提高煤层顶板抽采钻孔钻进速度技术研究

朱定华

摘 要：中梁山煤田属急倾斜近距离突出煤层群，煤层群的发育特征及其赋存的开发地质环境条件严重的制约了煤层气开发技术的可选择性，故开采前采取穿层钻孔预抽煤层瓦斯。由于煤系地层中含有大量铁质泥岩、硅质灰岩、菱铁矿层等坚硬岩石，传统打钻方法进度慢、效率低、材耗多。利用力学原理，改进打钻工艺，提高钻进速度，降低材料消耗。

关键词：抽采钻孔；钻进速度：技术

中图分类号：：TD712 .62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2018）03（a）-0000-00

重庆中梁山煤田属急倾斜近距离突出煤层群，建有南矿、北矿二个自然矿井。矿井煤层在开采过程中均有突出危险（K2除外），因此，在对煤层进行掘进和开采前必须预抽瓦斯。抽采巷道布置在煤层顶板或底板，采取穿层钻孔预抽煤层瓦斯。由于煤岩系地层中含有大量茅口灰岩、长兴灰岩、铁质泥岩、硅质灰岩、泥灰岩等坚硬岩石（f≥12），传统的抽采钻孔施工方式打钻困难、进度缓慢、效率低下、材料消耗大，造成矿井北翼工作面布置不能按时完成，给采掘接替带来重大影响，对保护层掘进和开采带来严重安全威胁。因此，需要对原打钻工艺进行改进，以提高钻孔施工速度。

1 矿井概况

中梁山井田煤岩系为二叠系上统龙潭组（P2l），北矿区内含煤10层（编号K1～K10），煤层总厚14.91m。根据岩性组合特征，可分为三段，含煤段区集中在一、二段内，可采和局部可采煤层9层，煤层倾角68°～72°，层间距3～10m。北矿属于煤与瓦斯突出矿井，瓦斯、煤尘、自燃发火、顶板、地下水等灾害非常严重。

1.1 煤系地层岩性状况

（1）铁质泥岩：为深灰色泥岩，岩层中含有大量菱铁矿，分布于K1煤层顶部，俗称“铁板石”，厚度4m，岩石硬度系数f≥12。

（2）泥质岩：以灰色、灰黑色泥岩、砂质泥岩为主，其次为灰黑色炭质泥岩、灰～浅灰色粘土岩，分布于K1～K2煤层之间。

（3）粉砂岩：以灰色泥质粉砂岩、菱铁质粉砂岩为主，分布于K2～K3煤层、K8～K9煤层之间。

（4）砂岩：以灰色细砂岩为主，其次为中粒砂岩，局部发育有粗粒砂岩，分布于K3～K5煤层、K9～K10煤层之间。

（5）灰岩：为深灰色硅质灰岩及泥灰岩，分别俗称“小铁板”和“大铁板”，小铁板厚度0.8m，岩石硬度系数f≥13，大铁板厚度3.5m，岩石硬度系数f≥15，分布于K5～K7煤层之间。

（6）煤层：以亮煤为主，暗煤次之，夹镜煤细条带及丝炭透镜体，含有菱铁矿或黄铁矿结核，占含煤岩系总厚的13.34%。

1.2 抽采巷道及钻孔布置情况

根据中梁山煤层赋存条件、岩性特征、煤层气运移规律，采用穿层钻孔预抽煤层气【1】。井下抽采巷道一般布置在煤层底板的茅口灰岩内，距离K10煤层20～30米，抽采钻孔从茅口灰岩开口，穿透十层煤至K1顶板。二000年以后，北矿北端地质情况和煤层赋存条件发生了变化，矿井开拓方式也进行了调整，在220m水平北端C8～C10段，140m水平北端C8～C10段，煤层沿走向往北出现向下倾伏，煤层底板的茅口灰岩消失，从220mNC8以北，140mNC8以北，只能将抽采巷道布置在煤层顶板方向的西外长兴灰岩段P2L3中，抽采巷距离K1煤层50～70米，每隔40米布置一个钻场，在钻场内安装钻机施工抽采钻孔，钻孔在西外长兴灰岩开口，从煤系地层顶板向底板施工穿层钻孔，分别穿过K1、K2···K9、K10煤层，呈立体网格状布置（如图1、图2）。

2 传统钻孔施工工艺及课题提出

中梁山北矿抽采钻传统施工方式：使用全液压钻机，φ50mm钻杆进行抽采钻施工，钻头采用φ65mm三翼钻头外套φ75mm空心钻头，全断面切割施工，钻头组合长度小于1米，空心钻头无专门反水槽，在岩石硬度系数f<8的岩层中打钻时能够保证施工进度，但遇粘土软岩石时，容易发生堵塞甚至“烧钻”。由于矿井北端抽采巷布置在西外长兴灰岩中，岩石沉积不稳定，层位变化大，富含菱铁矿、黄铜矿石，特别是K1顶板的铁质泥岩（I4），煤系中的大铁板（I3）、小铁板（I2）等坚硬岩石，打钻进度十分缓慢，施工效率极低。

为了不影响矿井北翼工作面布署，加快打钻进度，北矿采取从打钻工艺和管理着手，提出了“提高煤层顶板抽采钻孔钻进速度技术研究”的课题。

3 钻孔施工工艺改进

3.1 改进钻头焊接方式

在西外长兴巷内施工抽采钻，由于岩石坚硬，打钻时，钻头与岩石的摩擦阻力将极大增加，容易打断钻头上的硬质合金片，减少钻头使用寿命，降低工效。根据钻头轴压力计算方法【2】，对钻头加工进行改进，方法是把合金片與钻头的垂直连接改为倾斜连接（如图3），从而降低磨擦阻力。同时，将钻头合金槽加深，减少合金外露长度，降低横向受力，增加强度，一般从6mm降为3mm（如图4）。

当钻头以相同压力和转速工作时，垂直连接和倾斜连接合金所受压力均为F，垂直连接的合金片在水平方向上所受磨擦力F1= COS45?×F= 0.71F；倾斜连接的合金片在水平方向上所受磨擦力F2=COS60?×F=0.5F，因此F2

3.2 加大钻头反水槽

传统抽采钻孔施工，钻头反水槽深度一般为5mm，在硬岩石上施工和在层位变化较大的地段打钻时，保持一定排水量，起到降温排钻屑作用，避免在软质岩性施工时堵塞钻头，发生烧钻、卡钻等事故。针对220m、140m水平北翼西外长兴巷施工抽采钻，钻孔需穿过铁质泥岩、大铁板、小铁板等多层坚硬岩石，在普通空心钻头上加工2～3个“V”字型反水槽，反水槽深度增加至8mm，从而增大了钻头排水面积，保持水路畅通，打钻时钻头上的合金不易断裂，减少换钻次数，提高效率。

3.3 采用岩芯管导向施工

西外长兴巷施工抽采钻时，钻孔深度较深，钻孔在50米见K1煤层，钻孔终孔深度一般为120～150米。打钻时，随着钻孔深度增加，岩芯管与钻孔孔壁的磨擦力会不断增加，加之钻孔周边的岩石密度不均匀，钻孔会发生弯曲、变型，阻力将成倍上升，甚至损坏设备或扭断钻杆。为了保证钻孔成型后尽量呈直线，降低曲率，减少阻力，施工时，采用双向异径接头施工，在φ75mm的异径接头后面，另套上一根3-5米长的导向管（如图6），不断矫正钻孔，保证施工成型钻孔成直线。

3.4 改变钻进切割方式

传统抽采钻孔施工，一般采用空心钻头套无芯鉆头进行全断面切割。西外长兴巷打钻时，由于长兴灰岩、硅质灰岩、铁板石等岩石坚硬，全断面切割阻力大，进度慢，试验时改进了施钻工艺，采用空心钻头套岩芯管局部切割，提取岩芯的方法施工。打钻时根据不同岩性分别使用不同钻头，岩石硬度系数较小的砂岩、泥岩、粘土岩施工，采用合金钻头钻进，煤层顶板的铁质泥岩、菱铁矿层，煤系地层中的大铁板（I3）、小铁板（I2）施工，则采用天然金刚石钻头钻进，极大提高了打钻效率。

3.5 优化设计和强化劳动组织

选择适宜的钻机，合适的钻具组合，优化钻孔参数设计【3】，合理组织施工人员，增加打钻班次，开展劳动竞赛，保证工时利用，从而提高劳动生产效率和打钻工效。

4 效果对比和经济效益

4.1 改进工艺后的效果

该课题实施时间从2014年1月至2015年8月。在打钻工艺改进前，矿井北端西外长兴巷施工抽采钻，每月单台钻机施工进度为500m，硬质合金、油酯等材料消耗极大。从2014年5月份改进工艺后，每月单台钻机可施工1500m，最高时达1800多米，进尺平均提高3倍以上，材料消耗下降了20%。

通过改进打钻工艺，提高了打钻速度，220m水平北翼抽采钻比传统施工方式提前7个月完成，140m水平北翼抽采钻比传统施工方式提前6个月完成，全矿有478个钻孔提前抽采瓦斯，增大了矿井瓦斯抽采量，创造了经济效益，同时为该区保护层（K2）安全掘进，矿井北端工作面正常接替提供保障，降低了回采过程中瓦斯涌出量，减少安全威胁，消除了事故隐患。

4.2 改进工艺后的经济效益

（1）瓦斯收入

220NC8-C10瓦斯抽采流量：2.8m3/min，月瓦斯抽采总量Q月=120960m3。

瓦斯收入=120960×0.45=54432元/月（0.45元/m3：瓦斯气结算单价）

七个月瓦斯收入=54432×7=381024元

140NC8-C10瓦斯抽采流量：3.1m3/min，月瓦斯抽采总量Q月=133920m3。

瓦斯收入=133920×0.45=60264元/月

六个月瓦斯收入=60264×6=361584元

220m、140m水平二个区域瓦斯收入共742608元。

（2）人力成本节约

改进前，打钻工效为3.33m/工，改进后，打钻工效为10.5m/工，工效提高7.17m/工。

220m、140m水平NC8-C10二个区域设计抽采钻孔478个，钻孔总进尺51000米，改进工艺后打钻节约工时数：51000m÷7.17m/工=7113（工）

节约人工成本：7113工×68元/工=483684元

（3）材料节约

改进前，打钻材料消耗为13.5元/m，改进后，材料消耗为10.8元/m，材料节约2.7元/m。

220m、140m水平NC8-C10二个区域打钻节约材料：51000m×2.7元/m=137700元。

上述三项合计创效益136.4万元。

5 适用范围和推广应用

矿井北端煤层顶板抽采钻孔施工技术，通过不断探索和实践，努力改进打钻工艺，强化组织管理，提高了钻进效率，提升了打钻进度，降低了生产成本，并为矿井北端工作面布置创造了良好条件。该项技术适用于矿井抽采钻、地质钻、防火钻施工，也适合在其它类似矿井进行推广应用。

参考文献

[1] 张子敏.瓦斯地质学.中国矿业大学出版社.2009.

[2] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术.煤炭工业出版社.2007.

[3] 赵铁锤，袁亮.煤矿总工程师技术手册.北京：煤炭工业出版社.2011.