张 红 王 滨

(中煤科工集团工程科技有限公司,北京市朝阳区,100013)

定向钻机在赵庄煤矿松软突出煤层钻进中的应用实践

张 红 王 滨

(中煤科工集团工程科技有限公司,北京市朝阳区,100013)

针对松软突出煤层高应力易塌孔煤层钻进过程中遇到喷孔、卡钻、塌孔、抱钻和煤炮等困难,赵庄煤矿采用ZDY－6000L全液压定向钻机进行了工业性试验,采取了钻头沿着顶板或底板钻进、水力排渣等技术措施。结果表明:定向钻机配合高强度刻槽钻杆钻进与普通钻机配合光面钻杆钻进相比较,可提高钻进效率100%以上,提高钻进深度30%以上,减少采煤工作面瓦斯抽采空白带。

全液压定向钻机 松软突出煤层 高强度刻槽钻杆 光面钻杆

1 赵庄煤矿概况

赵庄煤矿位于山西沁水煤田的东南,主采3＃煤层,煤层厚度为3.9～5.0 m,平均4.8 m。煤层瓦斯绝对涌出量为3.72 m3/min,原始瓦斯含量12.73 m3/t,原始瓦斯压力测定值为0.71 MPa,煤层松软,坚固性系数为0.23～0.65,透气性差,透气性系数4.0076～7.9727 m2/(MPa2·d),钻孔瓦斯流量衰减快,钻孔瓦斯流量衰减系数为0.1525～0.2830 d－1,放散初速度快,为20～25 mm Hg。

赵庄煤矿煤层为松软突出煤层,构造煤发育,瓦斯含量高,煤层破碎松软,地应力大。采用普通钻机配合普通光面钻杆在煤层中施工顺层瓦斯抽采孔时,极易发生钻孔垮塌、钻杆抱死,打不进钻、卡钻,甚至钻杆断裂、丢钻现象。怎样在松软突出煤层中打出长钻孔这个问题,不仅是赵庄矿目前面临的最大问题,也是世界性的技术难题。

2 定向钻机钻进技术

定向钻机技术在瓦斯抽采、远距离防突、地质构造的定位探测等方面有着很好的应用效果。ZDY－6000L型煤矿用履带式全液压坑道钻机属于自行式、低转速、大转矩类型,可采用复合片钻头施工深度约600 m的大直径钻孔,也可采用孔底动力钻进,主要用于煤矿井下施工近水平长距离瓦斯抽放钻孔,具有体积小、重量轻、性能可靠操作方便等优点。为了在松软突出煤层中有效进行瓦斯抽采,从2014年10月份开始到12月13日,赵庄煤矿引进国外进口ZDY－6000L全液压定向钻机,并做了定向钻机在本煤层顺层钻孔中的工业性试验。

3 本煤层顺层钻孔工业性试验

3.1 试验机具参数

ZDY－6000L全液压定向钻机其主要性能参数为:钻孔深度100～350 m;终孔直径150～200 mm;钻杆直径73～89 mm;钻孔倾角0～± 90°;回转速度60～210 r/min;最大转矩6000 N·m;额定给进力190 k N;额定起拔力230 k N;功率75 k W;整机质量7000 kg;主机外形尺寸3.38 m×1.45 m×1.8 m(长×宽×高)。

3.2 试验的具体实施方案

为了研究ZDY－6000L全液压钻机在赵庄煤矿松软突出煤层中适用性,在赵庄煤矿3＃煤层33011掘进巷道两侧钻场进行了工业性试验,跟踪考察ZDY－6000L全液压钻机配合高强刻槽钻杆在松软突出煤层中进行的钻进打孔作业情况,针对现场遇到的实际情况进行技术改进,并与普通钻机配合普通光面钻杆在该试验地点的试验效果进行了对比研究。

图1 33011掘进巷道钻场布置图

33011掘进巷道钻场布置见图1所示。由于现场实际工程条件的制约,研究试验周期设定为60 d内。在赵庄煤矿采用ZDY－6000L全液压定向钻机配合高强度刻槽钻杆进行钻进作业,累计有效钻进时间为40 d,在33011掘进巷道施工定向钻孔72个,总进尺约10759 m,平均孔深149 m,其中最深孔179 m,最浅孔40 m(断层35 m遇矸);采用普通钻机配合普通光面钻杆累计有效钻进时间为56 d,共完成钻孔67个,累计钻进深度为7469 m,平均深度为111.5 m。

为了提高试验效率,普通钻机跟定向钻机进行分段交叉作业。施工普通钻孔两组,第一组累计有效钻进时间为28 d,共完成钻孔34个,累计钻进深度为3756 m,平均深度为110.5 m;第二组累计有效钻进时间为28 d,总累计钻进深度为3713 m,钻孔数33个,平均深度为112.5 m。钻进的成孔最深孔深179 m,最浅孔深40 m(断层35 m遇矸),个别钻孔比较浅是由于发生孔内钻杆折断后,钻杆没有及时补充到现场,或者其它原因造成的,这种小概率事件是不可避免的,但并不影响试验的总体成果。钻进深度超过120 m之后,排渣不畅通,赵庄煤矿为了完成33011巷的钻孔施工工程,要求钻进超过120 m以上即可,不要求为了钻孔深度而影响钻进效率。

3.3 试验结果分析

(1)本次试验采用ZDY－6000L全液压钻机配合高强刻槽钻杆进行钻孔工作,高强度刻槽钻杆是在普通光面钻杆加厚的壁厚表面上用特种机具刻出螺旋槽,钻进的过程中采用流体排渣与螺旋槽机械排渣的联合方式,可以大大发挥高强度刻槽钻杆在突出松软煤层中钻进的优势。

(2)采用ZDY－6000L全液压钻机配合高强度刻槽钻杆平均施工钻孔1.80个/d,进尺269 m/d;普通钻机配合普通光面钻杆平均施工钻孔1.196个/d,进尺133.375 m/d。

(3)采用ZDY－6000L全液压钻机配合高强刻槽钻杆较普通钻机配合普通光面钻杆打钻,深度提高了33.63%,效率提高了101.7%。

(4)钻孔施工由外包队实施,由于打钻工人急于要求进尺效率,在风压过小的情况下,风力排渣的时间过短,致使钻孔内部的煤渣容易积留而造成堵孔,使依靠风力排渣为主的高强度刻槽钻杆难以发挥其最大的优势,后改为水力排渣,效果有了更大程度的提高。

(5)定向钻进在松软高突煤层中的钻进效果考察总体上比较顺利,虽然施工过程中也遇到了一些问题,比如断杆,钻杆转动起来碰卡瓦,针对问题从材质、设计等方面对高强度刻槽钻杆进行了改进,改进后以上情况很少出现。试验过程中,现场打钻作业工人对改进后的高强度刻槽钻杆反应较好,排渣比普通光面钻杆效果好,打钻速度也比较快。

4 结论

(1)通过项目实施,定向钻机配合高强度刻槽钻杆钻进与普通钻机配合光面钻杆钻进相比较,可提高钻进效率100%以上,提高钻进深度30%以上,减少采煤工作面瓦斯抽采空白带。

(2)采用扒孔降温高强度刻槽钻杆施工钻孔,当钻孔深部塌孔时,钻杆不会被压死,钻杆表面的螺旋槽能够输通塌孔区并及时带走钻杆与钻孔壁摩擦产生热量,因此不会出现钻孔瓦斯燃烧事故,有力的保证了复杂煤层条件下安全钻进。

(3)采用高强度刻槽钻杆施工钻孔时,因刻槽对煤渣的机械作用,使钻孔内的煤渣更容易被挤出,使孔内水力排渣更加顺畅。

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(责任编辑 张艳华)

Application of directional drilling machine to soft outburst coal seam in Zhaozhuang Coal Mine

Zhang Hong,Wang Bin
(China Coal Technology and Engineering Group Co．,Ltd．,Chaoyang,Beijing 100013,China)

In view of many troubles in the period of drilling in soft outburst coal seam,such as jet orifice,drill pipe sticking or jamming,borehole collapse and coal burst,the industrial test of full hydraulic directional drilling machine(ZDY-6000L)was carried out in Zhaozhuang Coal Mine,and some measures were adopted,covering drilling along the roof or floor,hydraulic discharge of slag．Compared with normal drilling machine combined with smooth drill pipe,the results showed that the directional drilling machine combined with high-strength drill pipe could enhance the efficiency by over 100%,increase the depth by over 30%．

full hydraulic directional drilling machine,soft outburst coal seam,highstrength drill pipe with notch groove,smooth drill pipe

TD712.63

A

张红(1963－),女,河北石家庄人,高级工程师,中煤科工集团工程科技有限公司煤矿工程事业部经理,主要从事机电设备、矿建工程、矿井施工工程等领域的管理工作。