顺层钻孔螺旋排渣工艺及封孔技术(1).pdf

第1 期 铁法科技 2 0 1 1 年7 月 l 顺层钻孔螺旋排渣工艺及封孑 L 技术 通风处 温永宇 摘要松软突出煤层由于煤质松软 ， 瓦斯含量高， 钻孔施工非常 困难 ， 容 易出现喷孔、 塌孔、 夹钻等异 常现象， 导致钻孔成孔率低、 成孔深度小和封孔不严等问题， 这严重影响了钻孔瓦斯的预抽效果， 本文根据 z Y w一 1 9 0 0 R钻机配套螺旋钻杆的特点进行不同排渣工艺试验和新型封孔工艺的应用研究， 探索适应松软 突出煤层瓦斯预抽技术。 关键词 螺旋钻杆顺层钻孔排渣工艺 封孔 大 兴矿 是煤 与 瓦斯 突 出矿 井 ， 煤层 二层 、 四 层、 七层和九层均为松软低透气性突出煤层 ， 瓦 斯含量高压力大’， 一直制约正常的安全生产， 除 采取保护层释放被保护层瓦斯区域防突措施外， 还有部分煤层没有保护层开采条件， 必须采用穿 层钻孑 L 、 顺层钻孔的预抽煤层 瓦斯 区域 防突措 施 ， 降低煤层中的瓦斯含量和瓦斯压力。长期 以 来 ， 由于受煤层起伏、 地质构造、 煤层瓦斯、 地应 力 、 煤层厚度 、 钻具能力 和施工工 艺等 因素影响 ， 在顺层钻孔施工 中 ， 经常 出现塌孔 、 喷孔 现象 ， 钻 孔深度往往达不到设计深度。另外水泥浆机械 封孔 由于凝 固后 收缩变形 ， 顺 层钻孔抽 放容 易漏 气 ， 达不到预抽效果。通过引进重庆煤炭研究院 松软突出煤层顺层钻孔 z Y w 一1 9 0 0 R型专业钻 机和配套 的大扭矩 螺旋 钻杆 ， 在大兴矿 施工顺 层 预抽钻 孔 试 验 ， 采 用 不 同排 渣工 艺 进 行 对 比研 究 ， 选 用新 型封 孔 材料进 行 封孔 ， 取 得 了一定 的 成果 。 1 试验方案确定 根据大兴矿松软煤层顺层钻孔施工和封孔 5 O 中存在 的主要 问题 ， 改 进 方案 必 须 从 钻 机 的扭 矩 、 排渣工艺 、 钻杆 强 度、 巷道 施 工条 件 、 封 孔材 料工艺等多方面综合考虑， 达到预期的 目的。分 析以往顺层钻 孔施 工失 败 的原 因主要 是钻 机 P 一 7 5 功率约为 6 k W， 扭矩 3 0 0 N． m 功率小， 扭矩 小， 一旦钻孔出现塌孔， 钻机负荷增加 ， 钻机旋转 阻 力增大 ， 导致排渣不畅， 造成夹钻现象 。所以钻机 的 旋转扭矩、 推进力要大幅增加， 又要求钻机体积小易 于搬运。选用重庆煤科院生产的 Z Y W 一1 9 0 0 R型 专业钻机和配套的大扭矩螺旋钻杆， 采用直接螺旋 排渣、 压风螺旋排渣和水利螺旋排渣工艺进行对 比 试验， 封孔工艺采用风动稠浆泵进行封孔注浆， 用高 压密封材料 P D I I I 精料 按照比例混合水泥配制 而成浆液进行封孔。 2 钻机设备及配套钻杆的结构特点 2 ． 1 钻机性能结构特点 选用的 Z Y W 一1 9 0 0 R钻机主要 由泵站、 操作 台、 主机等部分组成， 主机结构见图1 。 第1 期 铁法科技 2 0 1 1 年7 月 i { 等 3 4 ，- 5 ， 8 6 7 8 | 珏 _7 -‘ ⋯ ⋯ 疑 【 擘 鲁蕾睡 1 ■- ‘ 一 _l 一 j I J 癸 f 图1 Z Y W一 1 9 0 0 R钻机结构图 1 泵站； 2 操纵台； 3 动力头 ； 4 机架； 5 螺旋钻杆； 6 夹持器 ； 7 导向套； 8 钻头。 z Y w一1 9 0 0 R钻机特点 钻机采用了具有专利 结构的组合油缸作为推进机构， 使钻机的推进度达 到 1 2 0 0 m m， 比常规钻机 的 8 0 0 m m 行程 提高 了 5 0 ％。在钻机的液压 系统 中增加 了卸荷 回路 ， 即当 发生夹钻时， 钻机 自 动停止推进 ， 从而有效的保护了 钻机及钻具免受损坏。在处理塌孔夹钻事故时， 采 用本钻机反转功能处理夹钻事故。在钻机的夹持器 前， 增加了导向机构， 部分补偿钻孔的偏斜。钻机性 能参数见表一 1 表 1 1 9 0 0钻机性能参数表 钻进深度 m 2 5 0 推进力 k N 5 0 开孔直径 mm l l 5 给进行程 m m 1 2 0 o 终孔直径 m m 1 1 5 推进速度 m ． m i n I 1 O 1 ． 5 输出扭矩 N ． m 8 2 O一1 9 0 0 电机功率 k w 5 5 输出 转数 r ． r a in 1 8 0 4 O 0 整机重量 k g 2 3 7 5 起拔力 k N 1 3 0 外形尺寸 r fl m 2 3 8 0 l O 0 0 1 4 5 2 ． 2螺旋钻杆性能参数 与Z Y W一 1 9 0 0 R钻机配套使用特殊设计的大 扭矩螺旋钻杆 ， 成为该钻机的最大特点。 由于在松 软突出煤层中进行钻孔施工时， 瓦斯压力较大， 煤屑 较细， 极易发生塌孔、 卡钻等孔内事故， 故在钻孔时 要经常反转钻杆 ， 该钻杆具备反转功能， 以解决孔内 事故。钻杆选用承载能力较强的6方头连接形式， 方头侧面用剪切销锁紧定位。钻杆接头之间除正常 传递扭矩外， 采用密封连接， 适用于压风螺旋排渣和 水力螺旋排渣 的工艺 ， 确保接头密封 良好 。钻杆 直 径为 6 0 m m， 钻杆螺旋直径为 1 0 0 m m， 排渣螺距为 9 0 ra m， 钻杆内径处的螺旋升角为 2 5 。 ， 配套钻头直 径 1 1 0 m m。 3 顺层钻孔施工工艺试验情况 大扭矩螺旋钻进原理是根据螺旋叶片连续排渣 的机理， 利用叶片对煤屑的排挤力， 推动煤屑往外运 动， 从而实现松软突出煤层瓦斯抽放孑 L 的施工工作。 我们根据现场不同地质条件， 利用大扭矩螺旋钻杆 分别采用了螺旋排渣施工工艺、 压风排渣螺旋施工 工艺和水力螺旋排渣施工工艺， 均取得了不同的效 果。 3 ． 1 大扭矩螺旋钻杆排渣施工工艺 我们首次在 N - 7 0 5综放面 3 2 钻场试验时， 采 用大扭矩螺旋钻杆排渣工艺， 钻头采用三翼合金钻 头。该面煤层厚度 9 m， 夹石多 ， 瓦斯压力大 ， 煤层硬 度为0 ． 4 5 。在施工过程中， 塌孔现象特别多， 煤屑 量特大， 经常夹钻， 尤其在钻进 5 1 0 m范围内塌孔 特别严重。夹钻时不能强制旋转， 利用该钻机的反 转功能返钻杆， 退出一段后试验性正向旋转排渣， 直 到煤屑排完再逐渐进尺。否则钻杆很容易夹死， 造 成丢钻杆事故。施工情况见表 2 。 表 2 N - 7 0 5 3 2 钻场钻孔参数 钻场号 孔号 方位 。 倾角 。 孔深 m 终孔情况 孔内情况 l 8 5 6 4 4 见岩石 塌孔 2 7 8 5 2 4 见岩石 塌孔 3 2 3 8 0 7 1 0 0 见岩石 塌孔 4 9 0 8 6 1 见岩石 塌孔 该种方式缺点是由于采用直接钻进， 钻头温度 较高， 须采用合金钻头， 而合金钻头正常旋转遇见煤 层中的夹石很难进尺， 且对钻头破坏力极大， 因此大 扭矩螺旋钻杆排渣工艺适合于赋存稳定， 不含夹石 5l 第1 期 铁法科技 2 0 1 1 年7 月 或夹石较软 的煤层 ， 厚煤层最好 。 3 ． 2 大扭矩螺旋钻杆压风排渣施工工艺 风力排渣的原理是压风经过钻杆、 钻头进入孑 L 底， 在孔内形成高速风流， 钻屑悬浮在风流中被吹向 孔口， 与螺旋钻杆旋转的叶片向外共同输送， 从而实 现排渣和冷却钻头。该工艺在 S -7 1 9回顺进行试 验， 煤层厚度 4 ． 5 m， 地质条件复杂， 火成岩侵入严 重 ， 夹石多 ， 根据矿井井下现有动力用的压风系统一 般压力为 0 ． 6 M P a ， 工作压力一般在 0 ． 4～ 0 ． 6 M P a 。 本 台钻机使用大扭矩螺旋钻杆孔径 l l 0 m m， 流速控 制 2 0 m ／ s以内， 扣除钻 杆和钻屑 占用空 间， 则 消耗 风量约 46 m ／ mi n ， 选 用 P D C复合片钻头。施工 一 组 6 个钻孔， 共进尺3 3 3 m， 排渣效果非常好， 夹钻 现象减少， 钻头冷却效果也很好， 没有因高温而损坏 钻头 ， 而且还能突破较薄的煤层夹石。施工情况见 表 3 。 表 3 s - 7 1 9 2 3 钻场压风排渣钻孔试验参数 钻场号 孔号 方位 。 倾角 。 孔深 m 终孔情况 孔内情况 1 9 0 一l 1 7 1 见岩石 正常 2 7 8 1 1 5 7 见岩石 塌孔 3 6 8 1 1 2 7 见岩石 塌孔 2 3 4 6 1 8 7 0 见 岩石 正常 5 5 3 一 五 5 9 见岩石 正常 6 4 2 3 4 9 见岩石 塌孔 其缺点是作业地点粉尘不容易控制 ， 严重污染 现场作业环境 ， 虽然采用各种降尘装 置 以水雾 降 尘为主 ， 降尘取得一定的效果 ， 但还有部分粉尘扩 散到巷道中， 影响工人的身心健康 。矿井压风风压、 流量虽然能满足钻孔的要求， 但压风消耗能量也很 大 ， 钻孔施工成本增加。其显著优点在于压风对孔 壁的冲击较弱 ， 对瓦斯解 吸和泄出的影响较小 ， 从而 泄出的瓦斯和压 风混合 ， 孔 内始 终有气、 固两项 流 动， 与大扭矩螺旋钻杆旋转叶片排渣作用力共同作 用 ， 减小 了发生梗阻的可能性。因此 ， 从技术上来 5 2 看 ， 风力排渣适合于突出煤层长钻孔的施工。 3 ． 3 大扭矩螺旋钻杆水力排渣施工工艺 传统的顺层钻孔排渣工艺是使用的旋转阻力小 的圆钻杆以水做冲洗介质， 携带和排出钻屑、 冷却钻 头。但由于水的密度大， 对煤壁的冲刷作用强， 并且 水对煤体的湿润作用， 使其渗入到煤的裂隙或孔隙， 降低了胶结能力， 其表面张力也加速了煤的解体， 塌 孔程度随之增大， 经常出现塌孔、 夹钻 、 喷孔现象 ， 钻 孔成孔率很低， 但钻头的冷却效果好 ， 且能够发挥 P D C复合片钻头 的耐磨优势 ， 适用于各种 硬度较高 的煤和岩石钻孔。为此我们把传统钻孔排渣工艺和 螺旋钻杆排渣工艺的优点相结合， 形成水力螺旋排 渣工艺， 利用具有一定压力的水通过螺旋钻杆、 钻头 到孔底 ， 向外形成具有一定动力的水流和钻屑混合 ， 和螺旋钻杆旋转叶片产生向外动力共 同作用 ， 从孔 底向外排渣 。水在运移过程中既有水的动力， 还对 旋转叶片与孔壁、 钻杆与钻屑之间的摩擦起到润滑 作用 ， 减少排渣阻力和夹钻事故几率 。同时 ， 水能彻 底解决了钻头冷却问题， 可选用 P D C复合片钻头， 发挥其耐磨的优势， 穿透煤层中的夹石 ， 扩大钻机的 适应范围， 提高成孔率。由于水力排渣施工现场没 有粉尘， 作业环境好。在 s - 7 1 9 工作面两顺施工顺 层钻孔施工， 钻孔倾角有仰角、 俯角、 水平角等各种 角度， 供水水量一般为 4～ 6 m ／ h ， 共计施工 1 6 6孔 ， 计 9 3 2 9 m， 平均 5 6 ． 2 m， 成 孔率 9 7 ． 5 ％ 3 0 m 为成 孔 。缺点是采用 P D C钻头 ， 受钻头工艺限制进尺 速度相比合金钻头慢。 3 ． 4 新型封孔封孔材料试验 采用中国矿业大学提供 P D一1 I 型风动稠浆泵 进行封孔注浆， 选用高压密封材料 P D一111 精料 按照比例} 昆 合水泥配制而成浆液进行封孑 L ， 其特点 是浆液压入到孑 L 内渗入到孔 内裂隙中 ， 凝 固时具有 第1 期 铁法科技 2 0 1 1 年7 月 一 定的膨胀能力， 而且凝固后强度高， 解决了水泥砂 浆机械封孔凝固后收缩变形的问题。浆液中各料的 配比为 水泥 精料 水 5 0 k g 5 0 0 g 1 8 L 。可作为 瓦斯抽放、 煤层注水和水利压裂等封孔使用。封孔 长度 1 0 m以上 ， 其封孔结构见图 2 。 4 试 验结果 图2 封孔结构 图 大扭矩螺旋钻杆采用三种排渣工艺的使用均取 得 了一定 的成果。分述如下 水力螺旋排渣工艺钻孔适应性强， 塌孔造成的 夹钻事故少， 成孔率高。该工艺要求钻杆接头密封 严密不漏水， 需要加工工艺精度高； 压风螺旋排渣工 艺在螺旋钻杆接头要求密封较严 ， 适用于压风充足、 作业环境要求不高的顺层钻孔施工， 成孔率比较高； 单独螺旋排渣一般不采用 ， 短距离钻进 由于旋转阻 力小遇见夹石机会少时可以采用。三种排渣工艺参 数对 比见表 4 。 表 4 排渣工艺参数对比表 煤层 钻 进尺 平均 成孔率 地点 厚度 地质条件 排渣工艺 孔 进尺 m 数 m m ％ N 一 7 0 5 9 夹石多 螺旋 直排 4 2 2 9 5 7 ． 2 5 7 5 - 7 1 9 4 ． 5 火成岩 夹石 螺旋 压风 6 3 3 3 5 5 ． 5 8 3 一 7 1 9 4 ． 5 火成岩 夹石 螺旋 水力 1 6 6 9 3 2 9 5 6 ． 2 9 7 ． 5 新型封孑 L 材料试验， 提高了封孔强度， 减少了钻 孔漏气几率， 可作为瓦斯抽放、 煤层注水和水利压裂 等使用。封孔效果见表 5 。 表 5 封孔对比效果 最大使用 封孔材料 使用地点 孔数 5 0 ％ 2 0 5 0 ％ 2 0 ％ 压力 M P a P D一Ⅲ水泥浆 N 2 - 7 0 6 8 3 5 0 1 2 普通水泥浆 S 5 - 7 1 9 1 2 1 4 7 2 注 统计表 中的钻孔均为水力压 裂预抽孔 试验过程 中还研 究 总结 施 工细节 ， 即塌孑 L 规 律一般在距孔 口51 0 m的地应力集中区域 ， 曾 经出现进尺 1 0 m排渣 8吨钻屑的最高纪录。在 此区间进尺时要缓慢， 发现排渣增多立 即停止钻 进 ， 直 到排渣排 完。若 发现夹 钻立 即进行反 转退 出一段距离， 而后进行正转排渣不进尺， 待排渣 减少逐渐进尺。钻机稳钻牢固， 机身垫平垫实 ， 固定钻机 四角的液压支柱 呈倒梯 形接顶 压实 ， 前 后还要用拉紧螺栓固定 ， 每班施工前都要对 固定 装置检查加 固， 否则对 螺旋钻杆 伤害极 大 。钻机 施工前要掌握钻孔的地质状态， 要有煤层、 夹石、 断层和顶底板岩性 的预 见性 ， 根据 钻屑成 份判 断 钻头 的位置 ， 避免无效的岩石 钻进 。 5结语 Z Y W一 1 9 0 0 R钻机和配套特殊设计的大扭矩螺 旋钻杆的使用 ， 采用三种排渣工艺进行对比研究 ， 认 为水力排渣更适应于大兴矿松软突出煤层顺层钻孔 的施工， 较好地解决了顺层钻孔的塌孔、 夹钻问题； 风力排渣能达到水力排渣的同样效果 ， 但消耗风量 大， 施工成本高， 环境污染 ， 影响职工身心健康； 新型 封孔材料应用， 提高了封孔强度， 减少了漏风， 钻孑 L 不但适应于瓦斯抽放， 更主要的是可以利用钻孔实 现煤层注水和煤层水力压裂技术 的应用 ， 拓展 了适 用范围。 通过大扭矩螺旋钻杆与配套钻机投人使用， 解 决了长期困扰大兴矿突出软煤层顺层钻孔施工的难 题 ， 提高了大兴矿区域防突措施顺层 下转 5 7页 5 3 第1 期 铁法科技 2 0 1 1 年7 月 所示。 图6 直接标这理示意剖在 图 2 ． 5 代替水准仪法 在巷道倾角较小的大巷， 如千分坡度时利用全 站仪代替水准是 比较快捷准确的一种方法。现在各 矿用的 2 ” 全站仪 ， 高差测量是通过垂直 角和水平距 离计算出来的， 对于高精度的水准来说， 全站仪的精 度不够 ， 不推荐用全站仪代替水准仪， 因为全站仪可 能会有零点误差， 也就是说你将望远镜筒扳到9 0 。 0 0 ” 不一定就是水平视线 。但可以用限制距离的测量 方式代替低等级的水准测量。下为大强矿主、 风井 联络道 3 ％ 微 度标定方法， 距离在 2 0 m内， 坚盘调为 9 0 。 ， 量取高差6 0 ra m， 如图7 所示 图7 代替水准仪法平面 图 3 结束语 应用全站仪标定腰线的方法还有很多 ， 每个巷 道应根据使用的不同性质和本矿的使用作用和习惯 选择不同的的标定方法。上术几种方法通过近几年 的实际应用都能达到 煤矿测量规程 要求。方法 1 、 2 适合于远距离巷道标定腰线， 特别是在巷道维 修中应用有较好效果， 如 2 0 1 0年在大平矿南翼轨 道、 胶带、 回风大巷翻修 ， 利用方法 I 、 2标定腰线在 百米 以上标定 的腰线误差可视为零误差 ， 方法 3 、 4 在临时巷道或掘进巷道中应用较为方便快捷， 标定 距离不长， 省时， 不影射施工， 是我们平时日常工作 最常用的方法。上术几种方法通过几年实践取得良 好效果， 建议我们取消悬挂半圆仪标定腰线来提高 巷道施工精度， 满足矿井生产随着工业技术的不断 发展， 新技术、 新设备和新工艺在采矿工业生产建设 中的推广使用， 对巷道施工测量更高的要求。 第一作者简介 张捍成 1 9 7 3一 ， 男， 1 9 9 8 年毕业于河南理工 大学 原焦作矿业学院 测工系矿山测量专业， 现在铁煤集团大强矿 地测队工作 。联系 电话 1 3 8 4 1 0 2 0 7 6 7 。 上接 5 3页 钻孔施工和预抽工作层次， 为全矿区 顺层钻孔施工普及具有一定的示范意义。 参考文献 [ 1 ] 董钢锋， 突出煤层顺层长钻孔成孔工艺的研究【 J 】 ， 矿业安全 与环保， 第2 9 券第 5 期． [ 2 ] 唐大勇， 松软突出煤层钻孔装备及其工艺研究【 J 】 ， 煤矿机械， 第 3 O券 1 1 期． 作者简介 温永宇 1 9 6 4一 ， 高级工程师， 1 9 8 4年毕业于抚顺煤 校， 现在铁煤集团通风处从事“ 一通三防” 技术管理工作。联系电话 0 4 1 06 8 3 5 0 6 0。 5 7