突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工技術

1、2022-3-512022-3-522022-3-532022-3-54l 2009年5月14日 國家安全監(jiān)管總局局長駱琳簽署總局第19號令，頒布防治煤與瓦斯突出規(guī)定，2009年8月1日起實施。原防治煤與瓦斯突出細則同時廢止。防突規(guī)定提出了“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的理念，強調(diào)突出煤層必須采取區(qū)域綜合防突措施并達到規(guī)定標準后方可進行采掘作業(yè)。區(qū)域防突工作應當做到多措并舉、可保必保、應抽盡抽、效果達標。2022-3-55u松軟突出煤層（硬度系數(shù)f1）滲透性差、瓦斯含量高。鉆進過程中，容易產(chǎn)生垮孔、卡鉆、噴孔等現(xiàn)象。我國在松軟突出煤層雖然有鉆孔深度超過150m甚至達到240m的記錄，但

2、大部分的鉆孔深度都在100m以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我國松軟煤層在所開采煤層中所占比例較大，因此，松軟突出煤層的鉆進成孔問題一直是個亟待解決的難題。u實現(xiàn)松軟煤層中打深孔，必須采取綜合的辦法來解決，綜合辦法包括：鉆孔設計、打鉆設備和打鉆工藝等方面。2022-3-562022-3-57龍煤集團鶴崗分公司、沈陽煤業(yè)集團、撫順礦業(yè)集團淮南礦業(yè)集團、淮北礦業(yè)集團鄭州煤炭集團、焦作煤業(yè)集團陽泉煤業(yè)集團、晉城煤業(yè)集團松藻煤電公司2022-3-58松軟突出煤層中風壓空氣鉆進裝備研制與配套工藝開發(fā)井下水平長鉆孔鉆機研制及配套工藝開發(fā)低透氣性煤層瓦斯抽采增效技術開發(fā)低濃度瓦斯輸送安全保障成

3、套技術開發(fā)與裝備研制防突遠距離控制鉆機研制及配套工藝開發(fā)松軟突出煤層順層鉆孔螺旋鉆進裝備研制與配套工藝開發(fā)瓦斯抽采礦井的風流監(jiān)測與智能控制關鍵技術研制地面瓦斯抽采的欠平衡車裝鉆機研制2022-3-59u示范工程建設取得階段性效果：推廣了一批瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯利用的先進適用技術和裝備。2022-3-5102022-3-5112022-3-5122022-3-5132022-3-5142022-3-5152022-3-5162022-3-5172022-3-518有葉片式螺旋鉆桿、淺槽螺旋鉆桿兩種。葉片式螺旋鉆桿、淺槽螺旋鉆桿兩種。晉城趙莊礦晉城趙莊礦50 mm1 000 mm的淺槽螺旋的淺

4、槽螺旋鉆桿鉆桿葉片、插接式螺旋鉆桿葉片、插接式螺旋鉆桿2022-3-5192022-3-5202022-3-5212022-3-522穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進技術：就是在回轉(zhuǎn)鉆進的基礎上,在靠近鉆頭的1020 m的鉆桿上接上35個接近于鉆頭直徑的穩(wěn)定器(也稱扶正器),通過調(diào)整穩(wěn)定器的位置和數(shù)量,并配合相應的鉆進工藝參數(shù),使鉆具對鉆頭產(chǎn)生向上、向下或保直鉆進的控制力,從而起到控制鉆孔軌跡的目的。順層長鉆孔的施工,關健在于打鉆過程中,防止鉆桿下沉,保持鉆桿一定的直度。2022-3-523套筒式穩(wěn)定器套筒式穩(wěn)定器穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進技術主要適用于對鉆孔軌跡有特殊要求的瓦斯抽放鉆孔施工,如沿煤層水平定向長

5、鉆孔的施工(孔深500 m)、頂板高位水平定向鉆孔的施工。2022-3-5245、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家，從上世紀70年代初就開始了井下近水平長鉆孔鉆進技術的研究。通過三十年的發(fā)展，目前以孔底動力為主要鉆進方法、隨鉆測斜為主要定向手段的鉆孔工藝方法已非常成熟，并取得較廣泛的推廣應用，技術上處于國際領先水平。2022-3-5255、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況19971998年間，國內(nèi)松藻、鐵法、淮南、平頂山和撫順5個礦務局引進了9套美國和澳大利亞千米定向鉆機。共打成鉆孔19個，鉆孔深度范圍為45470m，其中:小于100m的有10個，100200m的

6、有2個，200 400m的有6個，最深的一個孔達470m。在煤層中打成順層鉆孔的深度幾乎都不超過100m?？咨疃紱]有達到引進鉆機設計施工能力的二分之一。試驗效果不好。2022-3-5265、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況2022-3-5275、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況20022007年間，山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦、晉城無煙煤礦業(yè)集團公司引進了4套美國和澳大利亞生產(chǎn)的采用孔底馬達定向鉆進的千米鉆機，用于煤礦井下定向長鉆孔抽采瓦斯。使用情況很不錯。大寧煤礦為高瓦斯礦井，預抽本煤層（3號煤層）瓦斯為主，最大孔深達1002m。至2007年底已完成鉆孔數(shù)1980個，累計進尺803753

7、m，抽混合瓦斯9.05億m3。據(jù)不完全統(tǒng)計，近幾年國內(nèi)已定購的澳大利亞VLD1000定向長鉆孔鉆進設備多達50余套。2022-3-528 山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦采用孔底馬達定向鉆進的千米鉆機，預抽本煤層（3號煤層）瓦斯為主，最大孔深達1002m。5、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況2022-3-5295、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況晉城煤業(yè)井下區(qū)域性遞進式預抽采 千米鉆機等機具施工長鉆孔，一個預抽區(qū)域至少應涵蓋1個工作面。 2022-3-5305、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況國內(nèi)從上世紀90年代正式開始煤礦井下定向鉆進技術的研究，在對以螺桿馬達為孔底動力的鉆進方法的研究方面曾

8、取得過一些階段性成果。但是由于國產(chǎn)孔底馬達可靠性較差，壽命太短，設備成本比回轉(zhuǎn)鉆進鉆機的高，不便于推廣，導致國內(nèi)對這項技術研究并沒有繼續(xù)深入下去。2022-3-5316、部分國產(chǎn)長鉆孔鉆進設備的使用情況目前，ZDY8000 10000S型全液壓鉆機已在銅川礦務局推廣使用，施工的瓦斯預抽采鉆孔深度多在600m左右。晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司已大面積推廣使用ZDY6000S 鉆機，施工深度為400600m的本煤層瓦斯預抽采長鉆孔。2022-3-5322022-3-5331、順層長鉆孔排渣工藝n 水力排渣 傳統(tǒng)的排渣工藝是用水作沖洗介質(zhì)攜帶和排出鉆屑、冷卻鉆頭。由于水注滿整個鉆孔，對瓦斯的自然排

9、放起封閉作用，易造成噴孔，對鉆孔施工人員的安全有一定的威脅。在松軟煤層中鉆進時,循環(huán)水對于孔壁的沖刷、浸泡等破壞作用相當嚴重,鉆孔極易破碎坍塌,成孔極其困難。 因而，在施工順煤層抽放鉆孔時，用水作為排渣介質(zhì)是不利于深鉆孔的施工。2022-3-5341、順層長鉆孔排渣工藝n 風力排渣 風力排渣用風作介質(zhì)排渣和鉆頭冷卻。其顯著的優(yōu)點在于壓風對孔壁的沖擊較弱，對瓦斯解吸影響小。因此，從技術上來看，風力排渣更適合于突出煤層順層長鉆孔的施工。 其缺點是作業(yè)地點粉塵不易控制，多數(shù)礦井的風壓、流量也不能滿足長鉆孔的要求。2022-3-5352、松軟突出煤層打鉆遇到的問題及原因分析n 問題：2022-3-53

10、62、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析n問題 噴孔、卡鉆形成過程。噴孔可分成：煤體破碎瓦斯聚積（瓦斯迅速解吸孔壁破裂孔內(nèi)堵塞瓦斯梯度猛增） 瓦斯釋放（突破堵塞噴孔和卡鉆）三個階段。2022-3-5372、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題 噴孔和卡鉆原因分析：噴孔應看作是鉆孔中出現(xiàn)的動力現(xiàn)象，類似煤與瓦斯突出，是高壓瓦斯、應力集中和軟煤存在三個因素綜合作用的結(jié)果。 當鉆孔進入軟煤分層時，鉆頭切削旋轉(zhuǎn)，對軟煤產(chǎn)生一種沖擊和破碎力，使煤體破裂、粉碎，鉆孔周邊煤體瓦斯迅速解吸，流入鉆孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的幾倍到幾十倍，此時鉆孔前后方出現(xiàn)了較大的瓦斯梯度，產(chǎn)生明顯的瓦斯激流，承壓的瓦斯激流對

11、破壞的煤顆粒起著邊運送邊粉化的作用，瓦斯激流和粉化了的煤顆粒難以順利的向孔外排出，進一步增加了孔內(nèi)瓦斯壓力梯度，形成噴孔。2022-3-5382、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題 另一種噴孔是由于煤層中含水，鉆頭切削時的煤粉難以順利排出，在鉆孔的淺部（1020m的范圍內(nèi)）出現(xiàn)堵孔。再就是打鉆風壓和風量不夠，排碴不力，出現(xiàn)堵孔。堵孔造成迅速解吸的瓦斯無法排出，孔內(nèi)的壓力梯度達到某個極限時，發(fā)生噴孔。 2022-3-5392、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題 卡鉆是與噴孔聯(lián)系和同時發(fā)生的一種現(xiàn)象，噴孔時末能及時退出鉆桿，破碎的煤體將鉆桿和鉆頭箍緊?；蚴强變?nèi)出現(xiàn)塌孔、堵孔時，排渣不力，此時仍

12、然鉆進，使堵孔、塌孔的范圍不斷擴大，造成鉆桿和鉆頭箍緊，鉆頭無法進退。 噴孔、垮孔、堵孔和卡鉆是不同現(xiàn)象，但又是相互聯(lián)系的，卡鉆是嚴重的打鉆事故，往往可能出現(xiàn)扭斷鉆桿丟失鉆頭。2022-3-5402022-3-5412、提高突出煤層鉆孔孔深的技術途徑l2)確定為達到要求的風速，需要足夠的風量和風壓。目前礦井的井下壓風管道風壓一般不超過0.5MPa，而對目前的鉆具而言，這一風壓顯然不能達到足夠的供風量。為此，可使用井下移動式空壓機，使打鉆地點的風壓正常時達到0.65MPa以上，最大時達0.7MPa。2022-3-542不同深度鉆孔正常排渣所需的供風壓力（煤科總院重慶研究院在芙蓉珙泉煤業(yè)公司芙蓉珙

13、泉煤業(yè)公司 試驗結(jié)果）2022-3-5432、提高突出煤層鉆孔孔深的技術途徑l3)采用滿足風力排渣和長鉆孔施工的大扭矩鉆桿。由于壓風的壓力最高為0.7MPa， 要在一定的壓力下提高孔內(nèi)的風速(或風量)，就只有降低壓風的沿程阻力損失，這就要適當擴大輸送壓風的鉆桿內(nèi)孔直徑。同時，順層長鉆孔的長度大，孔壁、鉆屑與鉆桿之間的摩擦阻力也大，應適當增加鉆桿強度。2022-3-5442、提高突出煤層鉆孔孔深的技術途徑l4)根據(jù)礦井具體的地質(zhì)條件和煤層特征，采用較大能力并適合順層鉆孔施工條件的鉆機。盡管順層長鉆孔成孔的關鍵是打鉆排渣工藝技術，但足夠能力的鉆機是施工長鉆孔的基礎。2022-3-5452、提高突出

14、煤層鉆孔孔深的技術途徑l5)采用多級組合鉆頭，利用前端小直徑鉆頭的超前卸壓作用減輕鉆孔的噴孔程度，同時提高鉆孔的定向鉆進效果。l6)其他輔助技術措施還包括降塵、安全防護、防止孔內(nèi)爆燃等，制訂操作規(guī)程，對打鉆過程中的各種現(xiàn)象提出觀察、應對方法。2022-3-546搞好鉆孔設計：鉆孔設計不能簡單化，一次完成。工作面布孔設計分為方案設計、分段設計和施工設計3個階段進行。布孔方案設計：布孔方案設計是工作面瓦斯抽放設計的重要組成部分。根據(jù)煤層和巷道狀況，按不留或少留空白帶的要求，對采面全面布孔。明確布孔形式、鉆孔密度和施工順序。2022-3-547鉆孔施工分段設計：目的：根據(jù)工作面抽放方案設計的要求，結(jié)

15、合不同地段的瓦斯地質(zhì)和巷道條件，進行逐段設計。通過分段設計優(yōu)選鉆孔施工參數(shù)，實現(xiàn)抽放鉆孔優(yōu)化。分段設計前要調(diào)查該段地質(zhì)構造煤層傾角、煤厚、巷道條件等。設計中包括不岡鉆孔的方位角、傾角、孔深、孔徑和開孔點距底板高度等，并有附圖。2022-3-548鉆孔施工設計：主要是鉆孔參數(shù)的調(diào)整。由于煤層產(chǎn)狀和厚度不穩(wěn)定，鉆孔深處往往存在變化，因此必須通過施工鉆孔，及時判斷鉆孔前方的煤層賦存狀況。對設計鉆孔及時調(diào)整參數(shù)，經(jīng)調(diào)整參數(shù)后施工的鉆孔基本能達到設計深度。2022-3-5492022-3-550掌握給進壓力和鉆進速度：鉆機給進壓力的極限是固定的，不同層段要掌握不同的給進壓力，壓力升高的原因是換層；孔內(nèi)出現(xiàn)堵孔；鉆具損壞，斷鉆頭鉆桿也會致使壓力突然變化。當給進壓力突然升高時必須采取果斷措施，一是停止鉆進，進行壓風排碴；另一種是撤鉆退鉆。鉆進速度必須保持適當，軟煤分層中鉆進主要是降速，通過降速充分排碴，減少沉碴，同時也起到降低給進壓力的作用。所以軟煤鉆進速度要比硬煤慢。鉆進速度和給進壓力的掌握，需要針對不同鉆機、不同煤層特征和排碴條件進行測試和總結(jié)。2022-3-551圖1是河南理工大學在平頂山十礦測試的一個實例。17號鉆孔開始給進壓力保持在5-6Mpa，速度每根鉆桿3.5-4.