整体式柔性筛管全程快速护孔工艺在煤矿的应用研究

张士环，童 碧

（淮南矿业集团有限责任公司，安徽淮南232001）

整体式柔性筛管全程快速护孔工艺在煤矿的应用研究

张士环*，童 碧

（淮南矿业集团有限责任公司，安徽淮南232001）

全程护孔工艺可有效保证筛管下入孔底，提高瓦斯抽采效率。但是淮南矿区普遍选用的插接式筛管在实际使用过程中易脱扣、耗时长且有埋钻风险的问题，针对这些问题，在淮南丁集矿进行了整体式筛管的试验。通过插接式筛管和不同规格整体式筛管的对比，整体式筛管的下管时间短，提升了劳动效率，降低了埋钻风险；退钻时筛管不易脱节和断裂，提高了瓦斯抽采浓度；增大筛眼孔径和间距可一定程度上提高瓦斯抽采率，但还需进一步研究论证。

插接式筛管；整体式筛管；瓦斯抽采浓度

全程筛管护孔工艺是指在退钻前将瓦斯抽放筛管通过钻杆内通道下入孔底，避免退钻过程中钻孔塌孔导致筛管不能下入孔底，提高瓦斯抽放效率。该工艺已在淮南地区得到全面推广。目前淮南地区使用的筛管主要为插接式和螺纹连接式2种。但这两种筛管在实际使用过程中存在以下问题：（1）110m左右的筛管下至孔底需要30～40min的时间，由于钻杆没有旋转，且没有压风，垮孔产生的煤块无法及时排除，大大增加了埋钻事故的发生几率，导致施工成本增加，施工周期加长，影响瓦斯抽采效率；（2）起钻时筛管容易脱扣，脱扣后的筛管跟随钻杆一起后退，增加了起钻的工作量和时间；脱扣部分有时会向孔内移动，导致起钻完毕后，在孔口看不见花管，给封孔带来了很大的麻烦，严重时会导致重新补孔。针对这种问题，开发了整盘式柔性筛管下放工艺。在丁集矿通过整体式柔性筛管和插接式筛管的对比试验，取得了良好的应用效果。

1 地质概况

1341（1）工作面位于东二11-2采区，设计走向长1312～1419.9m，斜长217m，1341（1）轨顺巷道规格：5.4m×4.8m（宽×高），巷道为锚索网支护，遇断层及破碎带地段为架棚支护。工作面掘进范围东至SF224断层附近，西至东二11-2回风大巷。1341（1）轨顺北邻的1331（1）工作面，现已回采完毕。

工作面煤层底板标高为-856～-801m，总体为东高西低，煤层倾角0°～5°，平均3°，煤层倾向260°，工作面内1331（1）3-3∠65 H=1m等多个断层发育。该区域11-2煤实见揭露厚度为0.5～1.8m，其瓦斯含量为5.2m3/t，瓦斯压力为0.85MPa。

此处每10m设计一个顺层孔，共计141个，钻孔方位：180°，倾角：2°～3°，设计孔深：110m，孔径：Ø113mm。

2 钻具简介

2.1 三棱螺旋钻杆

三棱螺旋钻杆为整体式结构，如图1所示，钻杆外轮廓与三棱钻杆相似，在普通三棱钻杆的外壁上设计了不连续的螺旋槽连通三棱平面。该钻杆具有以下优点：(1)整体式结构，钻杆机械强度高，使用寿命长；(2)螺旋导槽配合三棱平面结构设计使钻杆排渣效率极大提高，有效减少卡钻、埋钻事故发生；(3)螺旋槽与三棱面减少了钻杆与孔壁的接触面积，降低了钻杆对钻孔孔壁的摩擦扰动，维护了孔壁的稳定性，提高了钻孔的成孔率及钻进效率。

图1 三棱螺旋钻杆

2.2 内通孔钻头

试验采用Ø113mm内通孔开闭式钻头（如图2所示），钻头体采用特种合金钢加工而成，切削刀片采用高强度金刚石复合片，加上独特的结构设计、加工工艺和焊接工艺，为钻头在多岩性地层中钻进施工提供了保证；特别是在岩层中施工时，钻头体和横梁不易变形，保证下管时横梁可以灵活打开；复合片也不宜损坏，提高了钻进效率、节约了施工成本。

2.3 筛管固定装置

固定装置连接在筛管的最前端。下筛管的时候，固定装置顶开钻头横梁，穿过钻头后，其翼抓会自动打开，抓住孔壁，从而避免了退钻时筛管一起往后退，提高施工安全性和降低劳动强度。图3是固定装置照片。

固定装置的杆体和翼爪均采用注塑工艺一次成型，至少可以承受500N的拉力。

图2 内通孔钻头

图3 筛管固定装置

2.4 整体式柔性筛管

聚乙烯（PE）筛管外径Ø32mm，筛眼直径和间距可定制。该管采用特殊的偶联剂对抗静电荷阻然剂进行表面活化，使之与树脂基体形成分子桥，阻然抗静电性能更稳定。与现在常用的PVC管相比，PE管具有以下优点：（1）可弯曲性大，可以绕成盘状，实现整体式下放，方便搬运；（2）抗变形强度高，PE管抗拉强度为钢管的15倍，伸长率为钢管的20倍，当煤、岩层垮塌时，不易破裂，可以保持瓦斯抽放通道的畅通；（3）耐腐蚀性高，使用时间更长，连续抽采能力更强，图4是整盘式柔性筛管的产品照片。本次试验采用了一种插接式筛管和3种整盘式筛管，筛管规格如表1所示。

图4 整体式柔性筛管

表1 筛管规格明细

3 试验效果分析

试验累计施工20个钻孔，筛管下放统计见表2、表3。

表2 下放插接式筛管钻孔统计

表3 下放整盘式筛管钻孔统计

3.1 筛管下放效率分析

本次试验中，有5个钻孔采用插接式筛管，如表2所示。有15个钻孔采用整体式筛管，如表3所示。通过对比2种筛管下放时间可知，对110m的钻孔而言，如果下放整体式筛管的话，下放至孔底大概需要8～10min；如果是插接式筛管，大概需要30min左右。由此可见，整盘式筛管的下放效率更高，这不仅节省了施工时间，更重要的是缩短了钻杆在孔内的放置时间，降低了埋钻的风险。

3.2 瓦斯抽采浓度分析

钻孔施工结束并网联抽后多次观测钻孔瓦斯浓度，不同筛管的平均瓦斯浓度统计见对比如图5～图7所示。

图5 插接式筛管与整体式筛管瓦斯浓度对比

图6 整体式筛管不同筛眼直径瓦斯浓度对比

图7 整体式筛管不同间距瓦斯浓度对比

图5是插接式筛管（1#）与整盘式筛管（2#）的瓦斯浓度对比柱状图。由图5可知，下放整盘式筛管钻孔的瓦斯浓度明显高于插接式筛管。整体式筛管的抽采浓度为插接式筛管浓度的1.5倍，抽采效果提升显著；

图6是筛眼直径变化对瓦斯浓度影响柱状图，2#整盘式筛管的筛眼直径是5mm,3#整盘式筛管的筛眼直径是8mm。分析图6可知，整盘式筛管的筛眼直径从5mm增大至8mm后，瓦斯浓度略有提高，但升高不明显。

图7是筛眼间距变化对瓦斯浓度影响柱状图，2#整盘式筛管的筛眼间距是15mm，4#整盘式筛管的筛眼间距是10mm。由图7可见，筛眼间距缩短之后，钻孔的瓦斯浓度略有提高，但不明显。

由以上分析可见，增大筛眼直径和间距可以增大瓦斯抽采浓度，但是效果不显著，需要做进一步研究。

4 结论

通过插接式筛管与整体式筛管，不同筛眼直径和间距的整体式筛管在丁集矿的现场对比试验，可得出以下结论：

（1）与插接式筛管相比，整体式筛管下放时间短，降低了劳动强度和埋钻风险，提高工作效率；

（2）整体式筛管在退钻过程中筛管无断裂，保证了瓦斯抽采通道的畅通，提高了瓦斯抽采浓度；

（3）增大筛眼直径和间距可提高瓦斯抽采浓度，但由于钻孔数量少，效果不显著，需要做进一步研究。

[1]郭昆明，肖丽辉，冯大钧，李克松.新型瓦斯抽采钻孔设备及下放筛管技术研究[J].煤炭工程，2014，46（1）：50～52.

[2]袁亮.松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术[M].北京：煤炭工业出版社，2004.

[3]郭绍什.钻探手册[M].北京：中国地质大学出版社，1993.

[4]肖丽辉，李彦明，郭昆明，钟沛.松软突出煤层全孔段下放筛管瓦斯抽采技术研究[J].煤炭科学技术，2014，,42（7）：61-64.

TD712

A

1004-5716(2015)10-0025-03

2015-06-09

2015-06-12

张士环（1957-），男（汉族），山东枣庄人，教授级高级工程师，现从事煤矿安全管理工作。