突出煤层瓦斯抽采钻孔施工技术

2023/2/21煤矿瓦斯抽采钻孔施工技术与装备

——突出松软煤层井下深孔施工

江西省煤炭工业科学研究所2009年8月4日2023/2/22主要内容一、概述二、钻孔施工装备现状三、瓦斯抽放钻孔施工技术2023/2/23一、概述瓦斯抽采是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施，从20世纪50年代开始，我国就将瓦斯抽放作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯和突出矿井推广。2002年，国家煤矿安全监察局制定了“先抽后采，以风定产，监测监控”的煤矿瓦斯防治方针；2006年，再次明确煤矿瓦斯治理“必须坚持先抽后采、治理与利用并举的方针”，进一步强化了瓦斯抽放治理瓦斯灾害的地位。2023/2/24一、概述2009年5月14日国家安全监管总局局长骆琳签署总局第19号令，颁布《防治煤与瓦斯突出规定》，2009年8月1日起实施。原《防治煤与瓦斯突出细则》同时废止。《防突规定》提出了“区域防突措施先行、局部防突措施补充”的理念，强调突出煤层必须采取区域综合防突措施并达到规定标准后方可进行采掘作业。区域防突工作应当做到多措并举、可保必保、应抽尽抽、效果达标。2023/2/25一、概述松软突出煤层（硬度系数f≤1）渗透性差、瓦斯含量高。钻进过程中，容易产生垮孔、卡钻、喷孔等现象。我国在松软突出煤层虽然有钻孔深度超过150m甚至达到240m的记录，但大部分的钻孔深度都在100m以下，且成孔率低，防突成本和瓦斯抽放成本很高。我国松软煤层在所开采煤层中所占比例较大，因此，松软突出煤层的钻进成孔问题一直是个亟待解决的难题。实现松软煤层中打深孔，必须采取综合的办法来解决，综合办法包括：钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等方面。2023/2/26一、概述2006年，国家发改委会同国家安监总局、国家煤监局发文批复了煤矿瓦斯治理与利用10个示范工程建设项目、8项关键技术研发和装备研制项目。建立示范点、重点推广先进适用技术。2009年7月9～17日，国家能源局煤炭司会同煤矿安监局科技装备司对这些项目进行了现场检查和总结验收工作。2023/2/27一、概述10个煤矿瓦斯治理与利用示范工程建设项目根据各示范点的特点和条件，集成瓦斯治理与利用的先进适用技术，并总结推广应用。龙煤集团鹤岗分公司、沈阳煤业集团、抚顺矿业集团淮南矿业集团、淮北矿业集团郑州煤炭集团、焦作煤业集团阳泉煤业集团、晋城煤业集团松藻煤电公司2023/2/28一、概述8项“煤矿瓦斯综合治理与利用关键技术研发和装备研制项目”松软突出煤层中风压空气钻进装备研制与配套工艺开发井下水平长钻孔钻机研制及配套工艺开发低透气性煤层瓦斯抽采增效技术开发低浓度瓦斯输送安全保障成套技术开发与装备研制防突远距离控制钻机研制及配套工艺开发松软突出煤层顺层钻孔螺旋钻进装备研制与配套工艺开发瓦斯抽采矿井的风流监测与智能控制关键技术研制地面瓦斯抽采的欠平衡车装钻机研制2023/2/29一、概述示范工程建设取得阶段性效果：推广了一批瓦斯治理、瓦斯抽采、瓦斯利用的先进适用技术和装备。提高了矿井顺煤层抽采钻孔施工深度和能力，研发了强突出松软煤层中风压钻进技术、松软突出煤层螺旋钻进技术和装备、千米钻机长钻孔成孔工艺技术等。2023/2/210二、钻孔施工装备现状1、钻机根据驱动钻头回转的动力来源不同，煤矿坑道钻机的主流产品可分成两大类：一类是常规的孔口回转钻机（钻机通过钻杆柱驱动钻头回转）。像浅孔钻机一般都是这一类；另一类是孔底动力回钻钻机（钻进时钻杆柱不回转，由孔底马达驱动钻头回转）。2023/2/211二、钻孔施工装备现状1、钻机孔内马达驱动装置：2023/2/212二、钻孔施工装备现状1、钻机我国煤矿坑道钻探作业的主导机型为全液压动力头式坑道钻机。具有钻进效率高、工艺适应性强、操作安全、解体性好、易搬迁等特点。目前，国内全液压动力头式钻机的生产厂家较多，钻进能力从几十米到上千米，已形成多个系列。2023/2/213ZDY6000LD(A)、ZDY6000LD、ZDY4000LD型煤矿用履带式全液压坑道钻机是国家发改委2006年委托西安研究院承担的“井下水平长钻孔钻机研制及配套工艺开发”项目产品。钻机能力：350～1000m。二、钻孔施工装备现状ZDY6000L、ZDY4000L、ZDY3200L、ZDY1900L、ZDY1200L型煤矿用履带式全液压坑道钻机属于自行式、低转速、大转矩类型钻机。可采用孔口回转钻进，也可采用孔底动力钻进，主要用于煤矿井下近水平长距离瓦斯抽放钻孔以及本煤层和邻近层中深瓦斯抽放钻孔的施工。钻机能力：100～600m。2023/2/2141、钻机

ZYR-1900/ZYR-1200型松软突出煤层全液压钻机。钻进深度：250/150m。二、钻孔施工装备现状2023/2/215二、钻孔施工装备现状1、钻机ZDY800010000S型全液压钻机。

ZDY1900S型全液压钻机。ZDY650型全液压钻机。2023/2/216二、钻孔施工装备现状2、配套钻杆目前煤矿井下所用的钻杆种类主要有外平钻杆、螺旋钻杆两种。外平钻杆是最常用的一种类型，适用于井下常规钻进作业和稳定组合钻具定向钻进。现有的规格主要有φ42，φ50，φ63·5，φ73，φ89mm等，具体钻杆参数及配套钻头见下表。2023/2/217二、钻孔施工装备现状2023/2/218二、钻孔施工装备现状2、配套钻杆螺旋钻杆主要用于满足松软煤层钻进和本煤层大直径救援孔的排粉需要。螺旋钻杆接头形式多采用插接方式。可方便处理钻进过程中因塌孔、喷孔、掉块等形成的卡钻、埋钻等孔内事故。目前常用的规格主要有:φ78，φ88，φ100，φ110，φ130mm等。2023/2/219二、钻孔施工装备现状2、配套钻杆有叶片式螺旋钻杆、浅槽螺旋钻杆两种。晋城赵庄矿50mm×1000mm的浅槽螺旋钻杆叶片、插接式螺旋钻杆2023/2/220二、钻孔施工装备现状3、配套钻头煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工钻头一般以硬质合金和金刚石复合片(PDC)钻头为主。硬质合金钻头一般只适用于本煤层、泥岩等低硬度地层的浅孔施工，目前大多数煤矿为提高钻进效率、节省起下钻时间，一般都采用PDC钻头。2023/2/221二、钻孔施工装备现状3、配套钻头多级组合钻具：主要用于严重突出煤层。主要原理是采用小口径钻头开孔、逐级扩孔钻进的方法，分层次、阶段性逐级释放瓦斯，既保证了钻头钻进的稳定性，又减少了一次成孔瓦斯突出或喷孔事故的发生。组合防突钻头一般由三级组成，第一级钻头直径最小，然后通过组合接手将2个逐级增大的扩孔钻头组合在一起。常用的级配形式主要有φ59mm/φ75mm/φ94mm和φ75mm/φ94mm/φ113mm两种组合形式。2023/2/222二、钻孔施工装备现状4、其他钻具用于钻孔轨迹测量的测斜仪、定向钻进用的稳定器、用于抑制瓦斯富集煤层喷孔的多级稳定组合钻具、具有防喷和气水分离功能的孔口装置、防止孔内事故的安全接手、防喷接头、取芯器、送水器以及处理孔内事故的打捞工具等。2023/2/223二、钻孔施工装备现状稳定组合钻具定向钻进技术：就是在回转钻进的基础上，在靠近钻头的10～20m的钻杆上接上3～5个接近于钻头直径的稳定器(也称扶正器)，通过调整稳定器的位置和数量，并配合相应的钻进工艺参数，使钻具对钻头产生向上、向下或保直钻进的控制力，从而起到控制钻孔轨迹的目的。顺层长钻孔的施工，关健在于打钻过程中，防止钻杆下沉，保持钻杆一定的直度。钻头稳定器钻杆保直上斜下斜2023/2/224二、钻孔施工装备现状套筒式稳定器稳定组合钻具定向钻进技术主要适用于对钻孔轨迹有特殊要求的瓦斯抽放钻孔施工，如沿煤层水平定向长钻孔的施工(孔深≥500m)、顶板高位水平定向钻孔的施工。2023/2/225二、钻孔施工装备现状5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况美国、德国、日本等工业发达国家，从上世纪70年代初就开始了井下近水平长钻孔钻进技术的研究。通过三十年的发展，目前以孔底动力为主要钻进方法、随钻测斜为主要定向手段的钻孔工艺方法已非常成熟，并取得较广泛的推广应用，技术上处于国际领先水平。2023/2/226二、钻孔施工装备现状5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况1997～1998年间，国内松藻、铁法、淮南、平顶山和抚顺5个矿务局引进了9套美国和澳大利亚千米定向钻机。共打成钻孔19个，钻孔深度范围为45～470m，其中:小于100m的有10个，100～200m的有2个，200～400m的有6个，最深的一个孔达470m。在煤层中打成顺层钻孔的深度几乎都不超过100m。孔深都没有达到引进钻机设计施工能力的二分之一。试验效果不好。2023/2/227二、钻孔施工装备现状5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况原因：主要是我国的地质条件和煤层特征差异很大，引进的澳大利亚、美国千米定向钻机不适应象松藻、淮南、平顶山煤业集团等这样复杂的地质条件和煤层特征，只能适用于较为简单的地质条件和煤层特征。2023/2/228二、钻孔施工装备现状5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况2002～2007年间，山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿、晋城无烟煤矿业集团公司引进了4套美国和澳大利亚生产的采用孔底马达定向钻进的千米钻机，用于煤矿井下定向长钻孔抽采瓦斯。使用情况很不错。大宁煤矿为高瓦斯矿井，预抽本煤层（3号煤层）瓦斯为主，最大孔深达1002m。至2007年底已完成钻孔数1980个，累计进尺803753m，抽混合瓦斯9.05亿m3。据不完全统计，近几年国内已定购的澳大利亚VLD1000定向长钻孔钻进设备多达50余套。2023/2/229二、钻孔施工装备现状山西亚美大宁能源有限公司大宁煤矿采用孔底马达定向钻进的千米钻机，预抽本煤层（3号煤层）瓦斯为主，最大孔深达1002m。5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况2023/2/230二、钻孔施工装备现状5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况晋城煤业井下区域性递进式预抽采千米钻机等机具施工长钻孔，一个预抽区域至少应涵盖1个工作面。2023/2/231二、钻孔施工装备现状5、引进国外定向长钻孔钻机的应用情况国内从上世纪90年代正式开始煤矿井下定向钻进技术的研究，在对以螺杆马达为孔底动力的钻进方法的研究方面曾取得过一些阶段性成果。但是由于国产孔底马达可靠性较差，寿命太短，设备成本比回转钻进钻机的高，不便于推广，导致国内对这项技术研究并没有继续深入下去。2023/2/232二、钻孔施工装备现状6、部分国产长钻孔钻进设备的使用情况目前，ZDY800010000S型全液压钻机已在铜川矿务局推广使用，施工的瓦斯预抽采钻孔深度多在600m左右。晋城无烟煤矿业集团有限责任公司已大面积推广使用ZDY6000S钻机，施工深度为400～600m的本煤层瓦斯预抽采长钻孔。2023/2/233二、钻孔施工装备现状煤层气抽采钻孔施工技术与装备发展方向高瓦斯、高地应力、松软煤层钻孔施工技术煤矿井下全自动钻孔技术孔底马达钻进技术水平多分支地面钻井技术及装备2023/2/234三、瓦斯抽放钻孔施工技术1、顺层长钻孔排渣工艺水力排渣传统的排渣工艺是用水作冲洗介质携带和排出钻屑、冷却钻头。由于水注满整个钻孔，对瓦斯的自然排放起封闭作用，易造成喷孔，对钻孔施工人员的安全有一定的威胁。在松软煤层中钻进时，循环水对于孔壁的冲刷、浸泡等破坏作用相当严重，钻孔极易破碎坍塌，成孔极其困难。因而，在施工顺煤层抽放钻孔时，用水作为排渣介质是不利于深钻孔的施工。2023/2/235三、瓦斯抽放钻孔施工技术1、顺层长钻孔排渣工艺风力排渣风力排渣用风作介质排渣和钻头冷却。其显著的优点在于压风对孔壁的冲击较弱，对瓦斯解吸影响小。因此，从技术上来看，风力排渣更适合于突出煤层顺层长钻孔的施工。其缺点是作业地点粉尘不易控制，多数矿井的风压、流量也不能满足长钻孔的要求。2023/2/236三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、松软突出煤层打钻遇到的问题及原因分析问题：喷孔、垮孔、堵孔和卡钻，严重的诱发瓦斯突出。

喷孔时高压瓦斯气流向孔口喷出，承压瓦斯携带的煤粉直接冲向巷道，并伴随煤炮声和气流冲击声。有的短时间几分钟停止，也有的可延续到几十分钟，表现为脉冲形式。此时巷道瓦斯严重超限，只好停钻撤人。喷孔往往伴随着垮孔、堵孔和卡钻的出现，往往无法继续钻进。2023/2/237三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析问题

喷孔、卡钻形成过程。喷孔可分成：煤体破碎→瓦斯聚积（瓦斯迅速解吸→孔壁破裂→孔内堵塞→瓦斯梯度猛增）→瓦斯释放（突破堵塞→喷孔和卡钻）三个阶段。2023/2/238三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析问题

喷孔和卡钻原因分析：喷孔应看作是钻孔中出现的动力现象，类似煤与瓦斯突出，是高压瓦斯、应力集中和软煤存在三个因素综合作用的结果。当钻孔进入软煤分层时，钻头切削旋转，对软煤产生一种冲击和破碎力，使煤体破裂、粉碎，钻孔周边煤体瓦斯迅速解吸，流入钻孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的几倍到几十倍，此时钻孔前后方出现了较大的瓦斯梯度，产生明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激流对破坏的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，瓦斯激流和粉化了的煤颗粒难以顺利的向孔外排出，进一步增加了孔内瓦斯压力梯度，形成喷孔。2023/2/239三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析问题另一种喷孔是由于煤层中含水，钻头切削时的煤粉难以顺利排出，在钻孔的浅部（10～20m的范围内）出现堵孔。再就是打钻风压和风量不够，排碴不力，出现堵孔。堵孔造成迅速解吸的瓦斯无法排出，孔内的压力梯度达到某个极限时，发生喷孔。

2023/2/240三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、松软煤层打钻遇到的问题及原因分析问题卡钻是与喷孔联系和同时发生的一种现象，喷孔时末能及时退出钻杆，破碎的煤体将钻杆和钻头箍紧。或是孔内出现塌孔、堵孔时，排渣不力，此时仍然钻进，使堵孔、塌孔的范围不断扩大，造成钻杆和钻头箍紧，钻头无法进退。喷孔、垮孔、堵孔和卡钻是不同现象，但又是相互联系的，卡钻是严重的打钻事故，往往可能出现扭断钻杆丢失钻头。2023/2/241三、瓦斯抽放钻孔施工技术3、提高突出煤层钻孔孔深的技术途径1)使用风力排渣，减弱钻孔的喷孔和垮孔。理论和实践都证明，风力排渣能够减弱喷孔和垮孔，是突出煤层施工顺层长钻孔的最佳排渣方式。但是风力排渣的基本条件是钻孔内的风速应能够吹动孔内的大煤块，并且吹出钻屑的能力大于钻孔钻进时钻屑的产生量。为此，可根据钻屑的粒度、打钻速度等，运用气体输送理论计算出风力排渣的合理风速，以确保足够的排渣能力。2023/2/242三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、提高突出煤层钻孔孔深的技术途径2)确定风力排渣的合理供风参数，提高排渣能力。为达到要求的风速，需要足够的风量和风压。目前矿井的井下压风管道风压一般不超过0.5MPa，而对目前的钻具而言，这一风压显然不能达到足够的供风量。为此，可使用井下移动式空压机，使打钻地点的风压正常时达到0.65MPa以上，最大时达0.7MPa。2023/2/243三、瓦斯抽放钻孔施工技术不同深度钻孔正常排渣所需的供风压力（煤科总院重庆研究院在芙蓉珙泉煤业公司试验结果）2023/2/244三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、提高突出煤层钻孔孔深的技术途径3)采用满足风力排渣和长钻孔施工的大扭矩钻杆。由于压风的压力最高为0.7MPa，要在一定的压力下提高孔内的风速(或风量)，就只有降低压风的沿程阻力损失，这就要适当扩大输送压风的钻杆内孔直径。同时，顺层长钻孔的长度大，孔壁、钻屑与钻杆之间的摩擦阻力也大，应适当增加钻杆强度。2023/2/245三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、提高突出煤层钻孔孔深的技术途径4)根据矿井具体的地质条件和煤层特征，采用较大能力并适合顺层钻孔施工条件的钻机。尽管顺层长钻孔成孔的关键是打钻排渣工艺技术，但足够能力的钻机是施工长钻孔的基础。2023/2/246三、瓦斯抽放钻孔施工技术2、提高突出煤层钻孔孔深的技术途径5)采用多级组合钻头，利用前端小直径钻头的超前卸压作用减轻钻孔的喷孔程度，同时提高钻孔的定向钻进效果。6)其他辅助技术措施还包括降尘、安全防护、防止孔内爆燃等，制订操作规程，对打钻过程中的各种现象提出观察、应对方法。2023/2/247三、瓦斯抽放钻孔施工技术3、提高钻孔深度的几点经验1）搞好钻孔设计：钻孔设计不能简单化，一次完成。工作面布孔设计分为方案设计、分段设计和施工设计3个阶段进行。布孔方案设计：布孔方案设计是工作面瓦斯抽放设计的重要组成部分。根据煤层和巷道状况，按不留或少留空白带的要求，对采面全面布孔。明确布孔形式、钻孔密度和施工顺序。2023/2/248三、瓦斯抽放钻孔施工技术3、提高钻孔深度的几点经验钻孔施工分段设计：目的：根据工作面抽放方案设计的要求，结合不同地段的瓦斯地质和巷道条件，进行逐段设计。通过分段设计优选钻孔施工参数，实现抽放钻孔优化。分段设计前要调查该段地质构造煤层倾角、煤厚、巷道条件等。设计中包括不冈钻孔的方位角、倾角、孔深、孔径和开孔点距底板高度等，并有附图。2023/2/249三、瓦斯抽放钻孔施工技术3、提高钻孔深度的几点经验钻孔施工设计：主要是钻孔参数的调整。由于煤层产状和厚度不稳定，钻孔深处往往存在变化，因此必须通过施工钻孔，及时判断钻孔前方的煤层赋存状况。对设计钻孔及时调整参数，经调整参数后施工的钻孔基本能达到设计深度。2023/2/250三、瓦斯抽放钻孔施工技术3、提高钻孔深度的几点经验2)随时注意风压表的压力，如果低于0.5MPa，立即进行处理。3)保持钻孔连续、适速地钻进。当发现孔口排出的煤渣较多或有煤炮时，应减慢或停止钻进，直到旋转至正常时再进钻，必要时还应退掉几根钻杆后再边排渣边重新进钻。另外，现场交接班的主要目的不只是向下一班交接情况，而是使钻孔连续不断地钻进，所以，在下一班人到前一般不得停止钻进，下一班到后应立即投入打钻。2023/2/251三、瓦斯抽放钻孔施工技术掌握给进压力和钻进速度：