恒大公司顺层抽排瓦斯高效成孔技术研究

恒大公司顺层抽排瓦斯高效成孔技术研究

王庆生

阜矿集团兴阜煤矿王庆生

摘要:为了解决传统钻杆在中软煤层或煤与瓦斯突出煤层顺层钻孔时存在的卡钻、埋钻、排渣效率低、瓦斯突出严重、机械化程度不高等问题，采用了使钻杆形成3个半圆形的间隙,扩大排出煤粉和瓦斯的通道,随着钻杆边的搅动,钻渣被压力风悬浮起来,同时在风量、风速的作用下向孔口传输运移的原理，研制了新型钻杆——三棱钻杆，根据丁集矿现场的大量试验，对已设计应用的三棱钻杆的不足之处进行了改进，结果表明：三棱钻杆在中软煤层顺层抽排瓦斯钻孔施工中能够高效成孔。

关键词:中软煤层；圆钻杆；螺旋钻杆；三棱钻杆

在煤层中施工顺层瓦斯抽采长钻孔，遇到的主要难题是钻进不长距离就发生抱钻、顶钻事故，导致钻进效率低，孔的深度不足，从而严重制约着瓦斯抽放效果。其中在松软煤层或煤与瓦斯突出煤层中，顺层抽排瓦斯钻孔的高效成孔技术一直是制约井下瓦斯抽排的关键技术之一。拟通过打钻试验，找出煤层顺层高效成孔的钻具组合，为瓦斯治理提供技术保障[1-2]。

恒大公司煤矿位于市西南，潘谢矿区中部，矿井设计生产能力1500万t/a。由于开采深度大，瓦斯含量高，瓦斯抽排成为制约矿井生产和安全的最关键技术问题之一。该试验是在153采区工作面，标高为-790m—-830m。为中软煤层顺层，局部变薄，煤层结构简单，5331（1）工作面瓦斯相对涌出量为5.68m3/t，为突出煤层，实测为5.2m3/t。

一、突出松软煤层深钻孔施工技术

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。

1、钻孔合理设计。在设计钻孔时，设计钻孔开口位置与角度是关键，钻孔的钻进角度一般情况下是根据煤层的顶板角度来确定的，但由于软分层的存在以及钻杆自重的原因，钻孔轨迹并不是一条平行于煤层顶板的直线。通过研究，打上行孔时，钻孔的角度一般大于煤层倾角2～3°，在打下行孔时，钻孔的角度要小于煤层倾角1～2°。这样，可以使钻孔的轨迹基本沿着煤层走，有效增加钻孔深度。

2、稳固钻机。严格执行“下垫、上压、前撑、后顶”的原则进行稳固钻机,保证钻机在钻进过程中不产生震动,降低钻进时的阻力,防止钻孔偏离中心,保证孔壁平直。

3、钻孔充分排渣。排渣通畅与否，直接关系到钻孔的成败，它会造成堵孔、卡钻，而且会摩擦发热产生高温，带来安全隐患。钻孔排渣依托2个条件：①打钻的风压和风量；②规范操作。钻进过程中注意观察排渣情况，在排渣不顺的情况下不强拔硬进，有时先停止钻进，送风排渣，使钻杆活动后再进或再退。当孔内煤粉变成煤泥糊或煤泥团，单纯送风无法充分排渣时，停止给压，反复旋转钻杆。

4、掌握给进压力和钻进速度。钻机给进压力的极限是固定的,不同层段要掌握不同的给进压力,当给进压力突然升高时必须采取果断措施,一是停止钻进,进行压风排渣;另一种是撤钻退钻。在突出松软煤层中钻进时要减压、降速,通过减压、降速充分排渣,减少沉渣[3]。

除了受煤层本身的物理力学条件限制设计钻孔外，在确定钻机型号，以及明确采用风力排渣后，钻杆结构、钻具组合、压力大小就是决定钻孔深浅及成孔好坏的关键因素。其中钻杆结构是最主要的因素。

二、国内现行传统钻具分析

目前国内现行传统钻具包括圆钻杆和螺旋钻杆。

通过对目前常用的圆钻杆现场结果分析后，得出圆钻杆在打钻过程中容易出现的问题如下：圆钻杆由于有限的排渣空间，不能有效将产生的过量煤渣及时排出，导致过量煤渣堵塞钻孔，造成排渣系统失效。圆钻杆在打钻过程中，当钻杆超过一定长度后，钻杆易发生弹性弯曲变形，使得孔内排粉通道不畅，排粉能力差，瓦斯排放阻力大，形成的高压瓦斯流快速搬运煤粉造成钻屑堵塞，最终导致夹死钻杆。圆形钻杆易发生顶钻和卡钻。

为了更形象地说明问题，采用GAMBIT软件和FLUENT软件对圆钻杆以及钻孔内流场建模进行数值模拟，模拟结果如图1，图2。

从以上图分析可以看出，大部分煤渣颗粒滞留在钻孔内，也就是说在不到1秒钟的时间速度就变为零，滞留在孔内，这也就是圆钻杆为什么在突出松软煤层中钻进容易堵孔卡钻的很大一部分原因。

通过对目前常用的螺旋钻杆现场结果分析后，可以得出：在松软煤层中，螺旋钻杆钻进过程中，由于对孔壁扰动较大，排渣量基本是钻孔煤量的5倍以上，孔壁稳定性差，钻杆拔出后，钻孔有效空间很快缩小，成孔率不高。钻机用螺旋钻杆必须要用圆钻杆做主动钻杆，拧卸要靠人工。若开孔处为岩石，先要由圆钻杆钻进，到煤层后更换成螺旋钻杆，工序复杂。

现行这两种钻杆在钻杆堵塞的情况下，钻杆旋转很容易引发钻杆发热并导致瓦斯燃烧。钻杆风力排粉情况下，一旦遇到“煤炮区”、“严重喷孔区”和“塌孔区”，风力排渣系统极易失效，继续钻进必然引起卡钻夹钻，旋转退钻时又极易引起钻孔燃烧。所以，现行钻具难以穿越“三区域”，工人遇到这些区域，为了避免丢钻和钻杆烫手，只有选择放弃。

三、三棱钻杆理论基础及设计

三棱钻杆在钻杆与钻孔壁之间形成了3个半圆形空间，扩大了排出煤粉和瓦斯的通道，三棱钻杆在钻进中，将煤粉搅动起来，可起到二次碎煤的作用，煤粉在运动动态下被压风吹出，又保持了钻孔的有效空间，且始终处于畅通的状态，即便响煤炮塌孔时，煤粉大量涌出，也可以顺利排出，不会造成卡钻现象。在相同压力作用下，三棱钻杆比圆钻杆更不易产生弯曲，不仅减少了回转阻力，而且成孔直线性非常好。

该项目中采用圆钢材料，经车床加工形成三棱钻杆。三棱钻杆的形状如图3所示。

图3三棱钻杆截面

本次使用的三棱钻杆，公扣、母扣与钻杆主体是一体的，它们的内径是相同的。如图4所示。

图4试验所用钻杆整体横剖面

四、三棱钻杆在恒大公司煤矿应用效果

1、提高了装卸效率。本次试验采用的是西安煤科院ZDY4000S钻机，三棱钻杆与钻机动力头卡瓦和夹持器卡瓦配套，用三棱钻杆做主动钻杆，在夹持器与动力头之间实现机器自动拧卸钻杆，减少人工辅助时间和人员的劳动强度，提高了效率。而螺旋钻杆必须要用圆钻杆做主动钻杆，而且拧卸全靠人工，而且不安全因素相对增加，螺旋钻杆一个班一般用5个人，而三棱钻杆则需3人足够，大幅节约了人力成本。

2、减少了排渣量。现场采用配有直径113mm钻头的三棱钻杆排渣，采用体积为0.016m3的圆筒对三棱钻杆127m钻孔的排渣量进行测量，排渣量约合装188筒，得出127m三棱钻杆排渣体积约3m3，此区松散煤密度0.9g/cm3,则三棱钻杆排渣质量约合2.7t，而螺旋钻杆同样深度的排渣体积约为8.1m3,约合质量7.29t，排渣量是三棱钻杆的2.7倍。

3、提高了钻进速度。使用本次设计的钻具在恒大公司矿共施工14个钻孔，总进尺1365.8m。采用传统的钻杆需要197.5h,采用三棱钻杆新工艺需要108.45h,缩短约89h。由于这是新工艺，如果对工艺再做进一步改进，工人对三棱钻杆的进一步熟悉，三棱钻杆的钻进时间会更少，优势更明显。

4、提高了成孔效率。三棱钻杆在回转时将煤粉搅动起来，煤粉在运动动态下被压风吹出，又保持了钻孔的有效空间，且始终处于畅通的状态，即便响煤炮塌孔时，煤粉大量涌出，也可以顺利排出，不会造成卡钻现象。能实现煤粉顺利排出和快速钻进，能够顺利解决钻进过程中的顶钻，夹钻等现象。

5、提高了瓦斯抽放率。三棱钻杆钻孔变形量不大，孔型较好，其瓦斯抽放浓度高出在同样钻场中相同方位、相同倾角的螺旋钻杆钻孔，使瓦斯抽放流量增大，抽放总量增长，并且能保持较长的瓦斯抽放时间。

6、降低了排渣颗粒度。根据现场采样，三棱钻杆与螺旋钻杆颗粒度百分比见表1、表2，可以看出三棱钻杆的颗粒度明显小于螺旋钻杆。在粒径大于1mm的颗粒百分比，螺旋钻杆明显高于三棱钻杆，而在粒径小于0.5mm的颗粒百分比，三棱钻杆大幅高于螺旋钻杆，这说明三棱钻杆能实现二次粉碎，在转动过程中，三棱钻杆的3个棱能将颗粒进行再次粉碎，从而保证使颗粒小，然后极易从在钻杆与钻孔壁之间形成的3个半圆形空间排出。由于风力排渣速度块，致使孔内瓦斯不易聚积，从而消除了钻进时瓦斯喷孔、垮孔、卡钻、顶钻的现象。

7、降低了产生摩擦火花的可能性。根据WelbyG．Courtney中“摩擦点火的防止”一文，阐述了对已使用过的不同形状，不同角度的各种材质的截齿，以不同的摩擦方法进行点火试验。笔者认为当截齿的速度低时难于点火。比如，当截齿的速度在150m/min时就容易点火，而在90m/min时点火的或然率就小了[4]。在此项目中用的钻头截齿的钻进速度在孔径∮11的进入孔底，在孔内形成高速风流，钻屑则悬浮在风流中被吹向孔口，从而实现排渣和钻头的冷却。再加上隔一段时间可以用水冲洗一下钻孔，给钻头降一降温，摩擦点火的或然率就更小了。

总之，在钻孔施工过程中，采用三棱钻杆风力排渣，煤渣粒度减小，没有卡钻现象，没有垮孔、顶钻等现象，没有因为排渣困难而停钻。而不能钻进顺利长度不足的钻孔，基本上是由于钻进过程中遇到岩石而终孔，并且其对钻进岩石的效率比原先的工艺好的更多。

五、三棱钻杆的改进

在试验中，出现钻杆质量过大，公扣厚度过薄，造成容易断钻杆。在此后设计的改进试验中，使公扣、母扣、钻杆主体分开，使用摩擦焊将其焊接成一体，这样可以使钻杆主体、公扣、母扣的内径可以根据各自的需要来设计，并且可以设计壁厚，钻杆主体在强度的要求范围内，可以增加内径，减少壁厚，大幅减轻质量，而公扣、母扣根据现场观测受力较大，要增加它的强度，可以减少其内径，增加其壁厚，这样可以实现优劣互补，成就一种完美的钻杆（图5）。

图5改进后三棱钻杆横剖面

六、结语

通过前面的试验与现场的考察，能够证实三棱钻杆其优越性。其结合了圆钻杆和螺旋钻杆的优点，摒弃了圆钻杆和螺旋钻杆的缺点，可以说集合了它们的优点于一身，较好地改善了中软煤层中使用圆钻杆和螺旋钻杆存在的问题，提高了掘进速度，降低了成本。

参考文献：

[1]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992，66-67.

[2]林伯泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，1998，49-50.

[3]代志旭,陈寒秋,郑尚超.突出松软煤层深孔打钻工艺的创新与应用[J].煤矿安全,2007（8）.20-21.

[4]WelbyG.Courtney.摩擦点火的防止[J].煤矿安全,1982（2）.

作者简历：

王庆生：男，1965年10月出生，现任阜新矿业集团责任（有限）公司兴阜煤矿总工程师，工程师。