顺层钻孔螺旋排渣工艺及封孔技术.pdf

增刊 铁法科技 2 0 1 1 年1 2 月 顺层钻孔螺旋排渣工艺及封孔技术 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 层钻孔 、 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 层钻孑 L 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 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 。 22 7 增刊 铁法科技 2 0 1 1 年1 2 月 罨 3 4 ，_ 5 ， 6 7 8 了 啜 。 ⋯⋯一 2霹 嗣 ’ 二 曩 - _ 鱼鲞耋 1 一一U 埘， 、 ～ 、 、 、 、 、 I I ～ 、 ， ～ 、 ’ 、 、 ＼ 、 ‘ 、 、 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 ～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 mm，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 m m l 1 5 给进行程 m m 1 2 0 o 终孔直径 I T l m 1 1 5 推进速度 m ． m i n 0～1 ． 5 输出扭矩 N ． m 8 2 01 9 0 0 电机功率 k W 5 5 输出 转数 r ． m i n 。 1 8 0～ 4 0 0 整机重量 k g 2 3 7 5 起拔力 k N 1 3 O 外形尺寸 m m 2 3 8 0 1 0 0 o 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 ． 2 2 8 ． 水力螺旋排渣的工艺， 确保接头密封 良好。钻杆直 径为 6 0 mm， 钻杆螺旋直 径为 l O O m m， 排 渣螺距 为 9 0 m m， 钻杆内径处 的螺旋升角 为 2 5 。 ， 配套钻 头直 径 1 1 0 mm。 3 顺层钻孑 L 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 一 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 51 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 r n 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 增刊 铁法科技 2 0 1 1 年1 2 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 、 钻头进入孔 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 ． 40 ． 6 M P a 。 本台钻机使用大扭矩螺旋钻杆孑 L 径 1 1 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 4～6 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 1 l 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 4 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 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 、 喷孑 L 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 Dn l 精料 按照比例混合水泥配制而成浆液进行封孔 ， 其特点 是浆液压人到孔 内渗入 到孔 内裂隙 中， 凝 固时具有 22 9 增刊 铁法科技 2 0 1 1 年1 2 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 O 5 9 夹石多 螺旋 直排 4 2 2 9 5 7 ． 2 5 7 5 S 一 7 1 9 4 ． 5 火成岩 夹石 螺旋 压风 6 3 3 3 5 5 ． 5 8 3 S 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 新型封孔材料试验 ， 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 。 23 0 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 O ％ 2 0 ％ 压力 MP a P D I I I 水泥浆 N 2 - 7 O 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 ， 即塌孔 规 律一般在距孔 口 5～1 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， 钻孔 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入使用 ， 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 2 7 3页 增刊 铁法科技 2 0 1 1 年1 2 月 省下来 的数量 ， 也相 当可观。 5 ． 3 节能计算 系统原工频运行 空压机压 力在 0 ． 6 2 MP a至 0 ． 7 1 MP a之 间 ； 以一 号螺 杆 空气 压 机 为例 型号 为 T S 3 2 S 一 4 5 0H ； 公称容积和流量 6 5 ． 9 M ／ Mi n 额定排气 压 力 0 ． 8 MP ； 异步电机参数 U Y G 4 0 0 2 - - - 4 ； 额定 电压 6 K V； 额定功率 3 3 8 K W； 启动方式 直接启动。 采用变频器器后 运行后 压力基本在 0 ． 7 0 ． 7 5 M P a ， 节 电率可达 2 0 ％ 以上 ，变频器一年按工作 3 5 0天计算 ， 则一 年总节能 5 6万度 ，按一度 电 0 ． 5 元计算 ， 则一年可节电2 8 万元。 上接 2 3 0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． 上接 2 6 4页 5结束语 通过交流电动机带动传动机构， 达到机组启动 的 目的， 具有改造成本低 、 安全性能好 、 操作方便的 特点 ， 运行人员普遍反应操作简单方便 ， 启动机组非 常顺利 ， 再也不用担心马达烧毁 。大大减少 了运行 人员 的劳动强度及心里负担 ， 也减少了附属设备 的 损坏次数。此项改造技术标志着困扰燃气发电机组 启动 困难的问题得到了有效解决。 螺杆式空气压缩机利用变频技术改变空压机转 速调节管道中的流量， 使空压机系统实现了软启动、 一 流量的平稳调节、 减少启动冲击并延长使用寿命等， 具有明显的直接和间接经济效益。 参考文献 [ 1 ] 张皓 ， 续 明近 ， 杨 梅． 高压 大功率 交流变 频调速 技术 [ M] ． 北 京 机械工业 出版社 ， 2 0 0 6 ． ． [ 2 ] 南永 ，罗仁 ， 伍海林 ． 基 于级联 型多电平逆 变器的异 步电机控 制策略研究 [ J ] ．变流技术与电力牵引 ， 2 0 0 8 0 5 l 1一l 5 ． [ 3 ] 鲁欣南． 变频技术应用于空压机节能改造的控制策略分析 [ J ] ． 浙江 电力 ， 2 0 0 8 0 5 ． 作 者简 介 巩若会 1 9 6 9 一 ， 1 9 9 0 年毕业于沈阳工业大学， 高级 工程师。曾担任技术员、 队长、 副科长， 现任大隆矿运转队支部书记。 联系电话 0 2 4 7 6 8 4 8 6 6 2 5 2 1 6 。 [ 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 2 47 6 8 3 5 0 6 0。 通过三个月来的实践研究 ， 先后采取了一些必 要安全措施， 例如， 三相交流电动机进行可靠接地、 采用带有漏电保护型空 开、 电动机控制采用接触器 控制 、 电机平移车采用三点锁紧固定 ， 保障了技术改 造的设备在低浓度瓦斯 发电机组上可以安全使用 ， 达到了安全生产的要求。 第一作者简介 史科研 1 9 7 8 一 ， 男， 助理工程师。2 0 1 0 年毕 业 于沈阳大学机械设计制造专业 ， 现在铁 煤集 团煤层 气公 司从 事企 业管理工作 。联系 电话 1 3 0 0 8 2 7 1 8 2 5 。 2 7 3