突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工技術

2023/2/21煤礦瓦斯抽采鉆孔施工技術與裝備

——突出松軟煤層井下深孔施工

江西省煤炭工業(yè)科學研究所2009年8月4日2023/2/22主要內容一、概述二、鉆孔施工裝備現狀三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2023/2/23一、概述瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災害事故的根本措施，從20世紀50年代開始，我國就將瓦斯抽放作為治理煤礦瓦斯災害的重要措施在高瓦斯和突出礦井推廣。2002年，國家煤礦安全監(jiān)察局制定了“先抽后采，以風定產，監(jiān)測監(jiān)控”的煤礦瓦斯防治方針；2006年，再次明確煤礦瓦斯治理“必須堅持先抽后采、治理與利用并舉的方針”，進一步強化了瓦斯抽放治理瓦斯災害的地位。2023/2/24一、概述2009年5月14日國家安全監(jiān)管總局局長駱琳簽署總局第19號令，頒布《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，2009年8月1日起實施。原《防治煤與瓦斯突出細則》同時廢止?！斗劳灰?guī)定》提出了“區(qū)域防突措施先行、局部防突措施補充”的理念，強調突出煤層必須采取區(qū)域綜合防突措施并達到規(guī)定標準后方可進行采掘作業(yè)。區(qū)域防突工作應當做到多措并舉、可保必保、應抽盡抽、效果達標。2023/2/25一、概述松軟突出煤層（硬度系數f≤1）滲透性差、瓦斯含量高。鉆進過程中，容易產生垮孔、卡鉆、噴孔等現象。我國在松軟突出煤層雖然有鉆孔深度超過150m甚至達到240m的記錄，但大部分的鉆孔深度都在100m以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我國松軟煤層在所開采煤層中所占比例較大，因此，松軟突出煤層的鉆進成孔問題一直是個亟待解決的難題。實現松軟煤層中打深孔，必須采取綜合的辦法來解決，綜合辦法包括：鉆孔設計、打鉆設備和打鉆工藝等方面。2023/2/26一、概述2006年，國家發(fā)改委會同國家安監(jiān)總局、國家煤監(jiān)局發(fā)文批復了煤礦瓦斯治理與利用10個示范工程建設項目、8項關鍵技術研發(fā)和裝備研制項目。建立示范點、重點推廣先進適用技術。2009年7月9～17日，國家能源局煤炭司會同煤礦安監(jiān)局科技裝備司對這些項目進行了現場檢查和總結驗收工作。2023/2/27一、概述10個煤礦瓦斯治理與利用示范工程建設項目根據各示范點的特點和條件，集成瓦斯治理與利用的先進適用技術，并總結推廣應用。龍煤集團鶴崗分公司、沈陽煤業(yè)集團、撫順礦業(yè)集團淮南礦業(yè)集團、淮北礦業(yè)集團鄭州煤炭集團、焦作煤業(yè)集團陽泉煤業(yè)集團、晉城煤業(yè)集團松藻煤電公司2023/2/28一、概述8項“煤礦瓦斯綜合治理與利用關鍵技術研發(fā)和裝備研制項目”松軟突出煤層中風壓空氣鉆進裝備研制與配套工藝開發(fā)井下水平長鉆孔鉆機研制及配套工藝開發(fā)低透氣性煤層瓦斯抽采增效技術開發(fā)低濃度瓦斯輸送安全保障成套技術開發(fā)與裝備研制防突遠距離控制鉆機研制及配套工藝開發(fā)松軟突出煤層順層鉆孔螺旋鉆進裝備研制與配套工藝開發(fā)瓦斯抽采礦井的風流監(jiān)測與智能控制關鍵技術研制地面瓦斯抽采的欠平衡車裝鉆機研制2023/2/29一、概述示范工程建設取得階段性效果：推廣了一批瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯利用的先進適用技術和裝備。提高了礦井順煤層抽采鉆孔施工深度和能力，研發(fā)了強突出松軟煤層中風壓鉆進技術、松軟突出煤層螺旋鉆進技術和裝備、千米鉆機長鉆孔成孔工藝技術等。2023/2/210二、鉆孔施工裝備現狀1、鉆機根據驅動鉆頭回轉的動力來源不同，煤礦坑道鉆機的主流產品可分成兩大類：一類是常規(guī)的孔口回轉鉆機（鉆機通過鉆桿柱驅動鉆頭回轉）。像淺孔鉆機一般都是這一類；另一類是孔底動力回鉆鉆機（鉆進時鉆桿柱不回轉，由孔底馬達驅動鉆頭回轉）。2023/2/211二、鉆孔施工裝備現狀1、鉆機孔內馬達驅動裝置：2023/2/212二、鉆孔施工裝備現狀1、鉆機我國煤礦坑道鉆探作業(yè)的主導機型為全液壓動力頭式坑道鉆機。具有鉆進效率高、工藝適應性強、操作安全、解體性好、易搬遷等特點。目前，國內全液壓動力頭式鉆機的生產廠家較多，鉆進能力從幾十米到上千米，已形成多個系列。2023/2/213ZDY6000LD(A)、ZDY6000LD、ZDY4000LD型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機是國家發(fā)改委2006年委托西安研究院承擔的“井下水平長鉆孔鉆機研制及配套工藝開發(fā)”項目產品。鉆機能力：350～1000m。二、鉆孔施工裝備現狀ZDY6000L、ZDY4000L、ZDY3200L、ZDY1900L、ZDY1200L型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機屬于自行式、低轉速、大轉矩類型鉆機?？刹捎每卓诨剞D鉆進，也可采用孔底動力鉆進，主要用于煤礦井下近水平長距離瓦斯抽放鉆孔以及本煤層和鄰近層中深瓦斯抽放鉆孔的施工。鉆機能力：100～600m。2023/2/2141、鉆機

ZYR-1900/ZYR-1200型松軟突出煤層全液壓鉆機。鉆進深度：250/150m。二、鉆孔施工裝備現狀2023/2/215二、鉆孔施工裝備現狀1、鉆機ZDY800010000S型全液壓鉆機。

ZDY1900S型全液壓鉆機。ZDY650型全液壓鉆機。2023/2/216二、鉆孔施工裝備現狀2、配套鉆桿目前煤礦井下所用的鉆桿種類主要有外平鉆桿、螺旋鉆桿兩種。外平鉆桿是最常用的一種類型，適用于井下常規(guī)鉆進作業(yè)和穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進?，F有的規(guī)格主要有φ42，φ50，φ63·5，φ73，φ89mm等，具體鉆桿參數及配套鉆頭見下表。2023/2/217二、鉆孔施工裝備現狀2023/2/218二、鉆孔施工裝備現狀2、配套鉆桿螺旋鉆桿主要用于滿足松軟煤層鉆進和本煤層大直徑救援孔的排粉需要。螺旋鉆桿接頭形式多采用插接方式?？煞奖闾幚磴@進過程中因塌孔、噴孔、掉塊等形成的卡鉆、埋鉆等孔內事故。目前常用的規(guī)格主要有:φ78，φ88，φ100，φ110，φ130mm等。2023/2/219二、鉆孔施工裝備現狀2、配套鉆桿有葉片式螺旋鉆桿、淺槽螺旋鉆桿兩種。晉城趙莊礦50mm×1000mm的淺槽螺旋鉆桿葉片、插接式螺旋鉆桿2023/2/220二、鉆孔施工裝備現狀3、配套鉆頭煤礦井下瓦斯抽放鉆孔施工鉆頭一般以硬質合金和金剛石復合片(PDC)鉆頭為主。硬質合金鉆頭一般只適用于本煤層、泥巖等低硬度地層的淺孔施工，目前大多數煤礦為提高鉆進效率、節(jié)省起下鉆時間，一般都采用PDC鉆頭。2023/2/221二、鉆孔施工裝備現狀3、配套鉆頭多級組合鉆具：主要用于嚴重突出煤層。主要原理是采用小口徑鉆頭開孔、逐級擴孔鉆進的方法，分層次、階段性逐級釋放瓦斯，既保證了鉆頭鉆進的穩(wěn)定性，又減少了一次成孔瓦斯突出或噴孔事故的發(fā)生。組合防突鉆頭一般由三級組成，第一級鉆頭直徑最小，然后通過組合接手將2個逐級增大的擴孔鉆頭組合在一起。常用的級配形式主要有φ59mm/φ75mm/φ94mm和φ75mm/φ94mm/φ113mm兩種組合形式。2023/2/222二、鉆孔施工裝備現狀4、其他鉆具用于鉆孔軌跡測量的測斜儀、定向鉆進用的穩(wěn)定器、用于抑制瓦斯富集煤層噴孔的多級穩(wěn)定組合鉆具、具有防噴和氣水分離功能的孔口裝置、防止孔內事故的安全接手、防噴接頭、取芯器、送水器以及處理孔內事故的打撈工具等。2023/2/223二、鉆孔施工裝備現狀穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進技術：就是在回轉鉆進的基礎上，在靠近鉆頭的10～20m的鉆桿上接上3～5個接近于鉆頭直徑的穩(wěn)定器(也稱扶正器)，通過調整穩(wěn)定器的位置和數量，并配合相應的鉆進工藝參數，使鉆具對鉆頭產生向上、向下或保直鉆進的控制力，從而起到控制鉆孔軌跡的目的。順層長鉆孔的施工，關健在于打鉆過程中，防止鉆桿下沉，保持鉆桿一定的直度。鉆頭穩(wěn)定器鉆桿保直上斜下斜2023/2/224二、鉆孔施工裝備現狀套筒式穩(wěn)定器穩(wěn)定組合鉆具定向鉆進技術主要適用于對鉆孔軌跡有特殊要求的瓦斯抽放鉆孔施工，如沿煤層水平定向長鉆孔的施工(孔深≥500m)、頂板高位水平定向鉆孔的施工。2023/2/225二、鉆孔施工裝備現狀5、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況美國、德國、日本等工業(yè)發(fā)達國家，從上世紀70年代初就開始了井下近水平長鉆孔鉆進技術的研究。通過三十年的發(fā)展，目前以孔底動力為主要鉆進方法、隨鉆測斜為主要定向手段的鉆孔工藝方法已非常成熟，并取得較廣泛的推廣應用，技術上處于國際領先水平。2023/2/226二、鉆孔施工裝備現狀5、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況1997～1998年間，國內松藻、鐵法、淮南、平頂山和撫順5個礦務局引進了9套美國和澳大利亞千米定向鉆機。共打成鉆孔19個，鉆孔深度范圍為45～470m，其中:小于100m的有10個，100～200m的有2個，200～400m的有6個，最深的一個孔達470m。在煤層中打成順層鉆孔的深度幾乎都不超過100m?？咨疃紱]有達到引進鉆機設計施工能力的二分之一。試驗效果不好。2023/2/227二、鉆孔施工裝備現狀5、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況原因：主要是我國的地質條件和煤層特征差異很大，引進的澳大利亞、美國千米定向鉆機不適應象松藻、淮南、平頂山煤業(yè)集團等這樣復雜的地質條件和煤層特征，只能適用于較為簡單的地質條件和煤層特征。2023/2/228二、鉆孔施工裝備現狀5、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況2002～2007年間，山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦、晉城無煙煤礦業(yè)集團公司引進了4套美國和澳大利亞生產的采用孔底馬達定向鉆進的千米鉆機，用于煤礦井下定向長鉆孔抽采瓦斯。使用情況很不錯。大寧煤礦為高瓦斯礦井，預抽本煤層（3號煤層）瓦斯為主，最大孔深達1002m。至2007年底已完成鉆孔數1980個，累計進尺803753m，抽混合瓦斯9.05億m3。據不完全統(tǒng)計，近幾年國內已定購的澳大利亞VLD1000定向長鉆孔鉆進設備多達50余套。2023/2/229二、鉆孔施工裝備現狀山西亞美大寧能源有限公司大寧煤礦采用孔底馬達定向鉆進的千米鉆機，預抽本煤層（3號煤層）瓦斯為主，最大孔深達1002m。5、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況2023/2/230二、鉆孔施工裝備現狀5、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況晉城煤業(yè)井下區(qū)域性遞進式預抽采千米鉆機等機具施工長鉆孔，一個預抽區(qū)域至少應涵蓋1個工作面。2023/2/231二、鉆孔施工裝備現狀5、引進國外定向長鉆孔鉆機的應用情況國內從上世紀90年代正式開始煤礦井下定向鉆進技術的研究，在對以螺桿馬達為孔底動力的鉆進方法的研究方面曾取得過一些階段性成果。但是由于國產孔底馬達可靠性較差，壽命太短，設備成本比回轉鉆進鉆機的高，不便于推廣，導致國內對這項技術研究并沒有繼續(xù)深入下去。2023/2/232二、鉆孔施工裝備現狀6、部分國產長鉆孔鉆進設備的使用情況目前，ZDY800010000S型全液壓鉆機已在銅川礦務局推廣使用，施工的瓦斯預抽采鉆孔深度多在600m左右。晉城無煙煤礦業(yè)集團有限責任公司已大面積推廣使用ZDY6000S鉆機，施工深度為400～600m的本煤層瓦斯預抽采長鉆孔。2023/2/233二、鉆孔施工裝備現狀煤層氣抽采鉆孔施工技術與裝備發(fā)展方向高瓦斯、高地應力、松軟煤層鉆孔施工技術煤礦井下全自動鉆孔技術孔底馬達鉆進技術水平多分支地面鉆井技術及裝備2023/2/234三、瓦斯抽放鉆孔施工技術1、順層長鉆孔排渣工藝水力排渣傳統(tǒng)的排渣工藝是用水作沖洗介質攜帶和排出鉆屑、冷卻鉆頭。由于水注滿整個鉆孔，對瓦斯的自然排放起封閉作用，易造成噴孔，對鉆孔施工人員的安全有一定的威脅。在松軟煤層中鉆進時，循環(huán)水對于孔壁的沖刷、浸泡等破壞作用相當嚴重，鉆孔極易破碎坍塌，成孔極其困難。因而，在施工順煤層抽放鉆孔時，用水作為排渣介質是不利于深鉆孔的施工。2023/2/235三、瓦斯抽放鉆孔施工技術1、順層長鉆孔排渣工藝風力排渣風力排渣用風作介質排渣和鉆頭冷卻。其顯著的優(yōu)點在于壓風對孔壁的沖擊較弱，對瓦斯解吸影響小。因此，從技術上來看，風力排渣更適合于突出煤層順層長鉆孔的施工。其缺點是作業(yè)地點粉塵不易控制，多數礦井的風壓、流量也不能滿足長鉆孔的要求。2023/2/236三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、松軟突出煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題：噴孔、垮孔、堵孔和卡鉆，嚴重的誘發(fā)瓦斯突出。

噴孔時高壓瓦斯氣流向孔口噴出，承壓瓦斯攜帶的煤粉直接沖向巷道，并伴隨煤炮聲和氣流沖擊聲。有的短時間幾分鐘停止，也有的可延續(xù)到幾十分鐘，表現為脈沖形式。此時巷道瓦斯嚴重超限，只好停鉆撤人。噴孔往往伴隨著垮孔、堵孔和卡鉆的出現，往往無法繼續(xù)鉆進。2023/2/237三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題

噴孔、卡鉆形成過程。噴孔可分成：煤體破碎→瓦斯聚積（瓦斯迅速解吸→孔壁破裂→孔內堵塞→瓦斯梯度猛增）→瓦斯釋放（突破堵塞→噴孔和卡鉆）三個階段。2023/2/238三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題

噴孔和卡鉆原因分析：噴孔應看作是鉆孔中出現的動力現象，類似煤與瓦斯突出，是高壓瓦斯、應力集中和軟煤存在三個因素綜合作用的結果。當鉆孔進入軟煤分層時，鉆頭切削旋轉，對軟煤產生一種沖擊和破碎力，使煤體破裂、粉碎，鉆孔周邊煤體瓦斯迅速解吸，流入鉆孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的幾倍到幾十倍，此時鉆孔前后方出現了較大的瓦斯梯度，產生明顯的瓦斯激流，承壓的瓦斯激流對破壞的煤顆粒起著邊運送邊粉化的作用，瓦斯激流和粉化了的煤顆粒難以順利的向孔外排出，進一步增加了孔內瓦斯壓力梯度，形成噴孔。2023/2/239三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題另一種噴孔是由于煤層中含水，鉆頭切削時的煤粉難以順利排出，在鉆孔的淺部（10～20m的范圍內）出現堵孔。再就是打鉆風壓和風量不夠，排碴不力，出現堵孔。堵孔造成迅速解吸的瓦斯無法排出，孔內的壓力梯度達到某個極限時，發(fā)生噴孔。

2023/2/240三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、松軟煤層打鉆遇到的問題及原因分析問題卡鉆是與噴孔聯系和同時發(fā)生的一種現象，噴孔時末能及時退出鉆桿，破碎的煤體將鉆桿和鉆頭箍緊?；蚴强變瘸霈F塌孔、堵孔時，排渣不力，此時仍然鉆進，使堵孔、塌孔的范圍不斷擴大，造成鉆桿和鉆頭箍緊，鉆頭無法進退。噴孔、垮孔、堵孔和卡鉆是不同現象，但又是相互聯系的，卡鉆是嚴重的打鉆事故，往往可能出現扭斷鉆桿丟失鉆頭。2023/2/241三、瓦斯抽放鉆孔施工技術3、提高突出煤層鉆孔孔深的技術途徑1)使用風力排渣，減弱鉆孔的噴孔和垮孔。理論和實踐都證明，風力排渣能夠減弱噴孔和垮孔，是突出煤層施工順層長鉆孔的最佳排渣方式。但是風力排渣的基本條件是鉆孔內的風速應能夠吹動孔內的大煤塊，并且吹出鉆屑的能力大于鉆孔鉆進時鉆屑的產生量。為此，可根據鉆屑的粒度、打鉆速度等，運用氣體輸送理論計算出風力排渣的合理風速，以確保足夠的排渣能力。2023/2/242三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、提高突出煤層鉆孔孔深的技術途徑2)確定風力排渣的合理供風參數，提高排渣能力。為達到要求的風速，需要足夠的風量和風壓。目前礦井的井下壓風管道風壓一般不超過0.5MPa，而對目前的鉆具而言，這一風壓顯然不能達到足夠的供風量。為此，可使用井下移動式空壓機，使打鉆地點的風壓正常時達到0.65MPa以上，最大時達0.7MPa。2023/2/243三、瓦斯抽放鉆孔施工技術不同深度鉆孔正常排渣所需的供風壓力（煤科總院重慶研究院在芙蓉珙泉煤業(yè)公司試驗結果）2023/2/244三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、提高突出煤層鉆孔孔深的技術途徑3)采用滿足風力排渣和長鉆孔施工的大扭矩鉆桿。由于壓風的壓力最高為0.7MPa，要在一定的壓力下提高孔內的風速(或風量)，就只有降低壓風的沿程阻力損失，這就要適當擴大輸送壓風的鉆桿內孔直徑。同時，順層長鉆孔的長度大，孔壁、鉆屑與鉆桿之間的摩擦阻力也大，應適當增加鉆桿強度。2023/2/245三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、提高突出煤層鉆孔孔深的技術途徑4)根據礦井具體的地質條件和煤層特征，采用較大能力并適合順層鉆孔施工條件的鉆機。盡管順層長鉆孔成孔的關鍵是打鉆排渣工藝技術，但足夠能力的鉆機是施工長鉆孔的基礎。2023/2/246三、瓦斯抽放鉆孔施工技術2、提高突出煤層鉆孔孔深的技術途徑5)采用多級組合鉆頭，利用前端小直徑鉆頭的超前卸壓作用減輕鉆孔的噴孔程度，同時提高鉆孔的定向鉆進效果。6)其他輔助技術措施還包括降塵、安全防護、防止孔內爆燃等，制訂操作規(guī)程，對打鉆過程中的各種現象提出觀察、應對方法。2023/2/247三、瓦斯抽放鉆孔施工技術3、提高鉆孔深度的幾點經驗1）搞好鉆孔設計：鉆孔設計不能簡單化，一次完成。工作面布孔設計分為方案設計、分段設計和施工設計3個階段進行。布孔方案設計：布孔方案設計是工作面瓦斯抽放設計的重要組成部分。根據煤層和巷道狀況，按不留或少留空白帶的要求，對采面全面布孔。明確布孔形式、鉆孔密度和施工順序。2023/2/248三、瓦斯抽放鉆孔施工技術3、提高鉆孔深度的幾點經驗鉆孔施工分段設計：目的：根據工作面抽放方案設計的要求，結合不同地段的瓦斯地質和巷道條件，進行逐段設計。通過分段設計優(yōu)選鉆孔施工參數，實現抽放鉆孔優(yōu)化。分段設計前要調查該段地質構造煤層傾角、煤厚、巷道條件等。設計中包括不岡鉆孔的方位角、傾角、孔深、孔徑和開孔點距底板高度等，并有附圖。2023/2/249三、瓦斯抽放鉆孔施工技術3、提高鉆孔深度的幾點經驗鉆孔施工設計：主要是鉆孔參數的調整。由于煤層產狀和厚度不穩(wěn)定，鉆孔深處往往存在變化，因此必須通過施工鉆孔，及時判斷鉆孔前方的煤層賦存狀況。對設計鉆孔及時調整參數，經調整參數后施工的鉆孔基本能達到設計深度。2023/2/250三、瓦斯抽放鉆孔施工技術3、提高鉆孔深度的幾點經驗2)隨時注意風壓表的壓力，如果低于0.5MPa，立即進行處理。3)保持鉆孔連續(xù)、適速地鉆進。當發(fā)現孔口排出的煤渣較多或有煤炮時，應減慢或停止鉆進，直到旋轉至正常時再進鉆，必要時還應退掉幾根鉆桿后再邊排渣邊重新進鉆。另外，現場交接班的主要目的不只是向下一班交接情況，而是使鉆孔連續(xù)不斷地鉆進，所以，在下一班人到前一般不得停止鉆進，下一班到后應立即投入打鉆。2023/2/251三、瓦斯抽放鉆孔施工技術掌握給進壓力和鉆進速度：