CKR2钻机施工软煤层抽采钻孔技术探究

＊李建伟 冯志刚

（晋能控股装备制造集团晟泰能源投资有限公司 山西 048000）

1.现场概况

赵庄煤业1104盘区回风巷为矩形断面，净宽为5500mm，净高为4400mm，净断面积为24.2m2，采用锚索、金属网、钢筋托梁联合支护。由于试验钻孔仍未受采动影响，除因煤层疏松质软局部成型略差外，巷道整体基本完好。该区域西帮侧布置有1趟静压水管，2趟排水管路，1趟压风管路。顶部距东帮2m，距顶1.5m处布置有1趟Φ310mm瓦斯抽放管路。东帮侧距底板1.5m高度处，均匀布置有1排间距为0.8m的本煤层瓦斯抽放钻孔（已连入抽放系统）。

地质情况：煤层为4.8～5.5m，平均厚度为5.0m。煤层稳定，结构简单，厚度无明显变化。根据煤层厚度变化及回采因素影响，工作面采高控制在4.2～5.5m。煤层倾角0°～11°，平均倾角为3°。煤层为黑色，似金属光泽，块状、粉末状，外生裂隙发育，阶梯状断口，层状构造。煤层结构：煤层可采指数为1，变异系数20%，为稳定煤层，煤层普氏硬度（f）0.5～2.0。煤尘具有爆炸性。煤层自燃倾向性等级为III级，不易自然。地压为：11.0～14.0MPa，无冲击地压危害。直接顶为砂质泥岩，厚3.0m，深灰色，薄层状，水平层理，见裂隙面，含植物化石碎片，单向抗压强度为30.4MPa，单向抗拉强度为1.63MPa，普氏系数f=3.1。基本顶为粉砂岩，厚7.3m，深灰色，薄层状，水平层理，缓波状层理，单向抗压强度为29.8MPa，单向抗拉强度为2.12MPa，普氏系数f=3.0；砂质泥岩，厚4.6m，深灰色，薄层状，水平层理，见裂隙面，含植物化石碎片，单向抗压强度为30.4MPa，单向抗拉强度为1.63MPa，普氏系数f=3.1。

2.施工设计及技术要求

（1）试验施工钻孔地点：1104盘区回风巷（13171横川向南50～65m），巷道东帮侧。

（2）试验钻孔设计参数：钻孔开孔高度距顶板距离2.5～3.0m；钻孔间距为5m；钻孔倾角为0°；试验钻孔垂直巷帮施工；试验钻孔深度为150m（依照施工条件、工艺可做出调整）。

（3）钻孔实际开孔位置与设计要求误差不得超过±0.2m（受锚杆、锚索等影响，可适当调整开孔位置），倾角误差不得超过±1°。

（4）钻孔施工严格执行三定标准（定孔位、定方位、定倾角）。①定倾角，CKR2型煤矿坑道钻机结构原因，倾角不可调，为0°。②定孔位，以顶板平整处量起，通过使用手拉葫芦调整CKR2型煤矿坑道钻机给进梁高度来确定孔位。孔排间距严格按要求执行。③定方位，垂直巷帮施工，方位角为90°。

（5）机长根据现场施工情况自行控制洗孔时间，但钻孔施工到位后洗孔时间不少于30min，保证出渣口处基本返出清水，方可退钻。

3.CKR2钻机与其他矿用坑道钻机的主要区别

(1)CKR2钻机简要介绍

CKR2型全液压煤矿坑道钻机专门为松软煤层反循环钻进作业而设计。松软突出煤层反循环钻进是利用双壁钻杆进行钻进，冲洗液从内外管间送入孔底，再携带岩粉或煤粉从内管中返出地面的一种钻进方法。该钻进方法在地质钻探领域属成熟技术，用该技术很好地解决了复杂地层钻进和取样问题，钻进深度已有超过500m的记录。将该技术移植到松软突出煤层的钻进，具有如下特点：

①由于冲洗液从内管返出，而不是像正循环那样由孔壁间隙返出，因而最大限度地减少了对煤层的扰动，有效地防止了孔内坍塌的发生，也就避免了卡钻事故的频繁发生；

②钻进过程中孔底释放的大量瓦斯可由通畅的内管通道返出，沿孔壁渗出的瓦斯通过稳定通畅的孔壁间隙顺畅排出，因为不存在瓦斯聚集的情况，因而避免喷孔现象的发生；

③由于冲洗液从内管返出，内管光滑且管径一致，因而冲洗介质的压力损失小且恒定，又因为过流断面要比孔壁间隙小得多，所以满足煤粉排出地面所需的冲洗液压力和排量都相对较小，因而可用较小的空压机或泥浆泵，使设备投资成本降低；

④因为孔壁稳定，坍塌少，钻杆与孔壁摩擦力减小，因而所需钻机的扭矩和起拔力都减小，从而减少了钻机投资；

⑤由于冲洗液从内管返出，可以通过胶管直接导入煤粉接收装置（集尘器），无需孔口捕尘装置，更有效改善了施工现场作业环境；

⑥对于缩径地层，钻进结束后，可将内管拔出，再下入瓦斯抽排管或割缝管，起到与大通孔钻杆同样的作用，因此可用一种钻杆同时在坍塌和缩径地层中钻进。

(2)CKR2钻机与其他矿用坑道钻机的主要区别

①动力区别：CKR2型钻机动力头型式为顶驱式，最大给进力600kN，最大提拔力380kN，给进/回拖速度1.8/2.7m/s，最大扭矩5300N·m。以ZDY4200LPS(A)型煤矿用履带式全液压坑道钻机为例，动力头型式为回转给进式，最大给进力123kN，最大起拔力123kN，给进/回拖速度0.78m/s，最大扭矩4200N·m。

②钻杆区别：CKR2型钻机利用Φ89mm×1m双壁钻杆。双壁钻杆进行钻进，冲洗液从内外管间送入孔底，再携带岩粉或煤粉从钻杆内管中排渣至巷内。钻杆拆、装是在给进梁内槽进行。煤矿用履带式全液压坑道钻机钻杆拆、装是在回转装置尾部进行。

③钻头区别：CKR2型钻机采用Φ98mm反循环取芯钻头。矿用履带式全液压坑道钻机胎体式复合三翼内凹钻头。

4.CKR2型钻机软煤岩钻探试验情况

(1)施工工序

移钻→进行“三定”（定孔位、倾角、方位角）→稳钻→开孔→安装孔口防喷装置、防回火装置→打钻（钻进→钻杆入孔→钻杆回拉→装入钻具→一次行程后二次钻进）→专用水便→钻进→停止钻进→卸水便→（上钻杆重复以上打钻作业）→打钻到设计进尺→洗孔→退钻→退钻完毕→临时封孔→现场标准化动态达标。

(2)施工过程

①开孔使用罗盘、卷尺和线绳等确定钻孔参数，严格按规定执行“三定”标准。

②钻孔实际开孔位置与设计孔误差不得超过±200mm，倾角、方位角误差不得超过±1°（受锚杆、锚索等影响，可适当调整开孔位置）。

③“三定”确定后，在开孔位置下风侧300～500mm，平行于孔口，悬挂便携式瓦检仪、一氧化碳便携仪。

④钻孔开孔后，将孔口防喷装置插入孔内，用铁丝将孔口防喷装置固定在巷帮上，孔口防喷装置外壁和孔内壁间用棉纱封严，确保不漏气。把瓦斯抽采接口与抽采系统相连，孔口连接孔口防喷装置时必须经过气水分离器再连接抽采管路。

⑤单孔钻孔结束后，对钻孔时长及钻孔过程中钻机的使用情况做好记录。

⑥钻孔施工完毕后必须按规定将封孔管下到位，下管下不到位时，必须重新进行套孔，套孔时必须按规定使用好孔口防喷装置，杜绝瓦斯事故，或者是退钻后不要取下孔口装置，下管下到位后再取下，避免重复安装影响施工效率。

(3)钻孔施工要求

①钻机操作人员必须熟练掌握钻机操作技能，严格按钻机使用说明书及操作规程操作。

②开始钻进时，要合理轻压慢进，前20m要控制给进压力，保证钻孔平直，司机作业期间要观察各压力变化情况，并进行记录。

③接卸钻杆前，钻头退离孔底至少300mm。停钻2h以上时，停钻前施工负责人应根据孔内情况决定是否将钻杆拉出。

④接卸钻杆需要敲砸时，必须使用铜锤，严禁使用铁器、管钳敲砸钻杆。

⑤上钻杆时，要认真检查钻杆质量，弯曲、坏扣或磨损严重的钻杆严禁使用。连接钻杆时，钻杆应不堵塞，对准丝扣，用钻机紧固后，方准开启钻机。

⑥钻机操作人员要精力集中，与上卸钻杆人员配合一致，听从一个口令，以免误动作伤人，采用钻机动力拧开钻杆后人工接卸钻杆。

⑦钻进时若给进缓慢或不给进，应立即起钻查明原因，采取措施后方可钻进。

⑧钻孔施工过程中，若孔内有异常情况时，必须立即停止钻进，切断钻机电源，但不得拔出钻杆，施工负责人及时汇报抽采工区和队值班室，判断清楚原因，并采取措施后，待恢复正常后方可恢复作业。

⑨每个钻孔施工完毕后，必须将钻孔封孔。封孔不能正对孔口操作。

(4)CKR2型钻机软煤岩钻探试验情况

施工时最大工效：单班进尺35m；而同等扭矩、功率的矿用坑道钻机单班最大进尺为60m左右。

表1 CKR2型钻机软煤岩钻探试验记录

5.钻探成果分析

CKR2型全液压煤矿坑道钻机专门为松软煤层反循环钻进作业而设计。松软突出煤层反循环钻进是利用双壁钻杆进行钻进，冲洗液从内外管间送入孔底，再携带岩粉或煤粉从内管中返出地面的一种钻进方法。有以下优点：减少了对煤层的扰动，有效地防止了孔内坍塌的发生；沿孔壁渗出的瓦斯通过稳定通畅的孔壁间隙顺畅排出，因而避免喷孔现象的发生；冲洗液从内管返出，可以通过胶管直接导入煤粉接收装置（集尘器），无需孔口捕尘装置，更有效改善了施工现场作业环境；钻杆与孔壁摩擦力减小，因而所需钻机的扭矩和起拔力都减小，从而减少了钻机投资。

6.结语

在高瓦斯矿井施工本煤层瓦斯抽放钻孔时，面对松软煤层，采用反循环钻进的方式，有效防止了孔内坍塌的发生，提高了钻孔的成孔率，改善了作业环境，降低了钻孔施工强度有利于矿井的生产衔接安排。达到了预期的效果，缓解了掘进接替和生产被动的紧张局面，也给矿井创造了更好的生产前提条件。对高瓦斯及突出矿井的软煤岩钻探起到很大参考意义和价值。