安林煤矿复采区“三软”煤层打钻深孔成孔技术研究与应用

　　摘 要：突出煤层在打钻过程中，常常遇到夹钻、喷孔、卡钻、掉钻等问题。严重的还可能会诱发瓦斯突出事故。为解决突出松软煤层生产过程中的煤与瓦斯突出问题，最主要的手段就是进行深孔打钻，通过在钻孔设计、钻具改进和打钻工艺等的研究，摸索出一套行之有效的办法，有效解决了突出松软煤层打钻难问题。
　　关键词：深钻孔 成孔技术 研究应用
　　中图分类号：TD235 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2011）10（c）-0000-00
　　
　　1矿井概况：
　　安林煤矿位于河南省安阳县境内，属安阳—鹤壁煤田北中部，矿井生产现为三个采区（三采区、六采区、八采区），其中三采区为复采区。复采区位于原三采区采空区内，设计布置2条复采下山和3个复采工作面。其中复采下山位于三采区皮带下山北侧，掘进中穿过原23041、原23061、原23081工作面采空区，皮带下山、回风下山各长210m，井下标高为-102m~-200m，下山倾角22。。
　　2技术背景
　　当前，在全国范围内，松软突出煤层中虽然有钻孔深度超过150m，甚至200多米的纪录，但大部分的钻孔深度仍在100m以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高，我矿在“松软低透气性”煤层钻孔深度平均仅为50m，因此，突出煤层钻进常见问题的处理是煤与瓦斯突出矿井急待解决的问题之一。
　　 在突出煤层在打钻过程中，常常遇到夹钻、喷孔、卡钻、掉钻等问题。严重的还可能会诱发瓦斯突出事故。复采区掘进工作面位于原三采区中部，该掘进面瓦斯赋存量大，巷道顶板压力大，应力集中，煤层松软，渗透性差。在这种煤层中钻进，容易产生塌孔、卡钻、喷孔等现象。如不及时采取可行的处理措施，将造成钻孔报废，掉钻杆（每掉一次杆按20根计算，折合人民币2000元左右）、钻孔打不深等后果。
　　突出松软煤层深孔钻进是公认的世界难题。为解决突出松软煤层生产过程中的煤与瓦斯突出问题，最主要的手段就是进行深孔打钻，通过在钻孔设计、钻具改进和打钻工艺等的研究，摸索出一套行之有效的办法，有效解决突出松软煤层打钻难问题。
　　3松软煤层中打深孔成孔的基本技术
　　实现松软煤层中打深孔，必须采取综合的办法来解决，综合办法包括：钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等。
　　3.1新型钻机的应用
　　根据目前打钻过程中存在的问题进行分析总结，认为深孔成孔率低的一个主要原因就是打钻设备的落后，对此大众矿通过调研，购进大功率、大扭矩的钻机，配合三棱钻杆，钻孔深度可以达到100m以上，从根本上解决了问题的根源所在。
　　3.2突出松软煤层扒孔降温钻进的原理及创新
　　在突出煤层中钻进，遇到“煤炮”是不可避免的，“煤炮”堵塞钻孔，使风力排粉失效，此时往往需要停止打钻。在风力排粉失效的情况下，在传统钻具的基础上进行改进，则可克服风力排粉的缺陷，尽快恢复风力排粉的作用，解决传统钻具因风力排粉卡钻夹钻导致的钻孔深度低问题。
　　(1)钻杆创新—添加螺旋输送扒孔功能（三棱钻杆）。在钻杆外表设置螺旋输送槽，在不影响正常夹持器使用的前题下，保证钻杆的最小强度不变，给钻杆增加一个螺旋输送功能，即扒孔功能。以风力排粉为主，在“煤炮”发生后，钻孔堵塞风力排粉失效的情况下，通过发挥钻杆的螺旋输送即扒孔功能，运送堵孔段钻孔的煤粉，重新打通风力排粉通道，保证钻孔排渣系统正常有效。风力排粉通道开通之
　　后，继续向前钻进，穿越三区域，继续钻进。同时扒孔钻进与风力协同排粉消除了钻杆旋转时产生的高温现象，避免了钻孔燃烧事故的发生。
　　 (2)钻头创新—防止钻杆堵塞。“煤炮”不仅会使钻孔堵塞，也会使钻杆堵塞。孔内动力现象即“煤炮”发生后，大量的高压瓦斯释放，释放的瓦斯压力会高于排粉风力的风压(0.5 MPa左右)，引起钻杆内风流逆转，将煤粉煤渣带人钻孔内部，堵塞排粉风路。为了解决这个问题，对钻杆与钻头的联结部进行改造，在普通钻头内部增设一个单向阀，使得“煤炮”发生时，单向阀在瓦斯压力的作用下及时关闭，钻杆内没有逆转的瓦斯风流，保证钻杆不被堵塞。通过钻具的改进，在打钻期间因喷孔、煤炮而导致卡钻的现象基本消除。
　　3.3稳固钻机
　　在保证钻机质量的前提下，大众矿又通过优化打钻工艺，进一步提升了打钻深度，为头层掘进工作面的快速掘进提供了有力的保障。
　　稳固钻机：钻机底部有垫木垫在实底上，要用立柱控制钻机位置，防止钻机在钻进过程中震动，钻机震动将会造成钻杆在钻进过程中摆动或闪动，形成钻孔偏离中心，孔壁不平直，增加阻力，削弱前进能力，孔壁受钻杆摆动影响而破坏，增加跨孔堵孔的形成条件。这是打钻前重要环节。
　　3.4保证风压风量、钻孔排渣好
　　保证风压风量、钻孔排渣好：做到不堵孔，减少喷孔，降低喷孔强度都靠排碴，排碴的好坏，直接关系到钻孔的成败，排碴不好，不仅造成堵孔、卡钻，而且会磨擦发热产生高温，严重时导致钻孔内起火，带来安全隐患。
　　钻孔排碴好依托两个条件：保证打钻风压和风量。根据我们测定风压必须在3-4kg/cm2，风量必须每分钟2-3m3/min。当井下压风满足不了时，必须采取安装井下压风机来解决。
　　钻进过程中必须观察排碴情况，及时采取退钻措施，经实践我们形成“低压慢速、边进边退、掏孔前进”的软煤打钻工艺思路，经反复试验，证明这一工艺思路是正确的。退多少根钻杆要根据排碴效果确定，严格禁止在排碴不顺的情况下强拔硬进，有时可以先停止进退，送风排碴，使钻杆活动后再进或再退。不看排碴盲目钻进，出事故是不可避免的。含水煤层孔内煤粉变成煤泥糊或煤泥团，单纯送风往往难以达到孔内通畅的效果，多退钻，反复退是完全必要的。此时决不能强调钻进速度，单纯要进尺，会事与愿违，欲速不达。
　　3.5掌握给进压力和钻进速度
　　掌握给进压力和钻进速度：钻机给进压力的极限是固定的，不同层段要掌握不同的给进压力，压力升高的原因是①换层；②孔内出现堵孔；③钻具损坏，断钻头钻杆也会致使压力突然变化。当给进压力突然升高时必须采取果断措施，一是停止钻进，进行压风排碴；另一种是撤钻退钻。钻进速度必须保持适当，软煤分层中钻进主要是降速，通过降速充分排碴，减少沉碴，同时也起到降低给进压力的作用。所以软煤钻进速度要比硬煤慢。钻进速度和给进压力的掌握，需要针对不同钻机、不同煤层特征和排碴条件进行测试和总结。
　　3.6搞好钻孔设计
　　在设计钻孔时，设计钻孔开口位置与角度是关键，钻孔的钻进角度一般情况下是根据煤层的顶板角度来确定的，但由于软分层的存在以及钻杆自重的原因，钻孔轨迹并不是一条平行于煤层顶板的直线，钻进过程中钻孔往往在没有达到设计孔深的时候见到煤层顶板或底板，造成钻孔深度较低。而且钻孔的角度在打上行孔与下行孔时也存在差距，通过研究，打上行孔时，钻孔的角度一般小于煤层倾角2°-3°，在打下行孔时，钻孔的角度要大于煤层倾角1°-2°。这样，可以使钻孔的轨迹基本沿着煤层走，有效增加钻孔深度。
　　搞好钻孔设计：钻孔设计不能简单化，一次完成。我们把工作面布孔设计分为方案设计、分段设计和施工设计，三个阶段进行。
　　布孔方案设计：布孔方案设计是工作面瓦斯抽放设计的重要组成部分。根据煤层和巷道状况，按不留或少留孔白带的要求，对采面全面布孔。明确布孔形式，钻孔密度、施工顺序。
　　钻孔施工分段设计：根据工作面抽放方案设计的要求，结合不同地段的瓦斯地质和巷道条件，进行逐段设计。通过分段设计优选钻孔施工参数，实现抽放钻孔优化。分段设计前要调查该段地质构造煤层倾角、煤厚、巷道条件等。设计中包括不冈钻孔的方位角、倾角、孔深、孔径和开孔点距底板高度等，并有附图。
　　钻孔施工设计：主要是钻孔参数的调整。由于煤层产状和厚度不稳定，钻孔深处往往存在变化，因此必须通过施工钻孔，及时判断钻孔前方的煤层赋存状况。对设计钻孔及时调整参数，经调整参数后施工的钻孔基本能达到设计深度。
　　3.7提高钻工技术素质
　　提高钻工技术素质：为实现“先抽后采”，在打钻过程中，要特别重视提高打钻工人的技术素质，并从体制和机制上落实，使他们不仅会使用钻机、维修钻机，还要弄懂松软煤层打钻技术，规范操作，并具备应变能力，这是当前充分发挥抽放设备资金投入的作用，提高打钻深度的关键环节。
　　4结语
　　我公司通过对防突打钻技术的研究和摸索，大大提高了成孔率，减少了事故率，提高了防突打钻钻孔的深度。打钻深度从平均的50m增加到了60m，最高单孔孔深80多米。近年来，通过对防突打钻技术的研究和常见问题处理规律的掌握，使孔深加大，单孔瓦斯抽放量增大，减少直至杜绝通防事故打下了坚实的基础，为矿井节约费用数百万元，为矿井的安全生产提供可靠的保障。