煤層井下中風壓空氣鉆進工藝技術研究

在松散層中，很難將長井和寬井進行開采。在鉆孔過程中，容易發(fā)生噴孔、坍塌孔和卡孔事故，導致孔深而平，孔率低。針對松軟煤層鉆進難題,前人做了大量研究工作、嘗試了多種鉆進工藝方法,包括水力排渣鉆進技術、低風壓空氣鉆進技術、干式螺旋鉆進技術等。其中,常規(guī)水力排渣鉆進由于水的沖刷作用強,鉆進過程中孔壁垮塌嚴重,頻繁引起卡鉆事故,實踐證明它適合鉆進硬煤層,而不適合鉆進松軟煤層。隨后開發(fā)的井下低風壓空氣鉆進技術和干式螺旋鉆進技術使松軟煤層中瓦斯抽采鉆孔的平均成孔深度有所增加,不同礦區(qū)達到幾十米不等,少數(shù)礦區(qū)超過了100m,但仍然不能完全滿足高效抽采瓦斯的需要。綜合分析低風壓空氣鉆進技術與干式螺旋鉆進技術在松軟煤層中施工瓦斯抽采鉆孔深度受限的主要原因是:(1)低風壓空氣鉆進技術以礦井壓風系統(tǒng)作為風源,供風壓力低,且風量不穩(wěn)定,鉆孔施工至一定深度后排粉困難,往往因孔內卡鉆事故增多而導致無法繼續(xù)鉆進;(2)常規(guī)螺旋鉆桿的葉片高、窄,鉆進過程中對孔壁的刮削作用強,鉆孔下沉快,易鉆出煤層,且深孔鉆進時鉆具回轉阻力大,對鉆機的能力、鉆具的強度要求高,限制了其成孔深度。此外,松軟煤層中瓦斯抽采鉆孔成孔提鉆后易出現(xiàn)坍塌堵孔現(xiàn)象,影響瓦斯抽采效果。松軟煤層在我國可采煤層中占有相當大的比例,開發(fā)松軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工技術與裝備具有重要的現(xiàn)實意義。1研制內芯可脫式鉆頭開發(fā)井下中風壓空氣鉆進技術、研制集成配套裝備的整體思路是:(1)針對低風壓空氣鉆進供風壓力低、風量不穩(wěn)定的問題,以中等壓力級別的防爆空壓機作為風源獨立供風,提高排粉動力;針對常規(guī)鉆桿通孔直徑小、過風壓力損失大,煤粉易在鉆孔下側沉積的問題,研制大通孔寬矮葉片螺旋鉆桿,通過鉆桿的旋轉攪動鉆孔下側沉積的煤粉,實現(xiàn)空氣與螺旋鉆桿復合排渣,以此達到順利排渣的目的;(2)針對松軟煤層中風壓空氣鉆進時煤粉量大、孔口粉塵大的問題,研制多級無動力源除塵器,達到降塵、防止巷道粉塵污染的目的;(3)松軟煤層中長鉆孔鉆進成孔難度大,如何保證成孔后鉆孔的有效性,防止孔壁坍塌影響瓦斯抽采效果十分關鍵,為此研制內芯可脫式鉆頭,結合大通孔寬矮葉片螺旋鉆桿,開發(fā)通過鉆桿內孔安設篩管的護孔工藝,達到護孔的目的;(4)此外,針對松軟煤層小斷面巷道條件下鉆進深孔及方便搬遷等對鉆機的要求,研制小體積、大功率、履帶自行式全液壓鉆機。針對井下中風壓空氣鉆進工藝參數(shù),重點研究了供風流量和供風壓力。供風流量以使鉆孔內煤粉處于“懸浮”狀態(tài)為準,結合水平孔內煤粉的運移特點,確定供風流量的經驗計算公式如下:式中:Q為供氣流量,m3/min;D為孔徑,m;d為鉆桿直徑,m;V為上返風速,m/s;K為系數(shù),一般取1.3左右;λ為鉆孔擴徑系數(shù),取值界于1~1.1之間。式(1)中首次引入了鉆孔擴徑系數(shù),它使計算結果更加趨于準確,具體取值根據(jù)所施工煤層的堅固性系數(shù)f的值來確定:0.2≤f<0.5時,λ取1.05~1.1;供風壓力以克服循環(huán)過程中各種流動阻力為準,計算公式如下:式中:p為供風風壓,MPa;△p為總壓力損失,MPa;△pna為壓縮空氣通過鉆桿內孔的壓損,MPa;△pma為空氣與鉆屑的加速壓損,MPa;△pmf為空氣與鉆屑摩擦壓損,MPa;△pst為鉆屑顆粒群懸浮提升壓損,MPa;∑△p1x為各局部壓力損失之和,MPa。同時開展了地面模擬試驗以研究水平環(huán)狀間隙內煤粉的運動方式、運移規(guī)律及沿程壓力分布:以透明有機玻璃管和鋼管模擬孔壁,通過有機玻璃管可直接觀察鉆桿外煤粉的運移情況;通過布置壓力變送器來測量壓力分布。結合經驗計算公式和室內模擬試驗確定:ue78894mm孔徑、ue78873mm鉆桿,孔深達到200m時,鉆進排粉所需風速須大于23m/s,所需最小供風流量須大于306m3/h,排渣所需供風壓力須大于0.64MPa。2海洋平臺空氣鉆機,如圖4所示專門設計2.井下中風壓空氣鉆進技術配套裝備主要由6部分組成:防爆空壓機、流量計、大通孔寬矮葉片螺旋鉆桿、全液壓履帶式鉆機、孔口密封器和孔口除塵器。1)防爆空壓機作為獨立風源為中風壓空氣鉆進提供流量穩(wěn)定的壓縮空氣,其主要技術參數(shù)見表1。2)流量計的型號為CX-100-MA,它是一種旋進漩渦式流量計,用于測量送入孔內壓縮空氣的體積流量,指導鉆速、鉆壓等工藝參數(shù)的調控。3)大通孔寬矮葉片螺旋鉆桿是為實施空氣與螺旋鉆桿復合排渣及下篩管護孔工藝而專門設計的,它能夠實現(xiàn)機械擰卸、減輕工人勞動強度;鉆桿旋轉過程中,寬矮葉片能夠有效攪動孔壁下側沉粉,提高空氣排粉效果,與常規(guī)螺旋鉆桿相比,寬矮葉片對孔壁的刮削作用小;大通孔一方面減小了過風阻力,同時為下入大直徑篩管提供了通道。4)中風壓空氣鉆進用ZDY3200L鉆機,主要技術參數(shù)見表2。采用一體化緊湊設計,在小體積條件下實現(xiàn)了功率的最大化,鉆機機體寬度為1.35m,與同類型鉆機相比緊縮10%,適合松軟煤層小斷面巷道作業(yè)條件;同時,運用仿真技術為該鉆機開發(fā)了低發(fā)熱型液壓系統(tǒng),提高了效率;新研制的液壓卡盤采用插入式卡瓦,其更換更加快捷,并使膠筒的使用壽命大幅延長。5)孔口密封器的作用是使孔內返出的氣固兩相流進入除塵器,防止孔口粉塵污染。6)中風壓空氣鉆進用三級無動力源除塵器綜合利用了慣性、水浴和文丘里3種除塵原理,以排粉的殘余風壓作為動力,按照大中小的順序逐級分離煤渣屑,其結構簡單,安全可靠,除塵效率高。3抗靜電阻燃篩管制備工藝中風壓空氣鉆進篩管護孔工藝的基本流程:鉆孔施工到預定孔深后,將孔內鉆具提離孔底一小段距離(一般30~50cm即可),在孔口將抗靜電阻燃篩管通過鉆桿內通孔下放到孔底,并施加一定的軸向推力將鉆頭內芯頂?shù)?提鉆后將篩管留置在孔內完成安設。篩管護孔工藝的關鍵是內芯可脫式鉆頭的研制,要求鉆頭內芯在正常鉆進時與鉆頭體可靠連接成為一體,全斷面切削孔底煤層;下放篩管時,在篩管推力的作用下脫芯要靈活方便。研制的內芯可脫式鉆頭的內芯與鉆頭體之間依靠彈簧和定位鋼球固定,鉆頭體通過其上的臺階和鍵為內芯傳遞給進壓力和扭矩。4煤層凝固性系數(shù)界松軟煤層中風壓空氣鉆進技術與裝備已在淮南、淮北、通化、韓城、平頂山等多個礦區(qū)推廣應用,其中蘆嶺煤礦和祁南煤礦是該技術及裝備成功應用的典范。在淮北蘆嶺煤礦II827工作面先后共施工瓦斯抽采鉆孔110余個,總進尺近8000m,所鉆煤層堅固性系數(shù)界于0.2~0.45之間,鉆孔平均成孔深度由原來的40m左右提高到了70m左右,有效解決了該采面瓦斯抽采鉆孔的施工難題,使瓦斯實際抽采時間較預計縮短數(shù)個月,保證了采面的順利接續(xù)。祁南煤礦34下3#工作面煤層堅固性系數(shù)界于0.5~0.8之間,利用中風壓空氣鉆進技術及裝備共施工瓦斯抽采鉆孔50余個,總進尺超過了10000m,平均成孔深度由原來的100m左右提高到了200m左右,最大成孔深度為238.5m;713工作面煤層堅固性系數(shù)僅有0.18左右,利用中風壓空氣鉆進技術施工瓦斯抽采鉆孔150余個,平均成孔深度由原來的30m左右提高了70m左右,滿足了施工松軟煤層瓦斯抽采鉆孔的需要。5提高成孔率、成孔效率井下中風壓空