胡底煤業松軟破碎煤層長鉆孔施工工藝研究與應用

王 濤

（晉能控股煤業公司胡底煤業，山西 晉城 048000）

1 工程概況

胡底煤業主采3#和9#煤層，3 號煤層厚度5.20～5.91 m，平均5.67 m，煤層傾角3°～10°，平均6°，煤層節理裂隙發育，屬松軟破碎煤層。礦井為高瓦斯高突出礦井，3#煤層原始瓦斯壓力3.83 MPa，原始瓦斯含量25 m3/t。開采3#煤層時，需大量施工瓦斯抽采鉆孔，其中條帶抽采鉆孔和工作面順層鉆孔長度均較長，屬于長鉆孔。為保障長鉆孔的施工質量及效率，需進行松軟破碎圍巖長鉆孔施工工藝的研究分析。

2 空氣鉆進原理及工藝參數分析

2.1 空氣鉆進原理

空氣鉆進是以一定壓力的壓縮空氣作為沖洗介質，在鉆桿柱與孔壁形成的封閉空間內形成高速風流，通過形成的高速風流實現將鉆屑排出孔外，同時高速風流能夠在一定程度上降低鉆頭溫度，以此實現鉆進作業。

軟硬復合破碎煤層中沿煤層布置的瓦斯抽采鉆孔基本均為近水平鉆孔，在進行該類鉆孔打孔作業時，其排粉機理類似于水平氣力輸送。在水平鉆孔中，鉆進產生的煤屑在水平流動和鉆桿旋轉攪動作用下能夠實現懸浮輸送。使煤屑懸浮運動的力主要為五種，煤屑在五種力下實現鉆孔鉆進時的風力排粉[1-2]。具體鉆顆粒懸浮力如圖1。

圖1 顆粒懸浮力示意圖

（1）紊流時氣流產生的向上的懸浮力如圖1（a）；（2）空氣鉆進過程中，在鉆孔內的風流在上部的運行速度大于下部產生的運行速度，在管內形成壓力差進而使得處于管底的煤屑處于懸浮狀態，如圖1（b）；（3）煤屑旋轉環流與氣流差相反時，兩者速度差產生的升力如圖1（c）；（4）煤屑顆粒的形狀不規則，受到的推力在垂直方向產生分力，如圖1（d）；（5）煤屑與孔壁、鉆桿或者煤屑間相互碰撞產生的垂直方向分力，如圖1（e）。

在軟硬復合破碎煤層鉆進過程中，風速應大于鉆屑顆粒的沉降速度，但風速過大時鉆屑會處于均勻流狀態，容易塌孔。合理的風量應控制在使得鉆屑顆粒處于底密流或停滯流的狀態[3-4]。

2.2 空氣鉆進工藝參數分析

中風壓空氣鉆進工藝參數包括鉆壓、轉速和供風參數，三者在鉆進過程中相互影響，共同決定著成孔效果。具體空氣鉆進參數分析如下：

（1）鉆壓。鉆壓即為軸向壓力，鉆壓是在鉆進過程中孔底破碎煤巖的必要條件，其會直接影響鉆孔的鉆進速度。具體鉆速與鉆壓的關系曲線如圖2。

圖2 鉆速與鉆壓的關系曲線

從圖2 中能夠看出，以鉆壓為劃分標準，可將鉆速與鉆壓的關系曲線劃分為三個區域，分別為表面破碎區（I 區）、疲勞破碎區（Ⅱ區）和體積破碎區（Ⅲ區）。其中Ⅰ區內鉆壓小，此時鉆速低，鉆孔主要通過表面研磨實現鉆進；Ⅱ區內鉆壓增大到一定程度，此時鉆壓產生的單位壓力仍小于巖石的壓入硬度，煤巖面的破碎需經過多次重復作用，破碎產物中存在煤巖屑和煤巖粉兩種物質；Ⅲ區內鉆壓已增大的足夠大，此時鉆孔鉆進過程主要表現為大體積崩落，這種情況下鉆孔在鉆進速度很快的狀態下，其在表面產生的破碎物質便會較少。

當鉆孔布置在軟硬復合煤層中時，鉆壓一般應大于5 kN；當遇到頂底板巖石及夾矸時，其所需的鉆壓應大于15 kN，加之軟硬復合破碎煤層容易發生塌孔、埋鉆等孔內事故，所需鉆機的提升力較大，一般情況下，鉆機的提升力不能小于50 kN，最好在100 kN 以上。

（2）轉速。轉速即鉆頭每分鐘回轉的次數。軟硬復合破碎煤層的硬度一般低于粘土類巖石，在軟硬復合破碎煤層鉆進，可以認為切削具切削下來的煤屑厚度等于切削具切入煤層的厚度，并且在鉆進過程中切削具磨損很小，當鉆頭以一定的鉆壓鉆進時，鉆速和轉速成正比關系[5-6]。轉速、增大轉速對鉆速的影響曲線如圖3。

圖3 轉速和增大轉速對鉆速影響曲線圖

在軟硬復合破碎煤層鉆進時，鉆壓一定時，隨著轉速的增大，鉆速也會逐漸增大。此時，單位時間內會產生較多的煤屑，若未被及時攜帶到孔外，則煤屑往往積聚在鉆具下部，形成巖屑楔，對鉆具產生上托作用，使鉆孔軌跡有向上偏斜的趨勢。當供風參數未及時調整時，會導致大量的煤屑在孔內堆積，進而易產生堵孔事故；當轉速降低時，單位時間內產生的煤屑便會變少，此時在沖洗介質的作用下鉆孔內會較為干凈，鉆孔軌跡呈下斜趨勢。

綜上，軟硬復合破碎煤層中采用中風壓空氣鉆進時，轉速要適中，不宜采用高轉速。當風量和風壓充足時，通過適當提高鉆速能在一定程度上提升施工效率。

（3）供風參數。由于軟硬復合破碎煤層空氣鉆進受到沖擊地壓、瓦斯壓力等因素的影響較大，同時鉆孔成孔也相對不穩定，鉆孔中的流動狀態更為復雜，鉆進過程中供風參數的選擇較為復雜。

3 長鉆孔施工工藝應用

3.1 長鉆孔施工工藝流程

胡底煤業3#煤層長鉆孔施工時，鉆機采用ZDY4000L 型鉆機，鉆機參數見表1。

表1 ZDY4000L 型鉆機主要技術參數

長鉆孔施工過程中使用的設備及鉆具見表2。

表2 現場試驗設備及鉆具

采用中風壓空氣鉆進技術進行長鉆孔施工時，首先安裝、調試好鉆機，連接除塵裝置、壓風管路、霧化及冷卻水管路，準備開鉆相關事宜。鉆機運行正常后，先選用Φ96 mm 三翼內凹PDC 鉆頭開孔，用Φ96/113 mm 擴孔鉆頭擴孔并安裝孔口管，然后使用Φ96 mm 三翼內凹PDC 鉆頭開始鉆進。施工工藝流程如圖4。

圖4 施工工藝流程圖

3.2 效果分析

1309 工作面掘進期間，1309 進風順槽和回風順槽掘進期間采用順層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯治理模式。其中，掘進迎頭及鉆場內布置10 個鉆孔，鉆孔長度為200 m，間距為0.5 m；橫川煤柱處布置20～30 個鉆孔，間距為2 m，鉆孔呈三花布置，鉆孔長度為65 m。巷道掘進至預定位置（留有20 m的超前距），再施工下一循環的鉆孔。具體鉆孔布置如圖5。

圖5 1309 進風和回風順槽煤巷掘進面鉆孔布置圖（m）

1309 進風和回風順槽煤巷掘進面順層抽采鉆孔采用中風壓空氣鉆進技術進行長鉆孔施工。煤巷掘進面順層鉆孔施工過程中，鉆孔內排渣正常，鉆孔鉆進效率高，成孔率高，有效實現了長鉆孔的高效施工。

4 結論

根據3#煤層賦存地質條件，通過理論分析空氣鉆進原理，對中風壓空氣鉆進中鉆壓、轉速和供風參數進行詳細分析，進行鉆機及鉆具的選型，對鉆進施工工藝進行設計。根據1309 進風和回風順槽煤巷掘進面抽采鉆孔的應用效果可知，中風壓空氣鉆進技術在長鉆孔施工中鉆進效率高、成孔效果好。