1、風(fēng)力排渣施工瓦斯鉆孔技術(shù)研究及應(yīng)用 摘要：川煤集團(tuán)廣旺公司代池壩煤礦的部分可采煤層工作面，由于受沉因、斷層、褶曲等地質(zhì)構(gòu)造影響，煤層較松軟，瓦斯高富集且壓力大。在施工抽采鉆孔時，正常情況下使用水力排粉鉆進(jìn)速度慢，極易塌孔，鉆孔鉆進(jìn)速度和鉆孔成型的效果極差，我們通過探索改用風(fēng)力（壓風(fēng)）排渣施工工藝后，取得了較好的效果。主題詞：瓦斯抽采 風(fēng)力排渣 施工工藝一、問題提出代池壩煤礦為高瓦斯礦井，各煤層的地質(zhì)條件復(fù)雜，斷層和褶曲較多，瓦斯問題一直制約著礦井的安全生產(chǎn)。夾矸、軟硬煤結(jié)合現(xiàn)象嚴(yán)重，瓦斯含量大，煤層透氣性差；煤層中夾有矸石的現(xiàn)象較為普遍，巖性多為灰黑色的泥巖、炭質(zhì)泥巖、高炭泥巖，大部分比較松軟

2、，且夾矸厚度不穩(wěn)定。使用傳統(tǒng)的水力成孔方法施工，夾矸、軟煤遇水后膨脹、塌陷，時常造成塌孔、堵孔、卡鉆、斷鉆桿等孔內(nèi)事故，直接影響著鉆孔的成孔率，而且鉆孔孔深不足35米。在3945運輸巷、3944工作面開切眼、31326小石門等多次施工中，均發(fā)生鉆空中斷鉆桿、抱鉆、塌孔的事故，報廢鉆孔占施工鉆孔總數(shù)的1/3；處理一次抱鉆、卡鉆、塌孔需要24個班，每班進(jìn)尺最多10米，嚴(yán)重影響鉆孔施工進(jìn)度。鉆孔成孔后堵孔、塌孔現(xiàn)象也很嚴(yán)重，影響了抽放效果。如何提高鉆孔深度和成孔率，提高單孔抽放量，是我礦瓦斯抽放工作中亟待解決的一個難題。二、工作面煤層基本概況5、7、9、13號煤層基本情況分述如下：1、 5號煤層：為

3、代池壩井田最上部的一層可采煤層，位于白田壩組（1-2b）底礫巖之下58.2591.67米，一般72米左右，該煤層在礦區(qū)范圍內(nèi)可采段主要分布于18號勘探線至24號勘探線之間，1618線、2425線煤層薄化至不可采，可采段走向長約3625m。煤層厚度沿走向西薄東厚，沿傾向變化不大?？刹啥蝺?nèi)厚度在0.4-1.04米，一般0.4-0.6米，煤層結(jié)構(gòu)西部較簡單（一般夾矸1-2層），東部較復(fù)雜（含夾矸35層）。上部煤分層性軟，含炭質(zhì)泥巖及高炭質(zhì)泥巖透鏡體，灰分高達(dá)33.35%，下部煤分層性較硬，塊狀，灰分低。五號煤層底板為灰色粉砂巖，偽頂為炭質(zhì)泥巖，巖性松軟，易碎，頂板難管理。從已采煤層看，瓦斯含量較高。

4、2、7號煤層：呈單斜層狀構(gòu)造，走向近于東西，傾向南，煤層產(chǎn)狀為18338。煤層厚度平均0.97米，夾矸0.30米，煤層硬度系統(tǒng)2.0（f）；煤層老頂為灰色中厚層狀粉砂巖夾泥巖厚度為6.4米，直接頂為灰黑色薄層狀夾煤線厚度為2.18米，直接底為薄層泥巖，頂部夾0.20米左右一層炭質(zhì)泥巖。3、9號煤層：為單斜構(gòu)造，走向近于東西，傾向南，煤層產(chǎn)狀為18838。煤層厚度平均0.86米、夾矸0.08米，煤層硬度系數(shù)為1.5（f）；煤層老頂為灰色粉砂巖夾泥巖厚度為8米，直接頂為薄層粉砂質(zhì)泥巖厚度為2.8米，直接底為泥巖夾煤線厚度為6米，老底為粉砂質(zhì)泥巖厚度為2米。4、13號煤層：為單斜構(gòu)造，走向近于東西，

5、傾向南，煤層產(chǎn)狀為18840。煤層平均厚度為1.8m，平均夾矸厚度0.68m，煤層的厚度不穩(wěn)定、屬及不穩(wěn)定煤層；頂?shù)装迕簩訉永戆l(fā)育；煤層老頂為灰色厚層粉砂巖厚度為10米左右，直接頂為中厚層粉質(zhì)砂巖和粉砂質(zhì)泥巖厚度為30米左右，偽頂為黑色薄層狀高炭泥巖厚度為0.15米左右，直接底為灰色中厚層粉砂巖，頂部有0.18米厚的泥巖夾煤線，厚度為3.5米左右，老底為灰色厚層狀中粗粒石英砂巖厚度為20米左右。三、壓風(fēng)排渣鉆進(jìn)的概念與優(yōu)點分析1、概念風(fēng)力排渣鉆進(jìn)就是采用壓縮空氣經(jīng)過鉆桿內(nèi)孔、鉆頭進(jìn)入孔底，在孔內(nèi)形成高速風(fēng)流，鉆屑則浮在風(fēng)流中被吹向孔口，從而實現(xiàn)排渣和冷卻鉆頭的目的。2、優(yōu)點在松軟煤層中，風(fēng)力排

6、渣較水力排渣的優(yōu)點主要體現(xiàn)在：（1）、風(fēng)壓較小，壓風(fēng)對孔壁的沖擊小，不易破壞孔壁，能有效防止沖洗液壓力過大對孔壁煤塊的劈裂作用，對孔壁的破壞作用明顯減小。而水力排渣方式的最大缺點是對孔壁的沖擊作用太大，垮孔、噴孔嚴(yán)重。同時鉆孔內(nèi)處于氣（瓦斯、空氣）、液、固（鉆屑）三相流動狀態(tài)，流態(tài)極不穩(wěn)定，也很容易造成卡鉆現(xiàn)象。（2）、由于壓風(fēng)的密度和瓦斯的密度差大大減小，不影響煤層中瓦斯的解吸，孔壁煤層中的瓦斯能夠自由快速的釋放到?jīng)_洗介質(zhì)(壓風(fēng))中，并且迅速地將增加的壓力傳遞到孔外，一般不會引起瓦斯的聚集和壓力的激增而誘發(fā)噴孔對孔壁產(chǎn)生沖擊破壞作用。（3）、與水力循環(huán)鉆進(jìn)相比，壓風(fēng)鉆進(jìn)的循環(huán)介質(zhì)流量大，在壓

7、力的作用下，煤粉顆粒在鉆孔內(nèi)懸浮并隨著氣流做跳躍式的向前推進(jìn)，直至返出孔口。如果局部煤粉顆粒堆積較多，此處的風(fēng)速勢必增加，此時堆積的煤粉顆粒不僅會在風(fēng)壓壓差的作用下前進(jìn)，而且風(fēng)速增加后的攜粉能力大大增強，也會將煤粉顆粒迅速帶走。（4）、鉆孔內(nèi)始終只有氣、固兩相流動，發(fā)生卡鉆的可能性也減小了。四、風(fēng)力排渣供風(fēng)參數(shù)的確定（1）、風(fēng)力排渣的最小風(fēng)速和最佳風(fēng)量 對于壓風(fēng)鉆進(jìn)而言，要獲得較高的鉆進(jìn)速度，必須保證鉆桿與孔壁之間環(huán)狀間隙的返風(fēng)速度。生產(chǎn)實踐和理論計算表明，該返風(fēng)速度最小應(yīng)達(dá)15.5m.s-1以上，最佳風(fēng)速23 m.s-1左右。我們采用50的鉆桿施工75的鉆孔，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到23 m.s-1時，則

8、需要風(fēng)量為： Q = V*A環(huán)*t =23*/4*(0.752 0.052)*60 3.39m3.min-1 在同類地層同等供風(fēng)量的情況下，鉆孔深度和風(fēng)壓大小成正比，而和鉆具的沿程阻力、局部阻力成反比。在實際工作中，考慮到空壓機的工作特性、管路以及鉆具的泄漏，要達(dá)到較好的鉆進(jìn)效果，實際用風(fēng)量要大于上述計算值。我們在施工的過程中，利用地面壓風(fēng)機供風(fēng)，壓風(fēng)到達(dá)鉆孔孔口處的壓力最大可以達(dá)到0.8MPa，最小也有0.6MPa，用50管道輸送壓風(fēng)，完全可以滿足我們施工100米及以下淺孔的需要。五、孔口密封及除塵裝置使用壓風(fēng)作為沖洗介質(zhì)時，鉆頭破碎下來的煤屑在從孔底向孔外運動的過程中，經(jīng)不斷碰撞以及鉆桿回

9、轉(zhuǎn)時的擠壓作用，顆粒會越來越細(xì)，在壓風(fēng)中的分散表面積會不斷增大。隨著鉆孔速度的增加和局部垮塌作用的影響，壓風(fēng)中煤粉含量也會不斷增加。壓風(fēng)返出孔口時，如果不處理直接返到巷道中，不僅影響鉆場工人以及處于下風(fēng)其他工作人員的身心健康，而且由于壓風(fēng)中含有大量瓦斯和煤塵，也會造成極大的安全隱患。所以使用壓力風(fēng)作為沖洗介質(zhì)時，必須對返出孔外的壓力風(fēng)做降塵處理。使用壓風(fēng)作沖洗介質(zhì)時降塵和除塵方式，我們采用如下圖所示的孔口密封及除塵裝置。孔口密封及密封除塵裝置的基本原理是：正常鉆進(jìn)時鉆頭和鉆桿通過裝置前端的防塵擋圈進(jìn)入鉆孔進(jìn)行正常鉆進(jìn)，壓風(fēng)經(jīng)過鉆桿冷卻鉆頭和沖洗孔底，當(dāng)攜帶有煤粉的風(fēng)流到達(dá)孔口裝置時，受壓力水霧

10、（直接接井下靜壓水管）的作用，風(fēng)與塵初步分離，在防塵擋圈的密封作用下，煤巖粉塵不是沿鉆桿返至鉆機及工作人員處，而是沿接孔口防塵裝置的膠管引至煤粉沉淀池，經(jīng)水浴后的返風(fēng)及瓦斯排入大巷，而煤巖粉沉積在水浴池中，從而起到防塵作用。同時由于壓力水霧的作用還可以起到孔口降溫、滅火作用。經(jīng)測定，該裝置排風(fēng)粉塵不大于10mg.m-3,完全符合煤礦安全規(guī)程的規(guī)定。而且工作環(huán)境得到較大改善，施工人員不會被壓力水打濕衣服，現(xiàn)場的積水減少。通過現(xiàn)場反復(fù)試驗，我們認(rèn)為使用該防塵裝置時，必須注意以下幾點：（1）、防塵套管的長度不小于2米，否則在壓力風(fēng)和鉆桿的回轉(zhuǎn)作用下容易脫落。（2）、將裝置放入孔中，并且密封孔壁與裝置

11、之間的空隙，使其不漏風(fēng)。（3）、將鉆進(jìn)用鉆具穿過防塵裝置下入鉆孔，然后上好防塵擋板和防塵擋圈，使防塵裝置不漏風(fēng)。（4）、要注意水浴池沉淀煤巖粉的清理工作，并保持水浴池的水面高度，防止水浴池的作用失效而達(dá)不到滅塵效果。 六、實施效果代池壩礦經(jīng)過認(rèn)真分析，結(jié)合其他單位同行的經(jīng)驗，發(fā)現(xiàn)風(fēng)力排粉鉆進(jìn)能有效減少鉆孔坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，有利于提高成孔率，決定在31326小石門采用風(fēng)力排渣方法施工順煤層瓦斯抽放鉆孔。結(jié)合煤層賦存地質(zhì)條件、瓦斯涌出構(gòu)成和31326小石門巷道布置情況，設(shè)計順煤層鉆孔深度8093m，開孔直徑115mm，終孔孔徑75mm。依據(jù)該設(shè)計，要求鉆孔正常排渣所需的最小供風(fēng)壓力位0.67MPa，

12、最小供風(fēng)量為3.5m3min-1。由于壓風(fēng)在確保了風(fēng)力排粉成孔方法所需的供風(fēng)壓力和風(fēng)量以后，使用重慶研究院研制的ZYD150D全液壓鉆機，配合50mm外平鉆桿和75mmPDC鉆頭，鉆進(jìn)過程中保證排粉通暢，適當(dāng)提高轉(zhuǎn)速，平穩(wěn)給進(jìn)，成孔效率良好。在施工的20個鉆孔中，無卡鉆或堵孔現(xiàn)象，鉆孔的平均深度為85米，大大提高了鉆孔成孔效率。通過風(fēng)力排渣方法施工沿層瓦斯抽放鉆孔的成功，使我礦認(rèn)識到風(fēng)力鉆進(jìn)在松軟煤層成孔中的優(yōu)越性，在以后的鉆孔施工過程中將大量使用與推廣。從鉆進(jìn)效率來看，風(fēng)力鉆進(jìn)鉆孔事故少，施工順利，成孔所用時間比水力鉆進(jìn)提高50%以上；從后期抽采效果看，風(fēng)力鉆進(jìn)更有利于孔內(nèi)瓦斯釋放抽采，風(fēng)力成孔后比水力成孔的單孔瓦斯釋放壓力高0.030.036MPa，瓦斯自然涌出量高0.040.1005m3min。沿煤層鉆進(jìn)風(fēng)力成孔方法在我礦取得了良好效果。七、結(jié)束語 1、風(fēng)力排渣適合松軟煤巖層中施工瓦斯鉆孔?？ㄣ@