高瓦斯松软煤层顺层钻孔施工工艺优化研究

王 坤

（国投新集能源股份有限公司 地勘公司，安徽 淮南232000）

1 工作面实测瓦斯参数

新集二矿131309工作面回采的13－1煤为黑色，呈鳞片状～碎块状，质松软，内生裂隙较发育。工作面内13－1煤层较稳定，煤厚5.3～13.4m，平均厚约7.5m，煤层倾角在24°～40°，平均29°，煤层坚固性系数f＝0.6～1.0，煤层局部发育一层夹矸，一般厚0～3.5m，平均1.5m，夹矸岩性为泥岩、炭质泥岩或砂质泥岩。

自2012年7月2日机巷恢复掘进以来，工作面共计限制掘进15m，7月7日停头和进行收尾以及打钻准备工作。该处恢复掘进以来实测各项参数为：瓦斯压力0.5 MPa；瓦斯含量6.498m3／t；煤的坚固性系数，下部煤体f＝0.36，上部煤体f＝0.62；瓦斯解析指标最大值△h2＝80 Pa；钻屑量最大值3.7kg。

2 钻孔设计

1）131309机巷外段J12＋15m停头位置设计第12轮12个超前预抽钻孔，超前预抽钻孔控制巷道轮廓线外15 m，前方60m。

2）钻孔施工顺序：7＃→8＃→9＃→10＃→11＃→12＃→1＃→2＃→3＃→4＃→5＃→6＃。

3）131309外段机巷第12轮钻孔设计参数见表1。

表1 第12轮钻孔设计参数

3 钻孔施工情况

自2012年7月9日中班开始施工第12轮钻孔，采用ZYW－6000型全液压钻机施工，于7月22日夜班施工结束，钻孔施工时间为5个圆班，一个小班施工1个钻孔，清理煤粉时间为7个圆班零2个小班。通过施工参数分析，上排孔煤体较硬，返出煤粉基本在5m3左右，下排孔煤体内揭露松软煤层较多，返出煤粉维持在8m3左右，且下排孔瓦斯含量明显增大，并伴有顶钻现象，喷孔次数较上排孔多，主管路内瓦斯抽采浓度平均46%。

4 松软煤层抽采钻孔施工技术

4.1 瓦斯防治措施

（1）加大防喷抽放器的抽放量。在有喷孔、憋孔、顶钻等瓦斯涌出异常现象的预兆时，立即将管路的控制闸阀迅速开打，增加抽放量，减少孔内瓦斯向巷道内的大量涌出。必要时改用双抽放头的防喷抽放器。

（2）钻孔施工期间严禁停风、停水、停电。停风、停水、停电20min以上就有可能出现孔内事故。

（3）防喷抽放器容积不小于0.45m×0.45m×0.45 m，保证防喷抽放器内有足够的空间给煤粉和瓦斯在瞬间涌出时有缓冲时间，降低钻孔喷孔的强度。

4.2 钻机、钻杆以及钻头的控制

（1）煤层的软分层钻进须选用大扭矩钻机，钻机扭矩为6000Nm。钻机的大扭矩是成功施工松软煤层钻孔的主要条件。

（2）钻孔施工选用三棱钻杆，孔内出现孔内事故时，由于钻杆上无螺纹，可采用强行向外拉出的方法处理孔内事故。

（3）钻杆采用同径钻头，保持钻孔内的钻杆和钻头同径，煤在钻杆旋转作用下被打成粉状，在压风的吹动下可以及时从孔内排除，防止因钻杆直径小，钻头钻取的煤呈自然状而出现大量的块状煤堵塞钻孔的事故。

（4）钻孔孔径可进一步缩小至73mm，甚至60mm，减少钻头、钻杆对煤体的扰动，以利于钻孔的有效施工。

（5）钻机的前端距开孔位置控制在1.2m左右，防喷抽放器内被压风吹走的煤粉不会落在钻机上，降低喷孔时煤粉和气流对钻机的损害。同时可在钻机的导向套上安装面积不小于边长0.5m×0.3m的防喷挡板，更好地降低煤粉对钻机尤其是夹持器的损害。

（6）钻机在施工期间，夹持器的松紧间隙须及时清除煤粉，保证夹持器正常，确保钻杆在拆卸过程中不会因夹持器夹不紧钻杆而造成钻杆反转，从而把钻杆丢在孔内，造成孔内事故。

4.3 钻进参数的选取

（1）钻速采用高钻速，松软煤层钻进一般钻速不小于180r／min，正常施工时可以调到最大钻速250r／min。孔内不揭露松软煤层时，钻速可降至80r／min。

（2）钻孔使用风压确保在0.8～1MPa之间，采用井下移动式空气压缩机供风，保证孔内被三棱钻杆打碎的煤以粉状形式在高压风的状态下向外吹排出。钻孔不揭露松软煤层时，风压在0.5MPa时可以满足60m钻孔的施工。

（3）钻孔在施工期间一般推进压力控制在2MPa左右，推进速度控制在钻进1m用时4min，即60m松软煤层钻孔施工时间一般在4h左右，确保孔内有足够的时间排渣。钻孔内揭露松软煤层时，可以通过退钻的方式清除孔内淤积的煤粉。

（4）钻机的正常旋转压力在4～7MPa时，可不采用退钻的方法清除孔内煤粉，旋转压力在7～10MPa之间时，可采用退杆一次的方法清除孔内煤粉，旋转压力在10～15MPa之间时，可采用退杆2次的方法清除孔内煤粉，总之尽量将旋转压力控制在10MPa以下方可继续进尺。

（5）孔内阻力增大造成钻速下降时，应及时将钻机的钻速下调，迅速提高钻杆扭矩，保证钻杆在大扭矩状态正常旋转，防止钻孔埋钻或抱钻。

（6）钻孔施工过程中，孔内排渣量大且呈粉末状，同时夹带长度5cm以上的煤块时，不得进尺，采取来回退钻的方式清除孔内煤粉；孔内返风减小时及时退钻，返风正常后方可进尺；钻机变速系统出现负荷加大声音时及时退钻，变速系统恢复正常后方可进尺。

（7）现场施工时可采用瞬间停机观察钻杆自行旋转时受到阻力的方法判断孔内阻力情况，须在孔内阻力正常时方可继续钻进。

4.4 分段预抽和重新透孔（补孔）

（1）钻孔内揭露严重松软煤层时，可采用分段预抽和重新透孔的方式钻进。即钻孔施工至35m左右，如孔内继续钻进会出现孔内事故时，可全孔下入Φ25mm筛型管，临时预抽，然后施工相邻钻孔，相邻钻孔如能施工到设计孔深即起钻验收，如不能施工到设计孔深，只能施工到40～50m时，临时进行预抽，然后透已经临时合抽的钻孔，达到交替预抽和钻进的目的，确保钻孔施工到设计孔深。

（2）钻孔施工结束后及时进行封孔工作，透气用的Φ25mm筛型管尽量下置到孔底，保证钻孔起到超前泄压和预抽瓦斯的作用。

5 第11轮钻孔施工情况

1）131309机巷第11轮钻孔在J10＋52m位置停头，设计12个超前预抽钻孔，超前预抽钻孔控制巷道上帮轮廓线外7m，下帮轮廓线外5m，前方25m，第11轮钻孔参数见表2。

表2 第11轮钻孔技术参数

2）131309外段机巷第11轮设计的12个钻孔，除孔深比12轮短35m以外，采用ZLJ4000型钻机、Φ73mm的螺旋钻杆和Φ73mm的三棱钻杆施工，钻头规格为Φ94mm。完成12个钻孔，最深孔为27m，最浅孔为16m，用时11个圆班，钻孔进尺时间为8个圆班，清理煤粉用去3个圆班，管路内瓦斯抽采浓度平均13%。

6 效果比较

1）与第11轮钻孔效果相比，钻孔深度由原来的27m提高到63m，钻孔深度为原来的2.33倍；瓦斯抽采浓度由原来的13%提高到46%，提高了2.5倍，瓦斯抽采纯量达到7m3／min。

2）钻孔深度达到区域防突措施要求，符合国家、省市相关规程和规定的要求。