松软突出煤层顺层抽放钻孔施工及封孔技术研究.pdf

中国煤炭学会煤矿安全专委会 20 09年学 术 研讨 会 论文 集矿业安全与环保 第36卷增刊 2009年8月 松 软 突 出 煤 层 顺 层 抽 放 钻 孔 施 工 及 封 孔 技 术 研 究 雷洪波,周政林,王荣超 松藻煤电公司 渝阳煤矿,重庆 綦江401448 摘 要针对松软突出煤层顺层钻孔预抽瓦斯中存在的钻孔施工困难和瓦斯抽放浓度偏低等关键 问题,介绍了渝阳煤矿在提高钻孔深度、 成孔率和封孔质量方面所采用的新装备、 新工艺和新方法。通 过选择合适的钻机具、 钻孔施工技术、 工艺和改进钻孔布置方式等,提高了顺层孔的施工深度、 成孔率、 孔径和钻进效率,不仅解决了突出煤层采煤工作面顺层预抽中存在“ 空白区 ” 的难题,还提高了单孔抽放 量;通过改进顺层抽放孔封孔工艺,提高了封孔质量和瓦斯抽放浓度。通过解决钻孔施工和封孔质量问 题,有力保证了工作面预抽防突效果。 关键词松软突出煤层;顺层钻孔;钻孔施工;封孔 中图分类号 T D713 文献标志码 C 文章编号 1008 - 4495 2009 S1 - 0136 - 03 收稿日期2009 - 07 - 17 基金项目国家2006年煤矿瓦斯治理与利用示范工程资助 作者简介 雷洪波,男,重庆涪陵人,主要从事煤 与瓦斯灾害治理方面的技术研究工作。 。 采用穿层钻孔或顺层钻孔预抽煤层瓦斯是突出 煤层回采工作面一种重要的区域防突措施。对于松 软突出煤层,由于受煤层起伏、 地质构造、 煤层瓦斯、 煤层力学性质、 煤层厚度、 钻机具能力、 施工工艺等 因素影响,在顺层钻孔施工中,钻孔深度往往达不到 设计深度,致使采煤工作面经常出现预抽“ 空白区 ”, 给回采带来极大的突出威胁;另外,采用常规的封孔 技术,由于封孔质量难以保证,瓦斯抽放浓度一般偏 低,影响瓦斯抽放和防突效果。因此,如何提高钻孔 施工深度和成孔率,消除回采工作面顺层预抽“ 空白 区 ”,如何提高封孔质量、 抽放效果,是松软突出煤层 亟待解决的两个关键问题。笔者根据矿井瓦斯抽放 实践,介绍了提高钻孔施工和抽放效果的新装备、 新 工艺和新方法。 1 顺层钻孔预抽瓦斯现状及问题 渝阳煤矿隶属于重庆能投集团松藻煤电公司, 煤层突出危险性严重,除了开采保护层外,瓦斯抽放 是防突的另一个重要区域性防突措施。采煤工作面 顺层预抽钻孔的施工现状及问题如下。 1. 1 现状 顺层抽放钻孔布置于煤层软分层煤中,钻孔均 垂直于煤壁沿煤层走向施工,孔间距3～12 m。采用 ZYG - 150或MYZ - 150型液压钻机配合 Φ80 mm 螺旋钻杆Φ42 mm地质钻杆外绕螺纹叶片施工, 螺旋加压风排粉。钻孔孔径86 mm,平均孔深60 m 左右,个别钻孔深度可达80 m。 顺层抽放钻孔采用水泥砂浆机械封孔,设计封 孔深度为10 m,但由于钻孔孔口段容易垮塌,实际封 孔深度仅为4～5 m;另一方面水泥砂浆凝固后收缩 变形,导致钻孔封堵不严,抽放过程中出现漏气现 象,抽放钻孔平均抽采浓度仅为10～25 ,平均单 孔抽放纯量为0. 009 7 m 3 /min,抽放浓度低,抽放效 果差,防突预处理时间长、 效果差,直接影响矿井安 全生产和采掘部署。 1. 2 存在的问题 1由于渝阳煤矿突出煤层软分层普遍发育且 煤层瓦斯含量大,在钻孔施工中常出现喷孔、 塌孔现 象,加上钻机能力和排渣等问题,经常产生卡钻、 抱 钻现象,致使钻孔往往施工不到设计深度,从而给工 作面中部留下预抽“ 空白区 ” 。以N2707工作面为 例,工作面长度为165 m,从运输巷和回风巷双向施 工顺层钻孔,钻孔深度必须普遍达到80 m以上,方 能实现对整个工作面的控制。但采用原来的施工技 术和装备,平均钻孔深度仅为60 m左右,难以满足 要求。 2采用150型液压钻机配合 Φ80 mm螺旋钻 杆施工,由于钻机动力头活动范围较大,施工过程中 加上钻杆自重影响,钻杆摆动幅度大,导致钻孔定向 63 1982 E - mail leibo0122 sina. com 1 中国煤炭学会煤矿安全专委会 20 09年学 术 研讨 会 论文 集矿业安全与环保 第36卷增刊 2009年8月 钻进能力差,容易跑偏。由于煤层较薄,钻孔常因进 入煤层顶底板而终孔,一次成孔率较低。 3由于钻进能力、 卡钻和成孔率等问题,钻机 的钻进效率较低,台机月进度仅为4 500 m左右。 4钻孔布置于软分层中,钻孔施工结束后,孔 口段易垮塌封闭,封孔难度大,封孔深度达不到设计 要求,导致封堵不严,漏气现象时有发生,抽放瓦斯 浓度低,效果不好。 2 顺层钻孔施工及封孔改进方案 针对钻孔施工和封孔中存在的主要问题,改进 方案要从钻机施工能力、 排渣工艺、 钻杆强度、 巷道 施工条件、 布孔方式、 封孔材料等多方面综合考虑, 才能达到预期目的。 2. 1 选用大功率钻机 分析认为,大部分抽放钻孔施工不到设计深度, 主要原因是原来的钻机ZYG - 150型功率小 15 kW、 输出转距小额定输出转距650 Nm,转 速低,一旦钻孔出现垮孔,钻机负荷加大时,钻机旋 转较慢,易导致排粉不畅通,造成卡钻、 抱钻现象。 所以,钻机的旋转转距、 推进力和转速应大幅度增 加。同时考虑到施工巷道断面较小,且搬运距离长、 环节多,又要求钻机外形尺寸小、 易搬运。鉴于这种 情况,从更高的打钻能力和适合顺层钻孔施工的要 求出发,采用了重庆煤科院生产的ZY- 1250型液压 钻机,其主要性能参数见表1。 表1 ZY - 1250型液压钻机主要技术参数 类别性能参数 额定功率/k W22 额定电压/V380 /660 输出转速/ r/min96 /210 最大输出转矩/ Nm650/1 250 最大给进力/kN60 正常给进速度/m/min0～1. 5 最大钻进深度/m200 2. 2 增大钻杆直径 提高钻杆强度,确保定向钻进。将 Φ42 mm地 质钻杆外绕Φ80 mm螺纹叶片的钻杆,改为Φ50 mm 地质钻杆外绕 Φ85 mm螺纹叶片的钻杆。这样 ,一 方面提高了钻杆强度,减少钻孔施工过程的钻杆绕 度,确保钻孔定向钻进;另一方面减小钻杆折断事故 的发生。 2. 3 改进钻孔布置及封孔方式 将顺层钻孔布置于煤层硬分层中。因硬分层煤 的坚固性系数相对较大,钻孔施工后不易造成钻孔 垮塌和堵塞,对钻孔施工和封孔有利。另外,采用新 型封孔材料马丽散进行封孔,提高封孔质量和减轻 劳动强度。 3 实施情况 3. 1 试验地点基本情况 N2707工作面为7 煤层综采工作面 ,沿倾斜方 向布置,仰斜开采,工作面长165 m ,运输巷倾斜长 862 m,回 风 巷 倾斜 长873 m。煤 层 平 均厚 度 0. 90 m,中间发育有0. 2～0. 4 m的软分层,煤层瓦 斯含量为15. 08 m 3 /t。 3. 2 钻孔施工情况 N2707工作面顺层抽放钻孔采用ZY - 1250型 钻机配套Φ50 mm地质钻杆外绕 Φ85 mm螺纹叶片 的钻杆施工,采用螺旋加压风排粉,并将钻孔布置在 硬分层煤中。钻孔布置方式工作面切割巷以南 150 m范围孔间距为3. 0 m,其余段孔间距为6. 0 m, 设计孔深85 m,预抽孔孔径均为96 mm。2007年8 月开始施工,到2008年6月下旬全部施工完毕,工 作面累计施工顺层抽放钻孔360个,其中运输巷168 个,回风巷192个,平均孔深为85 . 0 m。工作面钻孔 施工效果见图1。 图1 N2707工作面顺层钻孔施工竣工图 3. 3 钻孔封孔情况 顺层钻孔抽放效果历来较差,其主要原因是布 置于软分层的钻孔经常发生垮塌和封闭现象,封孔 深度和质量达不到设计要求,导致抽放浓度低。新 方案将钻孔布置于煤层硬分层中,并采用马丽散封 孔见图2 ,封孔长度不少于1 m,封孔深度6. 0 m 以上。 图 马丽散封孔示意图 3 2 71 中国煤炭学会煤矿安全专委会 20 09年学 术 研讨 会 论文 集矿业安全与环保 第36卷增刊 2009年8月 4 效果与分析 4. 1 提高了钻孔施工深度和成孔率 实施改进方案后,在N2707工作面累计施工 360个顺层钻孔,最大孔深为105 m由于井下钻杆 仅有105 m,平均孔深85 m。在同等条件下,与采 用ZYG - 150C型钻机相比较见表2 ,平均孔深增 加19. 5 m,平均增加幅度达到28 ,施工钻孔中大 多数钻孔达到设计深度,一次成孔率为75。有效 地消除了工作面中部的预抽“ 空白带 ” 。 表2 ZY - 1250和ZYG - 150C型钻机试验对比 钻机型号ZYG - 150CZY - 1250 施工地点N2705运输巷N2707运输、 回风巷 钻孔个数189246、360 最大孔深/m85105 无钻杆 平均孔深/m6685 孔径/mm8696 钻进速度/m /min0. 350. 40 效率/m /月 台 4 5007 500 4. 2 提高了钻进效率 由于ZY- 1250型钻机功率较大、 转距大、 转速 快,加之钻杆内径加大,强度提高,钻孔布置层位选 择得当,钻孔平均钻进速度达到0 . 40 m /m in,在同等 条件下,与采用ZYG - 150C型钻机相比较见表 2,平均钻进速度提高0. 05 m /m in。 在施钻过程中减少了卡钻、 抱钻事故。将钻机 固定在大平板车上,钻机移动时采用11. 4 k W绞车 整体牵引,节省了时间,降低了劳动强度,移机时间由 原来的1 . 5 h移6. 0 m,降到现在的0. 5 h6 . 0 m, 移机时间节约1 h,提高了钻进效率;月台机钻尺大 幅度提高,原ZYG - 150C型钻机施工顺层钻孔月台 机钻尺为4 500 m,现ZY - 1250型钻机月台机钻尺 达到7 500 m,台机钻尺率提高66 . 7。钻进效率的 提高,不仅缩短了打钻周期、 增加了抽放时间,而且 提高了工人的劳动积极性。 4. 3 提高了抽放瓦斯浓度 实践证明,将钻孔布置于硬分层中并采用马丽 散材料封孔,不仅封孔质量明显提高,而且减小了封 孔劳动强度,对低浓度钻孔还可重新封孔,提高了封 孔效果。N2707工作面的钻孔抽放瓦斯浓度明显提 高,平均达到37 ,最高达到90。各浓度区段钻 孔统计见表3。 表3 N2707运输、 回风巷各浓度区段钻孔统计 浓度区段钻孔个数所占比例/ ≥9092. 5 50～9022662. 8 20～506116. 9 206417. 8 4. 4 单孔抽放量得到大幅度提高 由于钻孔孔径的增大Φ96 mm和瓦斯浓度的 提高,抽放纯量增幅较大,平均单孔瞬时抽放量达到 0. 015 7 m 3 /m in,比原来提高0. 006 m 3 /m in,增幅为 61. 8,抽放效果明显提高,N2707运输巷和回风巷 的瓦斯抽放纯量达2. 37 m 3 /m in和3 . 21 m 3 /m in。 由于抽放效果的提高,可缩短抽放时间,为采掘生产 部署赢得主动。 5 结语 通过采用适合松软突出煤层施工的新钻机具、 螺旋加压风排渣施工工艺、 钻孔布置层位的合理选 择,以及新封孔材料和工艺的使用,不仅有效提高了 松软突出煤层顺层钻孔的施工深度、 成孔率、 钻孔孔 径和钻孔施工效率,消除了工作面顺层抽放的“ 空白 区 ”,解决了顺层孔的施工难题,而且提高了单孔瓦 斯抽放浓度和抽放纯量,提高了瓦斯预抽效果,缩短 了抽放时间,为工作面瓦斯综合治理奠定了坚实基 础。通过在N2707工作面试验,为今后松软突出煤 层回采工作面顺层抽放找到了合适的抽放钻机、 钻 具及抽放工艺。 参考文献 [1 ]程远平,俞启香.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展 [J].采矿与安全工程学报, 2007, 24 4 383 - 390. [2 ]徐彬,张军,刘宏进,等.保护层上风巷穿层钻孔抽放被 保护层卸压的试验研究[ J].矿业安全与环保, 2007, 343 5 - 7. [3 ]于不凡,王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册 [K].北京煤炭工业出版社, 2000. [4 ]周为军,连昌宝.强突出煤层瓦斯治理方案优化与工程 实践尝谈[J].煤矿安全, 2008, 39 12 85 - 87. [5 ]朱贵旺,卢平.煤矿区域性煤与瓦斯突出治理技术的应 用[J].煤炭工程, 20092 48 - 51. [6 ]孙重旭,孙凡正.对直接开采严重突出煤层时几个问题 的探讨[J].煤矿安全, 2000, 31 6 28 - 31. 责任编辑吴自立 381