冲击地压煤层大直径卸压孔快速成孔关键技术

魏宏超，王 毅，王 博

冲击地压煤层大直径卸压孔快速成孔关键技术

魏宏超1,2，王 毅2，王 博2

(1. 煤炭科学研究总院，北京 100013；2. 中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西 西安 710077)

为了提高冲击地压矿井大直径卸压钻孔的成孔率和施工效率，通过对冲击地压矿井煤岩体应力特征、卸压孔孔壁扰动动力失稳特性及施工特点的分析，探讨了大直径卸压孔快速施工的关键点在于高效排渣、快速成孔提钻。采用具有1.25 m行程轨道、大通孔动力头的ZDY4000LR型钻机，优化了大直径卸压钻孔施工操作流程，形成了水介质螺旋宽翼片双动力排渣高效成孔工艺方法，并在河南义马矿区和陕西彬长矿区进行了现场试验。结果表明：该工艺技术能够安全、高效地施工大直径卸压钻孔，施工效率较大螺旋钻进技术提高了48.9%，成孔率可达到100%。研究成果对类似冲击地压矿区施工煤层卸压孔提供借鉴。

冲击地压；大直径卸压钻孔；ZDY4000LR型钻机；复合排渣；河南义马矿区；陕西彬长矿区

随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，我国大多数矿井已进入中深部开采阶段，包括冲击地压在内的各种动力灾害的发生类型、频率、烈度均有所增加[1]。截至2019年6月，我国正在生产的冲击地压矿井数量达到了121个，广泛分布在山东、黑龙江、陕西等20个省、自治区[2]。煤层大直径钻孔卸压法是一种通过施工钻孔将积聚高压缩能的煤岩破碎、排出煤体[1]，实现软化煤岩结构、消除地层应力集中，从而达到卸压目的。钻孔卸压法因工艺相对简单、成本低、对生产影响小的优点，占到了冲击地压解危措施中的近1/3[3]。

目前，国内针对钻孔卸压法的研究主要集中在钻孔卸压机理、卸压钻孔布置参数、钻孔参数对卸压效果影响等方面。贾传洋等[4]通过室内试验研究孔径、孔间距及孔深等参数对试样强度的影响；马斌文等[5]研究了钻孔卸压防治煤体冲击地压机理，推导了钻孔卸压区的边界方程，分析了煤体性质、钻孔直径及应力环境对钻孔卸压区分布的影响；朱斯陶等[6]、王书文等[7]利用能量法分别推导了基于能量耗散指数的防冲钻孔参数定量计算方法和钻孔防治冲击地压效果评价方法；易恩兵等[8]、刘红岗等[9]、兰永伟等[10]采用数值方法分析了大直径钻孔卸压效果和钻孔周围应力分布。

大量文献表明，随着钻孔直径的增大，卸压效果显著，且涉及的大直径卸压钻孔施工方法多以大螺旋机械排渣钻进工艺技术为主[2-11]，钻进施工参数分析与研究较少。基于此，笔者从分析煤层大直径卸压钻孔施工关键点入手，提出了水介质螺旋宽翼片双动力排渣成孔工艺方法，并在河南义马矿区和陕西彬长矿区进行应用，以期提高成孔率和施工效率，为类似冲击地压矿区提供借鉴。

1 冲击地压矿井掘进巷道煤岩体应力特征

在巷道掘进过程中，工作面与侧帮形成后在张应力作用下，在近巷道区域煤岩体内部产生延性Ⅰ型微小裂纹，其扩展近似平行于最大主应力方向[11]。裂纹的产生与煤岩体的弹性变形释放了近巷道区域的岩体压缩能，形成了卸压区(残余强度区)，该区域影响范围与煤岩的坚硬系数、弹性极限强度、原岩最大主应力等参数有关[12]；紧邻卸压区为应力临界区，在该区域煤岩处于极限破坏临界状态，主应力差较大；远离巷道区域(原应力区)，岩体在围岩压力作用下处于高压缩能的应力平衡状态，主应力差较小，不产生剪切破坏，各应力区域分布如图1所示。随着时间的推移，应力不断传递恢复，卸压区和临界区随之不断变化减小，巷道不断被挤压缩小。

2 卸压孔孔壁扰动动力失稳特性与过程

在煤层巷道中施工水平卸压钻孔时，孔周围围岩煤体的自重对钻孔的影响可以忽略不计[10]。在施工卸压钻孔时，钻孔一次穿过卸压区和临界区进入原应力区。

图1 掘进巷道围岩应力区分布示意图

在卸压区内，弹塑性变形与裂隙的产生导致局部破坏，最大主应力与最小主应力值均较小，剪应力区域为零，在该区域，煤岩体积压缩量较小，钻孔施工排除的煤岩粉体积略微大于钻孔体积。

在临界区内，最大主应力接近上覆岩层重力与构造应力之和，剪应力处于极限平衡状态。钻孔施工至该区域时，钻头切削排除的煤岩粉体积大于钻孔体积，其比值正相关于最大主应力值与煤岩弹性压缩系数比值；此时，孔壁最小主应力减小，剪应力极限平衡状态被打破，孔壁及其周围一定范围内煤岩瞬间发生剪切破坏，大量孔壁破碎煤岩块体瞬间进入钻孔；随着孔壁的不断破坏，卸压区域不断扩大，逐渐趋于应力平衡，产生的扩孔系数可以达到1.73~2.44[13]。

在原应力区，最大主应力与最小主应力值均较高，煤岩体处于稳定状态。钻孔施工至该区域时，钻头切削排除的煤岩粉体积大于钻孔体积，孔壁产生剪应力破坏，破碎范围不断扩大，大量破碎煤岩块体进入钻孔。

综上所述，在施工卸压钻孔时，由钻头破碎煤岩产生的煤岩碎块(钻屑)体积远小于孔壁失稳剪切破坏产生的煤岩碎块，施工卸压钻孔的目的在于：形成将破碎煤岩搬运出煤体的通道；将临界区应力消除，在原应力区形成新的临界区；扩大卸压区范围，减缓原始应力的恢复。

3 关键技术

通过分析冲击地压煤层施工卸压孔孔壁应力失稳过程可知：在卸压钻孔施工过程中，钻孔内在短时间产生大量的煤岩碎块，这与文献[14-16]描述的在施工过程中出现的情况一致。在施工卸压钻孔时，孔壁失稳产生大量的煤岩碎块，其体积远大于普通钻孔中仅在钻头破碎岩石时产生的钻屑。因此，大直径卸压钻孔安全、高效成孔的关键在于将连续产生的大量煤岩碎块高效排出钻孔以及快速钻进与提钻。

3.1 排渣技术

煤矿井下近水平钻孔施工排渣方式主要有：螺旋排渣、水介质排渣和风介质排渣[17]。宽翼螺旋与风介质相结合的中风压复合排渣技术已成为目前碎软突出煤层的主要施工方法，有效解决了碎软突出煤层消突钻孔孔壁扰动失稳产生的大量煤粉难排除的问题。而冲击倾向性煤层在卸压后能够达到自稳定状态，受冲洗介质扰动很小，因此，宽翼螺旋与水介质相结合的双动力复合排渣方法，能够实现煤岩碎块的快速排出要求。

同时，水的悬浮作用减小了煤岩碎屑的有效重力，在高速旋转的钻杆宽翼片搅动(振动)下，大颗粒的碎屑在钻杆周围“液化”，形成悬浮颗粒流体，加快了煤岩碎屑的有效排出。此外，水还具有软化煤岩体、弱化冲击倾向的作用[18]，进一步增强了该方法的适用性。

3.2 工艺流程

普通钻孔煤岩碎块主要是由钻屑组成，冲击地压煤层卸压钻孔施工过程中，煤岩碎块主要是由于钻孔孔壁失稳破坏产生，具有量大、连续产生的特点。在施工过程中，接钻杆停钻成为孔内煤岩碎块大量淤积、卡/埋钻的主要原因。因此，连续钻进或最大限度缩短接钻杆时间成为防止卡钻、埋钻的主要手段。由于煤矿井下作业空间有限，通孔式全液压坑道钻机大多采用人工后部接钻杆的形式，需要完成“停钻–卸送水器–接钻杆–连接送水器–送水–钻进”的接钻杆工艺流程，如采用中间加钻杆的流程，避免了“卸送水器” “连接送水器”两个步骤，极大地减少了停钻时间。同时，利用动力头的大通孔结构，采用动力头卡盘与夹持器配合，在动力头后部完成将钻具快速提出钻孔，有效减少卡钻、埋钻事故的发生。

综上，形成了水介质螺旋宽翼片双动力排渣高效成孔工艺，其方法原理如图2所示。

1—送水器；2—钻机；3—宽翼片螺旋钻杆；4—PDC钻头

4 装备与配套

4.1 钻机

为实现中间快速夹持钻杆、高效排渣，试验选用中煤科工集团西安研究院有限公司生产的ZDY4000LR型履带式全液压坑道钻机(图3)。该钻机的特点有：①轨道行程达到1.25 m，实现了中间夹持1 m规格及以下钻杆的功能；②常闭式夹持器可与卡盘协同实现机械拧/卸钻杆，同时配合ø110 mm大通孔动力头，可从动力头后部快速钻进。该钻机的主要技术参数见表1。

图3 ZDY4000LR型全液压坑道钻机

表1 ZDY4000LR型钻机主要技术参数

4.2 钻具

宽翼片螺旋与水介质相结合的工艺方法实现的关键在于钻杆的结构与形式，选用ø89/73 mm规格宽翼片螺旋钻杆，如图4所示。宽翼片设计保障了煤岩破碎块的排出通道，同时螺旋翼片在回转作用下将大颗粒煤岩破碎块搅动起来，再在水流的作用下快速、高效从孔内排出。

钻头可选用与之配套的ø153 mm以上型号即可。

图4 ø89/73 mm宽翼片螺旋钻杆

5 应用实例

5.1 河南义马A矿

该矿2号煤层埋深710~840 m，煤样的动态破坏时间为79.9 ms，冲击能量指数为3.25，弹性能指数为9.88，为弱冲击倾向性煤层。项目组在该矿21220下巷采用ZDY4000LR型钻机、“ø193/153/133 mm PDC钻头+ ø89/73 mm宽翼片螺旋钻杆”钻具组合，以清水为冲洗介质，施工了4组21个大直径卸压钻孔，钻孔参数见表2。

采用“中间夹持钻杆”钻进工艺流程，将钻进接单根钻杆时间由2~3 min缩短至35 s以内，减少了钻具静置时间；通过宽翼片螺旋钻杆高转速快速搅动、大扭矩高效排渣两个模式切换，调节钻进速度，将回转压力控制在12 MPa以内，有效保障了孔内煤渣的顺畅排出，施工过程中未发生埋/卡钻事故，ø153 mm钻孔深度提高至40 m，平均单孔(孔径153 mm、孔深40 m)施工用时仅为102.75 min。

表2 河南义马A矿21220下巷大直径卸压钻孔施工统计

采用钻屑法对4组大直径卸压钻孔卸压效果进行测评(图5)，结果表明巷道迎头地层压力满足巷道继续掘进要求。

图5 钻屑法检测曲线

5.2 陕西彬长矿区B矿

该矿4号煤层埋深800~1 250 m，煤样动态破坏时间为278.40 ms，冲击能量指数(上分层/下分层)为3.20/2.98，弹性能指数(上分层/下分层)为13.36/11.54，单轴抗压强度(上分层/下分层)为20.5/18.2 MPa，为强冲击倾向性煤层。采用ZDY4000LR型钻机、“ø153 mm PDC钻头+ ø89/73 mm宽翼片螺旋钻杆”钻具组合，以清水为冲洗介质的水介质螺旋宽翼片双动力排渣工艺方法(A)，在该矿一盘区辅运巷施工了298个大直径卸压钻孔；采用大螺旋机械排渣钻进工艺方法(B)施工了136个大直径卸压钻孔，钻孔参数见表3。

施工过程中，采用“中间夹持钻杆”钻进工艺流程和高转速/大扭矩切换操作，冲洗液排量控制在100~120 L/min，旋转的ø89/73 mm宽翼片螺旋钻杆产生的振动作用，使得大块煤渣(有效粒径大于等于10 mm)在冲洗液中悬浮，随着冲洗液流动快速排出钻孔，达到了高效排渣效果。

与大螺旋机械排渣钻进工艺方法(B)相比，该工艺方法施工进尺效率可提高48.9%，且钻孔事故率大大降低。

表3 陕西彬长B矿一盘区辅运巷大直径卸压钻孔施工统计

6 结论

a.通过对冲击地压矿井煤岩体应力特征、卸压孔孔壁扰动动力失稳特性分析，对比普通钻孔施工，确定了冲击地压矿井大直径卸压钻孔施工的关键在于高效排渣、快速钻进与提钻。

b. 现场试验表明：采用1.25 m行程轨道和大通孔动力头的ZDY4000LR型钻机、以清水为冲洗介质、配套宽翼片螺旋钻杆的水介质螺旋宽翼片双动力排渣成孔工艺方法，较大螺旋机械排渣钻进工艺，施工大直径卸压钻孔具有较高的成孔率和施工效率，成孔率达到100%，最大孔深可达到99 m，具有较高的实用价值。

c. 以水为冲洗介质与螺旋宽翼片钻杆相结合施工方法的排渣机理和适用性有待进一步深入研究与验证。

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Key technology for rapidly drilling large diameter destressing-drillhole in rockburst coal seam

WEI Hongchao1,2, WANG Yi2, WANG Bo2

(1. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China; 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd.,China Coal Technology and Engineering Group Corp.,Xi’an 710077, China)

In order to improve the hole forming rate and construction efficiency of large diameter destressing-drillhole in rockburst mine, based on the analysis of the stress characteristics of coal rock in rockburst coal mine, the dynamic instability characteristics of destressing-drillhole and the construction features, the key points for drilling large diameter destressing-drillhole, the efficient discharge of cuttings and fast drilling/lifting were proposed. Combining with the discharge of cuttings method by dual-power, the technology and equipment for rapidly drilling large diameter destressing-drillhole in rockburst coal seam were formed finally after the design and optimization of key equipment, drilling tools, technology and drilling processes. With the equipment based on the ZDY4000LR rig and the technology including water medium and spiral wide wing drilling pipe, the holes were drilled, safely and efficiently. And the method was proved and used at coal mines of Henan Yima and Shaanxi Binchang. The tests show that: the large diameter pressure-relieving borehole could be constructed efficiently and safely, and the efficiency is increased by 48.9% comparing with high and thin helical blade drilling pipe drilling method. The fole-forming rate reached 100%, the method has high application value and popularization significance. And this method can be used for reference in driiling destressing-drillhde in similar coal mines.

rockburst; destressing-drillhole; ZDY4000LR rig; discharge of cuttings method by mix-power; Henan Yima coalfield; Shaanxi Binchang coalfield

TD15

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.004

1001-1986(2020)02-0020-05

2019-11-11；

2020-02-24

国家科技重大专项任务(2016ZX05045-003-002)；中煤科工集团西安研究院有限公司科技创新基金项目(2016XAYMS23)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)；Science and Technology Innovation Fund of Xi’an Research Institute of CCTEG(2016XAYMS23)

魏宏超，1984年生，男，河北唐山人，博士研究生，副研究员，从事煤矿井下钻探技术研究与推广. E-mail：weihongchao@cctegxian.com

魏宏超，王毅，王博. 冲击地压煤层大直径卸压孔快速成孔关键技术[J]. 煤田地质与勘探，2020，48(2)：20–24.

WEI Hongchao，WANG Yi，WANG Bo. Key technology for rapidly drilling large diameter destressing-drillhole in rockburst coal seam[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：20–24.

(责任编辑 聂爱兰)