松樹突出煤層瓦斯抽放孔鉆孔工藝技術(shù)研究

松樹突出煤層瓦斯抽放孔鉆孔工藝技術(shù)研究

由于松樹和突出的煤層穩(wěn)定性差、高裝甲和高壓力，孔施工中易出現(xiàn)噴孔、坍塌孔和卡孔等異?，F(xiàn)象，孔深平坦，成孔率低。如何提高松軟突出煤層的鉆進深度和成孔率,從而提高瓦斯抽采效率,達到降低煤與瓦斯突出危險性的目的,是松軟突出煤層瓦斯治理的重要問題。針對這種情況,國內(nèi)進行了螺旋鉆進和常風(fēng)壓空氣鉆進的嘗試,但效果一般。螺旋鉆進是一種干式回轉(zhuǎn)鉆進方法,螺旋鉆桿與鉆孔組成了一個螺旋輸送帶,螺旋鉆桿連續(xù)不斷地將鉆頭破碎的巖渣輸送至孔外。螺旋鉆進有效地解決了排粉問題,但對鉆孔擾動大,成孔困難;常風(fēng)壓空氣鉆進的風(fēng)壓過低,不能有效地解決攜粉排渣等問題,鉆孔深度和效率一般。以上2種方法能解決提高松軟突出煤層中鉆孔深度的問題,而對提鉆后易塌孔和瓦斯抽放時的負(fù)壓造成孔壁坍塌的問題沒有解決。1外平墻桿配合煤粉鉆孔空氣鉆進是用壓縮空氣經(jīng)過鉆桿內(nèi)孔、鉆頭進入孔底,在孔內(nèi)形成高速風(fēng)流,鉆屑則浮在風(fēng)流中被吹向孔口,從而實現(xiàn)風(fēng)力排粉的一種鉆進方法。在壓力的作用下,煤粉顆粒(鉆屑)在水平鉆孔內(nèi)懸浮并隨著氣流做跳躍式的向前推進,直至返出孔口。在同類地層同等供風(fēng)量的情況下,鉆孔深度和風(fēng)壓大小成正比,而和鉆具的沿程阻力、局部阻力成反比。目前主要采用?42mm和?50mm的外平鉆桿配合煤礦井下的管道風(fēng)在松軟突出煤層施工鉆孔,多數(shù)鉆孔的深度不超過100m。百米鉆桿的風(fēng)阻加上攜帶煤粉的阻力在0.4MPa左右,常風(fēng)壓鉆進壓力相對較低,限制了鉆孔深度的提高,僅適用于鉆孔深度較淺(小于40m),終孔口徑較小(小于70mm)的松軟煤層瓦斯鉆孔的施工。為此,本文提出將中風(fēng)壓空氣鉆進工藝應(yīng)用于松軟突出煤層的鉆進,提高鉆孔深度和成孔率。2抗靜電阻燃可碎瓦斯的地層開孔利用風(fēng)力排粉,為了提高排粉效果,鉆桿的外徑較大,以提高鉆桿與孔壁間的通風(fēng)速度,從而保證煤(巖)粉能順利排出孔外。成孔以后鉆桿一提出孔外,由于煤層松軟,就容易發(fā)生塌孔、縮徑等現(xiàn)象,使瓦斯不能正常排出,影響抽采效果。通過鉆桿內(nèi)部向已成孔的煤層中下入篩管,防止煤層塌孔,延長瓦斯的抽采時間,提高鉆孔的利用率。具體方法是采用大通孔外平鉆桿和中壓風(fēng)作沖洗介質(zhì)進行鉆進,到達預(yù)定孔深后,將抗靜電阻燃可碎性篩管通過大通孔鉆桿的內(nèi)孔下到鉆孔內(nèi),并將鉆頭頂脫,然后將鉆桿提出孔外,將篩管留在孔內(nèi)的,將成為瓦斯排出煤層或抽采瓦斯的通道。其中篩管是可碎的,不會影響后期的采煤。3相關(guān)設(shè)備的開發(fā)3.1最大誤差拓展液壓鉆機松軟突出煤層鉆進時易發(fā)生抱鉆、噴孔等事故,需要鉆機具備很強的處理孔內(nèi)事故的能力;目前松軟突出煤層施工需求深度在200m以內(nèi),施工周期短,鉆機搬遷頻繁,要求鉆機具有很高靈活性。針對這些要求,專門研制了ZDY3200L型履帶式全液壓坑道鉆機(圖1),主要技術(shù)參數(shù)如下:最大額定轉(zhuǎn)矩/(N·m)3200額定轉(zhuǎn)速/(r·min-1)105~360最大給進力/kN112起拔力/kN77主軸傾角/(°)-10~20電動機功率/kW45行走速度/(km·h-1)0~2.5最大爬坡能力/(°)20該鉆機主要施工200m以內(nèi)的鉆孔,但設(shè)計最大額定轉(zhuǎn)矩達到3200N·m,最大起拔力達到112kN,以提高鉆機處理孔內(nèi)事故的能力;鉆機采用履帶自行式整體結(jié)構(gòu),鉆機主機、操縱臺、泵站和穩(wěn)固裝置共同設(shè)置在履帶車體上,搬遷迅速、穩(wěn)固方便;液壓系統(tǒng)中回轉(zhuǎn)和給進回路分別采用負(fù)載敏感和恒壓變量技術(shù),能減少了液壓系統(tǒng)的能量損失,達到節(jié)能的目的;同時穩(wěn)定的輸出流量使馬達轉(zhuǎn)速穩(wěn)定,降低了負(fù)載劇變對馬達和鉆頭的沖擊,提高了鉆機的可靠性,完全滿足鉆機回轉(zhuǎn)回路的性能要求并具備節(jié)能的特點,在復(fù)雜地層中對成孔質(zhì)量、鉆機及鉆具的壽命提高有顯著的意義。3.2內(nèi)芯可脫式鉆頭當(dāng)鉆進到預(yù)定孔深后,篩管通過鉆桿的內(nèi)孔將鉆頭頂脫,將篩管留在孔內(nèi)。如果將整個鉆頭頂脫留在孔內(nèi),這樣每個鉆孔都需要消耗一個鉆頭,成本太高。而如果每次只頂脫掉鉆頭的一小部分,剩余的大部分可以多次重復(fù)使用,就可以節(jié)約大量成本,為此設(shè)計了內(nèi)芯可脫式鉆頭(圖2)。該鉆頭由鉆頭體和內(nèi)芯2部分組成,這2部分依靠彈簧和定位鋼球固定,并依靠設(shè)置在鉆頭體上的臺階和鍵傳遞鉆進時需要的給進壓力和扭矩,實現(xiàn)正常的鉆進功能。當(dāng)鉆進完畢后,將篩管輸送到孔底,然后提鉆,內(nèi)芯在篩管軸向力作用下與鉆頭體脫落,由此打開通道,并使篩管留在孔內(nèi)。3.3除塵裝置空氣鉆進過程中會產(chǎn)生大量的粉塵,不僅影響職工身體健康,也是煤礦安全生產(chǎn)的一大隱患,中風(fēng)壓空氣鉆進時粉塵更大、顆粒更細(xì),為此專門設(shè)計了除塵裝置。鉆孔產(chǎn)生的煤塵通過孔口集塵裝置和導(dǎo)塵膠管進入除塵裝置。除塵裝置主要由慣性旋風(fēng)除塵段、噴霧水浴除塵段和文氏等部分組成,具有良好的除塵效果,改善了鉆場環(huán)境。凈化后氣體排入巷道或瓦斯抽放管路。4鉆機、鉆機、除塵裝置的現(xiàn)場試驗為了驗證中風(fēng)壓空氣鉆進在松軟突出煤層中鉆進的效果、鉆桿內(nèi)下篩管工藝的可行性和配套鉆機、鉆頭和除塵裝置的使用可靠性,在淮北礦業(yè)(集團)公司進行了試驗。4.1工作面周邊地質(zhì)構(gòu)造試驗在淮北蘆嶺煤礦Ⅱ827工作面進行。該工作面煤厚為3.9~10.0m,平均6.95m,發(fā)育較穩(wěn)定,煤層總體分布為東部較薄;工作面東西邊界附近煤層受構(gòu)造影響煤層厚度賦存不穩(wěn)定。該面地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜,受構(gòu)造影響,斷層附近煤層起伏較大。煤層普氏系數(shù)為0.20~0.45,瓦斯壓力約3.5MPa,相對涌出量約20m3/t。試驗點Ⅱ827運輸巷寬度約3.3m,局部寬2.8m,巷道高度2.8m,巷道有局部地區(qū)受地壓作用而變形。4.2孔深度及錨點的施工分析試驗共施工鉆孔11個,其中1個鉆孔鉆進至54m時進入煤層頂板停鉆,另有3個鉆孔分別鉆進至49,69,76m時,因鉆孔垮塌嚴(yán)重而停鉆,其余鉆孔深度均超過100m,最深鉆孔為120m。平均鉆進效率達10.10m/h,其中純鉆進效率為20.76m/h。在鉆孔過程中經(jīng)常遇到瓦斯噴孔、煤炮和卡鉆等現(xiàn)象,鉆機能力大,處理了絕大部分的孔內(nèi)事故。在篩管輸送工藝現(xiàn)場試驗中,2人即可完成篩管輸送的全部工作;內(nèi)芯可脫式鉆頭在篩管軸向力作用下脫落后,順利提出鉆桿并將篩管留在孔中作為瓦斯抽放通道,達到預(yù)期效果。除塵器水源直接采用礦井靜壓水,除塵效果良好,改善了鉆場的施工環(huán)境。5現(xiàn)場試驗的結(jié)果利用中風(fēng)壓空氣鉆進工藝應(yīng)用在松軟突出煤層中鉆進,設(shè)計了通過鉆桿內(nèi)下篩管的成孔工藝,并設(shè)計了配套的鉆機、鉆具和孔口除塵器。通過現(xiàn)場試驗表明:①中風(fēng)壓空氣鉆進工藝在松軟突出煤層中有良好的應(yīng)用效果;②利用內(nèi)芯可