松軟突出煤層長及定向長鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用和裝備

1、松軟突出煤層長及定向長鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用和裝備主要內(nèi)容 1、松軟煤層抽放鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)及裝備 2、煤礦井下定向長鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)及裝備 1、松軟煤層抽放鉆孔關(guān)鍵技術(shù) 1問題的提出、技術(shù)途徑及其進(jìn)展 松軟煤層鉆孔難施工一直制約著我國煤礦瓦斯抽放與突出防治的技術(shù)開展。 實踐證明，螺旋鉆進(jìn)、壓風(fēng)排渣是松軟突出煤層成孔的有效途徑，但還需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)?！笆搴笃诩敖鼉赡辏貞c院西安院等創(chuàng)新研究思路，從工藝和裝備兩方面入手，通過2年多的攻關(guān)研究，取得了實質(zhì)性的技術(shù)突破。 2 重點核心技術(shù)研究進(jìn)展 考察研究了鉆機(jī)鉆具轉(zhuǎn)速與排渣效果的關(guān)系，確定了螺旋鉆機(jī)的臨界轉(zhuǎn)速，解決或減弱了螺旋鉆機(jī)施工時因排渣不

2、暢而形成阻塞和憋鉆現(xiàn)象。試驗研究了鉆進(jìn)速度與煤的性質(zhì)、成孔直徑、鉆具轉(zhuǎn)速的關(guān)系，對螺旋鉆桿主要參數(shù)進(jìn)行了分析，確定了螺旋鉆桿合理螺旋角。通過對螺旋成孔所需臨界轉(zhuǎn)速、鉆桿螺旋升角、中心管徑、螺距的優(yōu)化研究，確定了鉆機(jī)的最優(yōu)參數(shù)，開發(fā)出適用于松軟煤層順層長鉆孔施工的螺旋鉆機(jī)和相應(yīng)的鉆具。1、松軟煤層抽放鉆孔關(guān)鍵技術(shù)3)重慶院的研究成果介紹150m深孔合理參數(shù)的螺旋鉆桿設(shè)計圖(1)中空螺旋鉆桿200m深孔合理參數(shù)的螺旋鉆桿設(shè)計圖37kw型螺旋鉆機(jī)(2) ZYW系列鉆機(jī)該系列鉆機(jī)有3種功率：22kw，37kw，55kw。55kw型螺旋鉆機(jī)(3現(xiàn)場實施效果 松藻煤電公司打通一礦，采用ZYW-1200型螺

3、旋鉆機(jī)對8#突出煤層進(jìn)行了連續(xù)施工5個順層長鉆孔的鉆進(jìn)試驗，有4個鉆孔深度到達(dá)100 m以上，最大成孔深度128 m。煤的鞏固性系數(shù)為0.2，瓦斯壓力2.2 MPa左右，瓦斯含量15.3 m3/t。具體參數(shù)如下表： 3現(xiàn)場實施效果鉆孔編號鉆孔直徑/mm施工角度終孔深度/m卡鉆情況終孔原因1#鉆孔90+0.5 125.6- 鉆桿數(shù)量不夠 2#鉆孔90-0.5128.0-鉆桿數(shù)量不夠3#鉆孔90-1.0 20.8-見巖石 4#鉆孔90-0.5103.2鉆進(jìn)129根鉆桿后,卡鉆嚴(yán)重，排粉量劇增風(fēng)壓太小0.1MPa5#鉆孔90-0.5120.0-風(fēng)壓太小 打通一礦試驗鉆孔參數(shù)表 松藻渝陽煤礦現(xiàn)場鉆孔比

4、照 在渝陽煤礦N2707和N2709突出煤工作面施工500個本層鉆孔，平均孔深達(dá)88 m以上，到達(dá)設(shè)計深度的一次性成孔率達(dá)88%，臺機(jī)月效率在300 m以上最高到達(dá)8 700 m，未出現(xiàn)抱鉆、鉆桿折斷等事故，鉆孔平均抽采濃度到達(dá)37%，平均單孔瞬時抽采量到達(dá)0.0157 m3/min，成孔深度最長達(dá)168m，因見巖而終孔，。 在同一地點，用相同能力的鉆機(jī)，采用礦上現(xiàn)有的螺旋鉆桿及鉆頭作比照試驗，最大成孔深度還不到80m，60m左右就卡鉆、抱鉆，70多m時鉆機(jī)就不能旋轉(zhuǎn)了。 通過現(xiàn)場試驗，螺旋鉆進(jìn)成孔技術(shù)能成孔160m深度以上，為順層長鉆孔施工從裝備和工藝技術(shù)上奠定了很好的根底。 王坡煤礦320

5、7回風(fēng)巷順層長鉆孔試驗 天地公司王坡煤礦3207回風(fēng)巷，煤層較穩(wěn)定，(瓦斯含量16m3/t，f值為0.53采用普通鉆機(jī)和工藝施工順層鉆孔，平均施工深度在60m左右。 在2021年5月9日至6月28日期間，采用ZYW1900R型試驗鉆機(jī)及施工工藝后在3207回風(fēng)巷施工了55個下向孔，總計進(jìn)尺6272m，平均孔深達(dá)114.3m，最大成孔深度165m 人為停鉆， 平均每天成孔187m。王坡礦3207回風(fēng)巷施工鉆孔竣工布置圖兩種鉆機(jī)在王坡礦3207回風(fēng)巷施工鉆孔深度分布比照圖兩臺螺旋鉆機(jī)在3207回風(fēng)巷施工水平長度約為200m，取同一時間段(1個月)各施工的28個鉆孔深度比照方以下圖在多個煤礦順層長鉆

6、孔應(yīng)用情況 在鐵法煤業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司大興煤礦、淮南礦業(yè)集團(tuán)丁集煤礦、通化煤業(yè)集團(tuán)松樹鎮(zhèn)煤礦、平煤集團(tuán)四礦等進(jìn)行了推廣應(yīng)用，這些礦井都為煤與瓦斯層埋藏較深如丁集煤礦達(dá)910 m、透氣性差、瓦斯含量高，通過現(xiàn)場鉆孔施工試驗，鉆孔成孔深度都到達(dá)了100 m以上。 4)西安院的研究成果介紹(1)成果簡況 西安院對風(fēng)力鉆進(jìn)排粉機(jī)理進(jìn)行了研究，提出利用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)工藝解決成孔問題，研制了配套裝備以及保障工藝，主要包括適于松軟突出煤層的ZDY3200L和ZDY3200S兩種型號鉆機(jī);大通孔中風(fēng)壓密封鉆桿、寬翼片大通孔螺旋鉆桿;多級無動力除塵器等；研制了內(nèi)芯可脫式鉆頭，可實現(xiàn)從鉆桿內(nèi)孔下放篩管以維護(hù)孔壁，

7、大大提高了鉆孔的深度，并解決了后期的護(hù)孔問題，從而提高了瓦斯抽采效率，到達(dá)降低煤與瓦斯突出危險性的目的。(2) ZDY系列鉆機(jī)ZDY3200I型全液壓履帶鉆機(jī)適用于大斷面巷道，采用整體式布局，寬度僅為1.35 m，結(jié)構(gòu)緊湊，能夠滿足大多數(shù)煤礦巷道的使用要求。該鉆機(jī)采用負(fù)載傳感器和恒壓變量等先進(jìn)技術(shù)和進(jìn)口液壓元件，提高了操控性、可靠度，并具有良好的節(jié)能效果。ZDY3200S型全液壓坑道鉆機(jī)主要適用于小斷面巷道，采用分體式結(jié)構(gòu)，分為主機(jī)、操控臺和泵站三局部，每局部的重量相對較輕，便于搬遷運輸，滿足煤礦狹小巷道的使用要求。該鉆機(jī)全部采用國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)液壓元件，降低了本錢，滿足不同用戶的需求。(2) ZDY

8、系列鉆機(jī)項目ZDY4000SZDY3200S終孔直徑 mm9494回轉(zhuǎn)速度 r/min528050175最大扭矩 kN40003200給進(jìn)/起拔能力 kN150/150102/70主軸傾角 O045090功率 kw5545整機(jī)重量 kg25402100主機(jī)重量 kg15001180主機(jī)外形尺寸m(長X寬X高）)2.38X1.3X1.522.3X1.1X1.65ZDY系列鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)表ZDY3200I型全液壓整體式結(jié)構(gòu)履帶鉆機(jī)在煤礦井下大斷面巷道中工作照片ZDY3200S型全液壓分體式結(jié)構(gòu)鉆機(jī)主要適用于小斷面巷道(3) 配套鉆具與裝置通過鉆桿內(nèi)孔下放篩管的護(hù)孔工藝，解決提鉆后易塌孔和瓦斯抽放

9、時的負(fù)壓造成孔壁坍塌的問題。中風(fēng)壓高強(qiáng)度大通孔鉆桿，減少了壓縮空氣通過的壓力損失，并為篩管下入提供了通道；內(nèi)芯可脫式鉆頭，正常鉆進(jìn)時內(nèi)芯與鉆頭體結(jié)合牢固可靠，終孔后鉆頭內(nèi)芯在鉆桿內(nèi)孔軸向外力用下可脫落，能夠滿足鉆桿內(nèi)通孔下放篩管的需求。鉆進(jìn)除塵裝置,根據(jù)中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)的特點，采用經(jīng)驗計算和數(shù)值模相結(jié)合的方法研制出多級無動力孔口除塵器。該塵器采用慣性除塵、沖擊水浴除塵、文丘里除塵等除塵原理，具有結(jié)構(gòu)簡單、除塵效率高、操作方便、在高瓦斯環(huán)境中使用不存在平安隱患等特點。 (3) 配套鉆具與裝置設(shè)備技 術(shù) 參 數(shù)空壓機(jī)排氣量 m3/min17排氣壓力 MPa1.25功 率 kw13.2除塵器最大處理風(fēng)

10、量 m3/min20除塵效率 %95外形尺寸（長X寬X高）m1.68X0.85X1.45(3) 配套鉆具與裝置(3) 配套鉆具與裝置 配套設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)表(4) 應(yīng)用實例松軟突出煤層中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)成套裝備，于2021年10月至2021年5月先后在淮北礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司蘆嶺煤礦和祁南煤礦進(jìn)行了現(xiàn)場工業(yè)性試驗：蘆嶺礦煤層厚度3.910.0m，煤層硬度系數(shù)f為0.2045，試驗前普遍采用干式螺旋鉆，鉆孔深度50 m左右。試驗期間采用工程研制的ZDY3200S鉆機(jī)、配套移動空壓機(jī)、大通孔鉆桿、除塵器等，累計進(jìn)尺l 824.5 m，終孔直徑94 mm，完成孔深100 m以上的鉆孔8個，最深孔13

11、5m，鉆孔深度和成孔率得到大幅提高。祁南礦煤層硬度系數(shù)f為0.50.8，試驗前采用風(fēng)力或水力排渣成孔，鉆孔深度一般缺乏100m，且成孔率低。試驗期間采用中風(fēng)壓空氣鉆進(jìn)技術(shù)成套裝備，累計進(jìn)尺17 800余m，終孔直徑94 mm、深度在110-120 rn的鉆孔140個，純鉆進(jìn)平均時效為18.38m/h，最高35 m/h。5鉆孔施工除塵技術(shù)及裝備(1)概述 ?煤礦平安規(guī)程?第一百五十四條七的規(guī)定：“在煤、巖層中鉆孔，應(yīng)采取濕式鉆孔。煤巖與瓦斯突出煤層或軟煤層中瓦斯抽放鉆孔難以采取濕式鉆孔時，可采取干式鉆孔，但必須采取捕塵、降塵措施，工作人員必須佩戴防塵保護(hù)用品。在鉆孔施工中，采用濕式鉆孔，根本能解

12、決鉆孔粉塵問題。但是，采取干式鉆孔時，粉塵污染極其嚴(yán)重，粉塵濃度高達(dá)1 000 mg/m3以上，嚴(yán)重影響作業(yè)人員身體健康，并造成平安隱患。因此有效降低干式鉆孔時的粉塵濃度，已成為目前煤礦井下，特別是高瓦斯突出礦井急需解決的問題。 目前，國內(nèi)采用風(fēng)力排渣的壓縮空氣壓力達(dá)0.5 MPa，壓空耗量6-8 m3 /min標(biāo)準(zhǔn)狀況，通常采用的降、除塵措施主要是在孔口安設(shè)帶套管的收塵罩，然后在收塵罩內(nèi)噴霧降塵，其收塵效率一般在50%60%除塵效率在60%70%，總體降塵效率只能到達(dá)30%40%，鉆孔周圍的粉塵濃度仍高達(dá)600 mg/m3以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國家衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。5鉆孔施工除塵技術(shù)及裝備 2 水環(huán)泵動力型

13、除塵器 技術(shù)原理該除塵器采用多種除塵機(jī)理相結(jié)合的三級除塵技術(shù)：第一級采用慣性除塵機(jī)理，去除大局部較大粒徑的粉塵，第二級采用濕式洗滌過濾捕塵技術(shù)，第三級采用旋風(fēng)脫水和旋流捕塵相結(jié)合的高效捕塵技術(shù)。鉆孔施工除塵技術(shù)及裝備鉆孔施工除塵技術(shù)及裝備工作原理：翻開除塵器的進(jìn)水閥，啟動水環(huán)真空泵，在封孔器內(nèi)形成微負(fù)壓。鉆孔時產(chǎn)生的粉塵在壓縮空氣的作用下，從孔底高速向外擴(kuò)散，進(jìn)入封孔器后由于擴(kuò)散空間的急劇增大，風(fēng)速快速降低，大顆粒的粉塵在封孔器內(nèi)由于重力的作用沉降下來，經(jīng)封孔器下部的排塵口排出。沒有被沉降下來的粉塵在真空泵的作用下，被吸進(jìn)除塵器內(nèi)。粉塵進(jìn)入除塵器后，首先經(jīng)過一級慣性除塵，大顆粒粉塵被進(jìn)一步沉降

14、落入灰斗，落人灰斗的大顆粒粉塵到達(dá)一定質(zhì)量，灰斗底板自動翻開，排出粉塵后底板自動關(guān)閉；細(xì)微顆粒在風(fēng)流的帶動下進(jìn)入過濾除塵段，過濾除塵段設(shè)有過濾網(wǎng)和新型螺旋噴嘴，螺旋噴嘴噴出的霧化水在過濾網(wǎng)上形成水膜。當(dāng)粉塵經(jīng)過該水膜時被攔截下來，大局部粉塵和水形成的塵水混合物經(jīng)排污通道進(jìn)入污水箱。小局部塵水混合物進(jìn)入真空泵，由真空泵排入離心旋流氣水別離器，利用離心別離原理將塵水混合物與氣體別離，進(jìn)一步提高除塵效率。干凈的空氣由排氣口排出除塵器。氣水別離器別離下來的塵水混合物進(jìn)人污水箱。污水箱內(nèi)的污水由溢水口排出除塵器。鉆孔施工除塵技術(shù)及裝備除塵裝備技術(shù)參數(shù)、處理風(fēng)量干式鉆孔工藝耗氣量通常在8m3/min左右，

15、通過對配套水環(huán)真空泵的選型試驗，確定處理風(fēng)量為11. 8 m3 /min。、除塵器工作阻力除塵器的工作阻力不大于800 Pa。、除塵效率除塵器的總粉塵除塵效率大于99%；呼吸性粉塵除塵效率大于90%、脫水效率除塵器的脫水效率95%。鉆孔施工除塵技術(shù)及裝備井下工業(yè)性試驗 除塵器于2006年9月至2006年11月在盤江煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司山腳樹煤礦進(jìn)行了為期3個月的井下工業(yè)性試驗，結(jié)果說明： 試驗期間除塵系統(tǒng)運行平穩(wěn)、平安可靠。同時，除塵器的總粉塵除塵效率到達(dá)99. 45%，呼吸性粉塵除塵效率到達(dá)99. 06%，收塵罩的收塵效率到達(dá)98. 1%，除塵系統(tǒng)降塵效率到達(dá)97. 56%。2、立體交叉鉆孔

16、布孔增透技術(shù) 國內(nèi)外礦井試驗與應(yīng)用結(jié)果說明，立體交叉鉆孔預(yù)抽能提高瓦斯抽采量、抽采率和煤層透氣性系數(shù)。不同地質(zhì)條件下，最優(yōu)交叉鉆孔的間距不同。 1交叉鉆孔布孔增流提透原理： 鉆孔交叉點及其鄰區(qū)塑性與流變范圍增大，即卸壓范圍加大與卸壓程度加深，卸壓提透增流； 各孔之間互通成網(wǎng)，其任一孔不會出現(xiàn)像平行孔的單一孔那樣：某點垮孔或被堵，整個鉆孔瓦斯都轉(zhuǎn)化為難流出狀態(tài)，形成斷流或微流 由于工作面推進(jìn)，從斜向孔孔底最先進(jìn)入卸壓增透區(qū)獲得卸壓流起，一直延續(xù)到孔口被回采止，比平行孔在邊采邊抽卸壓帶中的時間長，況且在現(xiàn)場軟煤中的孔位看不到孔洞，斜孔出露端根本不形成漏氣與短路。2、立體交叉鉆孔布孔增透技術(shù)立體交叉

17、鉆孔布孔示意圖2、立體交叉鉆孔布孔增透技術(shù)2焦作九里山礦現(xiàn)場試驗研究成果 19941995，撫順院與焦作局合作，在九里山礦13051面進(jìn)行了交叉孔與平行孔預(yù)抽本煤層瓦斯比照的試驗研究，平行孔和交叉孔分段分別布置，鉆孔直徑65mm，鉆孔平均長L63.8m，孔間距D2.353.0m，斜向孔與平行孔夾角1520封孔管內(nèi)徑25mm聚氨酯封堵長1m，封孔深6m,煤均厚m5.2m、傾角17o、瓦斯含量X=16.9m3/t、鞏固性系數(shù) f =0.20.35、煤容重=1.3t/m3 。結(jié)果說明，在同一工作面相同鉆孔工程量條件下，交叉孔較傳統(tǒng)的平行孔增加瓦斯抽放量0.461.02倍。布孔方式鉆孔自然涌出量m3/

18、min.hm鉆孔瓦斯抽采量m3/min.hm百m孔t天累計瓦斯量m3/hm 單孔瓦斯抽采率交叉鉆孔q=0.0309e-0.016 tq=0.064e-0.0063 tQhm=14629(1-e-0.0063 t)=14629(1-e-0.0063t)/XmLD=1.19(1-e-0.0063 t ）/D平行鉆孔q=0.0116e-0.026 tq=0.04e-0.0081 tQhm=7111(1-e-0.0081 t)=0.58(1-e-0.0081 t ）/D九里山礦交叉孔與平行孔瓦斯涌出與抽采規(guī)律比較表2、立體交叉鉆孔布孔增流提透技術(shù)九里山礦13051面交叉孔與平行孔預(yù)抽本煤層瓦斯分段布置

19、圖2、立體交叉鉆孔布孔增透技術(shù)3推廣實例 某礦試驗采面斜長168m，煤層總厚4.2m，上分層1.3-1.4m，下分層2.6-2.8m，夾矸厚0.1-0.4m。傾角11-17，采深620-750m，瓦斯含量11.4m3t，滲透率0.01375md。在走向200m試驗段布置90個交叉鉆孔45個平行孔，45個斜向孔，鉆孔總長7368m。分三組每組30孔，其孔間距分別為2.0m，2.5m，3.0m。孔徑75 mm，平行孔開孔距底板0.8m，方向垂直風(fēng)巷，孔長80-90m；斜向孔開孔距底板1.2m，方向與風(fēng)巷夾角73，孔長85-95m，聚氨脂封孔，封孔長1.0m，封孔深度5.0m。抗靜電阻燃塑料封孔管徑

20、25mm 。 不同密度交叉鉆孔預(yù)抽率與時間關(guān)系曲線 瓦斯抽采率，%；Qct t天鉆孔百米抽放總量m3；S 平均單孔長度，m；N 布孔方式系數(shù)，回風(fēng)巷或進(jìn)風(fēng)巷單向布孔時，N1，雙向布孔時，N2；Q0 煤層原始瓦斯含量，取11.38m 3/t；M 煤層厚度，取4.2m；C 孔間距，m；L 工作面長度，m；d 巷道預(yù)排瓦斯等值寬度，取20m；r 煤的密度，取1.30 t/m3。 不同孔間距交叉鉆孔自然瓦斯涌出量與時間的關(guān)系 孔間距2.0m百米交叉孔瓦斯涌出曲線孔間距2.5m百米交叉孔瓦斯涌出曲線孔間距3.0m百米交叉孔瓦斯涌出曲線孔間距/m初始流量m3/min.hm衰減系數(shù)d-1極限流量m32.00

21、.04680.011757602.50.03740.012443433.00.02940.029427132、立體交叉鉆孔布孔增透技術(shù)2、立體交叉鉆孔布孔增透技術(shù) 不同孔間距交叉鉆孔瓦斯抽采量與時間的關(guān)系孔間距2.0m百米交叉孔抽放量與時間關(guān)系孔間距2.5m百米交叉孔抽放量與時間關(guān)系孔間距3.0m百米交叉孔瓦斯抽放與時間關(guān)系 孔間距/m初始流量m3/min.hm衰減系數(shù)d-1極限流量m32.00.04070.011451412.50.03850.015939883.00.03370.019225273、煤礦井下定向長鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)及裝備1簡介1長鉆孔是實施“先抽后采、抽放達(dá)標(biāo)的重要前提。近年

22、來，西安院、重慶院等，研制成功了施工長500-1000m鉆孔系列裝備。2定向鉆進(jìn)工藝和穩(wěn)定組合鉆具 也是實現(xiàn)長鉆孔施工成功的關(guān)鍵。3、煤礦井下定向長鉆孔施工關(guān)鍵技術(shù)及裝備1簡介針對長鉆孔施工中的鉆孔定位和鉆具等關(guān)鍵技術(shù)難題，西安院在十五期間，完善了穩(wěn)定組合鉆頭、組合鉆具，開發(fā)了多點即時測斜儀等。 多點即時測斜儀,方位角測量誤差小于0.5 ，傾角小于0.5，工具面向角誤差小于3，可以滿足施工要求。 由鉆頭、鉆桿和穩(wěn)定器組成的鉆具稱之為穩(wěn)定組合鉆具。根據(jù)功能的不同，定向鉆進(jìn)中使用的穩(wěn)定組合鉆具有下斜組合保直穩(wěn)定組合鉆具、上仰組合鉆具等5種組合。 測量系統(tǒng)組成示意圖線纜絞車鉆 機(jī)鉆具測斜探管控制及顯示界面水