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1、1松软煤层钻进工艺原理及应用松软煤层钻进工艺原理及应用煤炭科学研究总院西安研究院煤炭科学研究总院西安研究院 钻探技术研究所钻探技术研究所2007 年元月年元月2松软煤层是指煤的硬度系数 f 小于 1 的煤层，它是地质构造的产物，主要是由于断层和层滑等原因所形成，所以也称松软煤层为构造煤层。松软煤层通常都与断层、褶皱、产状变化、煤层厚度变化等有共生关系。松软煤层具有强度低、瓦斯吸解速度快、瓦斯含量相对高的特征，因此它属于煤与瓦斯突出体。在分布上，松软煤层的剖面形态均呈层状、似层状、凸镜状、在平面上呈带状或面状；松软煤层在煤层中的位置通常都是沿顶、沿底、也可在松煤层中间；松软煤层厚度变化较大，多数
2、都呈不稳定状态，其厚度可以从几厘米到整个煤层。煤矿瓦斯治理和利用工作已经引起我国政府和煤矿企业的高度重视，国家在煤层气资源开发和利用方面作了大量的投入，很多煤矿企业也开始转变观念，变传统的安全性瓦斯抽放为利用性或生产性瓦斯抽放，将各种抽放技术结合起来，想方设法提高瓦斯抽放浓度和抽采率，既确保了生产安全，也有效利用了能源。但是我国目前除抚顺等少数矿区外，大多数矿井煤层透气性差，煤质松软，甚至有动力现象或突出危险性，属于松软煤层，这使本煤层预抽钻孔打钻难度极大，塌孔、卡钻严重，钻孔打不深，致使瓦斯抽放效果差，不能很好的满足生产和开发的要求，影响了煤矿生产的正常进行。所以解决松软本煤层钻进问题对于我
3、国煤矿生产具有极其重要的意义。1 1 松软煤层瓦斯突出机理与防突途径松软煤层瓦斯突出机理与防突途径1.1 松软煤层瓦斯突出机理松软煤层中瓦斯突出是一个复杂的动力过程，瓦斯突出的动力主要是地应力和瓦斯压力，而阻碍突出的阻力是煤体抵抗破坏的能力，突出能否发生及其发生的规模主要取决于阻力和动力之间相互的作用关系。因此地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质是影响煤层瓦斯突出的三个主要因素。地层深处的煤层，一方面由于地应力和构造应力的作用，聚集了较高的弹性变形能；另一方面，由于煤层中含有瓦斯而具有一定的瓦斯内能。地下的采掘工作往往会对煤层的应力平衡状态造成扰动。对煤层应力平衡状态的破坏，一方面降低了煤层阻碍
4、突出发生的抵抗力，另一方面使得煤层中的弹性变形能和瓦斯内能释放成为可能。在正常情况下，或由于地应力、瓦斯压力太小，或由3于应力状态改变缓慢，释放的能量不足以激发煤与瓦斯突出，而在地应力和瓦斯压力较高的情况下，煤层工作面受到采掘工作的扰动，使得煤层应力状态突然改变，巨大的弹性变形能和瓦斯内能瞬间释放，引起煤体的高速破碎，同时在潜能和瓦斯压力的作用下煤体发生移动，瓦斯由已破碎的煤体中解吸、涌出，形成瓦斯流，解吸的瓦斯进一步破碎煤体，同时把破碎的煤粉抛出，发生煤与瓦斯突出。根据上面的分析，煤与瓦斯突出是地应力、煤层瓦斯以及煤的结构力学性质三者综合作用下产生的复杂动力现象。在突出过程中，地应力和瓦斯压
5、力是发动、发展突出的主动力，煤的结构力学性质是阻碍突出发生的因素。1.2 松软煤层防瓦斯防突途径对于特定的煤层，煤的坚固性系数、煤的瓦斯解吸性系数、煤层中软分层厚度三个参数相对来说是难以改变的。根据上述分析可以看出，为了减少和消除煤层突出危险性，主要是降低瓦斯压力，而钻孔预抽煤层瓦斯是降低瓦斯应力的有效方法。目前钻孔预抽煤层瓦斯的方法主要有穿层钻孔预抽和顺层钻孔预抽两种方式。以往普遍采用以穿层钻孔为主的本煤层瓦斯抽采方法，即先在煤层底板岩石中施工出一条岩石巷，然后沿岩石巷施工上仰穿层孔作为瓦斯预抽放孔。这种瓦斯抽放方法有以下缺点： 底板专用瓦斯抽放道每区段有一条岩石巷道，因此掘进巷道工程量大。
6、 钻孔的工程量大，钻孔的岩石长度占比例较大，钻孔利用率低，成本较高。 工作面准备时间长，先打底板道，再打钻孔预抽瓦斯，最后掘煤巷。 穿层钻孔浅，预抽瓦斯范围受到限制，只解决了巷道掘进带防突，回采工作面瓦斯涌出并未得到解决。 而采用顺煤层钻孔抽采瓦斯则具有成本低，钻孔利用率高等优点。因此在松软煤层瓦斯抽放多采用顺层孔瓦斯抽放。顺层钻孔抽采煤层瓦斯减弱直至消除煤层突出危险的实质在于：煤层抽采钻孔的施工，造成钻孔周围煤层的局部卸压；通过抽排煤层中的瓦斯，可以使具有突出危险的煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量大幅度降低，使煤体内的瓦斯潜能得到释放并降低；由于瓦斯的排放可以4引起煤层的收缩变形，使煤层的地应力下
7、降、透气性增大，煤体应力的下降也使煤层中的潜能得到释放。这些都在不同程度上降低了导致突出发生的主动力和能量。同时，煤体中的瓦斯释放以后，煤体的透气性增大，煤层应力减少，煤体强度增大，这样就增强了煤体的机械强度和稳定性，使得发生煤与瓦斯突出的阻力增大。2 2 松软煤层顺层孔钻进的成孔工艺松软煤层顺层孔钻进的成孔工艺2.1 松软煤层顺层钻孔的参数2.1.1 顺层钻孔的布置在煤矿的实际生产当中，一般各矿根据本矿区瓦斯赋存量和相对涌出量、回采工作面长度等决定本煤层预抽钻孔的布置方式。目前所采用的钻孔布置方式主要有两种，一种是沿工作面走向布置的走向钻孔，钻孔的平面布置如图 1 所示（A 钻孔） ，钻场一
8、般设置在回采终止线或尾巷附近，钻孔深度根据工作面长度和具体的施工条件而定。现有的设备能力已经在松软煤层中完成 180m 钻孔的施工能力，因此一般 100m 以上的工作面，水平钻孔的设计深度可达到 100180m，如山西阳泉三矿，工作面 150m，设计钻孔垂直于回风顺槽，在平面上呈平行间隔布置，钻孔间距为 35 米，整个工作面总共布置钻孔 180 个，钻孔深度为 150m，钻孔直径 200mm，采用煤科总院西安分院生产的 ZDY-4000S 型钻机，完成钻孔深度达 180m（此孔方位倾斜设置） 。另一种钻孔布置方式是沿工作面倾向布置的水平钻孔，钻孔布置形式有斜钻孔、平行钻孔和交叉钻孔。钻孔深度一
9、般 80-150m，终孔直径 94-130mm。根据实践效果检验，钻孔角度向工作面方向呈 45角的斜钻孔抽放效果最佳，钻孔平面布置图如图 1 所示（B 钻孔） 。图图 1 顺层预抽瓦斯钻孔布置图顺层预抽瓦斯钻孔布置图回 采 工 作 面回风巷进风巷回 采 工 作 面回风巷进风巷钻场：水平长钻孔：水平斜钻孔52.1.2 顺层钻孔的直径在防止塌孔堵塞钻孔通道的前提下，可以在一定程度上增大钻孔直径以提高瓦斯抽采量。2.1.3 顺层钻孔的间距图 2 给出了不同钻孔间距的抽放效果，最佳钻孔间距与钻孔流动场的控制范围有关。(a)图的钻孔间距太大，瓦斯流入巷道中，存在着潜在的危险。(b)图钻孔太密，间距太小，
10、每米钻孔瓦斯抽放量太小，虽然能够很好的抽放瓦斯，但经济上不合理，造成了不必要的浪费。(c)图是理想的最佳的钻孔间距，两个钻孔的有效抽采半径相加即为钻孔的理想布置间距。钻孔钻孔影响范围 流向巷道钻孔钻孔钻孔钻孔钻孔（ ）图 2 不同钻孔间距的抽放效果2.2 松软煤层顺层钻孔的排粉工艺煤矿井下进行钻孔作业由于受井巷条件、供给条件、场地、安全标准等因素的限制，很多地面采用的成熟钻进技术和仪器很难在井下得到推广应用，因此，目前煤矿井下的松软煤层钻进工艺方法主要是回转钻进工艺，根据钻进过程中所采用的排粉介质或排粉方式的不同主要分为水排粉钻进、风排粉钻进和干式螺旋钻进。2.2.1 水排粉钻进在煤层钻进成孔
11、过程中传统的排粉工艺是用水作为冲洗介质，以携带、排出钻屑，并起到冷却钻头的作用。由于煤矿井下静压水供应都比较充足和便利，因此几乎所有的煤矿都在采用清水作为钻孔循环介质进行钻孔施工。根据循环水的供给条件的不同，分为静压水循环和动压水循环。在松软突出煤层中钻进，6为确保钻进过程中排粉通畅，需配备专用的泥浆泵供送循环水，同时根据钻进需要调节泵量、泵压。这种水力排粉方式携带煤粉能力强，能够迅速的带走钻进产生的煤粉，有效的降低了堵孔钻进事故发生的可能性。水排渣钻进的最大缺点是对孔壁的冲击作用太大，垮孔、喷孔严重。其主要原因一是水的密度较大，对煤壁的冲刷作用强，二是水对煤体的沾湿作用，使水渗入到煤的裂隙或
12、孔隙内部，不但降低了煤粉的胶结作用，降低了煤粉的强度，而且水的表面张力加速煤的解体。此外水还封闭了瓦斯涌出通道，阻碍了瓦斯的排放，而且由于水对煤的沾湿作用，从煤表面置换出瓦斯气体，使煤体中的瓦斯压力进一步提高，承受的压力增大，则孔壁上的煤更容易在瓦斯的作用下破碎、抛出形成喷孔。所以在松软煤层钻进过程中，用水排粉钻进的孔深较浅且不容易成孔，必须寻求其他的新方法取代水排粉钻进。 2.2.2 风力排粉钻进风力排粉是用压缩空气经过钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔内形成高速风流，钻屑则浮在风流中被吹向孔口，从而实现排粉和钻头冷却。风力排粉的最大缺点是作业地点煤尘不易控制。但在突出或松软煤层中打钻时，风力排粉
13、具有明显的优势： 压风对孔壁的冲击小，不易破坏孔壁； 不影响煤层中的瓦斯解吸，使瓦斯得以自由、快速地释放； 钻孔内始终只有气、固两相流动，发生卡钻的可能性也减小了。因此，风力排粉是在突出或松软煤层中打钻比较理想的排粉方式。虽然风排粉钻进能够很好的解决松软煤层钻进成孔问题，但也存在一些问题： 钻进风压不稳定，压缩风主干管到各个采区后，分成采区支干管，支干管又被分成许多分支进入各个工作面，这样具体到某工作面的风压就会受到其他采区或工作面风量的影响。孔口粉尘污染很严重，即使采用孔口灭尘或集尘措施，也往往由于孔口密封问题很难取得理想的效果。为此有的煤矿试验采用向钻孔内供送气水混合物，既体现了采用压风钻
14、进保持钻孔稳定性和渗透性的特点，同时有效避免了孔口的粉尘污染。而采用泡沫钻进则存在泡沫的制取和消泡等技术环节，同时由于7井下管道供风压力不足，制取的泡沫压力和流量不能满足深孔钻进的要求，因此在实际推广应用中也存在一定的困难。目前各科研机构和生产单位正在积极的探索和研究解决这些问题。 对钻孔前方的应力集中区认识不清，巷道两侧及迎头一定范围内存在一个应力集中区域，钻孔进入该区域后，钻孔排粉量、瓦斯涌出量明显增大，钻孔甚至出现某个方向的漂移或错动。由于对钻孔前方的应力集中区没有认识或认识不清，钻进时仍按卸压区的工艺进行钻进，势必造成夹钻、喷孔和丢失钻具等问题。2.2.3 水平干式螺旋钻进在松软煤层中
15、使用螺旋钻具钻进顺层孔过程中，钻机齿筒所产生的动力通过光钻杆传递给螺旋钻杆至钻头，孔底及孔壁产生的钻屑则由螺旋叶片推移式前进输送，钻屑自身的重力、钻屑之间的粘滞力、以及钻屑与叶片和外壳之间的摩擦力阻止了它和螺旋叶片一起旋转，从而实现钻屑在叶片推动下挤压直线前进。螺旋钻具包括螺旋钻杆和螺旋钻头，螺旋钻头由钻头体、翼片、螺旋带（有些钻头无螺旋带）和连接部分组成，翼片上镶有阶梯状硬质合金，以避免干式钻进时发生钻头烧钻。钻头直径应比钻杆大 1020mm，以减少钻杆柱与孔壁的摩擦力，钻头与钻杆以及钻杆与钻杆之间有两种连接方式：一种是丝扣连接，一种是插接式连接，螺旋钻头可以按照硬质合金翼片式全面钻头设计原
16、则设计，螺旋钻杆由心管、螺旋带和连接部分组成,心管为无缝钢管,外面焊有钢质螺旋带。螺旋钻杆之间的连接也有两种:一种是采用六角形套,并用销子固定;另一种是采用高强度的锥形丝扣连接。在松软煤层钻进过程中，由于经常出现钻孔事故，为了能够很好的处理孔内事故，多采用插接式连接。水平螺旋钻进的特点： 由于螺旋钻杆能及时输出所钻下的煤粉,无重复破碎现象,而且能减少对煤的扰动，也没有静液柱压力影响孔底煤的破碎,所以在软煤中钻进效率高。 钻进过程中，螺旋钻进不需要冲洗介质，因而减少了配置和输送冲洗液的辅助工作，适合在井下无水或水供应不足的情况下钻进，而且减少了孔壁的破坏几率，成孔率高8 钻进辅助设备少，减少了工人的劳动强度，提高了钻进效率。 钻进过程中振动、噪音少。减少了钻杆因振动对孔壁的影响。虽然螺旋钻进在松软煤层钻进中有一定的优势，但也存在很多问题： 施工难度随孔深增加而增大，钻进速度随孔深增加而降低，垮孔严重时无法再进； 低速旋转时排屑慢，易断钻杆； 高速旋转时钻机扭矩降低，钻屑增多时易卡钻； 钻进阻力大，停钻时钻杆易产生反转，致使钻杆脱节或掉钻头。
