突出松软煤层深孔打钻工艺的创新与应用

煤矿安全

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　　　　　　　　　技术经验

突出松软煤层深孔打钻工艺的创新与应用

代志旭,陈寒秋,郑尚超

(平顶山煤业集团公司八矿,河南平顶山467012)

摘　要:突出松软煤层深孔钻进是公认的世界难题。为解决突出松软煤层生产过程中的煤与瓦斯突出问题,最主要的手段就是进行深孔打钻,通过在钻孔设计、钻具改进和打钻工艺等的研究,摸索出了一套行之有效的办法,有效解决了突出松软煤层打钻难的问题。关键词:松软煤层;深孔打钻;创新

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中图分类号:TD713.3　　　文献标识码:B　　　文章编号:1003-496X(2007)08-0020-02

来解决,综合办法包括:钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等方面。这里主要介绍钻孔设计、钻机钻具及打钻工艺。

(1)钻孔设计奠定深孔钻进基础。在设计钻孔时,设计钻孔开口位置与角度是关键,钻孔的钻进角度一般情况下是根据煤层的顶板角度来确定的,但由于软分层的存在以及钻杆自重的原因,钻孔轨迹并不是一条平行于煤层顶板的直线,钻进过程中钻孔往往在没有达到设计孔深的时候见到煤层顶板或底板,造成钻孔深度较低。而且钻孔的角度在打上行孔与下行孔时也存在差距,通过研究,打上行孔时,钻孔的角度一般小于煤层倾角2°～3°,在打下行孔时,钻孔的角度要大于煤层倾角1°～2°。这样,可以使钻孔的轨迹基本沿着煤层走,有效增加钻孔深度。

(2)钻具创新突破“三区域”钻进难关。目前使用的钻机已定型,普遍使用的是Φ75mm普通三冀钻头配合Φ50mm钻杆,在突出松软煤层中打钻时,因前面所述原因,在打钻期间往往造成卡钻、塌孔,不能形成深孔。

2.1　国内现行传统钻具风力排粉卡钻夹钻原因

(1)钻孔堵塞破坏排渣系统。钻进时钻孔内出

1　突出松软煤层打钻存在的问题及原因分析突出煤层往往是松软煤层,打钻的主要难点是喷孔、塌孔、堵孔和卡钻,这些现象在松软煤层中打钻经常出现,甚至是频繁出现,致使无法打深孔,最严重的是卡钻,出现卡钻时,不仅不能继续钻进,还有可能丢失钻杆,造成打捞困难,甚至无法打捞,给生产造成影响。

松软煤层钻进喷孔、卡钻的形成过程可分成:煤体破碎(钻进→切削煤→煤体粉碎)→瓦斯聚积(瓦斯迅速解吸→孔壁破裂→孔内堵塞→瓦斯梯度猛增)→瓦斯释放(突破堵塞→喷孔和卡钻)喷孔和卡钻原因分析:钻孔喷孔应看作是钻孔中出现的动力现象,这种现象的出现类似煤与瓦斯突出,主要是高压瓦斯、应力集中和软煤存在三个因素综合作用的结果。

当钻孔进入软煤分层时,钻头的切削旋转,对软煤产生一种冲击和破碎力,这种力使煤体破裂、粉碎,破裂和粉碎了的煤体,顿时产生瓦斯迅速解吸。钻孔周边煤体快速度的瓦斯解吸,使流入钻孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的几倍到几十倍,此时钻孔前方与后方出现了较大的瓦斯梯度,因而出现了明显的瓦斯激流,承压的瓦斯激流对破坏的煤颗粒起着边运送边粉化的作用,同时还继续向钻孔周边扩大影响范围,由于钻孔孔径小和瓦斯激流和粉化了的煤颗粒难以顺利的向孔外排出,进一步增加了钻孔内外的瓦斯压力梯度,致使这种瓦斯涌出变成了爆发性的孔内瓦斯向孔口外流,形成喷孔、卡钻,钻孔深度低。

2　突出松软煤层深钻孔施工技术

现的煤炮、喷孔、塌孔会产生过量煤渣,传统钻杆不能有效将产生的过量煤渣及时排出,导致过量煤渣堵塞钻孔,造成排渣系统失效。

(2)钻杆堵塞破坏排渣系统。钻进时钻孔内的煤与瓦斯突出(煤炮、喷孔、塌孔)会产生大量高压瓦斯气体,其压力远远大于钻进时的风压,瓦斯压力导致钻杆内风流逆转,并携带煤渣进入钻杆,堵塞钻杆,造成供风系统失效、破坏了排渣系统。

(3)钻杆发热导致钻孔燃烧。在钻杆堵塞的情

实现松软煤层中打深孔,必须采取综合的办法

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况下,钻杆旋转很容易引发钻杆发热并导致瓦斯燃烧。钻杆风力排粉情况下,一旦遇到“煤炮区“、“严重喷孔区”和“塌孔区”,风力排渣系统极易失效,继续钻进必然引起卡钻夹钻,旋转退钻时又极易引起钻孔燃烧。所以,现行钻具难以穿越“三区域”,工人遇到这些区域,为了避免丢钻和钻杆烫手,只有选择放弃。

2.2　突出松软煤层扒孔降温钻进的原理及创新

(2007-08)

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螺旋输送具有将煤粉向孔口方向输送的力,作

用力与反作用力原理,钻杆同样会给钻机一个指向煤壁方向的拉力。具有扒孔功能的螺旋排粉方式会产生吸钻现象,这就要求钻机在钻孔方向上能够承受较大推力和拉力。钻机的操作流程需要做相应的改进。

(1)稳固钻机。严格执行“下垫、上压、前撑、后顶”的原则进行稳固钻机,保证钻机在钻进过程中不产生震动,降低钻进时的阻力,防止钻孔偏离中心,保证孔壁平直。

(2)掌握给进压力和钻进速度。钻机给进压力的极限是固定的,不同层段要掌握不同的给进压力,当给进压力突然升高时必须采取果断措施,一是停止钻进,进行压风排碴;另一种是撤钻退钻。在突出松软煤层中钻进时要减压、降速,通过减压、降速充分排碴,减少沉碴。

(3)保证打钻风压和风量。据实测,打钻风压必须在4kg/cm以上,风量必须在3m/min以上。3　应用效果

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在突出煤层中钻进,遇到“煤炮”是不可避免

的,“煤炮”堵塞钻孔,使风力排粉失效,此时往往需要停止打钻。在风力排粉失效的情况下,在传统钻具的基础上进行改进,则可克服风力排粉的缺陷,尽快恢复风力排粉的作用,解决传统钻具因风力排粉卡钻夹钻导致的钻孔深度低问题。(1)钻杆创新———添加螺旋输送扒孔功能。见图1。在钻杆外表设置螺旋输送槽,在不影响正常夹持器使用的前题下,保证钻杆的最小强度不变,给钻杆增加一个螺旋输送功能,即扒孔功能。以风力排粉为主,在“煤炮”发生后,钻孔堵塞风力排粉失效的情况下,通过发挥钻杆的螺旋输送即扒孔功能,运送堵孔段钻孔的煤粉,重新打通风力排粉通道,保证钻孔排渣系统正常有效。风力排粉通道开通之后,继续向前钻进,穿越三区域,继续钻进。同时扒孔钻进与风力协同排粉消除了钻杆旋转时产生的高温现象,避免了钻孔燃烧事故的发生。

戊9.10—12140机巷机巷设计走向617m,巷道采用锚网索支护,煤层倾角在8°～11°之间,平均10°。煤层倾角较稳定,平均煤厚为4.5m,巷道标高为-465～-450m,属于严重煤与瓦斯突出工作面,软煤厚度在0.8～1.8m之间,软煤坚固性系数在0.15～0.4之间。钻孔布孔方法:沿巷道走向每隔4m布置一个顺层钻孔。试验之前该巷道共施工钻孔173个,最大孔深53m,平均深度35m左右。开始用本方案试验后,施工钻孔198个,钻孔平均深度达70m,超过100m的钻孔为38个。

图1　钻杆创新前后比较图

4　结　语

(1)通过在钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等

　　(2)钻头创新———防止钻杆堵塞。“煤炮”不仅

会使钻孔堵塞,也会使钻杆堵塞。孔内动力现象即“煤炮”发生后,大量的高压瓦斯释放,释放的瓦斯压力会高于排粉风力的风压(0.5MPa左右),引起钻杆内风流逆转,将煤粉煤渣带入钻孔内部,堵塞排粉风路。为了解决这个问题,对钻杆与钻头的联结部进行改造,在Φ75mm普通三冀钻头内部增设一个单向阀,使得“煤炮”发生时,单向阀在瓦斯压力的作用下及时关闭,钻杆内没有逆转的瓦斯风流,保证钻杆不被堵塞。通过钻具的改进,在打钻期间因喷孔、煤炮而导致卡钻的现象基本消除。2.3　操作流程

方面的研究,提高了突出松软煤层中的打钻深度,解

决了钻进过程中钻杆发热问题,有效防止了卡钻、抱钻以及钻孔着火事故的发生。

(2)在地质构造带及薄煤层带,钻进易见岩石,下一步需对定向钻进继续研究。

　　作者简介:代志旭(1973-),男,1998年毕业于焦作工学院,长期从事煤与瓦斯突出治理工作,现工作于平顶山煤业集团八矿防突科。

(收稿日期:2007-02-05;责任编辑:王福厚)