煤层顺层钻孔施工工艺研究

［摘要］对于松软的突出煤层，采用螺纹或螺旋钻杆施工时往往会出现排渣不畅现象，导致卡钻、埋钻等事故，钻孔长度难以达到设计要求，致使顺层钻孔成孔率较低、钻杆利用率小，造成消突效果不好、经济效益不高。为解决此类问题，临涣煤矿引进三棱钻杆进行顺层钻孔施工，取得了良好的效果。

［关键词］顺层钻孔；三棱钻杆；消突效果

临涣煤矿是煤与瓦斯突出矿井，其开采范围内的7、8、9（10）主采煤层均为突出煤层。各煤层回采前均采取了保护层开采和预抽是煤层瓦斯等区域瓦斯治理措施。其中顺层钻孔预抽是回采区段煤层瓦斯的主要治理措施，顺层钻孔设计孔深一般在80~110m，9煤层厚度在1.8~4.5m，平均厚度在3.2m，工作面倾向长度较长，顺层钻孔设计深度长、钻孔数量多，只有保证顺层钻孔的成孔率，才能有效提高消突效果。

1钻孔施工工艺改进的必要性

1.1Ⅱ926工作面瓦斯情况。Ⅱ926工作面上距8层平均25.2m，属Ⅱ826与Ⅱ824保护工作面。上煤层工作面开采后，测得本工作面剩余瓦斯含量仍在6.5m3/t，瓦斯含量依然较高，预计回采期间瓦斯涌出量为22m3/min。为保证回采期间安全，回采前进行顺层钻孔预抽。1.2原施工工艺情况。Ⅱ926工作面临近Ⅱ924工作面，在回采前，顺层预抽钻孔施工采用ZDY3200S全液压坑道钻机，以覬94mm三翼刮刀钻头配覬73mm小螺纹或覬80mm大螺旋钻杆开孔钻进，风压在3MPa左右。工作面倾斜长度为160m，设计钻孔深度为90m，保证机风巷钻孔压茬10m，共设计钻孔527个。但在施工过程中，经常出现排渣不畅，致使钻孔施工难度过大，频繁出现抱钻、埋钻现象。施工中共出现断钻事故17起，钻杆损失42m，钻孔施工深度最长90m，平均深度仅在52.4m，合格钻孔仅308个，成孔率仅为58.4%，严重影响瓦斯治理工程及其治理效果。同时，埋入钻杆给工作面的安全回采带来重大隐患。工作面回采过程中瓦斯涌出量最大在22.8m3/min，多次出现瓦斯预警现象，严重影响工作面的安全回采。1.3原施工工艺问题分析。Ⅱ926工作面顺层钻孔采用覬94mm三翼刮刀钻头配覬73mm小螺纹或覬80mm大螺旋钻杆开孔钻进时，虽在排渣过程中通过螺旋或螺纹钻杆带出一部分煤渣，可以减少风压排渣的压力，但相对于松软突出煤层，由于煤质松软，在钻进过程中容易吸附螺纹或螺旋内侧的粉尘，造成钻杆周围煤粉拥堵，压风不通、排渣不畅，致使钻孔事故较多、钻孔成孔率低。因此必须对施工工艺进行改进，选择利于排渣的施工装备，才能有效保证钻孔施工效果，大大提高Ⅱ926工作面瓦斯治理水平。

2顺层钻孔施工工艺改进及效果分析

2.1三棱钻杆排渣原理。三棱钻杆在钻进过程中，钻杆与钻孔壁之间形成三个半圆形的空间，扩大了排除粉尘与瓦斯的通道，使瓦斯和粉煤顺利排出［1-3］。在钻杆旋转钻进时，钻杆的三棱把多余钻渣持续的向孔壁旋转腻抹，达到固化钻孔孔壁的作用，可以大大降低松软煤层塌孔致使钻具抱死卡钻和钻具损坏丢失的现象。三棱钻杆排渣原理如图1、2所示。2.2钻孔施工效果分析。2.2.1三棱钻杆试验。为有效对比三棱钻杆施工工艺的效果，在Ⅱ926工作面机巷安排2台钻机同时施工。1#钻机采用ZDY3200S全液压坑道钻机，以覬94mm三翼刮刀钻头配覬73mm螺旋钻杆开孔钻进；2#钻机采用ZDY3200S全液压坑道钻机，以覬94mm三翼刮刀钻头配覬73mm三棱钻杆开孔钻进；每台钻机共施工20个钻孔，钻孔设计深度90m。2台钻机施工钻孔情况对比如图2示。图2三棱钻杆与螺旋钻杆钻孔施工试验对比由图3可以看出，覬73mm钻孔施工的顺层钻孔，满足设计深度90m要求的只有7个，成孔率仅35%，其它钻孔均出现排渣不畅，卡钻现象严重；钻孔深度平均在72.4m，最短的顺层钻孔深度只有39m，并发生埋钻现象。而由三棱钻杆施工的钻孔满足设计深度90m要求的高达15个，成孔率达75%，平均孔深88.5m，最短钻孔深度也有78m，基本上满足设计孔深要求；在施工过程中基本上杜绝卡钻现象，并且未出现埋钻事故。2.2.2Ⅱ926工作面顺层钻孔施工效果分析。通过Ⅱ926工作面机巷前40个钻孔不同钻杆施工情况，Ⅱ926工作面机风巷顺层钻孔全部采用ZDY3200S全液压坑道钻机，以覬94mm三翼刮刀钻头配覬73mm三棱钻杆钻进，共施工顺层钻孔608个；设计孔深90m，其中满足设计要求的钻孔513个，成孔率高达84.4%；施工过程中钻进时间和排渣情况都有所提高，并未发生埋钻现象，顺层钻孔成孔较好，有利于套管的下入，可以有效提高瓦斯抽放效果。从工作面回采情况来看，Ⅱ926工作面瓦斯涌出量最大17.9m3/min，平均在11.4m3/min，未出现过瓦斯预警现象，说明顺层钻孔预抽效果良好。顺层钻孔采用三棱钻杆施工后，有效提高了钻孔合格率，提高了瓦斯治理水平。2.2.3经济效益对比分析。目前临涣矿瓦斯治理使用的覬73mm三棱钻杆和覬73mm螺纹钻杆采购价分别为360元/m、340元/m。可见三棱钻杆比螺纹钻杆价格偏高，但是螺纹钻杆经常出现埋钻现象，钻杆重复利用率仅为72%，而三棱钻杆的重复利用率高达95%左右。按照同一个工作面使用220m钻杆计算，三棱钻杆损耗3960元，螺纹钻杆损耗20944元，是三棱钻杆损耗费用的5倍。同时，由于三棱钻杆瓦斯治理效果好，工作面回采后可减少一路老塘埋管瓦斯抽放管路的使用，合计节约治理成本81000元。因此，采用三棱钻杆施工顺层预抽钻孔，一个工作面瓦斯治理工程可以减少装备投资约10万元，安全经济效益更是不可估量。

3结论

（1）对于松软突出煤层，采用原有装备施工时容易出现卡钻、埋钻事故，钻孔成孔率较低，瓦斯治理效果不好，已不能满足松软突出煤层瓦斯治理的需要，必须进行施工工艺改进。（2）松软突出煤层采用三棱钻杆施工顺层预抽钻孔，钻孔成孔率由原有的58.4%提高到84.4%，成孔率提高了26%，钻孔施工速度也大大提高，且基本不出现卡钻埋钻事故，显著提高了瓦斯治理效果。（3）采用三棱钻杆施工顺层钻孔后，同一个工作面可以减少瓦斯治理工程装备投资近10万元，安全经济效益也有很大提高，经济效益明显。

［参考文献］

［1］俞启香.矿井瓦斯防治［M］.徐州：中国矿业大学出版社，1992.

［2］彭腊梅，李光，蒲天一.松软突出煤层整体式三棱螺旋钻杆中试研究［J］.煤炭科学技术，2013，41（8）：133-136.

［3］杨明艳.三棱钻杆在松软突出煤层中的应用［J］.煤矿机械，2012，33（5）：218-220.

作者:方仲春 周为军 谢 斌 单位:淮北矿业集团