快速全程下套管工藝研究

1、全程套管快速護(hù)孔抽采瓦斯技術(shù)地質(zhì)勘探工程處二零一二年六月全程套管快速護(hù)孔抽采瓦斯技術(shù)隨著煤礦生產(chǎn)規(guī)模擴大和開采深度不斷增加，礦井地質(zhì)條件越來越復(fù)雜。松軟煤層、破碎煤層、斷層破碎帶等地質(zhì)異常帶鉆進(jìn)時，排渣困難，孔壁穩(wěn)定性差，造成卡鉆、埋鉆等孔內(nèi)事故多。通過改變鉆具結(jié)構(gòu)、采用多種鉆進(jìn)工藝后，減少了孔內(nèi)事故，提高了成孔率，但成孔后，由于穩(wěn)定性差，孔壁易坍塌，造成瓦斯抽采通道堵塞，依然影響鉆孔瓦斯抽采效果。為強化鉆孔施工質(zhì)量和預(yù)抽效果，落實集團(tuán)公司要求的“鉆到位、管到底、孔封嚴(yán)、水放通”的十二字方針，我們在丁集礦1331（1）工作面運輸順槽施工的順層孔采用了快速全程下套管工藝。鉆孔成孔后，全孔下入帶有

2、篩眼的抗靜電阻燃聚氯乙烯管（簡稱pvc管），作為護(hù)孔管和瓦斯抽采通道，既解決了塌孔問題，又解決了松軟煤層成孔難、套管下不到位的技術(shù)難題。對該工藝具體介紹如下。 1 該工藝關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)芯可脫式鉆頭根據(jù)鉆孔成孔工藝，在確保鉆進(jìn)效率和安設(shè)篩管可靠性的前提下，完善本工藝用內(nèi)芯可脫式鉆頭的翼片及鉆頭結(jié)構(gòu)形式。pvc管選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計選擇適合煤礦井下瓦斯抽采的pvc管及管材尺寸、連接方式，設(shè)計完善管上孔眼的尺寸及分布，形成一套篩管。pvc管孔底固管裝置根據(jù)快速下管工藝需要，安設(shè)篩管的孔底懸掛裝置，目的是防止下入孔內(nèi)的篩管脫滑，產(chǎn)生向后滑移現(xiàn)象，從而提高下管長度與鉆孔深度的比率。pvc管下入工藝鉆孔利用可脫式鉆

3、頭施工，在鉆孔鉆至設(shè)計深度后，將篩管結(jié)構(gòu)連接、同懸掛裝置一起組裝，在孔口處采取人工送入鉆孔內(nèi)的工藝。2 快速下管護(hù)孔工藝2.1 快速下管工藝圖1 快速下套管工藝圖2.2 鉆桿采用中煤科工集團(tuán)西安研究院研制生產(chǎn)的寬葉片螺旋鉆桿，其結(jié)構(gòu)形式有兩種。第一種:大通孔焊接式寬葉片螺旋鉆桿。該種鉆桿直徑為89mm，最小內(nèi)通孔為50mm，連接后的鉆桿內(nèi)孔近似內(nèi)平（如圖2）。圖2大通孔焊接式寬葉片螺旋鉆桿第二種：大通孔旋銑式寬葉片螺旋鉆桿。該種鉆桿直徑為73mm，最小內(nèi)通孔為50mm，連接后的鉆桿內(nèi)孔近似內(nèi)平（如圖3）。圖3大通孔旋銑式寬葉片螺旋鉆桿2.3 鉆頭 本工藝設(shè)計了三種可下篩管可開閉、可脫芯式鉆頭（

4、如圖4）。三種鉆頭是：（圖4a）十字前置脫芯鉆頭；（圖4b）一字鉸接可開閉后置式鉆頭； （圖4c）一字鉸接可開閉前置式鉆頭。(a) (b) (c)圖4三種可下篩管可開閉、可脫芯式鉆頭2.4 pvc管 護(hù)孔用的管材選用適合煤礦井下使用的聚乙烯管，簡稱pvc管。其性能具有抗靜電阻燃，直徑為40mm，壁厚為2.9mm。 篩管的孔眼設(shè)計（如圖5）尺寸：根據(jù)實際試驗情況分為直徑5.5mm和8mm兩種，孔眼間間距100mm，展開布孔方式為梅花型，四排。圖5 篩管篩管的結(jié)構(gòu)分兩種：插接式和絲扣式（如圖6） 插接式絲扣式圖6 篩管結(jié)構(gòu)2.5 孔底固管裝置圖7 懸掛裝置護(hù)孔花管下到孔底后，由于其里端沒有生根點，

5、在起鉆的過程中，護(hù)孔花管易被鉆桿帶出。必須在起鉆過程中，采用人工抵住或再次抵護(hù)孔花管的方法處理，比較繁瑣，費時費力。因此采取在護(hù)孔花管的前端加一個或兩個孔底固管裝置，使其正向能順利移動，反向翅膀打開，不能退出。3 現(xiàn)場試驗現(xiàn)場以丁集礦1331（1）工作面為試驗點，結(jié)合試驗礦井的生產(chǎn)情況，在丁集礦相關(guān)單位的支持和配合下，由勘探工程處丁集鉆機工區(qū)組織進(jìn)行施工。3.1 試驗區(qū)工作面概況1331(1)工作面標(biāo)高-750m-840m，設(shè)計可采走向長約1420米，傾斜長210m，煤層平均傾角3度，平均煤厚1.8m，瓦斯含量為5.6m3/t，煤體堅固性系數(shù)(f)為0.6。工作面的軌道、運輸順槽設(shè)計分別為每間

6、隔10m施工一個垂直于巷道走向方向，孔深為110m的順層孔，壓茬10m；鉆孔傾角為近水平，沿煤層傾角變化而進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。（見圖8）圖8 丁集礦1331(1)綜采面平面布置圖3.2 試驗鉆孔施工情況使用裝備：采用zdy-4000s型鉆機，鉆機的動力頭改成89mm的通孔，108mm復(fù)合片專用鉆頭，鉆桿為外徑89mm、桿體73mm、內(nèi)芯50mm的小螺旋肋骨鉆桿。護(hù)孔管為兩種：一種是40mm（1.5 吋）螺絲連接護(hù)孔花管，一種是40mm（1.5 吋）插接護(hù)孔花管，均是1.5m一根，管體1.1m長度內(nèi)均勻分布6mm的眼40個。專用鉆頭：由西安研究所研制的中間有一字形切削片的108mm復(fù)合片鉆頭，中間的一

7、字形切削片可以來回翻動，重復(fù)使用；其頂端兩側(cè)有兩個可伸縮的6mm鋼珠，可將一字形切削片既可在鉆進(jìn)中（如圖左）處于復(fù)位狀態(tài)，也可在下護(hù)孔管至鉆頭處時將一字形切削片抵開（如圖右），使護(hù)孔管從鉆頭內(nèi)部穿出至孔底。施工工藝：采用108mm復(fù)合片專用鉆頭、89mm的小螺旋肋骨鉆桿、系統(tǒng)壓風(fēng)排渣鉆進(jìn)施工到位，起鉆一根，使鉆頭退離孔底1.5m后，從鉆桿尾部向鉆桿桿體內(nèi)下頂端安裝300mm長的塑料棒后接1.5 吋護(hù)孔花管抵至鉆頭處，將鉆頭一字形復(fù)合片切削片抵開，使塑料棒帶護(hù)孔管從鉆頭內(nèi)部穿出直至下到孔底，之后將鉆桿起出，留護(hù)孔花管于孔內(nèi)。本項目工業(yè)性試驗自2012年4月17日開始，截止2012年6月7日，試驗

8、數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果：l 工業(yè)性試驗共施工40個鉆孔(其中成孔34個，報廢孔6個)。l 試驗總進(jìn)尺累計4687m，其中成功安設(shè)篩管鉆孔34個，累計下篩管4236m，平均下管深度為孔深的90.3%。具體試驗鉆孔施工情況見下表?？滋枌嶋H參數(shù)煤巖情況封孔長度（m)下套管長度(m)方位()傾角()孔深(m)補67#180-1112062.5m煤20m112m68#1800112069.5m,7598.8m煤20m78m69#1801115029.3m,39115.5m煤20m115m70#1800114060.5m,76.5114m煤20m114m71#1800114全 煤12m114m72#1800117全

9、 煤12m63m73#1800117028.7m,41117m煤20m117m74#1800117全 煤20m117m75#1800117全 煤20m117m76#1800117063.5m,80110m煤20m117m77#1800118097.5m煤20m118m78#1800111056m,6993m煤20m97.5m79#1803117全 煤20m117m80#1803120全 煤20m27m81煤20m117m82#1802120039m,44.5108.5m煤20m120m83#1800120063m,84.599m煤20m120m84#180-21200

10、87m,109120m煤20m118m85#1800129081m,88.3129m煤20m120m86#180-1132024.5m,36.7132m煤30m132m87#180-1123063.5m,93123m煤30m76m88#180-1129全 煤20m120m89#1800121.50117.5m煤30m121m90#180-11290123.5m煤30m129m91#180-11260111m煤30m110m92#180-11202.2120m煤30m120m93#180-1126全 煤30m126m94#180-1132全 煤30m132m95#180-1115042.5m,5

11、475m煤20m110m96#180-1120全 煤20m115m97#180-1123018.5m,48114m煤20m123m98#180-1123全 煤30m91m99#180-1123全 煤30m90m100#180-1112全 煤20m110m101#1800122061.5m,85.2122m煤20m75m102#180-1117136m,81117m煤20m106m103#180-1118全 煤20m93m104#180-1114033m,40114m煤20m70m105#180-1122976.5m,93122m煤20m75m4 成果和建議4.1該工藝取得的主要成果1、實現(xiàn)了鉆

12、到位、管到底傳統(tǒng)順層孔施工采用西安煤科院生產(chǎn)的zdy-4000s全液壓鉆機、113mm復(fù)合片鉆頭、外徑73mm，桿體63.5mm小螺旋肋骨鉆桿、系統(tǒng)壓風(fēng)（0.5mpa）排渣法施工。由于地壓大，11-2煤體松軟，鉆孔在施工中其孔壁極易垮孔，常常造成埋、斷鉆的發(fā)生，且返渣量極大。總的統(tǒng)計來看，施工一個110m的順層孔有近8噸的煤粉量。由于煤體松軟，垮孔嚴(yán)重，丁集礦鉆機隊在1331（1）運順施工第四單元順層孔，采用傳統(tǒng)下套管工藝，對鉆孔下套管深度考察分析，下管深度達(dá)到70米以上的鉆孔成功率僅為30%。采用本施工工藝的鉆具為108mm復(fù)合片專用鉆頭、鉆桿為外徑89mm小螺旋肋骨鉆桿?？妆谂c鉆桿外徑的環(huán)

13、狀間隙小，基本上是處在一種保直鉆進(jìn)狀態(tài)。由于環(huán)狀間隙小，在松軟煤層中鉆進(jìn)不容易垮孔，反而易將孔內(nèi)的煤巖粉反復(fù)磨碎，快速吹出。從而提高鉆進(jìn)速度和成孔率，基本上兩個小班就能將一個110m的順層孔施工到位。該工藝由于是從鉆桿的桿體內(nèi)部下護(hù)孔花管，經(jīng)過兩個階段的試驗攻關(guān)，解決了護(hù)孔花管從鉆頭處能否穿出下至孔底這一難題，這就是可以說：鉆孔能打多深，護(hù)孔花管就能下多深，真正實現(xiàn)了鉆到位、管到底。2、縮短了鉆孔施工及下套管時間本次試驗總天數(shù)44天，成功安設(shè)篩管24個孔的實際施工時間約為22.3天，計67個小班，包括封孔、移機、下篩管花費的時間在內(nèi)，平均2.8個小班即可成孔，充分體現(xiàn)了下套管工藝的快速特點。

14、在1331（1）工作面運順選取第三、四評價單元，對跟管鉆進(jìn)下套管與傳統(tǒng)下套管深度、工作效率進(jìn)行考察。第三單元為跟管鉆進(jìn)下套管，孔號為70110#；第四單元為傳統(tǒng)下套管，孔號為111150#，考察結(jié)果見表1。表1 傳統(tǒng)下管與快速下管工藝考察對比表考察項目鉆進(jìn)方式下管時間（h）下管深度（m）290傳統(tǒng)下套管方式（個）4132382093跟管鉆進(jìn)下套管方式（個）3010002434通過考察，傳統(tǒng)下管時因孔內(nèi)條件差，費時較多，60%的鉆孔下管時間均在2小時以上，下管70米以上成孔率為30%；新型快速下管工藝65%的鉆孔下管時間僅需40分鐘左右，下管深度達(dá)到90米以上的成孔率達(dá)85%。3、降低了職工的勞動強度，提高了施工效率。從中空鉆桿內(nèi)下護(hù)孔花管，縮短了下管時間，提高了鉆機臺效，每100米鉆孔下管時間從傳統(tǒng)用時2小時以上減少至40分鐘，平均每孔節(jié)省工作