三棱凹槽螺旋钻杆在余吾煤业的应用

戎冬冬

(潞安集团 余吾煤业公司，山西 长治 046103)

余吾煤业公司是潞安集团所属的一座大型现代化矿井，主采3号煤层，属于高瓦斯矿井，煤尘有爆炸危险性，自燃倾向性等级为Ⅲ类，属于不易自燃煤层，无突出危险性。

1 应用背景

余吾煤业南五采区位于矿井西南方向，煤体原始瓦斯含量为11 m3/t左右，煤层底板标高为310～420 m，煤层埋深为400～610 m。煤体坚固性系数为0.35～0.56，属于松软煤层，主要采用顺层钻孔对回采工作面煤体进行预抽。打钻使用ZDY4000S煤矿用履带钻机，配合麻花钻杆排渣，正常情况下，单台钻机一个圆班施工进尺可以达到150 m以上，单孔瓦斯抽采纯量为0.025 m3/min以上。

通过统计分析南五采区S5101胶带巷、S5101回风巷、S5206回风巷顺层钻孔成孔情况发现，钻孔深度以60～120 m为多，平均单孔抽采纯量为0.01～0.012 m3/min，主要原因为钻孔施工区域煤体松软，钻孔施工过程中出现夹钻、塌孔，导致成孔率不高、抽采效果较差。

2 三棱钻杆排渣技术

由于松软煤层煤体松散破碎、硬度低，钻孔施工非常困难，采用普通麻花钻杆进行施工时，无法连续将孔内煤渣排出，最终发生卡钻或抱钻甚至埋钻事故，导致钻孔成孔率低，严重制约矿井瓦斯治理，影响煤矿安全生产[1]。

为此，试验采用三棱凹槽螺旋钻杆(见图1)钻进松软煤层，钻杆的3个棱边在钻杆与钻孔壁之间形成了3个半圆形空间，扩大了排出煤粉和瓦斯的通道。随着端部钻头连续切削煤层，煤渣落到钻杆与孔壁形成的环状间隙内，在三棱凹槽螺旋钻杆的回转带动下，其3条棱边将孔内的煤渣持续搅动，使其始终处于运动状态，孔内煤渣发生堆积的几率大大降低；同时，凹槽螺旋结构可形成持续的排渣通道，起到辅助排渣的作用，将孔内煤渣排出孔外，从而实现持续钻进的目的；此外，三棱凹槽螺旋钻杆在旋转时，3个棱边及螺旋槽会对孔底沉积的煤渣起到二次破碎作用，从而进一步减小煤渣颗粒的粒径，有利于排渣[2]。

3 现场工业试验及效果

2018年11月，余吾煤业在南五采区S5101胶带巷进行三棱凹槽螺旋钻杆工业试验，使用ZDY4000S煤矿用履带钻机、三棱凹槽螺旋钻杆。 S5101胶带巷设计长度为1 897 m，巷道断面为5.4 m×3.8 m，配风量为1 475 m3/min；钻孔设计深度为155 m，孔径120 mm，倾角为2～5°，方位角为270°，开孔高度为距离巷道底板1.8 m，钻孔间距为2.5 m，每4个钻孔并为一组带抽，三棱钻孔施工钻孔编号为S1号-S12号。为对比三棱凹槽螺旋钻杆与麻花钻杆应用情况，选取S5101胶带巷21号-32号共12个钻孔进行对比。

3.1 成孔情况分析

通过统计，S5101胶带巷麻花钻杆与三棱凹槽螺旋钻杆施工钻孔平均深度分别为95.6 m和151.3 m，后者是前者的1.58倍，具体成孔深度如表1所示。

表1 S5101胶带巷不同钻杆施工钻孔成孔情况

1) 钻孔深度：使用麻花钻杆施工的21号-32号钻孔最大孔深为115 m，孔深超过100 m的钻孔数量为5个，所占比例为23.8%；使用三棱凹槽螺旋钻杆施工的S1号-S12号钻孔最大孔深为155 m，孔深超过100 m钻孔数量为11个，所占比例为91.7%，其中5个钻孔深度达到设计孔深。显然，使用三棱凹槽螺旋钻杆钻孔深度远大于麻花钻杆，主要原因为三棱凹槽螺旋钻杆排渣能力强。

2) 煤渣形态：在S5101胶带巷使用三棱凹槽螺旋钻杆、麻花钻杆钻进过程中，对不同钻孔排出的煤渣形态进行跟踪。使用麻花钻杆排出的煤渣大小、形态不一，煤粒多为直径0.4～0.6 cm，夹钻时煤粒直径达到1 cm；使用三棱凹槽螺旋钻杆排出的煤渣大小、形态较为均匀，煤粒多为直径0.1～0.3 cm，以细煤粉居多。钻进过程中煤粒的大小直接决定着打钻困难程度，显然三棱凹槽螺旋钻杆在钻进过程中利用其“二次破煤”能力，对钻头煤块重新进行二次破碎，保证了排渣通道顺畅，有效降低了钻孔施工过程中夹钻、塌孔概率。

3.2 抽采效果

麻花钻杆、三棱凹槽螺旋钻杆施工钻孔均为每4个钻孔并为一组，每组安装一个4寸孔板流量计，其中第1-3组为麻花钻杆钻孔，第4-6组为三棱凹槽螺旋钻杆钻孔。为考察两种不同类型钻杆施工钻孔抽采效果，每3天对6组钻孔的孔板流量计观测记录，得出每组钻孔抽采纯量，数据见表2。

1) 平均抽采纯量(见图2)：麻花钻杆平均抽采纯量为0.046 m3/min，三棱凹槽螺旋钻杆平均抽采纯量为0.085 m3/min，三棱凹槽螺旋钻杆为麻花钻杆的1.85倍。

2) 最大平均抽采纯量：麻花钻杆第1～3组最大平均抽采纯量为0.06 m3/min；三棱凹槽螺旋钻杆第4～6组最大平均抽采纯量为0.123 m3/min，三棱凹槽螺旋钻杆为麻花钻杆的2.05倍。

由此可以得出，使用三棱凹槽螺旋钻杆钻孔最大平均抽采纯量、平均抽采纯量均优于麻花钻杆钻孔，说明使用三棱凹槽螺旋钻杆不仅能够增加钻孔深度，也能确保孔内抽采通道畅通，提高钻孔抽采纯量。

图2 S5101胶带巷不同钻杆施工钻孔抽采流量对比

4 结 语

通过在余吾煤业S5101胶带巷试验三棱凹槽螺旋钻杆施工抽采钻孔，三棱凹槽螺旋钻杆比麻花钻杆在钻孔平均深度和抽采纯量均有较大幅度的提高，能有效解决松软煤层钻孔深度不足、打钻困难问题，为松软煤层钻孔施工提供了技术保障。