煤矿防治冲击地压大直径钻孔施工技术与装备

　第４５卷第１０期煤炭科学技术Ｖｏｌ􀆰４５　Ｎｏ􀆰１０　　２０１７年１０月ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｏｃｔ.２０１７　煤矿防治冲击地压大直径钻孔施工技术与装备魏　宏　超(中煤科工集团西安研究院有限责任公司ꎬ陕西西安　７１００７７)摘　要:为解决常村煤矿冲击地压煤层钻孔施工卸压效果不理想的问题ꎬ分析了冲击地压煤层卸压钻孔成孔的难点、要点ꎬ采用高转速、大转矩、长行程钻机和宽翼片螺旋钻具ꎬ实现了中间加杆、后部提钻的高效操作流程和水介质宽翼片螺旋钻进工艺方法ꎬ在常村煤矿２１２２０下巷掘进工作面进行试验ꎮ试验结果表明:通过优化操作流程缩短施工辅助时间ꎬ采用水介质与宽翼片螺旋钻杆结合提高排粉效率ꎬ实现了大直径卸压钻孔的快速、安全施工的目的ꎬ施工钻孔直径最大达到了１９３ｍｍꎬ钻孔深度由２０ｍ延伸至４０ｍꎬ卸压效果明显ꎬ巷道掘进效率提高１０％ꎬ为２１２２０采煤工作面按期安全贯通和回采提供了保障ꎮ关键词:冲击地压ꎻ螺旋钻杆ꎻ卸压钻孔ꎻ坑道钻机中图分类号:ＴＤ４２　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:０２５３－２３３６(２０１７)１０－０１４０－０４ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｂｏｒｅｈｏｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｐｐｌｉｅｄｔｏｐｒｅｖｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｃｏａｌｍｉｎｅＷＥＩＨｏｎｇｃｈａｏ(Ｘｉ’ａｎＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＣｈｉｎａＣｏａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＧｒｏｕｐꎬＸｉ’ａｎ　７１００７７ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅａｎｉｒｒａｔｉｏｎａｌｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｅｆｆｅｃｔｐｒｏｂｌｅｍｏｆｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｓｅａｍｏｆＣｈａｎｇ￣ｃｕｎＭｉｎｅꎬＨｅｎａｎＥｎｅｒｇｙＹｉｍａＧｒｏｕｐꎬａｂｏｒｅｈｏｌｅｆｏｒｍｉｎｇｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙａｎｄｋｅｙｐｏｉｎｔｏｆａｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｂｏｒｅｈｏｌｅｗａｓａｎａｌｉｚｅｄｉｎａｐｒｅｓ￣ｓｕｒｅｂｕｍｐｓｅａｍꎬａｈｉｇｈｓｐｅｅｄꎬｈｉｇｈｔｏｒｑｕｅａｎｄｌｏｎｇｓｔｒｏｋｅｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇｗｉｔｈａｗｉｄｅｂｌａｄｅａｕｇｅｒｓｔｅｍｗａｓａｐｐｌｉｅｄｔｏｒｅａｌｉｚｅａｈｉｇｈｅｆｆｉｃｉｅｎｔｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅｗｉｔｈａｍｉｄｄｌｅｒｏｄａｄｄｅｄａｎｄａｒｅａｒｄｒｉｌｌｉｎｇｈａｎｄｌｉｎｇａｎｄａｄｒｉｌｌｉｎｇｔｅｃｈｎｉｃａｌｍｅｔｈｏｄｗｉｔｈａｗａｔｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｍｅｄｉｕｍａｎｄｗｉｄｅｂｌａｄｅａｕｇｅｒｓｔｅｍ.ＡｔｒｉａｌｏｐｅｒａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇｗｉｔｈａｗｉｄｅｂｌａｄｅａｕｇｅｒｓｔｅｍｗａｓｃｏｎｄｕｃｔｅｄｉｎｄｒｉｖｉｎｇｆａｃｅｏｆＮｏ.２１２２０ｓｅａｍｌｏｗｅｒｇａｔｅｗａｙｉｎＣｈａｎｇｃｕｎＭｉｎｅ.Ｔｈｅｔｒｉａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｅａｕｘｉｌｉａｒｙｔｉｍｅｏｆｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｗａｓｒｅｄｕｃｅｄｂｙｔｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｏｐｅｒａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｄｕｒｅꎬｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｗａｔｅｒｄｒｉｌｌｉｎｇｍｅｄｉｕｍａｎｄｔｈｅｗｉｄｅｂｌａｄｅａｕｇｅｒｓｔｅｍｃｏｕｌｄｂｅａｐｐｌｉｅｄｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｄｕｓｔｒｅｍｏｖａｌｅｆｆｉ￣ｃｉｅｎｃｙａｎｄｔｏｒｅａｌｉｚｅａｒａｐｉｄａｎｄｓａｆｅｔｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｔａｒｇｅｔｏｆｔｈｅｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｂｏｒｅｈｏｌｅ.Ｔｈｅｍａｘｄｉａｍｅｔｅｒｂｏｒｅｈｏｌｅｄｒｉｌｌｅｄｗａｓ１９３ｍｍａｎｄｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｂｏｒｅｈｏｌｅｗａｓｅｘｐａｎｄｅｄｆｒｏｍ２０ｍｔｏ４０ｍ.Ｔｈｅｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄａｆｆｅｃｔｗａｓｏｂｖｉｏｕｓａｎｄｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｔｈｅｍｉｎｅｇａｔｅｗａｙｗａｓｉｍｐｒｏｖｅｄｂｙ１０％ａｎｄｃｏｕｌｄｐｒｏｖｉｄｅｄｔｈｅｇｕａｒａｎｔｅｅｔｏｔｈｅｏｎ－ｔｉｍｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎａｎｄｍｉｎｉｎｇｏｆＮｏ.２１２２０ｃｏａｌｍｉｎｉｎｇｆａｃｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐꎻａｕｇｅｒｓｔｅｍꎻｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｅａｓｅｄｂｏｒｅｈｏｌｅꎻｍｉｎｅｒｏａｄｗａｙｄｒｉｌｌｉｎｇｒｉｇ收稿日期:２０１７－０３－１２ꎻ责任编辑:赵　瑞　　ＤＯＩ:１０􀆰１３１９９/ｊ􀆰ｃｎｋｉ􀆰ｃｓｔ􀆰２０１７􀆰１０􀆰０２４作者简介:魏宏超(１９８４—)ꎬ男ꎬ河北唐山人ꎬ助理研究员ꎬ硕士ꎮＴｅｌ:１７７９２３７０８７７ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｗｅｉｈｏｎｇｃｈａｏ＠ｃｃｔｅｇｘｉａｎ􀆰ｃｏｍ引用格式:魏宏超.煤矿防治冲击地压大直径钻孔施工技术与装备[Ｊ]􀆰煤炭科学技术ꎬ２０１７ꎬ４５(１０):１４０－１４３ꎬ１９５􀆰ＷＥＩＨｏｎｇｃｈａｏ.Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｎｄｅｑｕｉｐｍｅｎｔｏｆｌａｒｇｅｄｉａｍｅｔｅｒｂｏｒｅｈｏｌｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎａｐｐｌｉｅｄｔｏｐｒｅｖｅｎｔａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｐｒｅｓｓｕｒｅｂｕｍｐｉｎｃｏａｌｍｉｎｅ[Ｊ].ＣｏａｌＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１７ꎬ４５(１０):１４０－１４３ꎬ１９５􀆰０　引　　言煤矿冲击地压是一个世界性的灾害现象ꎬ其是指井巷或工作面周围岩体ꎬ由于弹性变形能的瞬时释放而产生突然剧烈破坏的动力现象ꎬ常伴有煤岩体抛出、巨响及气浪等现象[１]ꎮ钻孔卸压法是利用钻孔方法消除或减缓冲击地压危险的解危措施[２]ꎮ该方法通过在高压缩的煤体中施工钻孔ꎬ将部分煤剥离出煤岩体ꎬ通过钻孔将聚集在煤体和岩体中的弹性势能提前释放ꎬ从而达到防治冲击地压的目的ꎮ０４１魏宏超:煤矿防治冲击地压大直径钻孔施工技术与装备２０１７年第１０期在冲击地压卸压钻孔施工时ꎬ钻进愈接近高应力带ꎬ由于煤体积聚能量愈多ꎬ钻孔冲击频度越高ꎬ强度也越大ꎮ钻孔可以起到破裂和软化煤体的作用ꎮ当在煤体内进行卸压钻进时ꎬ在钻孔周围的高应力作用下ꎬ其钻出的煤粉量较平常有很大的增加ꎬ因此每个钻孔周围形成一个比钻孔直径大得多的破碎区ꎬ当这些破碎区互相连通后ꎬ便能使岩体钻进剖面全部破裂ꎬ支承压力均衡ꎬ向围岩深部转移ꎬ起到卸压作用ꎮ文献[３－６]等提到的大直径卸压钻孔ꎬ多采用大螺旋钻进工艺ꎬ通过高转速提高排渣速度ꎬ以达到成孔的目的ꎮ然而ꎬ大直径卸压钻孔内的大量煤屑主要由孔壁失稳产生ꎬ其块体尺寸较钻进切削的煤屑体积大、数量多ꎬ采用大螺旋钻进的机械排粉方式ꎬ在排粉过程中ꎬ大颗粒产生重复的挤压磨削ꎬ钻孔内煤屑充盈量高ꎬ需要加大转矩才能使大量煤屑排除[７]ꎮ而目前煤矿井下采用的钻机ꎬ在转速与转矩上不能兼顾ꎬ导致在施工大直径卸压钻孔时ꎬ通常以降低转速、提高转矩的方法保障煤屑顺利排出ꎬ因而钻进效率低ꎬ而成孔时间的增长进一步加大了孔内钻具的危险系数ꎬ制约了钻孔深度[８－９]ꎮ笔者结合常村煤矿生产需要ꎬ从钻探技术与装备出发ꎬ分析了冲击地压煤层大直径钻孔成孔的难点与技术要点ꎬ以常村煤矿２１２２０下巷为试验地点ꎬ在钻机升级改造的基础上ꎬ通过优化钻具组合ꎬ实现了大直径卸压钻孔的高效成孔ꎬ达到大直径冲击地压卸压防治的目的ꎬ实现降本增效的目标ꎮ１　钻孔卸压原理与施工难点１􀆰１　钻孔卸压原理钻孔卸压是利用钻孔方法消除或减缓冲击地压危险的解危措施ꎮ钻进愈接近高应力带ꎬ由于煤体积聚能量愈多ꎬ钻孔冲击频度越高ꎬ强度也越大ꎮ钻孔可以起到破裂和软化煤体的作用[１１－１２]ꎬ当在煤体内进行卸压钻进时ꎬ在钻孔周围的高应力作用下ꎬ其钻出的煤粉量较平常有很大的增加ꎬ因此每个钻孔周围形成一个比钻孔直径大得多的破碎区ꎬ当这些破碎区互相连通后ꎬ便能使岩体钻进剖面全部破裂ꎬ支承压力均衡ꎬ向围岩深部转移ꎬ起到卸压作用[１３－１５]ꎮ１􀆰２　施工难点在了解冲击地压钻孔防治原理的基础上ꎬ充分认识冲击地压煤层中施工大直径钻孔的可行性ꎬ同时分析大直径钻孔的成孔技术难点ꎬ在此基础上完善改进现有钻机ꎬ使其能够满足煤矿井下条件和成孔工艺要求ꎬ分析其主要技术难点在于:①２１２２０下巷为正在掘进巷道ꎬ其通风条件有限ꎬ因此在施工中应避免产生粉尘污染[１６－１７]ꎻ②煤层普氏系数为０􀆰８左右ꎬ在冲击地压作用下ꎬ施工大直径钻孔(孔径大于１５０ｍｍ)ꎬ孔内在压力作用下容易产生大量煤屑ꎬ需要及时排出钻孔ꎻ③在钻孔形成后ꎬ冲击地压的存在导致钻孔很快变形、坍塌[１８－２０]ꎬ因此钻具需要快速提出钻孔ꎮ２　配套装备个性化设计与改进针对常村煤矿２１２２０下巷构造条件和具有冲击地压煤层钻孔施工的特点ꎬ以ＺＤＹ４０００ＬＲ型坑道钻机为基础ꎬ进行了改造ꎬ如图１所示ꎬ以满足施工要求ꎮ技术参数见表１ꎮ图１　改造后ＺＤＹ４０００ＬＲ型全液压坑道钻机Ｆｉｇ􀆰１　ＺＤＹ４０００ＬＲｒｉｇｏｆｈｙｄｒａｕｌｉｃｔｕｎｎｅｌｄｒｉｌｌｉｎｇａｆｔｅｒｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ１４１２０１７年第１０期煤炭科学技术第４５卷　　１)动力头设计ꎮ将钻机配套动力头升级为大通孔高转速动力头ꎬ主轴通孔能够达到１１０ｍｍꎬ能够通过ø１１０ｍｍ以内的钻杆ꎬ同时配套了自动变量马达ꎬ能够实现转速的快速调节(表２)ꎮ图２　高速动力头与自动变量马达结构Ｆｉｇ􀆰２　Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄｐｏｗｅｒｈｅａｄｗｉｔｈａｕｔｏｍａｔｉｃｖａｒｉａｂｌｅｍｏｔｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅ２)道轨设计ꎮ给进行程１２５０ｍｍ(图３)ꎬ可满足在动力头与夹持器中间加持１ｍ规格插接式及螺纹连接式螺旋钻杆ꎮ图３　１２５０ｍｍ长行程道轨Ｆｉｇ􀆰３　Ｌｏｎｇｓｔｒｏｋｅｒａｉｌｏｆ１２５０ｍｍ此外ꎬ钻机夹持器选择了张合量可以达到１３０ｍｍ以上的氮气弹簧夹持器ꎬ能够满足快速张开、闭合ꎬ很好地配合钻杆上、卸丝扣ꎮ同时ꎬ１２５０ｍｍ的机身宽度能够满足大多数矿井巷道运输条件ꎬ履带式平台模块具有短距离运移灵活的特点ꎮ３　工艺方法与钻具配套经过对该类钻孔施工工艺特点分析ꎬ对工艺方法的摸索ꎬ确定了以水为携渣介质ꎻ通过高转速ꎬ提高螺旋钻杆机械搅、排粉能力的工艺方法ꎬ严格控制钻进过程中回转转矩的变化增幅ꎬ确保孔内煤粉及时排除ꎬ达到快速成孔的目的ꎮ根据现场场地、供排水条件等确定了采用井下静压水为冲洗介质ꎬ采用宽叶片螺旋钻杆与ＰＤＣ钻头结合的钻具组合ꎬ在现场试验了如下钻具组合:ø１３３ｍｍＰＤＣ钻头＋ø８９/７３ｍｍ螺旋钻杆ꎻø１５３ｍｍＰＤＣ钻头＋ø８９/７３ｍｍ螺旋钻杆ꎻø１９０ｍｍＰＤＣ钻头＋ø８９/７３ｍｍ螺旋钻杆ꎮ４　大直径卸压钻孔试验与效果根据相关测试结果可知ꎬ常村煤矿煤层煤样的动态破坏时间为７９􀆰９ｍｓꎬ冲击能量指数为３􀆰２５ꎬ弹性能指数量为９􀆰８８ꎬ煤层上覆砂岩岩样的弯曲能指数为１􀆰９８３ｋＪꎮ结果表明:常村煤矿煤层冲击倾向性为弱冲击倾向性ꎬ顶板冲击倾向性为无冲击倾向ꎮ４􀆰１　卸压钻孔设计根据冲击地压情况与卸压防治经验ꎬ在常村煤矿２１２２０下巷施工防治冲击地压大直径钻孔时ꎬ需要施工５个钻孔ꎬ孔径达到１５３ｍｍꎬ其中沿巷道掘进方向施工３个ꎬ与巷道掘进方向成±３０°方向各施工１个ꎬ具体技术参数见表３ꎮ表３　巷道掘进正头防治冲击大直径钻孔设计参数Ｔａｂｌｅ３　ＤｅｓｉｇｎＰａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｌａｒｇｅｒｄｉａｍｅｔｅｒｄｉｌｌｉｎｇｉｎｆｒｏｎｔｏｆｄｒｉｖａｇｅｒｏａｄｗａｙ孔号倾角/(°)方位角(与巷道方向夹角)/(°)孔深/ｍ孔径/ｍｍ１０－３０４０１５３２、３、４００４０１５３５０３０４０１５３４􀆰２　大直径卸压钻孔试验情况在试验期间４个掘进循环已经施工钻孔２１个ꎬ总进尺８５０ｍꎬ单钻孔综合用时在２ｈ以内ꎮ在整个试验过程中ꎬ高效钻进与快速提钻的结合ꎬ避免了孔内事故的发生ꎬ钻孔事故率由３０％降至０ꎬ钻孔截面增加了１３０％和５０％ꎬ钻孔深由２０ｍ延伸至４０ｍꎮ