松软突出煤层钻进困难的原因分析

摇第37卷第1期煤摇摇炭摇摇学摇摇报Vol.37摇No.1摇摇2012年1月JOURNALOFCHINACOALSOCIETYJan.摇2012摇摇摇文章编号:0253-9993(2012)01-0117-05松软突出煤层钻进困难的原因分析孙玉宁,王永龙,翟新献,王振锋(河南理工大学能源科学与工程学院,河南焦作摇454000)摘摇要:在分析煤层深孔钻进困难原因的基础上,提出“钻穴冶概念,分析了“钻穴冶对钻进的影响。在分析“钻穴冶类型及成因的基础上,建立“钻穴冶内流体排渣模型,采用数学方法,分析钻孔深度和“钻穴冶的关系。结果表明:在纯流体排渣情况下,松软、突出煤层的钻孔深度几乎与钻机动力大小无关,而取决于危害型“钻穴冶的发生位置和“钻穴冶的体积大小。基于对“钻穴冶的新认识,提出流体与机械协同排渣的新观点,以此克服或减轻“钻穴冶的危害,并发明了“双动力低螺旋钻杆冶。关键词:松软煤层;突出煤层;钻穴;钻杆中图分类号:TD713郾32摇摇摇文献标志码:A收稿日期:2011-02-21摇摇责任编辑:韩晋平摇摇作者简介:孙玉宁(1963—),男,河南偃师人,教授,博士。E-mail:sunyn@hpu郾edu郾cnAnalysisonreasonsofdrillingdifficultyinsoftandoutburstcoalseamSUNYu鄄ning,WANGYong鄄long,ZHAIXin鄄xian,WANGZhen鄄feng(SchoolofEnergyScienceandEngineering,HenanPolytechnicUniversity,Jiaozuo摇454000,China)Abstract:Presentedtheconceptof“holecave冶basedonanalysisofreasonsofdeepholedrillingdifficulty,andana鄄lyzedtheeffectofdrillingdueto“holecave冶formation.Onthebasisoftheanalysis“holecave冶typesandcauses,es鄄tablishedfluidslagdischargemodelin“holecave冶,mathematicalmethodswasusedtoanalyzetherelationshipbe鄄tweendrillingdepthand“holecave冶.Theanalysisshowsthattheboreholedepthisindependentofthepowerofdrill鄄ingrigs,andisrelatedtotheoccurrencelocationandvolumeofthe“holecave冶inthecaseoffluidslagdischarge.Putforwardanewviewpointofhydrodynamicandmechanicalslagdischargeinordertoovercomeandreducetheharmofholecaves,andinvented“doublepowerlow鄄spiraldrillingrod冶.Keywords:softcoalseam;outburstcoalseam;holecave;drillingrod摇摇国内某些矿区为解决松软煤层、突出煤层的深孔钻进难题,希望通过引进国外的先进钻进技术来解决。平顶山矿区、淮南矿区、焦作矿区曾引进澳大利亚孔底马达千米钻机,其结果是在松软、突出煤层中与国产普通钻机相当(钻进深度35~45m),且孔底马达丢失在煤层中。要想解决松软、突出煤层的深孔钻进问题,有必要对孔内排渣系统进行理论研究,在理论研究的基础上进行技术创新[1-7]。本文在分析煤层深孔钻进困难原因的基础上,提出了“钻穴冶概念[8],在此基础上,对“钻穴冶的类型及成因进行分析,同时对钻孔深度与“钻穴冶的关系进行深入研究,并提出了松软易突出煤层难以实现深孔钻进的几个重要原因及相应的解决方案。1摇瓦斯抽采钻孔的排渣系统分类本煤层瓦斯抽采钻孔施工的孔内钻具是指钻杆和钻头。钻杆的类型主要有两种,即光面空心圆钻杆和螺旋钻杆。根据钻杆的类型不同,对应的钻孔排渣系统也不同,钻孔排渣系统可分为两种,即流体排渣系统和螺旋排渣系统[9-12]。1郾1摇流体排渣系统光面空心圆钻杆利用水流或气流排渣,即在空心圆钻杆内通入水流或高压气流,利用流体将钻头处的钻削运出钻孔。流体排渣系统的排渣动力并不来自于钻机的动力,而来自于外在流体动力。这种排渣系统不消耗钻机的动力,国内一半以上的本煤层抽采钻孔采用流体排渣系统,国外千米钻机采用的也是流体煤摇摇炭摇摇学摇摇报2012年第37卷排渣系统(水流)。在松软、突出煤层中打钻,由于煤渣产出的不均衡,水流难以将煤渣均匀混合成固液相流体,一般不采用水流排渣,而采用气流排渣。1郾2摇机械排渣系统螺旋钻杆利用钻杆自身的螺旋输送功能排渣,即利用钻杆外表的螺旋叶片将钻头处的钻屑运出钻孔。机械排渣系统的排渣动力来自于钻机的动力。由于机械排渣系统需要钻机的动力,浅孔钻进时一般采用这种排渣系统,近几年新研制的大型钻机有采用机械排渣系统的趋势。2摇“钻穴冶概念的提出2郾1摇钻孔内部疑问本煤层瓦斯抽采钻孔成孔困难(深孔钻进困难)的原因是复杂的,很多专家学者对此进行过概括性描述:喷孔、卡钻、吸钻、塌孔、抱钻和煤炮等[13-16]。但是,针对现行普遍采用的孔口回转型钻机,人们对煤层打钻困难的原因并没有作深入详细的研究,对钻孔内喷孔、塌孔和煤炮发生后,钻孔内具体情况没有进行详尽的假设与推断。深入研究煤层深孔钻进困难的原因,有助于确立成孔技术装备的研究方向。下面就长期跟班打钻的观察和分析,对煤层深孔钻进困难的原因作些假设和推断。2郾2摇“钻穴冶概念的提出及“钻穴冶类型在松软高瓦斯煤层、松软、突出煤层打钻的过程中,经常遇到钻渣过量排出的情况,即在单位钻进长度内钻孔排出的煤渣量远远大于理论排渣量。理论上讲,采用准94mm的钻头,钻孔直径取100mm,煤比重取1郾4t/m3,每米钻孔出渣量应该在11kg左右,而实际打钻的个别情况能排出煤渣数百千克,甚至数吨煤渣,同时伴有大量瓦斯涌出,继续钻进时煤渣反而不再排出,钻机的阻力也开始加大。这些煤渣被排出之后,孔内到底是什么情况?排出大量煤渣之后,反而不排渣了?为什么接着会出现钻进困难?在高瓦斯煤层和突出煤层打钻的过程中,孔内经常产生煤炮声,煤炮声出现之后,有时会直接将钻杆抱死,有时会接着出现喷孔,煤炮发生之后孔内到底是什么情况呢?弄清打钻动力现象发生的原因、机理和后果,对于成孔技术装备的研究具有重要意义。根据大量现场打钻跟班的观察分析,提出“钻穴冶概念,对“钻穴冶内煤渣运移堵塞规律作初步的假设和推断。2郾2郾1摇“钻穴冶概念“钻穴冶是指在煤层打钻的过程中,由地应力、瓦斯压力、钻杆扰动力和煤体力学性能等4个因素共同作用造成的钻孔局部直径远远大于钻孔理论直径的准充填型洞穴。根据现场观察和推断,认为“钻穴冶是本煤层瓦斯抽采钻孔成孔困难的根本性原因,研究“钻穴冶的形成方式、形成过程和“钻穴冶内煤渣运移堵塞规律,对于研究本煤层瓦斯抽采钻孔成孔技术具有重要的理论意义和实际意义。提出“钻穴冶概念的意义是:把本煤层深孔钻进困难(成孔困难)归根于“钻穴冶的客观存在,将本煤层成孔理论研究对象集中于“钻穴冶内排渣系统稳定性的研究。2郾2郾2摇基于主要成因的“钻穴冶分类煤体是非均质材料,其强度随矿区地域、地质构造等因素的变化而变化,形成“钻穴冶的四大因素在“钻穴冶成因中所起作用的权重是不一样的。所以,“钻穴冶的形成方式和形成过程也有所不同。根据主要成因的不同,可将“钻穴冶分为两种类型。(1)松塌类“钻穴冶。松散煤层、松软、突出煤层和裂隙发育煤层,由于煤层强度很低、整体性差,以地应力和钻杆扰动力为主要作用,钻孔前端或钻孔上部的煤体松散塌落而形成“钻穴冶。“钻穴冶形成过程中没有煤炮声或煤炮声沉闷且甚微,“钻穴冶的形成过程不具备突发性。河南豫西松软、突出煤层,安徽淮北童亭矿突出煤层、平煤戊组突出煤层的煤松软分层等,属于松塌类“钻穴冶。松塌类“钻穴冶易发生在距离巷道一定距离内的高应力区,也会发生在其他瓦斯异常带,在距离煤壁15m左右经常会出现打钻成孔困难的现象。(2)突出类“钻穴冶。钻孔是个微型巷道,巷道会发生煤与瓦斯突出,在四大因素作用下钻孔内也会发生煤与瓦斯突出,钻孔内煤与瓦斯突出具有突发性,“钻穴冶的形成也具有突发性,“钻穴冶是伴随着煤炮声而突然形成,瞬间形成的“钻穴冶处于充填状态,甚至出现直接抱死钻杆和丢钻的事故。2郾2郾3摇基于危害程度的“钻穴冶类型(1)危害型“钻穴冶。能够使光面钻杆流体排渣系统堵塞失效或能够使螺旋钻杆抱死的“钻穴冶称为危害型“钻穴冶。危害型“钻穴冶的发生位置决定着瓦斯抽采钻孔的深度。由于孔内钻具的不同,危害型“钻穴冶是相对而言的。(2)非危害型“钻穴冶。非危害型“钻穴冶对打钻有影响,但不至于因“钻穴冶而被迫停钻。3摇钻孔深度与“钻穴冶的关系3郾1摇“钻穴冶处于准充填状态在松软煤层、突出煤层等煤层在打钻的过程中,钻孔的排渣速度是不均衡的,尤其在“钻穴冶的形成811第1期孙玉宁等:松软突出煤层钻进困难的原因分析过程中,钻孔的排渣量会发生突变。推断“钻穴冶处于准充填状态基于以下2个原因。(1)流体排渣系统情况下“钻穴冶内要求最小流速。采用流体搬运固体颗粒物料,需要满足一个最小流速,流速小于某一流速时,流体将会失去搬运煤渣的能力,这个流速称之为最小搬运流速。在流体排渣动力(流量、压力)一定的情况下,要想保证最小搬运流速,就必须要求一个流体通过的最大通过截面,截面大于某一截面后,流速就会减小,钻渣就会沉淀,也就失去了搬运煤渣的能力。由此可以推断,大直径“钻穴冶内不可能是空旷的,否则“钻穴冶内的流体速度将会下降,钻屑就会在“钻穴冶内聚集。所以,流体排渣情况下,“钻穴冶处于准充填状态。流体排渣系统的排渣路线如图1(a)所示,即“钻穴冶内排渣路线在“钻穴冶的顶部,钻杆在“钻穴冶区域是处于埋没状态的。图1摇排渣路线示意Fig郾1摇Slag鄄offroute(2)机械排渣速度与煤渣产出速度的不协调性。“钻穴冶的形成过程中,将有煤渣大量产出。机械排渣路线如图1(b)所示,大量的煤渣来自与“钻穴冶煤体,“钻穴冶煤体松散膨胀,可以将“钻穴冶充填,使螺旋钻杆在某一时间段内处于埋没状态,这是螺旋钻杆的旋转阻力加大,甚至出现“吸钻冶现象。3郾2摇流体排渣情况下钻孔深度与“钻穴冶的关系采用光面圆钻杆情况下,排渣动力来自于外界流体动力,即水流动力或气流动力,我国多数矿区采用流体排渣系统的打钻工艺。根据现场的大量调研,发现流体排渣情况下,突出煤层的钻进深度与钻机的动力大小几乎无关。人们为了提高突出煤层的钻进深度,将小钻机更换为大钻机,甚至引进国外价值千万元的千米钻机(孔底马达钻机,水力排渣),结果打钻深度基本是一样的,为什么会出现这种现象呢?弄清这个问题,对于改变人们的传统认识十分重要。对此分析如下。流体排渣系统中的准充填型“钻穴冶是流体排渣系统堵塞失效的根本原因。“钻穴冶的体积越大,“钻穴冶被完全充填的可能性越大,“钻穴冶被完全充填之后,流体排渣系统就会发生堵塞失效。为什么“钻穴冶体积越大越容易被完全充填呢?如图2所示,“钻穴冶内的流体排渣通道在“钻穴冶的上部。假设保持最小排渣流速一定的情况下,供水供风量一定情况下,那么流体排渣通道的截面积将是一定的,最小排渣截面积的大小与“钻穴冶体积的大小无关。为了分析问题的方便,这里将“钻穴冶的截面假设成圆形。图2摇“钻穴冶截面示意Fig郾2摇Sectionofholecave假设“钻穴冶的最大截面积为Sz、“钻穴冶的实际最大排渣通道的面积为St,St不因“钻穴冶的截面积的变化而变化,流体流量一定的情况下,St是个定值。“钻穴冶是否堵塞取决于排渣通道的最小尺寸,也即取决于排渣通道高度h的大小,如图2所示。通过简单的几何计算,可