大直径长钻孔瓦斯抽放技术与装备的应用.docx
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大直径长钻孔瓦斯抽放技术与装备的应用
大直径长钻孔瓦斯抽放技术与装备的应用
td="14319">长期以来，瓦斯灾害一直影响着煤矿的安全生产。
尤其在高瓦斯矿井，瓦斯治理不仅成本高，而且常常因不能及时与原煤生产工作相衔接制约着煤矿的生产。
因此高瓦斯矿井力求通过高效的抽放技术和先进的装备缓和生产和瓦斯防治工作之间的矛盾，提高煤矿的经济效益。
用钻孔抽放煤层瓦斯是目前国内常用而用效的方法，具有施工速度快，钻场布置机动灵活等特点，但由于钻孔直径小，孔壁产生的裂隙小，抽放效果不如巷道抽放好。
通过加大钻孔的直径和数量，提高孔口抽放负压，可以弥补后者的不足，但必须有一整套适合我国煤矿钻孔抽放瓦斯的装备，才能达到理想的抽放效果。
煤科总院西安分院经多年研究，相继开发研制出一系列能够施工大直径钻孔的钻机及其配套的施工工艺，投入到高产高效的煤矿生产中，在高瓦斯矿井瓦斯防治中发挥了重要作用。
1大直径瓦斯抽放钻机的开发与应用效果
阳泉矿务局属典型的高瓦斯矿井，煤层透气性差，回采工作面瓦斯涌出量高且大部分来源于上邻层及围岩。
上个世纪80年代，阳泉矿务局为解决制约煤矿安全生产的瓦斯问题，采取钻进密集的小直径顶板穿层钻孔结合掘进50m长的上斜巷道（高抽巷）抽放瓦斯，来解决上邻层瓦斯问题。
这种抽放方式不仅需要消耗大量的人力、物力，而且施工费时，生产成本高，在时间上往往与工作面衔接不上，影响生产进度。
为此，阳泉矿务局提出了通过钻进大直径瓦斯抽放孔代替倾斜高抽巷，并减少小直径瓦斯钻孔密集度和数量的设想，此设想得到了原中国统配煤矿总公司安全局的大力支持，在此前提下西安分院与阳泉矿务局合作研制开发了MKD-5型钻机。
该钻机为全液压动力头式钻机，由主机、泵站、操纵台三部分组成，解体性好，搬迁运输方便，可根据钻场情况灵活布置。
为防止钻进倾斜孔时跑钻并减轻钻工的劳动强度，该钻机设计了夹转联动、自动拧卸钻杆和液压缸调整角度等功能。
MKD-5型钻机的技术参数如下：
钻孔深度：
100m
钻杆直径：
73mm
开孔直径：
250mm
终孔直径：
200mm
钻孔倾角：
±90°
回转速度：
10～320r/min
最大扭矩：
1850N·m
给进能力：
105kN
起拔能力：
73kN
给进行程：
600mm
电机功率：
30kW
该钻机1992年在阳泉三矿进行了工业性度验，配直径215mm的牙轮钻头，一径到底，施工40°仰角的钻孔100m.阳泉矿务局同时进行了大直径钻孔、密集小直径钻孔和岩石走向巷道的瓦斯抽放对比试验。
抽放技术指标对比如表1所示。
表1几种抽放技术指标对比
抽放方式钻孔或巷道间距/m工作面瓦斯量/m3·min-1有效抽放距离/m邻近层抽放率/%回风尾巷抽放小孔103.1420.6710.06732.73小孔74.189.5114.52760.42岩巷2003.506.4717.5423072.24岩巷2002.918.6227.7320576.28大孔1406.2611.1628.2912871.71大孔
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td="14319">703.654.7811.9821071.09
由表1可知：
倾斜顶板岩巷邻近层抽出率最高，有效抽放距离最远；大直径钻孔的抽放率接近倾斜顶板岩巷水平，只要钻孔间距合适，抽放技术指标可达到或超过顶板岩巷水平；当工作面邻近层瓦斯涌出量在303/min以上时，大直径钻孔抽放效果明显优于两者。
抽放成本的经济指标对比分析如表2所示。
从表2可以看出，采用大直径钻孔抽放比其它任何两种方式的经济指标都要优越得多。
为完善大直径瓦斯抽放钻机的功能，我们对MKD-5型钻机进行了改制，研制出了MKD-5S全液压钻机，其技术参数如下：
钻孔深度：
100/350m
钻杆直径：
73/63.5mm
开孔直径：
300mm
终孔直径200/94mm
钻孔倾角：
±90°
回转速度：
10～320r/min
最大扭矩：
1850N.m
给进能力：
105kN
起拔能力：
73kN
给进行程：
600mm
电机功率：
37kW
MKD-5S钻机与MKD-5钻机相比，能力相当，主要是增加了一些联动功能，使钻机操作起来更加简便。
该钻机曾在抚顺矿务局老虎台矿配Ф94mm的PDC金刚石复合片钻头，一径到底，施工了400m的穿层瓦斯抽放孔。
由于该钻机施工简单易行，生产成本低，瓦斯抽放效果显著，迅速在阳泉矿务局得到了推广。
随后在淮南矿务局、淮北矿务局、平顶山矿务局、晋城煤业公司等高瓦斯矿区得到了推广。
为配合钻机施工大直径钻孔，我们还研制出了一系列钻具和钻头，其中包括金刚石复合片钻头、磨擦焊接的钻杆、扶正器等。
表2各抽放方式100m走向范围内的抽放成本对比
邻近层瓦斯涌出量/m3·min-1项目大直径钻孔小直径钻孔倾斜高抽巷小于20间距/m20010数量/个0.510工程量/m30600总成本/元4383.915930比±-11546.10较±%-72.48020~30距离/m2007230数量/个0.5
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td="14319">14.30.43工程量/m3085825.8总成本/元4383.922779.920665.8比±-183900-2114.1较±/%-80.760-9.28大于30间距/m1307200数量/个0.7714.30.5工程量/m46.285830总成本/元6751.222779.924030比±-16028.70-1250.1较±%-70.360-5.48
2大直径长钻孔机在顶板岩石中的应用
MK-6型全液村压钻机继承了大直径钻机的优点，采用分体式结构。
与前面钻机不同的是MK-6钻机主机采用二步平台，在处理孔内事故时可将给进机身直接顶在孔壁上，可化解大起拔力造成钻机失稳的矛盾，增加了钻机的稳定性，其具体技术参数如下：
钻孔深度：
600/800m
钻杆直径：
89/73mm
开孔直径：
300mm
终孔直径：
150/94mm
钻孔倾角：
±10°
回转速度：
10～200r/min
最大扭矩：
6000N.m
给进能力：
210kN
起拔能力：
210kN
给进行程：
1000mm
电机功率：
75kW
与MKD-5S钻机相比，MK-6型钻机的能力扩大了很多。
其中，扭矩增大了3倍多，给进力增大了2倍，电动机功率也几乎增大了2倍，从钻机能力来说，具备了施工大直径深孔的条件。
在钻机工艺上，先利用定向保直钻进施工先导孔，达到设计深度后，采取二次扩孔，扩到满足瓦斯抽放要求的直径。
我们与阳泉矿务局通力合作，在阳泉一矿4108工作面12#煤层顶板灰白色中砂岩中进行了现场试验，完成了直径为Ф153~Ф193mm，深度分别为603.5m和508.2m的2个深钻孔。
覆盖了整个工作面。
通过定向保直钻进工艺控制先导孔，使终孔位置的偏差小于孔深的1%，创下当时国内煤矿井下近水平定向钻孔施工的最高记录。
在走向超过1000m的综采工作面，只要在工作面顶板的中间作一个钻场，沿工作面走向两边各施工几个覆盖工作面的大直径深孔，就能解决综采工作面瓦斯问题。
此种方法简单易行，既节约生产成本，又缩短了工作面的准备时间，为煤矿高产高效创造了条件。
在阳泉一矿试验时施工的两个大直径长钻孔在1999年7月工作面开采时，瓦斯浓度高达到90%，瓦斯量23.92m3/min，平均瓦斯浓度60%，瓦斯量22.3m3/min。
2000年4月测量时，2#孔在1900Pa的负压下，混合量为28.4m3/min，瓦斯量12.62m3/min2003年7月测量时，混合量13.82m3/min，浓度49%，瓦斯量6.82m3/min，至今仍在抽放。
该钻孔的抽放效果足以说明大直径长钻孔完全可以取代走向巷道抽放瓦斯。
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td="14319">bsp;3大直径长钻孔钻机在煤层中的应用
晋城煤业集团公司寺河矿是一个综采机械化程度较高的现代化高瓦斯矿井。
在瓦斯治理方面，公司要求尽快对采煤工作面瓦斯进行预抽，并将抽出的瓦斯压送到坑口电站。
为了提高瓦斯的抽放率和抽放效果，我院与晋城煤业集团合作开展了“煤层长钻孔定向钻进工艺技术开发研究”。
2001年9月25日在寺河东二盘区102017s巷道3#煤层中用我院生产的MK-6型钻机进行了试验。
3#煤层厚度6.5m，煤质坚硬，普氏硬度2左右，煤层下部裂隙发育，瓦斯含量较大。
钻机配Ф94mm的金刚石复合片钻头，按照制定的保直钻进钻结合下造斜钻进工艺施工，到28日完成1#孔，纯钻进时间21h，钻孔深度509.3m，平均钻进时效24.4m，3#孔采用保直组合钻具一直钻到519.5m，钻孔在煤层夹矸中延伸。
施工完毕后立即封孔抽放，当时的瓦斯浓度达97%，瓦斯量2~2.5m3/min。
试验时的两个钻孔创造了当年国内纯煤层钻孔深度纪录，面且达到了预期的抽放效果。
MK-6型全液压钻机及施工工艺经受了在岩层和纯煤层施工的考验，进一步证明了其在钻进大直径钻孔方面的能力。
良好的抽放效果同时说明大直径长钻孔完全可以取代巷道抽放瓦斯。
4沿煤层定向长钻孔钻机及其应用
为了进一步将大直径长钻孔取代巷道抽放瓦斯的工作开展下去，我院在1999年底利用国家科技部科研院所技术研究开发专项资金在MK-6型钻机的基础上，开发研制了MK-7型钻机。
用该钻机可以在千米走向的采煤工作面施工覆盖整个工作面长度的钻孔。
MK-7钻机的技术参数如下：
钻孔深度：
800/1000m
钻杆直径：
89mm
开孔直径：
300mm
终孔直径：
200/150mm
钻孔倾确：
±10°
回转速度：
5～200/160r/min
最大扭矩：
8000/10000N.m
给进能力：
250kN
起拔能力：
250kN
给进行程：
1000mm
电机功率：
90kW
MK-7型钻机是目前我国内开发的能力最大的全液压坑道钻机，为了便于井下移动。
钻机采用了步履自动行走机构和转向机构。
该钻机2002年11月在铜川矿务局陈家山煤矿415区段完成了现场试验。
此次试验采取受控定向钻进技术，沿煤层起伏制钻孔轨迹，使整个钻孔绕过背斜在煤层延伸。
整个试验历时11d，完成2年钻孔，纯钻进137h，累计进尺1667.5m，平均时效为12.13m/h。
从2002年12月3日至2003年2月13日，两孔共抽出瓦斯110万m3。
通过1#、2#孔的预抽，解决了煤层巷道掘进过程中瓦斯涌出量大的问题。
通过这次试验证明，MK-7型钻机能够满足沿煤层起伏进行受控定向钻进的需要，对煤层瓦斯预抽有着重大现实意义，为同类型矿井煤层瓦斯抽放提供新的装备和技术。
5大直径长钻孔施工艺及应用
在钻进大直径钻孔时，为解决大直径钻孔方向难以控制的难题，首先利用钻孔自然弯曲规律，通过人工方法，采取定向钻进技术，控制钻孔方向，使小直径钻孔尽可能沿设计轨迹运行，作为先导孔；后在先导孔的基础上，进行二次扩孔，使扩孔钻头一直沿先导孔钻进，直到设计孔深。
通过这种方法可以提高大直径长钻孔的施工质量，保证钻孔的终孔位置偏差小于整个孔深的1%。
这种施工大直径长钻孔的钻进工艺用于施工顶板瓦斯抽放倾斜孔时，可以人为增加钻孔冒落带之间的距离，延长钻孔在卸压带内的长度，增加钻孔的有效抽放长度，从而提高钻孔内的瓦斯抽放量和抽出率，解决邻近层瓦斯抽放问题；用于施工煤层顺层瓦斯抽放孔时，可以根据煤层起伏变化情况，通过人工方法控制钻孔使其沿煤层走向钻进，增加钻孔在煤层中的长度，提高钻孔瓦斯的抽出率；用于施工顶板瓦斯钻孔时，定向钻进技术结合人工架桥等手段，可人为控制钻孔偏斜，在煤层顶板钻出一些羽状分支孔，扩大钻孔在煤层上顶板的覆盖面，增加瓦斯抽放范围，解决煤层顶板
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