松軟突出煤層順層抽放鉆孔施工及封孔技術(shù)研究

1、松軟突出煤層順層抽放鉆孔施工及封孔技術(shù)研究雷洪波,周政林,王榮超(松藻煤電公司渝陽(yáng)煤礦,重慶綦江401448摘要:針對(duì)松軟突出煤層順層鉆孔預(yù)抽瓦斯中存在的鉆孔施工困難和瓦斯抽放濃度偏低等關(guān)鍵問(wèn)題,介紹了渝陽(yáng)煤礦在提高鉆孔深度、成孔率和封孔質(zhì)量方面所采用的新裝備、新工藝和新方法。通過(guò)選擇合適的鉆機(jī)具、鉆孔施工技術(shù)、工藝和改進(jìn)鉆孔布置方式等,提高了順層孔的施工深度、成孔率、孔徑和鉆進(jìn)效率,不僅解決了突出煤層采煤工作面順層預(yù)抽中存在“空白區(qū)”的難題,還提高了單孔抽放量;通過(guò)改進(jìn)順層抽放孔封孔工藝,提高了封孔質(zhì)量和瓦斯抽放濃度。通過(guò)解決鉆孔施工和封孔質(zhì)量問(wèn)題,有力保證了工作面預(yù)抽防突效果。關(guān)鍵詞:松軟

2、突出煤層;順層鉆孔;鉆孔施工;封孔中圖分類(lèi)號(hào):T D713文獻(xiàn)標(biāo)志碼:C 文章編號(hào):1008-4495(2009S1-0136-03收稿日期:2009-07-17基金項(xiàng)目:國(guó)家2006年煤礦瓦斯治理與利用示范工程資助作者簡(jiǎn)介:雷洪波(1982,男,重慶涪陵人,主要從事煤與瓦斯災(zāi)害治理方面的技術(shù)研究工作。E -mail:leibo0122sina .com 。采用穿層鉆孔或順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯是突出煤層回采工作面一種重要的區(qū)域防突措施。對(duì)于松軟突出煤層,由于受煤層起伏、地質(zhì)構(gòu)造、煤層瓦斯、煤層力學(xué)性質(zhì)、煤層厚度、鉆機(jī)具能力、施工工藝等因素影響,在順層鉆孔施工中,鉆孔深度往往達(dá)不到設(shè)計(jì)深度,致使采

3、煤工作面經(jīng)常出現(xiàn)預(yù)抽“空白區(qū)”,給回采帶來(lái)極大的突出威脅;另外,采用常規(guī)的封孔技術(shù),由于封孔質(zhì)量難以保證,瓦斯抽放濃度一般偏低,影響瓦斯抽放和防突效果。因此,如何提高鉆孔施工深度和成孔率,消除回采工作面順層預(yù)抽“空白區(qū)”,如何提高封孔質(zhì)量、抽放效果,是松軟突出煤層亟待解決的兩個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。筆者根據(jù)礦井瓦斯抽放實(shí)踐,介紹了提高鉆孔施工和抽放效果的新裝備、新工藝和新方法。1順層鉆孔預(yù)抽瓦斯現(xiàn)狀及問(wèn)題渝陽(yáng)煤礦隸屬于重慶能投集團(tuán)松藻煤電公司,煤層突出危險(xiǎn)性嚴(yán)重,除了開(kāi)采保護(hù)層外,瓦斯抽放是防突的另一個(gè)重要區(qū)域性防突措施。采煤工作面順層預(yù)抽鉆孔的施工現(xiàn)狀及問(wèn)題如下。1.1現(xiàn)狀順層抽放鉆孔布置于煤層軟分層煤

4、中,鉆孔均垂直于煤壁沿煤層走向施工,孔間距312m 。采用ZYG -150或MYZ -150型液壓鉆機(jī)配合80mm 螺旋鉆桿(42mm 地質(zhì)鉆桿外繞螺紋葉片施工,螺旋加壓風(fēng)排粉。鉆孔孔徑86mm ,平均孔深60m 左右,個(gè)別鉆孔深度可達(dá)80m 。順層抽放鉆孔采用水泥砂漿機(jī)械封孔,設(shè)計(jì)封孔深度為10m ,但由于鉆孔孔口段容易垮塌,實(shí)際封孔深度僅為45m;另一方面水泥砂漿凝固后收縮變形,導(dǎo)致鉆孔封堵不嚴(yán),抽放過(guò)程中出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象,抽放鉆孔平均抽采濃度僅為10%25%,平均單孔抽放純量為0.0097m 3/m in,抽放濃度低,抽放效果差,防突預(yù)處理時(shí)間長(zhǎng)、效果差,直接影響礦井安全生產(chǎn)和采掘部署。1.

5、2存在的問(wèn)題1由于渝陽(yáng)煤礦突出煤層軟分層普遍發(fā)育且煤層瓦斯含量大,在鉆孔施工中常出現(xiàn)噴孔、塌孔現(xiàn)象,加上鉆機(jī)能力和排渣等問(wèn)題,經(jīng)常產(chǎn)生卡鉆、抱鉆現(xiàn)象,致使鉆孔往往施工不到設(shè)計(jì)深度,從而給工作面中部留下預(yù)抽“空白區(qū)”。以N2707工作面為例,工作面長(zhǎng)度為165m ,從運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷雙向施工順層鉆孔,鉆孔深度必須普遍達(dá)到80m 以上,方能實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)工作面的控制。但采用原來(lái)的施工技術(shù)和裝備,平均鉆孔深度僅為60m 左右,難以滿足要求。2采用150型液壓鉆機(jī)配合80mm 螺旋鉆桿施工,由于鉆機(jī)動(dòng)力頭活動(dòng)范圍較大,施工過(guò)程中加上鉆桿自重影響,鉆桿擺動(dòng)幅度大,導(dǎo)致鉆孔定向631鉆進(jìn)能力差,容易跑偏。由于煤

6、層較薄,鉆孔常因進(jìn)入煤層頂?shù)装宥K孔,一次成孔率較低。3由于鉆進(jìn)能力、卡鉆和成孔率等問(wèn)題,鉆機(jī)的鉆進(jìn)效率較低,臺(tái)機(jī)月進(jìn)度僅為4500m左右。4鉆孔布置于軟分層中,鉆孔施工結(jié)束后,孔口段易垮塌封閉,封孔難度大,封孔深度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致封堵不嚴(yán),漏氣現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生,抽放瓦斯?jié)舛鹊?效果不好。2順層鉆孔施工及封孔改進(jìn)方案針對(duì)鉆孔施工和封孔中存在的主要問(wèn)題,改進(jìn)方案要從鉆機(jī)施工能力、排渣工藝、鉆桿強(qiáng)度、巷道施工條件、布孔方式、封孔材料等多方面綜合考慮,才能達(dá)到預(yù)期目的。2.1選用大功率鉆機(jī)分析認(rèn)為,大部分抽放鉆孔施工不到設(shè)計(jì)深度,主要原因是原來(lái)的鉆機(jī)(ZYG-150型功率小(15k W、輸出轉(zhuǎn)距小(

7、額定輸出轉(zhuǎn)距650Nm,轉(zhuǎn)速低,一旦鉆孔出現(xiàn)垮孔,鉆機(jī)負(fù)荷加大時(shí),鉆機(jī)旋轉(zhuǎn)較慢,易導(dǎo)致排粉不暢通,造成卡鉆、抱鉆現(xiàn)象。所以,鉆機(jī)的旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)距、推進(jìn)力和轉(zhuǎn)速應(yīng)大幅度增加。同時(shí)考慮到施工巷道斷面較小,且搬運(yùn)距離長(zhǎng)、環(huán)節(jié)多,又要求鉆機(jī)外形尺寸小、易搬運(yùn)。鑒于這種情況,從更高的打鉆能力和適合順層鉆孔施工的要求出發(fā),采用了重慶煤科院生產(chǎn)的ZY-1250型液壓鉆機(jī),其主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。表1ZY-1250型液壓鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)類(lèi)別性能參數(shù)額定功率/k W22額定電壓/V380/660輸出轉(zhuǎn)速/(r/m in96/210最大輸出轉(zhuǎn)矩/(Nm650/1250最大給進(jìn)力/kN60正常給進(jìn)速度/(m/m in01.

8、5最大鉆進(jìn)深度/m2002.2增大鉆桿直徑提高鉆桿強(qiáng)度,確保定向鉆進(jìn)。將42mm地質(zhì)鉆桿外繞80mm螺紋葉片的鉆桿,改為50mm 地質(zhì)鉆桿外繞85mm螺紋葉片的鉆桿。這樣,一方面提高了鉆桿強(qiáng)度,減少鉆孔施工過(guò)程的鉆桿繞度,確保鉆孔定向鉆進(jìn);另一方面減小鉆桿折斷事故的發(fā)生。2.3改進(jìn)鉆孔布置及封孔方式將順層鉆孔布置于煤層硬分層中。因硬分層煤的堅(jiān)固性系數(shù)相對(duì)較大,鉆孔施工后不易造成鉆孔垮塌和堵塞,對(duì)鉆孔施工和封孔有利。另外,采用新型封孔材料馬麗散進(jìn)行封孔,提高封孔質(zhì)量和減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。3實(shí)施情況3.1試驗(yàn)地點(diǎn)基本情況N2707工作面為7#煤層綜采工作面,沿傾斜方向布置,仰斜開(kāi)采,工作面長(zhǎng)165m,運(yùn)

9、輸巷傾斜長(zhǎng)862m,回風(fēng)巷傾斜長(zhǎng)873m。煤層平均厚度0.90m,中間發(fā)育有0.20.4m的軟分層,煤層瓦斯含量為15.08m3/t。3.2鉆孔施工情況N2707工作面順層抽放鉆孔采用ZY-1250型鉆機(jī)配套50mm地質(zhì)鉆桿外繞85mm螺紋葉片的鉆桿施工,采用螺旋加壓風(fēng)排粉,并將鉆孔布置在硬分層煤中。鉆孔布置方式:工作面切割巷以南150m范圍孔間距為3.0m,其余段孔間距為6.0m,設(shè)計(jì)孔深85m,預(yù)抽孔孔徑均為96mm。2007年8月開(kāi)始施工,到2008年6月下旬全部施工完畢,工作面累計(jì)施工順層抽放鉆孔360個(gè),其中運(yùn)輸巷168個(gè),回風(fēng)巷192個(gè),平均孔深為85.0m。工作面鉆孔施工效果見(jiàn)圖

10、1。圖1N2707工作面順層鉆孔施工竣工圖3.3鉆孔封孔情況順層鉆孔抽放效果歷來(lái)較差,其主要原因是布置于軟分層的鉆孔經(jīng)常發(fā)生垮塌和封閉現(xiàn)象,封孔深度和質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,導(dǎo)致抽放濃度低。新方案將鉆孔布置于煤層硬分層中,并采用馬麗散封孔(見(jiàn)圖2,封孔長(zhǎng)度不少于1m,封孔深度6.0m 以上。圖2馬麗散封孔示意圖731 4效果與分析4.1提高了鉆孔施工深度和成孔率實(shí)施改進(jìn)方案后,在N2707工作面累計(jì)施工360個(gè)順層鉆孔,最大孔深為105m(由于井下鉆桿僅有105m,平均孔深85m。在同等條件下,與采用ZYG-150C型鉆機(jī)相比較(見(jiàn)表2,平均孔深增加19.5m,平均增加幅度達(dá)到28%,施工鉆孔中大

11、多數(shù)鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度,一次成孔率為75%。有效地消除了工作面中部的預(yù)抽“空白帶”。表2ZY-1250和ZYG-150C型鉆機(jī)試驗(yàn)對(duì)比鉆機(jī)型號(hào)ZYG-150C ZY-1250施工地點(diǎn)N2705運(yùn)輸巷N2707運(yùn)輸、回風(fēng)巷鉆孔個(gè)數(shù)189246、360最大孔深/m85105(無(wú)鉆桿平均孔深/m6685孔徑/mm8696效率/(m/(月臺(tái)450075004.2提高了鉆進(jìn)效率由于ZY-1250型鉆機(jī)功率較大、轉(zhuǎn)距大、轉(zhuǎn)速快,加之鉆桿內(nèi)徑加大,強(qiáng)度提高,鉆孔布置層位選擇得當(dāng),鉆孔平均鉆進(jìn)速度達(dá)到0.40m/m in,在同等條件下,與采用ZYG-150C型鉆機(jī)相比較(見(jiàn)表2,平均鉆進(jìn)速度提高0.05m/m

12、in。在施鉆過(guò)程中減少了卡鉆、抱鉆事故。將鉆機(jī)固定在大平板車(chē)上,鉆機(jī)移動(dòng)時(shí)采用11.4k W絞車(chē)整體牽引,節(jié)省了時(shí)間,降低了勞動(dòng)強(qiáng)度,移機(jī)時(shí)間由原來(lái)的1.5h(移6.0m,降到現(xiàn)在的0.5h(6.0m,移機(jī)時(shí)間節(jié)約1h,提高了鉆進(jìn)效率;月臺(tái)機(jī)鉆尺大幅度提高,原ZYG-150C型鉆機(jī)施工順層鉆孔月臺(tái)機(jī)鉆尺為4500m,現(xiàn)ZY-1250型鉆機(jī)月臺(tái)機(jī)鉆尺達(dá)到7500m,臺(tái)機(jī)鉆尺率提高66.7%。鉆進(jìn)效率的提高,不僅縮短了打鉆周期、增加了抽放時(shí)間,而且提高了工人的勞動(dòng)積極性。4.3提高了抽放瓦斯?jié)舛葘?shí)踐證明,將鉆孔布置于硬分層中并采用馬麗散材料封孔,不僅封孔質(zhì)量明顯提高,而且減小了封孔勞動(dòng)強(qiáng)度,對(duì)低濃

13、度鉆孔還可重新封孔,提高了封孔效果。N2707工作面的鉆孔抽放瓦斯?jié)舛让黠@提高,平均達(dá)到37%,最高達(dá)到90%。各濃度區(qū)段鉆孔統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3。表3N2707運(yùn)輸、回風(fēng)巷各濃度區(qū)段鉆孔統(tǒng)計(jì)濃度區(qū)段鉆孔個(gè)數(shù)所占比例/%90%9 2.550%90%22662.820%50%6116.9<20%6417.84.4單孔抽放量得到大幅度提高由于鉆孔孔徑的增大(96mm和瓦斯?jié)舛鹊奶岣?抽放純量增幅較大,平均單孔瞬時(shí)抽放量達(dá)到0.0157m3/m in,比原來(lái)提高0.006m3/m in,增幅為61.8%,抽放效果明顯提高,N2707運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷的瓦斯抽放純量達(dá)2.37m3/m in和3.21m3/m

14、in。由于抽放效果的提高,可縮短抽放時(shí)間,為采掘生產(chǎn)部署贏得主動(dòng)。5結(jié)語(yǔ)通過(guò)采用適合松軟突出煤層施工的新鉆機(jī)具、螺旋加壓風(fēng)排渣施工工藝、鉆孔布置層位的合理選擇,以及新封孔材料和工藝的使用,不僅有效提高了松軟突出煤層順層鉆孔的施工深度、成孔率、鉆孔孔徑和鉆孔施工效率,消除了工作面順層抽放的“空白區(qū)”,解決了順層孔的施工難題,而且提高了單孔瓦斯抽放濃度和抽放純量,提高了瓦斯預(yù)抽效果,縮短了抽放時(shí)間,為工作面瓦斯綜合治理奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。通過(guò)在N2707工作面試驗(yàn),為今后松軟突出煤層回采工作面順層抽放找到了合適的抽放鉆機(jī)、鉆具及抽放工藝。參考文獻(xiàn):1程遠(yuǎn)平,俞啟香.中國(guó)煤礦區(qū)域性瓦斯治理技術(shù)的發(fā)展J.采礦與安全工程學(xué)報(bào),2007,24(4:383-390.2徐彬,張軍,劉宏進(jìn),等.保護(hù)層上風(fēng)巷穿層鉆孔抽放被保護(hù)層卸壓的試驗(yàn)研究J.礦業(yè)