千米鉆機(jī)氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)工藝在碎軟煤層的試驗(yàn)

千米鉆機(jī)氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)工藝在碎軟煤層的試驗(yàn)狄朋毅;熊祖強(qiáng);蘆海廣【摘要】長(zhǎng)平礦3#煤層松軟破碎，采用千米鉆機(jī)水排渣的施工工藝施工本煤層順層鉆孔時(shí)塌孔嚴(yán)重，無法實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn).為此，研發(fā)了一種氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)的新型打鉆工藝，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)以氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)為主,滑動(dòng)鉆進(jìn)為輔.結(jié)果表明，鉆孔最大孔深達(dá)到231m,但該鉆孔施工效率低，護(hù)孔困難，抽采量偏低，影響了該鉆進(jìn)工藝的推廣使用，需進(jìn)一步完善施工工藝及裝備，以提高抽采效率.【期刊名稱】《山西焦煤科技》【年(卷)，期】2019(043)005【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P28-31)【關(guān)鍵詞】松軟煤層;壓縮氮?dú)?千米鉆機(jī);松軟煤層;定向鉆進(jìn)【作者】狄朋毅;熊祖強(qiáng);蘆海廣【作者單位】河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000;山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司仙西晉城048400;河南理工大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，河南焦作454000;山西長(zhǎng)平煤業(yè)有限責(zé)任公司仙西晉城048400【正文語種】中文【中圖分類】TD712+.63千米鉆機(jī)定向鉆進(jìn)是國(guó)內(nèi)瓦斯抽采鉆孔深孔鉆進(jìn)的前沿技術(shù)。近年來，千米鉆機(jī)在煤礦瓦斯抽采工程中發(fā)揮了重要作用，特別是在晉城礦區(qū)寺河礦、大寧礦、成莊礦，千米鉆孔抽采已成為礦井瓦斯治理的主要手段[1-2].上述礦井煤質(zhì)普遍較硬（煤的堅(jiān)固性系數(shù)在1.0以上），千米鉆機(jī)采用常規(guī)清水作為鉆進(jìn)動(dòng)力和排渣介質(zhì)，不僅煤段鉆孔施工效率高（日進(jìn)尺可達(dá)到200m以上），而且采用定向鉆進(jìn)，施工精確度高，成孔質(zhì)量好，其中，寺河礦千米鉆孔最大孔深達(dá)到1200m，平均孔深達(dá)到500m以上。對(duì)一些煤層松軟破碎的礦井，千米鉆機(jī)施工本煤層順層鉆孔時(shí)塌孔、卡鉆十分嚴(yán)重，施工效率較低，而且深孔鉆進(jìn)困難，無法實(shí)現(xiàn)區(qū)段抽采和推廣應(yīng)用，主要原因有：1） 松軟煤層自身力學(xué)性質(zhì)差，受鉆頭鉆進(jìn)擾動(dòng)影響，孔壁煤體易破碎堵孔或卡鉆。2） 從鉆頭噴出的水流對(duì)孔壁煤體產(chǎn)生一定的侵蝕和沖刷作用，進(jìn)一步降低煤粒之間的摩擦系數(shù)，破壞煤體內(nèi)的原有結(jié)構(gòu)，降低煤體強(qiáng)度，從而發(fā)生塌孔[3].為了解決松軟煤層千米鉆孔的成孔問題，晉煤集團(tuán)長(zhǎng)平礦和趙莊礦試驗(yàn)了梳狀鉆孔，將千米鉆機(jī)布置在底板巖巷，鉆孔的主孔布置在巖段，從巖段開分支施工本煤層順層鉆孔，提高鉆孔的返渣效果，但梳狀鉆孔未從根本上解決碎軟煤層成孔問題，煤段塌孔、卡鉆等問題未得到有效解決。2018年以來，淮南礦業(yè)集團(tuán)潘三礦和貴州畢節(jié)市青龍煤礦試驗(yàn)了千米鉆機(jī)壓風(fēng)排渣施工工藝，其中，青龍煤礦最長(zhǎng)施工深度達(dá)到406m[4]，但是壓風(fēng)打鉆存在鉆孔著火的風(fēng)險(xiǎn)。該次試驗(yàn)通過改變鉆機(jī)的排渣和鉆進(jìn)工藝，在全國(guó)首次使用壓縮氮?dú)膺M(jìn)行鉆進(jìn)排渣，減少鉆具對(duì)煤體的破壞，提高排渣效果，同時(shí)，通過復(fù)合鉆進(jìn)提高鉆進(jìn)效率，確保千米鉆孔的成孔深度，實(shí)現(xiàn)更高效的瓦斯抽采。1礦井概況1.1礦井基本情況長(zhǎng)平礦是晉煤集團(tuán)主力生產(chǎn)礦井之一，位于山西省高平市寺莊鎮(zhèn)，核定生產(chǎn)能力500萬t/年，批準(zhǔn)開采3#煤層。1.2煤層賦存情況井田內(nèi)主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組與二疊系下統(tǒng)山西組，共含煤19層。現(xiàn)礦井單水平開采3#煤，煤層厚4.56-6.83m，為低硫、低灰、低磷、高發(fā)熱量?jī)?yōu)質(zhì)無煙煤，屬B類不易自燃煤層，煤塵無爆炸性。3#煤層為近水平煤層，整體呈單斜構(gòu)造。受埋深及地質(zhì)條件影響較大，瓦斯賦存不均衡，區(qū)域性差異明顯，2011年礦井被鑒定為高瓦斯礦井。受成煤過程及后期構(gòu)造影響，3#煤層松軟破碎，煤層透氣性差，四盤區(qū)煤層透氣性為0.0116~0.0520m2/MPa2?d，五盤區(qū)煤層透氣性為0.9861-1.1315m2/MPa2d1.3瓦斯治理現(xiàn)狀長(zhǎng)平礦自2014年開始試驗(yàn)底抽巷瓦斯治理模式，在3#煤層下方11m處布置一條瓦斯抽采巖巷，通過超前預(yù)抽確保抽采達(dá)標(biāo)。目前，礦井累計(jì)施工13條底抽巷，已形成了以底抽巷穿層鉆孔抽采為主的瓦斯治理模式。本煤層順層鉆孔作為長(zhǎng)平礦瓦斯抽采的輔助手段，主要服務(wù)綜采工作面采前預(yù)抽。為了提高鉆孔成孔深度和成孔效率，該礦試驗(yàn)了螺旋鉆桿、寬翼片鉆桿、三棱鉆桿、刻槽鉆桿，同時(shí)，不斷提高鉆機(jī)的扭矩。目前，本煤層順層鉆孔鉆進(jìn)深度可以達(dá)到120m.但采用傳統(tǒng)回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)工藝技術(shù)，鉆孔軌跡易因自然造斜進(jìn)入頂?shù)装?，存在鉆孔深度淺、鉆孔軌跡不可控制等缺點(diǎn)，不能滿足高效抽采的需求。1.4千米鉆機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀該礦有千米鉆機(jī)6臺(tái)，其中晉煤集團(tuán)高寶鉆探公司ZYL15000D鉆機(jī)1臺(tái)，西安煤科院ZDY12000LD鉆機(jī)1臺(tái)，澳大利亞VLD1000鉆機(jī)1臺(tái)，重慶煤科院ZYWL6000鉆機(jī)1臺(tái)，重慶煤科院ZYWL4000鉆機(jī)兩臺(tái)。2010年以來，該礦圍繞千米鉆機(jī)本煤層順層鉆孔深孔鉆進(jìn)開展了一系列試驗(yàn)，試驗(yàn)期間多次出現(xiàn)掉鉆，給礦井帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失，而且，鉆孔平均孔深不足100m，試驗(yàn)未取得預(yù)期效果。目前，在用的千米鉆機(jī)主要施工采空區(qū)裂隙帶鉆孔（巖孔），抽采鄰近層和采空區(qū)瓦斯。2氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)裝備及工藝2.1制氮機(jī)組工作原理該礦選用煤科集團(tuán)沈陽(yáng)研究院生產(chǎn)的DM-1000m3/h型礦用膜分離式制氮機(jī)，采用膜分離原理產(chǎn)生高濃度氮?dú)?。?dāng)空氣中的氮?dú)夂脱鯕庠隍?qū)動(dòng)力（膜兩側(cè)壓差）作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于氣體在膜中的滲透率和擴(kuò)散系數(shù)的不同，導(dǎo)致滲透速率較快的水蒸氣、氧等氣體優(yōu)先透過膜，成為富氧氣體；而滲透速率較慢的氮?dú)庠跍魝?cè)富集，成為干燥的富氮?dú)怏w90%~99.9%.制氮工藝流程圖見圖1,制氮機(jī)組由3部分組成，巷道內(nèi)的新鮮空氣經(jīng)過空氣壓縮機(jī)進(jìn)行壓縮，經(jīng)過空氣凈化系統(tǒng)將空氣中的雜質(zhì)、水汽過濾，再經(jīng)過膜組將氧氣和氮?dú)夥蛛x，最后生成高濃度的氮?dú)狻Ｗ詈?，生成的氮?dú)庖?.2MPa的壓力和97%以上的純度輸送至氮?dú)夤艿老到y(tǒng)，通過管道輸送鉆場(chǎng)位置。圖1制氮工藝流程圖2.2千米鉆機(jī)氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)原理試驗(yàn)選用西安煤科院ZDY12000LD定向鉆機(jī)、d73mm通纜鉆桿、d73mm空氣螺桿馬達(dá)、d108mm專用定向鉆頭。壓縮氮?dú)怛?qū)動(dòng)空氣螺桿馬達(dá)，作為定向鉆進(jìn)的動(dòng)力介質(zhì)和排渣介質(zhì)。氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)裝備連接圖見圖2.鉆進(jìn)過程中，空氣螺桿馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭鉆動(dòng)，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)定向鉆進(jìn)（鉆桿不回轉(zhuǎn)）。鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)卡鉆時(shí)，鉆頭（空氣螺桿馬達(dá)驅(qū)動(dòng)）和通纜鉆桿（鉆機(jī)液壓傳動(dòng)）同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)復(fù)合鉆進(jìn)處理卡鉆，提高排渣效果和鉆進(jìn)效率[4].圖2氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)裝備連接圖2.3防火設(shè)計(jì)壓風(fēng)排渣鉆進(jìn)時(shí)，鉆具與煤屑摩擦易出現(xiàn)孔內(nèi)著火事故。為了防止鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)孔內(nèi)火災(zāi)，使用的氣體介質(zhì)為濃度97%以上的氮?dú)猓⒃O(shè)計(jì)了自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)：1）當(dāng)制氮機(jī)組輸出氧氣濃度高于3%時(shí)，控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警，操作人員通過調(diào)整運(yùn)行參數(shù)控制氮?dú)鉂舛取?）在鉆機(jī)處，壓縮氮?dú)馔ㄟ^流量與壓力監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，確保氮?dú)鉂舛群土髁糠€(wěn)定。3）在鉆機(jī)下風(fēng)側(cè)安裝氧氣探頭，孔口下風(fēng)側(cè)放置一氧化碳和氧氣便攜式檢測(cè)裝置，當(dāng)鉆場(chǎng)氧氣濃度低于20%或一氧化碳濃度超過24x10-6時(shí)可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警。2.4防窒息設(shè)計(jì)高濃度氮?dú)庑孤稌?huì)造成巷道內(nèi)氧氣濃度下降，進(jìn)而造成人員窒息事故。為防止窒息事故：1）安排專人經(jīng)常性檢查各制氮系統(tǒng)，并在制氮機(jī)組及輸送管路上張貼〃高壓氮?dú)?嚴(yán)禁碰撞”的反光標(biāo)，避免人為造成泄露。2）確保制氮、輸送、使用等地點(diǎn)的風(fēng)量充足，經(jīng)計(jì)算，230m3/min的配風(fēng)量可以滿足氮?dú)馔耆孤逗?，巷道?nèi)氧氣濃度大于20%，試驗(yàn)期間，主要防止局部區(qū)域氧氣濃度下降，采取了警戒、懸掛風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)、懸掛氧氣便攜儀等措施。2.5防塵設(shè)計(jì)壓風(fēng)打鉆過程中粉塵較大，為了控制粉塵，主要采取的措施有：1）在鉆機(jī)下風(fēng)側(cè)安裝凈化水幕。2）在孔口安裝除塵器，見圖3,主要由霧化除塵室、射流器、防噴孔復(fù)合吸塵罩、輸塵管等構(gòu)成，孔口除塵器利用井下壓風(fēng)作動(dòng)力，同時(shí)利用水進(jìn)行霧化除塵。圖3氮?dú)獯蜚@孔口負(fù)壓除塵器圖2.6試驗(yàn)主要流程及要求1）開孔。固定鉆機(jī)后，一開使用d108mm鉆頭施工15m,二開使用d95/153mm合金鋼鉆頭擴(kuò)孔15m,退出鉆具后，下入d125mm封孔管，并完成注漿。2） 制氮。啟動(dòng)制氮機(jī)組，確保氮?dú)鉂舛却笥?7%，檢查氮?dú)鈮毫φ！?） 鉆進(jìn)。檢查鉆機(jī)處氮?dú)夤軌毫Υ笥?.0MPa，使用氮?dú)怛?qū)動(dòng)空氣螺桿馬達(dá)帶動(dòng)d108mm專用鉆頭實(shí)現(xiàn)破煤。正常鉆進(jìn)時(shí)，采取滑動(dòng)定向鉆進(jìn)；當(dāng)鉆進(jìn)過程中出現(xiàn)卡鉆或在穩(wěn)定煤層段鉆進(jìn)時(shí)，采取復(fù)合鉆進(jìn)。4） 監(jiān)控。鉆進(jìn)過程中，隨時(shí)檢查監(jiān)控系統(tǒng)的流量和壓力，在主油泵內(nèi)添加潤(rùn)滑油，減少空氣螺桿馬達(dá)磨損。5） 測(cè)量。每鉆進(jìn)3m，通過隨鉆測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量鉆孔軌跡，并根據(jù)煤層起伏情況調(diào)整鉆孔軌跡。6） 退鉆。正常鉆進(jìn)過程中確保煤渣返凈，出現(xiàn)卡鉆時(shí)反復(fù)掏煤，施工至鉆孔成孔后退鉆。7） 護(hù)孔。使用d50mm篩管進(jìn)行護(hù)孔，降低塌孔對(duì)抽采效果的影響。8） 封孔。通過雙囊袋兩堵一注的封孔工藝完成注漿封孔，并進(jìn)行并網(wǎng)聯(lián)抽。3現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)該次試驗(yàn)布置在掘進(jìn)措施巷的鉆場(chǎng)硐室內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)域煤層厚6m，巷道沿3#煤頂板掘進(jìn)，巷高4m.設(shè)計(jì)施工5個(gè)鉆孔，鉆孔開孔高度1m，距煤層頂板3m，鉆孔設(shè)計(jì)沿煤層中部延伸，鉆孔鉆進(jìn)方向的煤體呈下傾的單斜構(gòu)造。氮?dú)廨斔凸苈愤x用DN100鐵管，氮?dú)夤苈房傞L(zhǎng)280m.經(jīng)過井下實(shí)測(cè)，鉆機(jī)處氮?dú)鈮毫?.1MPa.鉆場(chǎng)配風(fēng)量為650m3/min，鉆場(chǎng)溫度15~18°C.鉆機(jī)布置及成孔情況見圖4.圖4千米鉆機(jī)氮?dú)鈴?fù)合鉆進(jìn)鉆場(chǎng)布置及成孔情況圖試驗(yàn)以氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)為主，滑動(dòng)鉆進(jìn)為輔，返渣以細(xì)粒煤為主。鉆進(jìn)過程中，鉆孔30-50m段頻繁出現(xiàn)卡鉆現(xiàn)象，判斷受已掘巷道應(yīng)力影響區(qū)影響，為此，采取了退鉆并全孔注漿的措施，待水泥漿凝固再鉆進(jìn)，緩解了卡鉆的現(xiàn)象。由于采取了加大配風(fēng)量、防火、防塵等措施，試驗(yàn)期間未出現(xiàn)氧氣濃度和一氧化碳報(bào)警，鉆場(chǎng)粉塵不超標(biāo)。自2018年12月1日開始施工，2019年1月13日施工結(jié)束，除2#鉆孔因卡鉆而退鉆外，其余鉆孔均因接近斷層（見砰）而退鉆。累計(jì)施工鉆孔進(jìn)尺906m（含分支），最大主孔深度達(dá)到231m,見表1.表1掘進(jìn)措施巷氮?dú)獯蜚@成孔情況表孔號(hào)主孔孔深/m抽采濃度/%抽采純量/m3/min備注1231410.019見砰2165280.011卡鉆366310.007見砰4192200.012見砰5156750.021見砰4試驗(yàn)效果分析1） 鉆孔成孔。此次試驗(yàn)最大鉆孔達(dá)到231m，是目前長(zhǎng)平礦本煤層順層鉆孔的最深鉆孔；5個(gè)鉆孔平均孔深162m，是水力排渣施工工藝的3.1倍。2） 施工效率。千米鉆機(jī)氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)44天完成鉆孔進(jìn)尺906m,平均日進(jìn)尺21m，較水力排渣施工工藝略有提升，但與普通鉆機(jī)（非定向鉆進(jìn)）平均日進(jìn)尺130m和千米鉆機(jī)巖孔施工平均日進(jìn)尺60m相比，氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)的施工效率較低。除受構(gòu)造影響外，首次試驗(yàn)中職工對(duì)工藝和裝備的不熟練、下行孑L返渣困難等因素，也在一定程度上影響了施工效率。3） 護(hù)孔。為降低塌孔對(duì)抽采的影響，在鉆孔成孔后使用d50mmPE篩管對(duì)鉆孔進(jìn)行護(hù)孔。采用人工護(hù)孔的方式，由于定向鉆孔孔深較大，所有試驗(yàn)鉆孔均無法實(shí)現(xiàn)全長(zhǎng)護(hù)孔，最長(zhǎng)護(hù)孔深度僅為44m，造成鉆孔深部形成了抽采弱化區(qū)。4） 抽采效果。氮?dú)馀旁鼘?duì)煤體擾動(dòng)較小，形成的孔壁較規(guī)整，單孔抽采量偏低，試驗(yàn)鉆孔百米鉆孔流量為0.0086m3/min，略高于長(zhǎng)平礦本煤層順層鉆孔百米流量0.0068m3/min的平均水平。5結(jié)語碎軟煤層順層鉆孔定向深孔鉆進(jìn)是近年來瓦斯治理的一個(gè)難點(diǎn)，通過開展千米鉆機(jī)氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了定向鉆進(jìn)231m,創(chuàng)造了長(zhǎng)平礦本煤層順層鉆孔的最高孔深紀(jì)錄。但是鉆孔施工效率低、護(hù)孔困難、抽采量偏低，直接影響了氮?dú)馀旁鼜?fù)合鉆進(jìn)工藝在礦井的全面推廣