常刚政 孙玉宁 王永龙 刘发义 韩宝灯

（1.晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西省晋城市，048001；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南省焦作市，454000）

软硬复合突出煤层提高钻进深度和效率的研究

常刚政1孙玉宁2王永龙2刘发义1韩宝灯2

（1.晋煤集团赵庄煤业有限责任公司，山西省晋城市，048001；2.河南理工大学能源科学与工程学院，河南省焦作市，454000）

晋煤集团赵庄矿3301工作面，瓦斯含量高、地压力大，煤体软硬变化不均，稳定性差，可定义为软硬复合突出煤层，采用常用光面钻杆施工，多次出现卡钻、断钻、丢钻等钻进事故。针对上述问题，研制大直径高强扒孔降温钻杆，为保证该钻杆强度的可靠性，建立73钻杆数学模型，对其强度进行校核。研究结果表明，采用R780地质管材加工大直径扒孔降温钻杆，其强度满足实际工况，通过工业性试验，钻进排渣顺畅，钻杆无弯曲、断裂现象，钻进深度提高32.44%，钻进效率提高30.41%。

煤与瓦斯突出煤层 扒孔降温钻杆 强度校核 钻进效率

1 引言

瓦斯抽放钻孔的深度决定瓦斯治理的效率和有效程度，由于受到现有技术的限制，突出煤层钻孔深度难以达到要求，使得突出矿井很难实施大面积、高效率瓦斯抽放，给突出矿井采掘安全、采掘成本带来很多负面影响。

赵庄矿一水平三盘区3301工作面的33011巷设计为矩形断面，巷宽5.00m，巷高4.5m，长度1203.83m。煤层底板标高为470～510m。巷道煤层为3＃煤层，厚度为3.90～5.00m，平均4.80m。煤层瓦斯绝对涌出量为3.72m3／min。二氧化碳绝对涌出量为2.36m3／min。煤尘具有爆炸危险性，不易自燃。地温11～17℃，地压13.3～16.6MPa。掘进过程揭露煤层及顶板岩石裂隙发育，顶板破碎易塌矸冒顶，煤层易片帮，节理发育地段瓦斯涌出增大。煤层坚固性系数f＝0.4～1.2，煤体软硬夹层变化不均，采用常用光面钻杆施工，常出现卡钻、断钻、丢钻等钻进事故，在钻进方面可总结两点：一方面钻孔深度浅，钻进效率低，严重影响瓦斯抽采进度；另一方面采煤工作面难以消灭抽采盲区，给采煤作业带来安全隐患。

针对当前常用钻杆在使用过程中存在的问题，矿方与河南理工大学联合攻关，研制大直径高强度扒孔降温钻杆并进行工业性试验，以提高当前钻进深度和钻进效率的技术指标。

2 扒孔降温钻杆的特点

扒孔降温钻杆是在钻杆外表加工螺旋输送槽，新型钻杆具有如下特点：

（1）高强扒孔降温钻杆具有优良的排渣功能，杆上的螺旋槽能输送排渣，能快速解决夹钻问题，继续向里钻进。

（2）高强扒孔降温钻杆具有快速穿越高应力易塌孔区的能力。由于赵庄矿3＃煤层煤质较软，在钻进过程中，易出现塌孔、堵孔、卡钻、抱钻、夹钻等现象。出现上述现象后，不及时处理就可能造成各类钻孔事故，导致钻孔不能继续钻进或钻孔报废。高强扒孔降温钻杆先靠机械排渣后，用风力和机械协同排渣，快速解决上述问题，提高钻孔钻进深度和钻进效率。

综上分析，扒孔降温钻杆在使用方面，不影响正常夹持器使用，但由于在钻杆表面加工螺旋槽，其强度降低，如不改进钻杆的材料、提高杆体材质等级，钻杆易弯曲断裂。因此，扒孔降温钻杆的应用，要根据矿方的现有钻机使用情况，在加工工艺上进行设计，以保证其钻杆的整体强度。

3 扒孔降温钻杆的强度校核

在钻杆的实际生产中，杆体因加工螺旋槽会造成钻杆本身力学性能下降，为防止钻杆在实际应用中出现弯曲，或因杆体的力学强度因素而造成钻杆的断裂等事故，采用实体建模软件结合大型有限元分析软件对扒孔降温钻杆进行力学强度校核。

3.1 采用普通材料钻杆的强度分析

当前矿方所采用的钻机为ZDY6000S钻机，其动力较大，据此拟设计ø73mm大直径扒孔降温钻杆，该钻杆常用材料为AISI1020冷拔无缝钢管，其屈服强度为3.5×108N／m2，为了确定其强度的可靠性，建立ø73光面钻杆和扒孔降温钻杆数学模型，采用数值分析法，分析其强度降低情况。

其边界条件是左侧固定，右端加旋转扭矩N＝6000N·m，图1为扒孔降温钻杆的实体数学模型和网格划分图。

图1 扒孔降温钻杆数学模型和网格划分图

通过运算得到相关的力学参数云图，图2为扒孔降温钻杆模型数值计算结果。

扒孔降温钻杆的安全度校验，同样采用数值分析的方法，其建模与扒孔降温钻杆的力学分析相同，从材料力学的角度分析，采用最大米赛斯应力准则、最大抗剪应力准则对材料的安全系数进行计算，图3为扒孔降温钻杆的安全系数校验图。

（1）最大米赛斯应力准则：

（2）最大抗剪应力准则：

经过以上2个强度准则的设计检查，其安全系数较低。特别是最大抗剪应力准则，其值为0.74，采用此种钢材制造的钻杆，在实际工作中容易出现弯曲和变形。

3.2 扒孔降温钻杆强度提高措施

根据以上的数值计算结果分析，从数据对比上能够看到，采用AISI1020冷拔无缝钢管加工该扒孔降温钻杆，力学强度降低幅度较大，从数据上分析，已经接近材料的屈服力，因此加工扒孔降温钻杆需要提高材料的等级。

图2 AISI1020材料扒孔降温钻杆模型计算结果

为提高钻杆的整体强度，材料选用强度较高的R780无缝地质管材，其屈服力为7.8×108N／m2，进行如上数值计算。由于在数值计算过程中，仅改变了杆体的材料，边界条件未发生变化，因此，其应力分布云图、静态位移云图、静态应变云图显示的数值与图2相同，见图4。

图3 扒孔降温钻杆的安全系数校验图

从图4（a）的应力分布云图可以看出，在扒孔降温钻杆的静态应力分析中，最大节应力为3.7×108Pa，而钻杆钢材的屈服应力为7.8×108Pa，因此从数字上看完全符合安全规范。同样，图4（b）静态位移图和图4（c）静态应变图可以看到扒孔降温钻杆的的变形特性也符合要求。为了保证扒孔降温钻杆在实际工作中的安全可靠，利用软件自身的设计检查功能，再一次对扒孔降温钻杆进行安全应力检查，其结果如下：

（1）最大米赛斯应力准则：

（2）最大抗剪应力准则：

经过以上2个准则的设计检查，安全系数都大于1，且有一个最小1.66倍率安全系数的保障，因此，所设计的扒孔降温钻杆能够满足要求。

图4 R780材料扒孔降温钻杆模型计算结果

4 扒孔降温钻杆的工业性试验

在赵庄矿一水平三盘区3301工作面33011巷进行了工业性试验。高强扒孔降温钻杆累计有效钻进时间为40d，共完成钻孔72个，累计钻进深度为10759m。平均深度为149m。矿方光面钻杆统计18d的钻进数据，共完成钻孔33个，总累计钻进深度为3713m，平均深度为112.5m。

5 结论

通过工业性试验表明，采用R780地质管材加工大直径扒孔降温钻杆钻进排渣顺畅，钻杆无弯曲、断裂现象，钻进深度提高32.44%，钻进效率提高30.41%。由于钻进深度和钻进效率的提高，改善了3301工作面的瓦斯抽采状况，单孔瓦斯抽采浓度和总管抽采纯量都有明显的提高。

图5 R780材料扒孔降温钻杆的安全系数校验图

[1] 袁亮.瓦斯治理理念和煤与瓦斯共采技术[J].中国煤炭，2010（6）

[2] 郭金钢，孙玉宁，王永龙等.屯留矿松软突出煤层提高钻进深度研究[J].中国煤炭，2011（4）

[3] 孙玉宁.突出煤层扒孔降温钻具及其钻进方法.中国，CN101131069[P].2008－02－27

[4] 王永龙，翟新献，孙玉宁.刻槽钻杆应用于突出煤层钻进的合理参数研究[J].煤炭学报，2011（2）

Study on enhancing depth and efficiency of drilling in soft and hard combined outburst coal seam

Chang Gangzheng1，Sun Yuning2，Wang Yonglong2，Liu Fayi1，Han Baodeng2
（1.Zhaozhuang Coal Mine Limited Liability Company，Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group，Jincheng，Shanxi 048001，China；2.School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University，Jiaozuo，Henan 454000，China）

No.3301working face in Zhaozhuang coal mine of Shanxi Jincheng Anthracite Mining Group falls into soft and hard combined outburst coal seam in view of high gas content，high underground pressure，soft and hard combined coal body and weak stability.If using common drilling rod，the rod sticking，breaking and missing occurred many times during the drilling operation.In view of above problems，the high strength hole－enlarging and cooling drilling rod in large diameter was invented.In order to ensure the reliability of the drill pipe strength，the mathematical model of 73drill pipe was established to check its strength.The results show that R780－type seamless steel tube in large diameter could be used as hole－enlarging and cooling drilling rod，whose strength could meet the actual condition.The industrial application indicated that the slag was easily discharged，without drilling rod bending or breaking.The drilling depth was increased by 32.44%，and the drilling efficiency was enhanced by 30.41%.

outburst coal seam，hole－enlarging and drilling rod，strength check，drilling efficiency

TD712.6

B

常刚政（1973－），男，工程师，山西晋煤集团赵庄煤业有限责任公司副总工程师，从事“一通三防”工作。

（责任编辑 梁子荣）