安煤科院生产MK系列、重庆煤炭科学分院生产的ZYG系列。结合白龙煤矿3#煤层的地质条件，较为合适的为ZDY6000L和CMS1-6200等。ZDY6000L型钻机为西安煤科院生产，优点：扭矩、起拔能力大，下钻速度快，钻进效率高，但3#煤层开采巷道高，需要对该型号钻机进行改进增加稳固性能。ZDY6000L型钻机施工200m钻孔用时3～4个班。CMS1-6200型钻机为江苏中煤生产，优点：功率大，结构紧凑，操作灵活，机动性好，全断面作业，安全性能好，一机多用，缺点：自重小，在松软煤层稳定性差，需要加强稳钻改进。CMS1-6200型钻机施工200m钻孔用时4～5个班。

3.2 钻具选型

钻孔施工过程中，钻杆会受到拉、压、弯、扭等多种作用，还会受到振动及冲击载荷，钻杆承受的弯应力和扭距大，钻杆接头螺纹根部的尖底容易产生应力集中，反复拧卸又会使螺纹磨损，接头部分成为钻杆强度的薄弱部位。同时在钻孔过程中还会受到孔壁的摩擦，降低钻杆的疲劳强度，因此选择合适的钻具是非常重要的。

（1）光面圆钻杆

光面圆钻杆采用“公接头+杆体+母接头”的形式，其中公母接头与中间杆体采用先进的摩擦焊接工艺方法。为了减少应力集中点，设计时把公接头与母接头的摩擦焊接过渡面设计为圆弧过渡状。优点：钻杆强度高，缺点：排渣不畅，会压钻。

（2）螺旋钻杆

螺旋钻杆是在三角钻杆的基础上改进而成，分为大螺距和小螺距两种。其钻进方式属于干式自主排工艺。优点：作业产生的岩粉通过螺旋钻杆排出，孔内无岩粉存在，不会造成重复破碎；不需要循环介质的存在，减少了设备的配套；钻孔作业过程中，螺旋钻具叶片具有相应的支撑作用，降低了震动对钻孔的干扰，能够降低塌孔事故的发生。缺点：螺旋钻杆的自重较大，作业速度较慢，钻屑的排放不充分，钻进效率不高。

（3）三角钻杆

三角钻杆又叫三棱钻杆，其利用钻杆的自重使钻杆与钻孔底部的弧段保持着轴向线状接触，其横断面示意图如图1所示。优点：排渣能力强，可增加钻孔深度。

图1 三角钻杆横断面图

相对比光面圆钻杆和螺旋钻杆，三角钻杆整体的排渣效果较好，无压钻现象发生。因此在设计中采用螺旋钻杆。

3.3 排渣方式的选择

在瓦斯抽放钻孔工艺中，以往均采用水力排渣方式。水力排渣优点：携带煤粉量大，排渣能力强；缺点：对本身孔壁有相当大的冲击力，严重的话能导致垮孔、喷孔现象，会降低煤粉的强度。风力排渣原理：压缩空气进入孔以高速风流的形式将钻屑吹向孔口，特别适应软煤层的排渣过程。风力排渣的影响因素有风速和钻孔倾角，通常设计风压为0.75MPa，保障排渣能力。根据3#煤层的特点，在本次设计当中选择了风力排渣方式。同时对于风力排渣，除了要有足够风压外，还要防止含水空气进入钻孔，否则钻屑会通过压风中的水板结，排不出渣，因此，钻孔中必须要保证干风送入。保持排渣畅通，减少煤渣与钴杆的摩擦，如果孔口排渣量减少，必须立即停钻，使钻杆退退进进，来回捣孔，反复掏空。

3.4 钻孔施工方案

（1）钻孔设计。3号煤层的倾角为5°～6°，因此结合该煤层倾角，设计上行孔钻孔角度为7°～8°，设计下行孔钻孔的角度为4°～5°。目的是让钻孔的轨迹能同3号煤层保持平行，能增加钻孔的深度。

（2）稳固钻机。前面选择的ZDY6000L和CMS1-6200钻机，在稳固性上都较差，必须做好稳固钻机的措施。第一，根据钻孔位置固定好钻机；第二，垫木必须垫在钻机底部的实底处，用立柱控制钻机，防止因震动而发生位置移动。

（3）充分排渣。风力排渣方式中，确保风量足风压够，空压机的工作特性、管路以及钻具的泄漏，要达到较好的钻进速度。钻进深度越大，排渣阻力越大，越需要更大的风量和风压，以克服排渣阻力。地面压风机房产生的风压一般为0.8MPa，至井下排渣地点后一般能达到0.4～0.5MPa，当风力难满足排渣所需时，需要在井下另设专用压风站，保证风量和风压。

（4）要对不同层段的给进压力进行掌握，出现压力升高的情况要采取相应的保障措施。

（5）为了防止钻孔施工作业场所发生片帮冒顶事故，必须加强钻孔施工作业场所及周围巷道的支护，严禁空帮空顶。为了防止在钻孔施工过程中发生煤尘事故，在钻孔施工过程中，必须要采取内喷雾或外喷雾等有效的灭尘措施。

4 结论

当前白龙煤矿3#煤层的瓦斯抽放钻孔施工作业已有一年之久，基本确定了采用ZDY6000L和CMS1-6200两种钻机，主要采用螺旋钻杆和三角钻杆，排渣方式选择风力排渣、钻具自动排渣及混合排渣三种。在一年的钻孔施工探索时间内，共施工钻孔709个，累计进尺103615m，钻孔最深228m。其中钻孔深度≥200m的18个，比例占2.5%；200m＞钻孔深度≥150m的352个，比例占49.6%。从该数据可以看，优化设计的瓦斯抽放钻孔施工后，钻孔的深度和效率都有了很大的提高，瓦斯抽采率从12%提高到了25%以上。该瓦斯抽放钻孔施工工艺切实合理，能为该煤矿的瓦斯防治提供支持。