突出松軟煤層打深孔技術(shù)

突出松軟煤層

打深孔技術(shù)河南理工大學(xué)彭立世教授（煤礦瓦斯治理研討會交流材料）松軟煤層打鉆遇到的

問題及原因分析松軟煤層打鉆遇到的問題噴孔、卡鉆形成過程噴孔和卡鉆原因分析松軟煤層打鉆遇到的問題是：噴孔、跨孔、堵孔和卡鉆，嚴重的誘發(fā)瓦斯突出。噴孔是一種小型的井噴，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對幫。頓時，孔口煙霧迷漫，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20多分鐘，表現(xiàn)為脈沖形式，噴出的煤粉在孔口附近形成錐狀堆積，最多達到一頓或更多。此時巷道瓦斯嚴重超限，只好停鉆撤人。噴孔往往伴隨著跨孔、堵孔和卡鉆的出現(xiàn)。無法繼續(xù)鉆進，甚至由鉆進變成事故處理。鶴壁十礦1113采面切眼打鉆誘發(fā)瓦斯突出，停一個月才恢復(fù)打鉆。

噴孔、卡鉆形成過程：根據(jù)隨班觀測，松軟煤層打鉆噴孔可分成：煤體破碎→瓦斯聚積→瓦斯釋放三個階段，各階段又有多種狀態(tài)發(fā)生。煤體破碎（鉆進→切削煤→煤體粉碎）→瓦斯聚積（瓦斯迅速解吸→孔壁破裂→孔內(nèi)堵塞→瓦斯梯度猛增）→瓦斯釋放（突破堵塞→噴孔和卡鉆）

噴孔和卡鉆原因分析：鉆孔噴孔應(yīng)看作是鉆孔中出現(xiàn)的動力現(xiàn)象，這種現(xiàn)象的出現(xiàn)類似煤與瓦斯突出，主要是高壓瓦斯、應(yīng)力集中和軟煤存在三個因素綜合作用的結(jié)果。當(dāng)鉆孔進入軟煤分層時，鉆頭的切削旋轉(zhuǎn)，對軟煤產(chǎn)生一種沖擊和破碎力，這種力使煤體破裂、粉碎，破裂和粉碎了的煤體，頓時產(chǎn)生瓦斯迅速解吸。鉆孔周邊煤體快速度的瓦斯解吸，使流入鉆孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的幾倍到幾十倍，此時鉆孔前方與后方出現(xiàn)了較大的瓦斯梯度，因而出現(xiàn)了明顯的瓦斯激流，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，同時還繼續(xù)向鉆孔周邊擴大影響范圍，由于鉆孔孔徑小和鉆孔出現(xiàn)堵孔，瓦斯激流和粉化了的煤顆粒難以順利的向孔外排出，進一步增加了鉆孔內(nèi)外的瓦斯壓力梯度，致使這種瓦斯涌出變成了爆發(fā)性的孔內(nèi)瓦斯向孔口外流，形成噴孔。

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(nèi)）出現(xiàn)堵孔。再是打鉆風(fēng)壓和風(fēng)量不夠，排碴不力，出現(xiàn)堵孔。堵孔造成迅速解吸的瓦斯無法排出，孔內(nèi)的壓力梯度達到某個極限時，發(fā)生噴孔。卡鉆是與噴孔聯(lián)系和同時發(fā)生的一種現(xiàn)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。或是孔內(nèi)出現(xiàn)塌孔、堵孔時，排渣不力，孔內(nèi)積塵增多，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、塌孔、堵孔和卡鉆是不同現(xiàn)象，但又是相互聯(lián)系的，卡鉆是嚴重的打鉆事故，往往可能出現(xiàn)扭斷鉆桿丟失鉆頭。松軟煤層中打深孔的

基本技術(shù)實現(xiàn)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(shè)計、打鉆設(shè)備和打鉆工藝等方面。因為目前使用的鉆機已定型，液壓150鉆機已廣泛使用，這里主要總結(jié)打鉆工藝。松軟煤層中打深孔的

基本技術(shù)穩(wěn)固鉆機保證風(fēng)壓風(fēng)量、鉆孔排渣好掌握給進壓力和鉆進速度搞好鉆孔設(shè)計提高鉆工技術(shù)素質(zhì)

穩(wěn)固鉆機：鉆機底部有墊木墊在實底上，要用立柱控制鉆機位置，防止鉆機在鉆進過程中震動，鉆機震動將會造成鉆桿在鉆進過程中擺動或閃動，形成鉆孔偏離中心，孔壁不平直，增加阻力，削弱前進能力，孔壁受鉆桿擺動影響而破壞，增加跨孔堵孔的形成條件。這是打鉆前重要環(huán)節(jié)。保證風(fēng)壓風(fēng)量、鉆孔排渣好：做到不堵孔，減少噴孔，降低噴孔強度都靠排碴，排碴的好壞，直接關(guān)系到鉆孔的成敗，排碴不好，不僅造成堵孔、卡鉆，而且會磨擦發(fā)熱產(chǎn)生高溫，嚴重時導(dǎo)致鉆孔內(nèi)起火，帶來安全隱患。鉆孔排碴好依托兩個條件：保證打鉆風(fēng)壓和風(fēng)量。根據(jù)我們測定風(fēng)壓必須在3-4kg/cm2，風(fēng)量必須每分鐘2-3m3/min。當(dāng)井下壓風(fēng)滿足不了時，必須采取安裝井下壓風(fēng)機來解決。

鉆進過程中必須觀察排碴情況，及時采取退鉆措施，經(jīng)實踐我們形成“低壓慢速、邊進邊退、掏空前進”的軟煤打鉆工藝思路，經(jīng)平煤和鶴煤三個工作面反復(fù)試驗，證明這一工藝思路是正確的。退多少根鉆桿要根據(jù)排碴效果確定，嚴格禁止在排碴不順的情況下強拔硬進，有時可以先停止進退，送風(fēng)排碴，使鉆桿活動后再進或再退。不看排碴盲目鉆進，出事故是不可避免的。含水煤層孔內(nèi)煤粉變成煤泥糊或煤泥團，單純送風(fēng)往往難以達到孔內(nèi)通暢的效果，多退鉆，反復(fù)退是完全必要的。此時決不能強調(diào)鉆進速度，單純要進尺，會事與愿違，欲速不達。

掌握給進壓力和鉆進速度：鉆機給進壓力的極限是固定的，不同層段要掌握不同的給進壓力，壓力升高的原因是①換層；②孔內(nèi)出現(xiàn)堵孔；③鉆具損壞，斷鉆頭鉆桿也會致使壓力突然變化。當(dāng)給進壓力突然升高時必須采取果斷措施，一是停止鉆進，進行壓風(fēng)排碴；另一種是撤鉆退鉆。鉆進速度必須保持適當(dāng)，軟煤分層中鉆進主要是降速，通過降速充分排碴，減少沉碴，同時也起到降低給進壓力的作用。所以軟煤鉆進速度要比硬煤慢。鉆進速度和給進壓力的掌握，需要針對不同鉆機、不同煤層特征和排碴條件進行測試和總結(jié)。

圖1是在平頂山十礦測試的一個實例。17號鉆孔開始給進壓力保持在5-6Mpa，速度每根鉆桿3.5-4.5分鐘，即每分鐘鉆進0.33-0.43m，基本正常，到14根(21m)時出現(xiàn)煤炮，屬進入軟煤分層。鉆進速度和給進壓力未能及時下調(diào)，到16根(24m)出現(xiàn)大噴孔，隨后雖放慢速度采用進進退退，而給進壓力反而上升到8-11Mpa，打到34根（51m）出現(xiàn)鉆桿折斷，鉆頭丟到孔內(nèi)。

搞好鉆孔設(shè)計：鉆孔設(shè)計不能簡單化，一次完成。我們把工作面布孔設(shè)計分為方案設(shè)計、分段設(shè)計和施工設(shè)計，三個階段進行。布孔方案設(shè)計：布孔方案設(shè)計是工作面瓦斯抽放設(shè)計的重要組成部分。根據(jù)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、施工順序。

鉆孔施工分段設(shè)計：目的：根據(jù)工作面抽放方案設(shè)計的要求，結(jié)合不同地段的瓦斯地質(zhì)和巷道條件，進行逐段設(shè)計。通過分段設(shè)計優(yōu)選鉆孔施工參數(shù)，實現(xiàn)抽放鉆孔優(yōu)化。分段設(shè)計前要調(diào)查該段地質(zhì)構(gòu)造煤層傾角、煤厚、巷道條件等。設(shè)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。鉆孔施工設(shè)計：主要是鉆孔參數(shù)的調(diào)整。由于煤層產(chǎn)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(shè)計鉆孔及時調(diào)整參數(shù)，經(jīng)調(diào)整參數(shù)后施工的鉆孔基本能達到設(shè)計深度。

提高鉆工技術(shù)素質(zhì)：為實現(xiàn)“先抽后采”，在打鉆過程中，要特別重視提高打鉆工人的技術(shù)素質(zhì)，并從體制和機制上落實，使他們不僅會使用鉆機、維修鉆機，還要弄懂松軟煤層打鉆技術(shù)，規(guī)范操作，并具備應(yīng)變能力，這是當(dāng)前充分發(fā)揮抽放設(shè)備資金投入的作用，提高打鉆深度的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。主要效果提高了打鉆深度提高了單機月進尺

防止了卡鉆事故嚴重突出工作面實現(xiàn)了放頂煤開采提高了打鉆深度：在三個礦三個工作面組織實施，皆采用液壓150鉆機，鉆孔深度皆有顯著提高，單孔深度由原來30-40m，向上孔和水平孔平均深度達到60m以上。在平頂山十礦20150采面，實施43個鉆孔，最大深度72m。在鶴壁六礦2814采面實施376個孔，總進尺23307m。最大深度77.8m。在鶴壁十礦1113采面組織實施224個孔，總進尺11650m，最大深度73.6m。提高了單機月進尺：鶴壁六礦2#鉆機月進尺達到3570.8m。防止了卡鉆事故：在鶴壁研究期間未出現(xiàn)卡鉆事故。嚴重突出工作面實現(xiàn)了放頂煤開采：鶴壁2814和1113皆為嚴重突出采面，煤層以軟煤為主，通過系統(tǒng)布孔和本煤層打深孔措施，基本實現(xiàn)無空白帶，瓦斯預(yù)抽率在30%以上，因而經(jīng)審批獲得放頂煤開采通行證。二個工作面皆于2003年11月前后正式投產(chǎn)，未出現(xiàn)瓦斯突出。

結(jié)論和今后研究方向提高松軟突出煤層打深孔是實現(xiàn)“先抽后采”的基礎(chǔ)技術(shù)工程。當(dāng)前鉆機能力基本相同的情況下，提高深度的關(guān)鍵在于研究打鉆工藝和提高鉆工素質(zhì)，規(guī)范和掌握打鉆工藝。為了在突出煤層實現(xiàn)打深孔，滿足于采面防突和治理瓦斯的需要，應(yīng)繼續(xù)開展松軟煤層打深孔攻關(guān)。在提高鉆機能力，完善適應(yīng)鉆具和操作工藝等方面繼續(xù)進行研究和實驗。亟待解決提高瓦斯抽放效果的體制和機制問題

自國家煤礦安全監(jiān)察局提出瓦斯治理十二字方針以來，瓦斯抽放得到了長足的進展。加強了領(lǐng)導(dǎo)，加大了投入，健全了隊伍，瓦斯抽放量顯著增加，是有目共睹的事實。當(dāng)前我們需要關(guān)注的是：如何進一步提高投資效益，抽放投入如何作到效益最大化。不少礦井存在三個偏低：抽放瓦斯?jié)舛绕?，打鉆深度偏低，抽放率偏低。本煤層抽放瓦斯?jié)舛炔坏?0%，松軟煤層打鉆深度60m左右或更低，百米鉆孔抽放量在0.02m3/min·百米左右，工作面本煤層抽放率還在20%以下。原因在哪里？除煤層透氣性低外，（1）瓦斯抽放隊伍的素質(zhì)還不適應(yīng)瓦斯抽放嚴要求的形勢；（2）瓦斯抽放技術(shù)力量較為薄弱。不少礦井沒有瓦斯抽放工程師和技師，熟練技術(shù)工人也較少；（3）瓦斯抽放的體制和機制不適應(yīng)提高抽放效益的要求；（4）瓦斯抽放工程是主？還是輔？還不明朗。為了進一步落實先抽后采，在繼續(xù)增加投入和開展技術(shù)攻關(guān)的同時，建議：1、建立和健全瓦斯抽放評估的定量體系；2、將瓦斯抽放基礎(chǔ)工作納入礦井安全評估和安全監(jiān)察工作中；3、抽放隊伍專業(yè)化、工程化：建立抽放工程監(jiān)理制度，采用工程承包和招標方式，將瓦斯?jié)舛?、鉆孔深度、抽放率作為工程考核目標。通過承包或招標來提高素質(zhì)、調(diào)動積極性、進而保證工程運行質(zhì)量。4、盡快培養(yǎng)一批瓦斯抽放技師和高級技術(shù)工人；