松软突出煤层长及定向长钻孔施工关键技术与装备

松软突出煤层及定向长钻孔施工关键技术与装备俞启香(教授、博导、国家安全生产专家）中国矿业大学国家煤矿瓦斯治理工程研究中心主要内容1、松软煤层抽放钻孔施工关键技术及装备2、煤矿井下定向长钻孔施工关键技术及装备1、松软煤层抽放钻孔关键技术1）问题的提出、技术途径及其进展①松软煤层钻孔难施工一直制约着我国煤矿瓦斯抽放与突出防治的技术发展。②实践证明，螺旋钻进、压风排渣是松软突出煤层成孔的有效途径，但还需要解决一些关键技术。③“十五”后期及近两年，重庆院西安院等创新研究思路，从工艺和装备两方面入手，通过2年多的攻关研究，取得了实质性的技术突破。2）重点核心技术研究进展①考察研究了钻机钻具转速与排渣效果的关系，确定了螺旋钻机的临界转速，解决或减弱了螺旋钻机施工时因排渣不畅而形成阻塞和憋钻现象。②试验研究了钻进速度与煤的性质、成孔直径、钻具转速的关系，对螺旋钻杆主要参数进行了分析，确定了螺旋钻杆合理螺旋角。③通过对螺旋成孔所需临界转速、钻杆螺旋升角、中心管径、螺距的优化研究，确定了钻机的最优参数，开发出适用于松软煤层顺层长钻孔施工的螺旋钻机和相应的钻具。1、松软煤层抽放钻孔关键技术3)重庆院的研究成果介绍150m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图(1)中空螺旋钻杆200m深孔合理参数的螺旋钻杆设计图37kw型螺旋钻机(2)ZYW系列钻机该系列钻机有3种功率：22kw，37kw，55kw。55kw型螺旋钻机(3）现场实施效果①松藻煤电公司打通一矿，采用ZYW--1200型螺旋钻机对8#突出煤层进行了连续施工5个顺层长钻孔的钻进试验，有4个钻孔深度达到100m以上，最大成孔深度128m。煤的坚固性系数为0.2，瓦斯压力2.2MPa左右，瓦斯含量15.3m3/t）。具体参数如下表：3）现场实施效果钻孔编号钻孔直径/mm施工角度终孔深度/m卡钻情况终孔原因1#钻孔90+0.5°125.6-钻杆数量不够2#钻孔90-0.5°128.0-钻杆数量不够3#钻孔90-1.0°20.8-见岩石4#钻孔90-0.5°103.2钻进129根钻杆后,卡钻严重，排粉量剧增风压太小0.1MPa5#钻孔90-0.5°120.0-风压太小①打通一矿试验钻孔参数表②松藻渝阳煤矿现场钻孔对比在渝阳煤矿N2707和N2709突出煤工作面施工500个本层钻孔，平均孔深达88m以上，达到设计深度的一次性成孔率达88%，台机月效率在300m以上（最高达到8700m），未出现抱钻、钻杆折断等事故，钻孔平均抽采浓度达到37%，平均单孔瞬时抽采量达到0.0157m3/min，成孔深度最长达168m，因见岩而终孔，。在同一地点，用相同能力的钻机，采用矿上现有的螺旋钻杆及钻头作对比试验，最大成孔深度还不到80m，60m左右就卡钻、抱钻，70多m时钻机就不能旋转了。通过现场试验，螺旋钻进成孔技术能成孔160m深度以上，为顺层长钻孔施工从装备和工艺技术上奠定了很好的基础。③王坡煤矿3207回风巷顺层长钻孔试验天地公司王坡煤矿3207回风巷，煤层较稳定，(瓦斯含量16m3/t，f值为0.53）采用普通钻机和工艺施工顺层钻孔，平均施工深度在60m左右。在2008年5月9日至6月28日期间，采用ZYW～1900R型试验钻机及施工工艺后在3207回风巷施工了55个下向孔，总计进尺6272m，平均孔深达114.3m，最大成孔深度165m（人为停钻），平均每天成孔187m。王坡矿3207回风巷施工钻孔竣工布置图两种钻机在王坡矿3207回风巷施工钻孔深度分布对比图两台螺旋钻机在3207回风巷施工水平长度约为200m，取同一时间段(1个月)各施工的28个钻孔深度对比如下图④在多个煤矿顺层长钻孔应用情况在铁法煤业（集团）有限责任公司大兴煤矿、淮南矿业集团丁集煤矿、通化煤业集团松树镇煤矿、平煤集团四矿等进行了推广应用，这些矿井都为煤与瓦斯层埋藏较深（如丁集煤矿达910m）、透气性差、瓦斯含量高，通过现场钻孔施工试验，钻孔成孔深度都达到了100m以上。4)西安院的研究成果介绍(1)成果简况西安院对风力钻进排粉机理进行了研究，提出利用中风压空气钻进工艺解决成孔问题，研制了配套装备以及保障工艺，主要包括适于松软突出煤层的①ZDY3200L和ZDY3200S两种型号钻机;②大通孔中风压密封钻杆、宽翼片大通孔螺旋钻杆;③多级无动力除尘器等；④研制了内芯可脱式钻头，可实现从钻杆内孔下放筛管以维护孔壁，大大提高了钻孔的深度，并解决了后期的护孔问题，从而提高了瓦斯抽采效率，达到降低煤与瓦斯突出危险性的目的。(2)ZDY系列钻机①ZDY3200I型全液压履带钻机适用于大断面巷道，采用整体式布局，宽度仅为1.35m，结构紧凑，能够满足大多数煤矿巷道的使用要求。该钻机采用负载传感器和恒压变量等先进技术和进口液压元件，提高了操控性、可靠度，并具有良好的节能效果。②ZDY3200S型全液压坑道钻机主要适用于小断面巷道，采用分体式结构，分为主机、操控台和泵站三部分，每部分的重量相对较轻，便于搬迁运输，满足煤矿狭小巷道的使用要求。该钻机全部采用国产优质液压元件，降低了成本，满足不同用户的需求。(2)ZDY系列钻机项目ZDY4000SZDY3200S终孔直径mm9494回转速度r/min5~28050~175最大扭矩kN40003200给进/起拔能力kN150/150102/70主轴倾角O0~±450~±90功率kw5545整机重量kg25402100主机重量kg15001180主机外形尺寸m(长X宽X高）)2.38X1.3X1.522.3X1.1X1.65ZDY系列钻机主要技术参数表ZDY3200I型全液压整体式结构履带钻机（在煤矿井下大断面巷道中工作照片）ZDY3200S型全液压分体式结构钻机（主要适用于小断面巷道）(3)配套钻具与装置①通过钻杆内孔下放筛管的护孔工艺，解决提钻后易塌孔和瓦斯抽放时的负压造成孔壁坍塌的问题。②中风压高强度大通孔钻杆，减少了压缩空气通过的压力损失，并为筛管下入提供了通道；③内芯可脱式钻头，正常钻进时内芯与钻头体结合牢固可靠，终孔后钻头内芯在钻杆内孔轴向外力用下可脱落，能够满足钻杆内通孔下放筛管的需求。④钻进除尘装置,根据中风压空气钻进的特点，采用经验计算和数值模相结合的方法研制出多级无动力孔口除尘器。该尘器采用惯性除尘、冲击水浴除尘、文丘里除尘等除尘原理，具有结构简单、除尘效率高、操作方便、在高瓦斯环境中使用不存在安全隐患等特点。(3)配套钻具与装置设备技术参数空压机排气量m3/min17排气压力MPa1.25功率kw13.2除尘器最大处理风量m3/min20除尘效率%＞95外形尺寸（长X宽X高）m1.68X0.85X1.45(3)配套钻具与装置(3)配套钻具与装置配套设备主要技术参数表(4)应用实例松软突出煤层中风压空气钻进技术成套装备，于2008年10月至2009年5月先后在淮北矿业（集团）有限责任公司芦岭煤矿和祁南煤矿进行了现场工业性试验：①芦岭矿煤层厚度3.9~10.0m，煤层硬度系数f为0.2~0．45，试验前普遍采用干式螺旋钻，钻孔深度50m左右。试验期间采用项目研制的ZDY3200S钻机、配套移动空压机、大通孔钻杆、除尘器等，累计进尺l824.5m，终孔直径94mm，完成孔深100m以上的钻孔8个，最深孔135m，钻孔深度和成孔率得到大幅提高。②祁南矿煤层硬度系数f为0.5~0.8，试验前采用风力或水力排渣成孔，钻孔深度一般不足100m，且成孔率低。试验期间采用中风压空气钻进技术成套装备，累计进尺17800余m，终孔直径94mm、深度在110-~120rn的钻孔140个，纯钻进平均时效为18.38m/h，最高35m/h。5）钻孔施工除尘技术及装备(1)概述《煤矿安全规程》第一百五十四条（七）的规定：“在煤、岩层中钻孔，应采取湿式钻孔。煤（岩）与瓦斯突出煤层或软煤层中瓦斯抽放钻孔难以采取湿式钻孔时，可采取干式钻孔，但必须采取捕尘、降尘措施，工作人员必须佩戴防尘保护用品。”在钻孔施工中，采用湿式钻孔，基本能解决钻孔粉尘问题。但是，采取干式钻孔时，粉尘污染极其严重，粉尘浓度高达1000mg/m3以上，严重影响作业人员身体健康，并造成安全隐患。因此有效降低干式钻孔时的粉尘浓度，已成为目前煤矿井下，特别是高瓦斯突出矿井急需解决的问题。目前，国内采用风力排渣的压缩空气压力达0.5MPa，压空耗量6-8m3/min（标准状况），通常采用的降、除尘措施主要是在孔口安设带套管的收尘罩，然后在收尘罩内喷雾降尘，其收尘效率一般在50%～60%除尘效率在60%～70%，总体降尘效率只能达到30%～40%，钻孔周围的粉尘浓度仍高达600mg/m3以上，远远超过国家卫生标准。5）钻孔施工除尘技术及装备（2）水环泵动力型除尘器①技术原理该除尘器采用多种除尘机理相结合的三级除尘技术：第一级采用惯性除尘机理，去除大部分较大粒径的粉尘，第二级采用湿式洗涤过滤捕尘技术，第三级采用旋风脱水和旋流捕尘相结合的高效捕尘技术。钻孔施工除尘技术及装备钻孔施工除尘技术及装备②工作原理：打开除尘器的进水阀，启动水环真空泵，在封孔器内形成微负压。钻孔时产生的粉尘在压缩空气的作用下，从孔底高速向外扩散，进入封孔器后由于扩散空间的急剧增大，风速快速降低，大颗粒的粉尘在封孔器内由于重力的作用沉降下来，经封孔器下部的排尘口排出。没有被沉降下来的粉尘在真空泵的作用下，被吸进除尘器内。粉尘进入除尘器后，首先经过一级惯性除尘，大颗粒粉尘被进一步沉降落入灰斗，落人灰斗的大颗粒粉尘达到一定质量，灰斗底板自动打开，排出粉尘后底板自动关闭；细微颗粒在风流的带动下进入过滤除尘段，过滤除尘段设有过滤网和新型螺旋喷嘴，螺旋喷嘴喷出的雾化水在过滤网上形成水膜。当粉尘经过该水膜时被拦截下来，大部分粉尘和水形成的尘水混合物经排污通道进入污水箱。小部分尘水混合物进入真空泵，由真空泵排入离心旋流气水分离器，利用离心分离原理将尘水混合物与气体分离，进一步提高除尘效率。干净的空气由排气口排出除尘器。气水分离器分离下来的尘水混合物进人污水箱。污水箱内的污水由溢水口排出除尘器。钻孔施工除尘技术及装备③除尘装备技术参数Ⅰ、处理风量干式钻孔工艺耗气量通常在8m3/min左右，通过对配套水环真空泵的选型试验，确定处理风量为11.8m3/min。Ⅱ、除尘器工作阻力除尘器的工作阻力不大于800Pa。Ⅲ、除尘效率除尘器的总粉尘除尘效率大于99%；呼吸性粉尘除尘效率大于90%Ⅳ、脱水效率除尘器的脱水效率≥95%。钻孔施工除尘技术及装备④井下工业性试验除尘器于2006年9月至2006年11月在盘江煤电（集团）有限责任公司山脚树煤矿进行了为期3个月的井下工业性试验，结果表明：试验期间除尘系统运行平稳、安全可靠。同时，除尘器的总粉尘除尘效率达到99.45%，呼吸性粉尘除尘效率达到99.06%，收尘罩的收尘效率达到98.1%，除尘系统降尘效率达到97.56%。2、立体交叉钻孔布孔增透技术国内外矿井试验与应用结果表明，立体交叉钻孔预抽能提高瓦斯抽采量、抽采率和煤层透气性系数。不同地质条件下，最优交叉钻孔的间距不同。1）交叉钻孔布孔增流提透原理：①钻孔交叉点及其邻区塑性与流变范围增大，即卸压范围加大与卸压程度加深，卸压提透增流；②各孔之间互通成网，其任一孔不会出现像平行孔的单一孔那样：某点垮孔或被堵，整个钻孔瓦斯都转化为难流出状态，形成断流或微流③由于工作面推进，从斜向孔孔底最先进入卸压增透区获得卸压流起，一直延续到孔口被回采止，比平行孔在边采边抽卸压带中的时间长，况且在现场软煤中的孔位看不到孔洞，斜孔出露端基本不形成漏气与短路。2、立体交叉钻孔布孔增透技术立体交叉钻孔布孔示意图2、立体交叉钻孔布孔增透技术2）焦作九里山矿现场试验研究成果1994～1995，抚顺院与焦作局合作，在九里山矿13051面进行了交叉孔与平行孔预抽本煤层瓦斯对比的试验研究，平行孔和交叉孔分段分别布置，钻孔直径Φ65mm，钻孔平均长L63.8m，孔间距D2.35～3.0m，斜向孔与平行孔夹角15～20°封孔管内径25mm聚氨酯封堵长1