胡底煤业松软破碎煤层长钻孔施工工艺研究与应用

王 涛

（晋能控股煤业公司胡底煤业，山西 晋城 048000）

1 工程概况

胡底煤业主采3#和9#煤层，3 号煤层厚度5.20～5.91 m，平均5.67 m，煤层倾角3°～10°，平均6°，煤层节理裂隙发育，属松软破碎煤层。矿井为高瓦斯高突出矿井，3#煤层原始瓦斯压力3.83 MPa，原始瓦斯含量25 m3/t。开采3#煤层时，需大量施工瓦斯抽采钻孔，其中条带抽采钻孔和工作面顺层钻孔长度均较长，属于长钻孔。为保障长钻孔的施工质量及效率，需进行松软破碎围岩长钻孔施工工艺的研究分析。

2 空气钻进原理及工艺参数分析

2.1 空气钻进原理

空气钻进是以一定压力的压缩空气作为冲洗介质，在钻杆柱与孔壁形成的封闭空间内形成高速风流，通过形成的高速风流实现将钻屑排出孔外，同时高速风流能够在一定程度上降低钻头温度，以此实现钻进作业。

软硬复合破碎煤层中沿煤层布置的瓦斯抽采钻孔基本均为近水平钻孔，在进行该类钻孔打孔作业时，其排粉机理类似于水平气力输送。在水平钻孔中，钻进产生的煤屑在水平流动和钻杆旋转搅动作用下能够实现悬浮输送。使煤屑悬浮运动的力主要为五种，煤屑在五种力下实现钻孔钻进时的风力排粉[1-2]。具体钻颗粒悬浮力如图1。

图1 颗粒悬浮力示意图

（1）紊流时气流产生的向上的悬浮力如图1（a）；（2）空气钻进过程中，在钻孔内的风流在上部的运行速度大于下部产生的运行速度，在管内形成压力差进而使得处于管底的煤屑处于悬浮状态，如图1（b）；（3）煤屑旋转环流与气流差相反时，两者速度差产生的升力如图1（c）；（4）煤屑颗粒的形状不规则，受到的推力在垂直方向产生分力，如图1（d）；（5）煤屑与孔壁、钻杆或者煤屑间相互碰撞产生的垂直方向分力，如图1（e）。

在软硬复合破碎煤层钻进过程中，风速应大于钻屑颗粒的沉降速度，但风速过大时钻屑会处于均匀流状态，容易塌孔。合理的风量应控制在使得钻屑颗粒处于底密流或停滞流的状态[3-4]。

2.2 空气钻进工艺参数分析

中风压空气钻进工艺参数包括钻压、转速和供风参数，三者在钻进过程中相互影响，共同决定着成孔效果。具体空气钻进参数分析如下：

（1）钻压。钻压即为轴向压力，钻压是在钻进过程中孔底破碎煤岩的必要条件，其会直接影响钻孔的钻进速度。具体钻速与钻压的关系曲线如图2。

图2 钻速与钻压的关系曲线

从图2 中能够看出，以钻压为划分标准，可将钻速与钻压的关系曲线划分为三个区域，分别为表面破碎区（I 区）、疲劳破碎区（Ⅱ区）和体积破碎区（Ⅲ区）。其中Ⅰ区内钻压小，此时钻速低，钻孔主要通过表面研磨实现钻进；Ⅱ区内钻压增大到一定程度，此时钻压产生的单位压力仍小于岩石的压入硬度，煤岩面的破碎需经过多次重复作用，破碎产物中存在煤岩屑和煤岩粉两种物质；Ⅲ区内钻压已增大的足够大，此时钻孔钻进过程主要表现为大体积崩落，这种情况下钻孔在钻进速度很快的状态下，其在表面产生的破碎物质便会较少。

当钻孔布置在软硬复合煤层中时，钻压一般应大于5 kN；当遇到顶底板岩石及夹矸时，其所需的钻压应大于15 kN，加之软硬复合破碎煤层容易发生塌孔、埋钻等孔内事故，所需钻机的提升力较大，一般情况下，钻机的提升力不能小于50 kN，最好在100 kN 以上。

（2）转速。转速即钻头每分钟回转的次数。软硬复合破碎煤层的硬度一般低于粘土类岩石，在软硬复合破碎煤层钻进，可以认为切削具切削下来的煤屑厚度等于切削具切入煤层的厚度，并且在钻进过程中切削具磨损很小，当钻头以一定的钻压钻进时，钻速和转速成正比关系[5-6]。转速、增大转速对钻速的影响曲线如图3。

图3 转速和增大转速对钻速影响曲线图

在软硬复合破碎煤层钻进时，钻压一定时，随着转速的增大，钻速也会逐渐增大。此时，单位时间内会产生较多的煤屑，若未被及时携带到孔外，则煤屑往往积聚在钻具下部，形成岩屑楔，对钻具产生上托作用，使钻孔轨迹有向上偏斜的趋势。当供风参数未及时调整时，会导致大量的煤屑在孔内堆积，进而易产生堵孔事故；当转速降低时，单位时间内产生的煤屑便会变少，此时在冲洗介质的作用下钻孔内会较为干净，钻孔轨迹呈下斜趋势。

综上，软硬复合破碎煤层中采用中风压空气钻进时，转速要适中，不宜采用高转速。当风量和风压充足时，通过适当提高钻速能在一定程度上提升施工效率。

（3）供风参数。由于软硬复合破碎煤层空气钻进受到冲击地压、瓦斯压力等因素的影响较大，同时钻孔成孔也相对不稳定，钻孔中的流动状态更为复杂，钻进过程中供风参数的选择较为复杂。

3 长钻孔施工工艺应用

3.1 长钻孔施工工艺流程

胡底煤业3#煤层长钻孔施工时，钻机采用ZDY4000L 型钻机，钻机参数见表1。

表1 ZDY4000L 型钻机主要技术参数

长钻孔施工过程中使用的设备及钻具见表2。

表2 现场试验设备及钻具

采用中风压空气钻进技术进行长钻孔施工时，首先安装、调试好钻机，连接除尘装置、压风管路、雾化及冷却水管路，准备开钻相关事宜。钻机运行正常后，先选用Φ96 mm 三翼内凹PDC 钻头开孔，用Φ96/113 mm 扩孔钻头扩孔并安装孔口管，然后使用Φ96 mm 三翼内凹PDC 钻头开始钻进。施工工艺流程如图4。

图4 施工工艺流程图

3.2 效果分析

1309 工作面掘进期间，1309 进风顺槽和回风顺槽掘进期间采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯治理模式。其中，掘进迎头及钻场内布置10 个钻孔，钻孔长度为200 m，间距为0.5 m；横川煤柱处布置20～30 个钻孔，间距为2 m，钻孔呈三花布置，钻孔长度为65 m。巷道掘进至预定位置（留有20 m的超前距），再施工下一循环的钻孔。具体钻孔布置如图5。

图5 1309 进风和回风顺槽煤巷掘进面钻孔布置图（m）

1309 进风和回风顺槽煤巷掘进面顺层抽采钻孔采用中风压空气钻进技术进行长钻孔施工。煤巷掘进面顺层钻孔施工过程中，钻孔内排渣正常，钻孔钻进效率高，成孔率高，有效实现了长钻孔的高效施工。

4 结论

根据3#煤层赋存地质条件，通过理论分析空气钻进原理，对中风压空气钻进中钻压、转速和供风参数进行详细分析，进行钻机及钻具的选型，对钻进施工工艺进行设计。根据1309 进风和回风顺槽煤巷掘进面抽采钻孔的应用效果可知，中风压空气钻进技术在长钻孔施工中钻进效率高、成孔效果好。