文/李光華

深井高瓦斯低透氣性松軟煤層深孔施工技術(shù)研究

文/李光華

近年來(lái)，我國(guó)煤礦針對(duì)瓦斯抽放理論及技術(shù)做了諸多工作并取得了一些成就。本文針對(duì)張家口礦業(yè)集團(tuán)宣東礦在進(jìn)行Ⅲ3煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔施工中遇到的困難為背景進(jìn)行研究，分析總結(jié)出了影響鉆孔深度淺、鉆桿損壞嚴(yán)重的原因，在鉆機(jī)機(jī)具選擇及人工操作水平等方面進(jìn)行了調(diào)試試驗(yàn)。

一、煤層概況

Ⅲ3煤層為宣東煤礦主采煤層之一，為突出煤層，埋深800～1100m，屬中灰特低硫低磷的弱粘煤、氣煤、1/3焦煤，最短自然發(fā)火期為41天。Ⅲ3煤層可采厚度0.85～6.96m，平均2.38m，煤層傾角0°～15°，平均5°。煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且呈薄層，個(gè)別點(diǎn)含有夾矸2～4層，夾矸厚度0～1.3m。煤層頂板為粉砂巖和細(xì)砂巖，底板為砂質(zhì)泥巖，頂?shù)装鍘r石堅(jiān)固性系數(shù)（f）平均值均小于5。

Ⅲ3煤層屬低透氣性松軟煤層。煤層透氣性系數(shù)僅為0.129m2／MPa2·d，鉆孔瓦斯衰減系數(shù)較大（0.018d-1），衰減速度較快。煤層煤體破壞嚴(yán)重（II類(lèi)～I(xiàn)II類(lèi)），堅(jiān)固性系數(shù)f只有0.5～0.98。煤層瓦斯含量較高（7.2m3/t），瓦斯壓力較大（1.6MPa），被鑒定為瓦斯突出煤層。

二、煤層鉆孔預(yù)抽瓦斯必要性及遇到的問(wèn)題

宣東礦不具備開(kāi)采保護(hù)層條件，只能采用預(yù)抽煤層瓦斯區(qū)域防突措施。開(kāi)始采用順層煤孔孔深僅僅停留在較淺的水平，不能滿足區(qū)域防突的要求，但就在此淺水平深度煤層鉆孔施工難度也很大，噴孔塌孔吸鉆夾鉆時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重制約著煤巷掘進(jìn)速度，采掘關(guān)系十分緊張。因此有必要進(jìn)行本煤層深孔施工研究，解決鉆孔施工難及增大預(yù)抽采的控制范圍，以緩解采掘關(guān)系緊張的問(wèn)題。

三、初始采用煤層鉆孔施工試驗(yàn)研究

1．巖石電鉆煤孔試驗(yàn)

巖石電鉆全稱(chēng)為礦用隔爆電動(dòng)變速巖石鉆機(jī)，型號(hào)為KHYO155dIAB型，最大扭矩700N·m，配套長(zhǎng)1.5米螺旋鉆桿80根及巖石鉆頭，采用壓風(fēng)排渣，鉆桿間絲扣連接。采用該機(jī)在井下205工作面巷道進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)，該配套鉆機(jī)在2個(gè)月的時(shí)間內(nèi)僅僅鉆孔9個(gè)，累積工程量只有300多米，205中間巷兩個(gè)鉆孔勉強(qiáng)達(dá)到最低要求，但鉆進(jìn)速度較慢，斷桿、丟桿嚴(yán)重，新配備的80根鉆桿最后僅剩7根，其間還燒過(guò)一次電機(jī)；其余鉆孔均深度較淺達(dá)不到要求?？傮w看來(lái)該套鉆機(jī)鉆孔效果不理想，不能滿足施工的要求。

2.乳化液鉆機(jī)煤孔試驗(yàn)

在此試驗(yàn)中選用波蘭產(chǎn)WSP-500型架柱式乳化液鉆機(jī)進(jìn)行煤孔試驗(yàn)，該機(jī)最大扭矩500N· m，該配套鉆機(jī)采用乳化液作為工作介質(zhì)，提高了打鉆作業(yè)的安全性，但鉆孔深度及鉆孔效率很不理想，平均孔深只有13m，同時(shí)聯(lián)接卡松脫、鉆桿斷丟現(xiàn)象仍比較嚴(yán)重，鉆桿間采用銷(xiāo)子連接不適合。另外Ⅲ3煤層含有夾矸，而煤鉆頭穿巖能力低，在打鉆過(guò)程中又無(wú)法避開(kāi)，一旦遇到夾矸鉆齒便被磨壞，所以煤孔施工不能選用煤鉆頭。

3.改裝MKD-5S型鉆機(jī)煤孔試驗(yàn)

此次試驗(yàn)大膽改裝MKD-5S型液壓鉆機(jī)，打鉆速度及成孔深度明顯提高,平均孔深達(dá)到了41m,但鉆孔過(guò)程中塌孔夾鉆、斷、丟桿現(xiàn)象仍比較嚴(yán)重。從鉆孔試驗(yàn)看出，采用水力排渣容易塌孔夾鉆，不易成孔，反之，風(fēng)力排渣塌孔現(xiàn)象不明顯，所以水力排渣不適宜在煤鉆孔中使用。

四、鉆孔施工困難原因分析及解決思路

1．Ⅲ3煤層鉆孔施工困難原因分析

（1）煤層特性影響：上覆巖漿侵入是影響Ⅲ3煤層瓦斯封閉賦存的主控因素，因而瓦斯含量較高（7.2m3/t），瓦斯壓力較大（1.6MPa）。Ⅲ3煤層屬低透氣性煤層，不利于高壓瓦斯流動(dòng)釋放。同時(shí)煤層屬松軟煤層，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且呈薄狀復(fù)合層，煤體破壞嚴(yán)重。

（2）鉆機(jī)鉆具選用方面：瓦斯抽采區(qū)成立初期對(duì)Ⅲ3煤層打鉆存在著錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，認(rèn)為煤鉆比巖鉆好打，沒(méi)有考慮到煤層本身基本特性，所選用的礦用隔爆電動(dòng)變速巖石鉆機(jī)和WSP-500型架柱式乳化液鉆機(jī)最大扭矩均未達(dá)到1000N· m，鉆機(jī)扭矩小，電機(jī)功率明顯不足，給進(jìn)速度稍快電機(jī)便停止轉(zhuǎn)動(dòng)，相應(yīng)配套鉆桿強(qiáng)度也較低。

（3）人為操作方面：當(dāng)鉆孔與煤巖層理夾角成90°時(shí)，鉆孔方向偏移量最小；鉆孔與煤巖層理夾角越小，鉆孔方向越容易偏離；當(dāng)順層鉆孔遇到堅(jiān)硬夾矸時(shí)，鉆孔方向最容易沿著夾矸與煤層的結(jié)合面偏離。在近水平煤層中，比較理想的順層鉆孔應(yīng)當(dāng)是一條自然下垂的直線，因?yàn)樵谶@種狀態(tài)下鉆桿受力最小，排渣最暢通。而要保持這種狀態(tài)必須控制好給進(jìn)速度，不能急于求成。與MKD-5S型全液壓坑道鉆機(jī)后配套的螺旋鉆桿，是由直徑Φ50mm，壁厚10mm圓鉆桿加工而成，強(qiáng)度較高，然而打第5個(gè)孔時(shí)，竟斷丟23根，不排除人為操作方面存在著問(wèn)題。

2．Ⅲ3煤層鉆孔施工困難解決思路

根據(jù)試驗(yàn)及原因分析，解決本煤層深孔施工這一難題，須選擇大功率大扭矩鉆機(jī)，配套高強(qiáng)度高韌性螺旋鉆桿及巖石鉆頭，并輔以壓風(fēng)排渣工藝。要求鉆機(jī)扭矩不低于2000N·m，螺旋鉆桿直徑不低于Φ60mm，壁厚不低于10mm圓鉆桿加工而成，鉆頭能穿過(guò)夾矸，選普通巖石鉆頭即可，風(fēng)壓不小于4個(gè)大氣壓，否則應(yīng)選用移動(dòng)空壓機(jī)近距離供風(fēng)，同時(shí)對(duì)操作人員進(jìn)行培訓(xùn)。

五、大扭矩鉆機(jī)鉆孔試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)充分的準(zhǔn)備，在205機(jī)巷和軌巷進(jìn)行了鉆孔試驗(yàn)，通過(guò)以上三種鉆機(jī)試驗(yàn)情況如表1所示。

由表1可以看出：96天共打孔93個(gè)，平均每天成孔約1個(gè)，80m以下只有4個(gè)，僅占約4.3%，其余全部達(dá)到80m，并且有近40%的鉆孔突破百米。這表明對(duì)本煤層鉆孔施工困難的原因分析是客觀的，解決思路是正確的，三種類(lèi)型的鉆機(jī)均適合鉆孔施工的要求。

表1 三種類(lèi)型鉆機(jī)煤孔試驗(yàn)情況匯總表

六、結(jié)論

1．Ⅲ3煤層本身特性極易造成塌孔噴孔甚至吸鉆夾鉆，給本煤層鉆孔施工帶來(lái)困難，鉆孔施工要盡量避開(kāi)采動(dòng)應(yīng)力集中區(qū)域。

2．解決Ⅲ3煤層深孔施工這一難題，須選擇鉆機(jī)扭矩不低于2000N·m，大功率大扭矩鉆機(jī)，配套直徑Φ100mm，螺旋葉片高20mm，由直徑Φ60mm，壁厚10mm圓高強(qiáng)度高韌性螺旋鉆桿并采用絲扣連接。鉆頭采用直徑不低于Φ113mm的巖石鉆頭。輔以壓風(fēng)排渣工藝（當(dāng)風(fēng)壓小于4個(gè)大氣壓時(shí)，可選用移動(dòng)空壓機(jī)近距離供風(fēng)），同時(shí)加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)技能培訓(xùn)。

(作者單位：冀中能源張家口礦業(yè)集團(tuán)公司)

（責(zé)任編輯：馬茂洋）