关于松软（破碎）煤层施工钻孔高成孔率工艺技术的探索

摘 要：顺层长钻孔抽放瓦斯是工作面煤层治理瓦斯的重要措施，本文结合实际，针对松软（破碎）煤层施工钻孔高成孔率的工艺技术进行了论述。

关键词：松软（破碎）煤层；钻孔高成孔率；工艺技术

1 施工工艺

1.1 顺层长钻孔成孔工艺

顺层长钻孔抽放瓦斯作为工作面煤层治理瓦斯的措施，对于防治采煤工作面煤与瓦斯突出、降低回采过程中的瓦斯涌出量、大幅度减少回采中的局部防突工作量以及加快回采速度是非常必要的。顺层钻孔的成孔长度是将其作为严重突出危险煤层工作面的区域性防突措施先决条件，如果钻孔长度不足以达到控制整个回采工作面的范围，也就无从谈起将其作为区域性防突措施。因此，采用合适的顺层长钻孔成孔工艺，使顺层钻孔长度达到预定的要求是关键。

1.2 顺层长钻孔施工钻机的选择

随着钻孔长度的增大，钻杆与钻孔间接触摩擦的面积和钻杆本身的重量都相应地增大，钻机的旋转扭矩和推进力也相应的需要增大。因此，要求选择的钻机要满足旋转扭矩和推进力增大的要求。

1.3 顺层钻孔施工钻具的选择：

顺层钻孔的成孔长度要求较长，且在突出煤层施工过程中喷孔、卡钻等现象也非常严重，因此，对顺层长钻孔的施工钻具提出了较高的要求。首先，钻杆的强度必须相应提高，因为钻孔长度增大后，钻杆承受的旋转扭距的推力大大增加了；其次，钻头也必须进行改进，因为钻孔施工过程中的喷孔现象与钻孔直径有很大关系。根据理论分析和实践经验，直径小的钻孔周围地应力变化和破坏范围小于直径大的钻孔，发生喷孔的可能性及喷孔严重程度也明显小于直径大的钻孔。因此，根据顺层长钻孔的设计要求，可将钻头设计成二级组合钻头--在钻具的设计上将前端设计为直径较小的钻头，相隔一定距离后再增加一组正常直径的钻头，即在钻孔施工过程中，小直径钻头钻进，随后正常直径的钻头再扩孔，可以在很大程度上降低钻孔的喷孔程度和减少喷孔现象的发生。

1.4 确定合理的排渣工艺

排渣工艺技术是长钻孔成孔的关键技术。钻进过程一般要求能完全、及时地排除孔内的钻屑，在煤层中钻进还要减少对孔壁的破坏，保持孔壁完整，而在突现出煤层中钻进还要考虑有利于瓦斯的涌出和排放。

1.5 传统排渣方式及风力排渣

传统的排渣方式是用水作冲洗介质，以携带、排出钻屑，并起到冷却钻头的作用。但是，水力排渣方式的最大缺点是对孔壁的冲击作用太大，垮孔、喷孔严重。同时，钻孔内处于气（瓦斯、空气）、液、固（钻屑）三相流动状态，流态极不稳定，也容易造成卡钻现象。

风力排渣是用压缩空气经过钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔内形成高速风流，钻屑则悬浮在风流中被吹向孔口，从而实现排渣和钻头冷却。风力排渣的最大缺点是，作业地点煤尘不易控制。但在突出或松软煤层中打钻时，风力排渣具有明显的优势：（1）压风对孔壁的冲击小，不易破坏孔壁；（2）不影响煤层中的瓦斯解吸，使瓦斯得以自由、快速地释放；（3）钻孔内始终只有气、固两相流动，发生卡钻的可能性也减小了。因此，风力排渣是在突出或松软煤层中打钻比较理想的排渣方式。

1.6 风力排渣的基本因素

排渣能力是影响钻进的主要因素之一。若钻孔内钻屑一旦积累聚，孔壁、钻屑、钻杆之间的摩擦阻力增加，当钻孔内钻屑积聚到一定程度后，钻机的旋转扭矩不能克服阻力，即发生抱钻现象。因此，正常钻进要求把不断产生的钻屑完全、快速地排出孔外，避免钻屑在钻孔内积聚，这就要求有足够的排渣能力。

根据气力输送原理，钻孔内的钻屑能否被压风吹出，首先取决于钻孔内的风速，其次是钻孔倾角、钻屑的粒径和固气混合比（钻孔在单位时间的产渣量与压风流量的比值）等。钻孔的倾角是根据煤层赋存条件和抽放的要求设计的；钻屑的粒径则主要与煤层的破坏程度、是否垮孔和喷孔、钻头形式、钻头钻进和旋转的速度等有关；固气混合比则主要与钻孔在单位时间内的产渣量和压风流量有关；钻孔内的风速与供风的压力、钻杆内孔及钻孔的阻力系数等有关。风速越大，排渣能力越强；固气混合比、钻屑的粒径越小则排渣越容易；下向钻孔排渣比上向钻孔困难。

在地质、设备、钻孔直径、钻孔倾角、进钻速度等因素相对不变时，供风参数成为风力排渣能力的主要影响因素。

2 顺层长钻孔施工成孔工艺的应用效果

2.1 风力排渣的最小风速

粒子在流体介质中由静止状态开始自由下落时，当加速到一定速度后即变为等速沉降，此时的速度即称为粒子的沉降速度μc，且这一沉降速度的大小与粒子的物料性质和粒径有关。显然，对于单个的钻屑颗粒，风速必须大于其沉降速度才能被吹出。同时，根据气力输送原理，实际打钻时还要保证排渣量与产渣量的平衡，即满足不堵塞的条件。

2.2 所需供风压力

排渣需要一定的风速，但为使风流达到这个风速就要克服风流的各种阻力损失，即需要一定的供风压力。排渣的压风阻力损失△p一般由以下几个部分组成：（1）纯空气气流从孔底输送到孔口的阻力损失△Pa。（2）使钻屑从孔底加速到一定速度而附加的阻力损失△Psac。（3）为使煤渣以一定的速度输送并排出到孔口而附加的阻力损失△ps。（4）钻头的压风阻力损失△pt。（5）空气在钻杆内流动产生的阻力损失△pz。

风力排渣的基本条件是钻孔内的风速应能够吹动孔内的大煤块，并且吹出钻屑的能力大于钻孔钻进时钻屑的产生量。为此，根据钻屑的粒度、打钻速度等，运用气力输送理论计算出风力排渣的合理风速，以确保足够的排渣能力。

2.3 保证足够的风量和风压

目前一般煤矿的压风风压不超过0.5MPa，对目前的钻具而言，这一风压显然不能达到足够的供风量。使打钻地点的风壓通常达到0.65MPa以上，并且24h正常运转。

2.4 钻进速度

当发现钻孔所排出的煤渣较多或有煤炮现象时，应减慢钻速或停止钻进，通过降低速度达到充分排渣的目的，减少沉渣，直到正常时再进钻。必要时还应退掉几根钻杆，然后再边排渣边重新进钻。

2.5 设计采用满足风力排渣和长钻孔施工的大扭矩钻杆

如果钻孔穿煤长，风压需要专用空气压缩机提供压风，效果会更好。

由于压风的压力达到0.7MPa，要提高孔内风速，只有降低压风的沿程阻力损失，这就要适当扩大输送压风的钻杆内孔直径。同时，顺层长钻孔的深度大，孔壁、钻屑与钻杆之间的摩擦阻力也大，应适当增加钻杆强度。所以，试验所用钻杆的内、外径应该比常规的Φ42mm钻杆都大，并在钻杆结构上考虑了降阻问题。由于钻杆直径增大，通过的风量和钻杆强度等也相应提高，更有利于顺层长钻孔的施工。

作者简介：姚丙祥（1969，03-），2006年毕业于鹤矿学校，2007年从事一通三防工作技术工作至今。