三软突出煤层深孔钻进技术与装备应用研究

左 杨 崔 峰

（1.河南能源义煤集团技术中心瓦斯研究所，河南 义马 472300；2.河南能源义煤集团新安煤矿，河南 新安 471800）

新安煤田为典型的豫西“三软”煤层，瓦斯压力大，瓦斯含量高，煤层透气性较差。松软煤层、破碎煤层等施工本煤层钻孔时，孔壁稳定性差，成孔后孔壁易坍塌，影响瓦斯抽采效果，存在一定的盲区，一般抽采措施的抽采效果普遍较差且采掘过程中容易造成瓦斯事故。顺层长钻孔瓦斯抽采技术在一定程度上提高了瓦斯抽放效果，实现钻孔“打多深、抽多深”，有效提高成孔深度与成孔率。

1 矿井概况

1.1 矿井开采与开拓

义安井田位于新安煤田深部，二1煤层埋藏深度550～950m，采用立井开拓方式。采煤方法采用倾斜长壁采煤法，全部陷落法管理顶板。

1.2 矿井瓦斯

义安矿业共发生了3次瓦斯动力现象，其中二1煤层发生2次，二2煤层发生1次。2007年经河南理工大学煤矿安全工程技术研究中心鉴定，义安矿为突出矿井。

地勘期间共采集瓦斯煤样7个，全部采用解吸罐采取。由瓦斯试验成果来看，全矿井总瓦斯含量4.02～12.19m3/t，平均为 7.22m3/t。

井下实测煤层瓦斯含量14个，二1煤10个，二2煤4个。其中二1煤层瓦斯含量为6.22～14.52m3/t，二2煤层为3.36～10.20m3/t。义安矿二1煤层瓦斯压力为 0.29～1.51MPa，二2煤层为 0.42～0.93MPa。

2 钻机装备及钻具

2.1 钻机装备

本次试验共采用了中煤科工集团西安研究院ZDY10000S、江苏中煤矿山设备有限公司CMS1-4200等七种钻机进行打钻试验。

2.2 钻具

螺旋钻杆分为螺纹式螺旋钻杆和插接式螺旋钻杆。规格为 Ф78/50、Ф88/50、Ф90/63.5、Ф100/63.5、Ф110/73、Ф120/73等，也可根据矿井煤层情况进行加工，适用于松软煤层瓦斯抽采钻孔施工。插接式螺旋钻杆采用相位摩擦焊接技术生产，叶片连续，排粉效果好。

采用胎体式PDC钻头、深孔用金刚石复合片钻头等钻头设备，规格为Ф60、Ф75、Ф94、Ф110、Ф113、Ф120、Ф133、Ф153等，根据矿井工作面煤层、地质情况选用合适的钻头，根据具体使用情况专门设计和制造。如图1、图2所示。

图1 螺纹钻杆及插接式螺旋钻杆连接图

图2 深孔用金刚石复合片钻头及硬质合金钻头

3 试验工作面概况

义安矿业原始瓦斯含量在9.30～14.52m3/t之间，原始瓦斯压力在0.29～1.51MPa之间。

3.1 11100工作面概况

11100工作面切眼长度为152.9m，具备施工深钻孔条件，为了解决该工作面防突打钻及区域瓦斯治理难题，探索在新安井田“三软”煤层深孔（孔深不低于100m）钻孔施工的大功率钻机及配套钻具。

对11100工作面外段345m区域进行了透射法槽波勘探。从11100工作面外段槽波波速成果图上看，该工作面有两处薄煤区域，一处薄煤区域为11100下巷E6点前8.3m～54.2m处，范围45.9m，延伸工作面内部51.7m；另一处薄煤区域为11100下巷E9点后38m到E9点前4.3m，范围42.3m，宽度40.6m。11100下巷试验钻孔未在薄煤区域施工。

3.2 12090工作面概况

二112090工作面位于义安井田中部，为倾向长壁综采工作面，主采二1煤层。

4 钻孔施工试验

4.1 第一阶段试验

中煤科工集团西安研究院ZDY10000S、ZDY3200S、3000LG钻机、江苏中煤矿山设备有限公司CMS1-4200和浙江杭钻机械制造股份有限公司ZLJ2300B五种钻机在11100上巷试验；中煤科工集团西安研究院ZDY3500LP、ZDY4300LF（A）两种钻机在11100下巷试验，共计约220d。

第一阶段试验完毕后，共计施工118个钻孔。根据各钻机及配套钻具在11100工作面的钻孔施工试验情况，对各钻机现场施工优缺点进行了总结，并对第一阶段试验未达到预期效果的原因进行了分析，主要有以下几个方面：

（1）工作面煤层地质构造复杂，煤质太松软，另外11100工作面切眼宽度近160m，地应力、瓦斯压力叠加，钻孔施工至20～40m期间压力大，出煤量大，出现塌孔、压钻现象。

（2）煤层顶板较稳定，但底板起伏大。采用煤钻头施工，若遇底板起伏段、煤岩结合段、煤矸石结合段钻头易损坏。

（3）钻头与钻杆直径大小相差小，匹配不合理，导致钻杆与孔壁之间空间太小，影响排粉效果。

（4）钻孔施工期间易出现硫铁硬煤核，无法破裂，卡在孔内某一段将排粉空间堵住，需要空间排出。

4.2 第二阶段试验

根据第一阶段钻孔施工试验情况以及存在的问题，重新配备了钻杆和钻头等钻具，在12090工作面轨道顺槽采用中煤科工集团西安研究院ZDY3500LP和ZDY3000LG型履带式钻机进行第二阶段顺层长钻孔（孔深不低于90m的顺层钻孔）施工试验。

ZDY3500LP型大功率履带式钻机共完成钻孔13个，10个钻孔全部试验成孔，3个钻孔报废。9个正常施工完成的钻孔孔深全部达到了90m以上，孔深为93～150m，最深孔深达到了150m，平均孔深为105m，从稳钻至退钻单孔平均有效施工时间11.1h，钻孔成孔率为100%。

ZDY3000LG型大功率履带式钻机共完成钻孔75个。其中53个钻孔孔深超过了90m，14个钻孔孔深超过了80m，仅8个钻孔孔深低于80m，钻孔成孔率近90%，最深孔深达到了120m，20个钻孔平均孔深为102.6m，从稳钻至退钻单孔平均有效施工时间12.9h。

钻孔施工期间在20～30m段经常出现钻进困难现象，主要表现在钻机回转压力急剧增大、给进力变大、钻屑量增多、钻速降低等。出现此类现象要及时调整钻机钻速，根据压力变化调至匹配转速，结合大功率钻机较强的给进、起拔力缓慢退钻，排净孔内积煤，降低扭矩衰减量，有效利用大功率钻机的优势穿过应力集中区。

传统的SGZ-ⅢA坑道钻机在12090轨道施工孔深为60m的顺层钻孔，平均用时为13.6h，平均工效为4.4m/h，且难以超过孔深75m的瓶颈。经统计分析，ZDY3500型和ZDY3000型试验钻机工效分别为9.4m/h和8.5m/h，比传统防突钻机工效分别提高了136%和90.9%，且平均孔深分别达到了105m和93m，大大突破了传统SGZ-ⅢA坑道钻机孔深难以超过75m的瓶颈，有效解决了义安矿顺层长钻孔施工难度大的问题。

5 瓦斯预抽关键技术试验

通过之前采用中煤科工集团西安研究院ZDY3500LP和ZDY3000LG型履带式钻机进行第二阶段顺层长钻孔的施工试验，选取较为理想的10个试验钻孔。

5.1 封孔工艺

采取“两堵一注”封孔工艺进行封孔，形成永久瓦斯抽放通道。如图3所示。

5.2 抽采效果考察

12090轨道顺槽二1煤层原始瓦斯含量最大值为8.87m3/t，煤层原始瓦斯含量较低，抽采期间钻孔内瓦斯涌出相对较小。

各钻孔施工完毕后进行了联管抽采，每天测定各试验钻孔瓦斯抽采浓度、流量等瓦斯抽采参数，其钻孔抽采负压在12～20kPa之间，对其瓦斯抽采参数及流量衰减系数进行了统计分析。根据瓦斯抽采参数数据表得出单孔瓦斯抽采浓度、瓦斯抽采量等走势情况如图4所示。

图3 快速下套管工艺示意图

图4 瓦斯预抽钻孔单孔平均抽采量

试验抽采期间单孔平均浓度在22.6%～46.3%之间，每天平均瓦斯抽采量在43.8～126.3m3之间，得其总平均浓度和平均抽采量分别为36.99%、76.84m3。通过试验期间的单孔抽放浓度和抽采量与之前抽采孔深的抽采数据进行对比，抽采效果有较为明显提高，对于高瓦斯矿井进行预抽瓦斯有较好的指导意义。但是，在长钻孔预抽瓦斯过程中，由于孔深较长、煤层松软，容易出现塌孔现象，为了更好地提高顺层长钻孔预抽瓦斯的抽采效果，该技术还有待提高成孔率，改进工艺水平，从而提高抽采效果。

6 结论

（1）通过选取中煤科工集团西安研究院ZDY3500型和ZDY3000型履带式钻机进行顺层长钻孔试验，实现了大采长工作面顺层长钻孔瓦斯预抽，消除中间空白带，提高防突措施效果。同时，为工作面优化布置提供了基础，减少巷道掘进量。（10个切眼长度为120m的工作面共需要掘进20条煤巷和11条底抽巷，优化为6个长度为200m的工作面后一共需要掘进12条煤巷和13条底抽巷，可少施工巷道6条，效益非常明显）

（2）摸索出了一套适合新安井田松软煤层打深孔的大功率钻机及配套装备、管理制度、操作规程。

（3）通过松软煤层顺层打深孔的实现，完成了长钻孔封孔预抽瓦斯的试验。此次长钻孔瓦斯预抽试验共选取了试验钻孔10个，真正实现了“打多深、抽多深”，抽采效果显著提高（最大约36%）。