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逐段卸压打钻施工技术研究
2009年第12期中州煤炭总第168期
逐段卸压打钻施工技术研究
李国旗，叶青
（义煤集团公司，河南义马472300）
摘要：
针对突出掘进工作面复杂构造区打钻非常危险和困难等情况，考察了现场打钻过程中遇到的喷孔、卡
钻、垮孔、堵孔、甚至诱导突出等动力现象并分析了其成因。
根据打钻过程中的动力现象产生的原因及掘进
工作面“三区”分布规律、煤样的应力应变全程曲线和扩容膨胀情况、钻孔能释放地应力等分析结果，提出了
逐段卸压打钻施工技术。
经过现场试验，得出较合理的钻孔布置参数和抽排参数。
试验结果表明，逐段卸压
打钻施工技术能显著降低煤与瓦斯突出危险性，较好地避免打钻和生产过程中的动力现象，同时能有效地解
决瓦斯超限问题。
关键词：
打钻；动力现象；“三区”分布；逐段卸
压
中图分类号：
TD322文献标识码：
A文章编号：
1003—0506（2009）12—0001—04
StudyonDrillingConstructionTechnologyofPiecewiseDepressurizati0n
LIGuo—qi，YEQing
（YiolIdsrruo，t．Yma230，ia）
maCanutyGopC．Ld，i470Chn
Absrc：
osletedfiutrbefdiigiubrtednaetednmihnmea，uhajtrfc，iesikig，
tatTovhiclypolmorlnnotushaigfc，hyacpeonscseoiiepptcn
holecolapse，holeblocking，outburstwereinvestigatedanditsformationcauseswereanalyzedduringfielddriling．Accordingtoforma—..
tioncauses，three．zoneddistributioninheadingface，straincurveandvolumeexpansionofcoal，thedrilingconstructiontechnologyof
pieeseerztospuowadByfletteraoaehlaotprmeenrigrmeerbane．t
ewiedprsuiainwatfrr．iedts，hesnbloelyuaatraddanaepaatrweeotidI
showsthatthedrilingconstructiontechnologyofpiecewisedepresurizationcanobviouslyimprovetheholedrainageefectanddecrease
theoutbursthazard，atthesametime，itcansolvethedynamicphenomenaandgasover-limitationduringdrilingandproduction．..
Keywords：
driling；dynamicphenomena；three—zoneddistribution；piecewisedepressurization
瓦斯抽放既能抽放瓦斯、减少瓦斯危害，又能消
1打钻过程中遇到的问题及原因分析
除瓦斯所带来的动力现象。
而钻孔抽放又是煤层瓦
斯抽放的主要手段，但在打抽放钻孔过程中经常出在突出煤层复杂构造区域（特别是松软突出煤
现喷孔、夹钻等动力现象，甚至打钻诱导突出，导致层）打钻经常会遇到喷孔、垮孔、堵孔、顶钻、卡钻，..
事故发生。
根据现场考察，打钻事故主要发生在钻甚至诱导突出等动力现象。
。
孔进入采掘工作面、巷道、地质构造和其他集中应力
（1）喷孔。
当钻孔进入软煤层时，钻头的切削
带区域，高瓦斯异常条带。
因此，在复杂构造带、突旋转对煤层产生一种冲击和破碎力，这种力使煤体
出危险带打钻非常危险和困难，但是在这种区域又破裂、粉碎。
破裂和粉碎了的煤体很快出现瓦斯解
不得不打钻，所以突出掘进工作面安全高效打钻施吸，钻孔周边煤体瓦斯的快速解吸使流入钻孔中的
工技术对减少事故、保证安全、提高抽放效果等具有瓦斯急剧增加，有的增加到正常瓦斯涌出量的几倍
现实意义。
到几十倍。
此时钻孔前方与后方出现了较大的瓦斯
梯度，因而出现了明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激流
收稿日期：
2009—07—10
对破碎的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，同时还
作者简介：
李国旗（1963一），男，河南平顶山人，高级工程师，长期从
继续向钻孔周边扩大影响范围。
由于钻孔孔径小或
事煤矿“一通三防”和防突管理、研究工作，现任义煤集团公司副总钻孔出现堵孔，粉化了的煤颗粒难以顺利地向孔外
工程师、瓦斯研究所所长。
排出，进一步增加了钻孔内外的瓦斯压力梯度，致使
·..
1·..
209年第12期中州煤炭总第168期
这种瓦斯涌出变成了爆发性的外流，形成了喷孔。
打钻过程产生的喷孔现象主要是高压瓦斯、应力集
中和软煤层这3个因素综合作用的结果。
（2）垮孔。
垮孔是钻孔壁发生垮塌的现象，形
成垮孔的原因主要有：
①煤层软并且孑L壁受震动后
随钻进而崩塌；②随钻孔深度增加，在重力作用下钻
头向下偏斜，导致孔型不直、发生弯曲，钻进时钻杆
发生摆动，破坏孔壁；③喷孔时瓦斯流对孔壁造成破
坏。
（3）堵孔。
堵孔是钻进中钻孔被煤粉煤渣充实
造成无法排渣的现象。
形成堵孔的原因主要有：
①..
孔内排渣不顺畅并不断积存，造成钻孔前方的煤渣、
煤粉无法外排，形成堵孔；②垮孔未能停止，边排边
垮，造成无法正常清理孔内残渣；③喷孔的结果。
（4）顶钻。
顶钻是钻进时钻头打滑、无法前进
的现象，往往是喷孔前的一种状态，瓦斯喷出的压力
大，超过或接近给进压力，暂时出现钻头打滑。
（5）卡钻。
卡钻是钻头既不能前进也不能后退
的一种状况，它主要是由于喷孔时未能及时退出钻
杆，破碎的煤体将钻杆和钻头箍紧，以及排渣不力、
孔内积尘增多，此时仍然钻进，使堵孔、垮孔的范围
不断扩大，从而造成卡钻，钻杆无法进退。
2理论分析与试验研究
在突出掘进工作面复杂构造区域中打深钻孔的
主要难点是，如何防止和减少喷孔、垮孔、堵孔和卡
钻等动力问题的出现，并且杜绝打钻过程发生煤与
瓦斯突出；即使这些动力现象发生了，也应能有效地
控制和减少这些动力现象对钻孔施工过程的影响。
为此，笔者分析了掘进工作面附近煤体的“三区”分
布规律、煤体的应力应变全程曲线和扩容膨胀情况，..
以及钻孔释放和转移应力情况，提出了逐段卸压打
钻施工技术，并进行了试验。
2．1理论基础
（1）掘进工作面附近煤体的“三区”分布规律分
析。
煤矿井下开采破坏了原始地层中的应力平衡状
态，使煤体中的应力重新分布。
一般情况下，在较短
时间内就会在采掘空间临界面附近形成较高的集中
应力。
当采掘空间附近煤体集中应力值达到其极限
强度后，就会发生屈服变形，并且向煤体深部进行集
中应力转移。
经过一定时间，形成如图1所示的
“三区”状态，即卸压区、集中应力区和原始应力区。
在这“三区”中，煤体所受应力和变形性质各有差
·..
2·..
异。
图1中为距工作面的距离。
0
／
，．..
塑性变形区i弹性变形区
卸压区应力集中区原始应力区
图1工作面前方煤体的应力分布示意
通常紧靠采掘空间的煤体（即卸压区中的煤
体）所承受的应力达不到原岩应力，因此卸压区和
集中应力区的塑性变形区中的煤体所受的应力通常
处于极限平衡状态。
林柏泉教授从卸压区煤体稳定
性条件出发，对“三区”进行理论分析，得出卸压
区的安全宽度为
n
D。
≥..一In[tago（
、No-y+P—-or）+1]
（1）
，1．..
二‘n--，l
从式
（1）可以看出，掘进面附近卸压区范围的
大小和煤与瓦斯突出有直接关系。
当钻孔在卸压区
和塑性变形区钻进时，由于该区域的瓦斯得到充分
释放，煤岩体应力也得到释放，通常不会产生喷孔、
卡钻、垮孔、堵孔，从而诱发突出；但是当钻孔进入弹
性变形区和原始应力区时，瓦斯压力较大，地应力较
大，就可能会产生喷孔、卡钻、垮孔、堵孔，并诱导突
出。
（2）煤样的应力应变全程曲线分析。
煤样的应
力应变全程曲线如图2所示。
煤样的应力应变全
过程曲线可以分为5个阶段：
原始空隙压密阶段
（OA段）、线弹性阶段（AB段）、弹塑性变形阶段
（BC段）、破坏阶段（CD段）和破坏发展阶段（DE
段）。
在OA段中，煤样形成新裂隙。
点为弹性极
限，从B点起，当应力在0．6o".以上时，煤样开始产
生新的裂隙，并呈现弹性变形，但BC段中破裂的传
播比较缓慢但稳定。
从C点起，当应力在0．95tr一
以上时，新裂隙急剧增加并相互贯穿，破裂开始快速
传播，应变速度明显增大，同时声发射激增。
在CD
段，贯穿裂隙继续发展，声发射继续变化。
当载荷达
到应力峰值时（图2中D点，即强度极限R），煤样
发生破坏并且出现明显的扩容膨胀现象。
由于采掘工作的影响，在掘进工作面前方形成
了“三区”结构分布，在应力集中区内产生煤体塑性
破坏，并且形成塑性极限应力带，其值一般在8—20
2009年第12期李国旗等：
逐段卸压打钻施工技术研究总第168期
m之间。
从以上分析可知，在CD段煤样内部新裂
隙急剧增加并且相互贯穿，因此当应力处于CD段
时，煤体具有良好的瓦斯流动通道。
由于工作面前
方煤体的应力分布与煤样的应力应变全程曲线很相
似，所以在塑性极限应力带，煤体发生破坏并且出现
明显的扩容膨胀现象，这为掘进工作面抽放瓦斯创
造了有利条件。
O
图2煤样的应力应变全程曲线
（3）利用钻孔释放和转移地应力。
在地应力的
作用下，煤层积蓄了相当大的储存能，而地应力在打
钻过程产生的突出等动力现象中所起的作用有：
..
①地应力的作用使煤体产生流变，并且使其从稳定
流变进入到失稳流变，从而使突出延时；②围岩或煤
层的弹性变形潜能做功，使煤体破坏；③地应力场控
制瓦斯压力场，促进瓦斯破坏煤体；④高地应力决定
了煤层的低透气性，以致瓦斯泄漏减慢，造成瓦斯梯
度增高，煤体一旦破坏对突出有利。
因此，地应力是
打钻过程中动力现象产生的主要原因，由前述钻孔
动力现象原因分析也证实了地应力在打钻过程中所
起的作用。
包括我国在内的许多国家都确认超前钻
孔能有效释放和转移煤层地应力，特别是在我国，许
多高突矿井都是通过钻孔来释放地应力和瓦斯压力
的，并且试验中通过大直径钻孔的方法进行应力释
放所取得的效果已被确认。
所以在卸压区和塑性变
形区打钻，再通过这些卸压钻孔释放弹性变形区和
原始应力区的瓦斯压力和地应力，使弹性变形区和
原始应力区后移，经检测确认充分卸压并且达到安
全要求后，再进行第2阶段打钻，可以避免上述动力
现象的发生。
2．2试验研究
根据上述打钻过程的动力现象产生的原因及掘
进工作面“三区”分布规律、煤样的应力应变全程曲
线和扩容膨胀情况、钻孔释放地应力等分析结果可
知，要实现突出煤层复杂构造区域打深钻孔的目的，..
最简单和最有效的措施就是逐段卸压打钻施工。
经
过现场试验，获得了较合理的钻孔布置参数和抽放
参数。
钻孔布置参数和抽放参数包括钻孔深度、抽
放影响半径、抽放时间、钻孔直径、钻孔抽放负压、钻
孔布置方式、钻孔施工顺序、钻孔流量变化规律
等[。
（1）钻孔深度。
抽放钻孔要穿过卸压区和塑性
变形区进入弹性变形区。
根据对义马煤业集团公司
所属5对突出矿井掘进面现场实测结果，采掘工作
面前方卸压区宽度一般为4～5m，..塑性极限应力区
宽度一般为8～10m，..工作面最佳抽放范围为工作
面前方5—20m处，所以采掘工作面抽放的钻孔深
度应为8—20m。
（2）抽放影响半径。
此次采用负压法测定工作
面钻孔抽放影响半径。
根据研究结果，钻孔抽放影
响半径由煤层动力性质系数确定，通过实测值可以
计算出在不同抽放时间的抽放影响半径。
钻孔抽放
影响半径r可用式
（2）表示
r=
（2）
式中，t为钻孔抽放时间，min；为反映煤层瓦斯动
力性质的系数，m·min，其大小根据现场测试确
定。
（3）抽放时间。
钻孔流量衰减情况决定钻孔的
抽放时间，所以根据实际测定的钻孑L流量衰减指标，..
可确定钻孔的抽放时间。
此次主要是通过测定钻孔
流量衰减情况来确定抽放时间。
（4）钻孔直径。
增大钻孔直径可以提高钻孔抽
放量，但钻孔直径越大，越不利于钻孔施工，并且使
发生突出的危险性增加。
由于工作面动压抽放钻孔
要穿过工作面前方的卸压区进入塑性极限应力区，
钻孑L深度一般为8～20m，..所以钻孑L直径不宜超过
100mm，..钻孔直径为75～100mm比较合适。
（5）钻孔抽放负压。
抽放负压对动压抽放效果
有重要影响，抽放负压越大，越有利于抽放。
由于在
卸压区附近抽放瓦斯，负压过高容易导致钻孔周围
漏气，达不到抽放效果。
根据工作面超前抽放的经
验，抽放负压不低于2500Pa即可。
（6）钻孔布置方式。
根据钻孔抽放时间、抽放
半径、抽放钻孔间距来设计钻孔布置方式，在打8～
20m的短钻孔后，进行封孔抽放，经检测确认充分
卸压并且达到安全要求后，再进行第2阶段打长钻
孔；直到钻进过程出现困难时，停止打钻，再封孔进
行抽放，经检测确认充分卸压并且达到安全要求后，..
再进行第3阶段打长钻孔。
通过前3阶段的打钻，..
钻孔释放了大量的瓦斯和应力，使卸压区和应力集
．·..
209年第12期中州煤炭总第168期
中区大大向前推移。
这样，掘进工作面就可以通过
钻孔抽放来防止煤与瓦斯突出。
（7）钻孔施工顺序。
为了施工安全和充分发挥
动压抽放的作用，在施工抽放钻孔时，应由采面中部
施工向采面周边逐步打钻，保证打钻和抽放效果。
特别是在经过软煤层时，应根据软煤层的具体情况，..
确定好开孔位置、钻孔方位和角度。
（8）钻孔流量变化规律。
钻孔瓦斯流量是检验
矿井抽放设计和抽放效果的重要依据。
实际上，它
是一个综合性指标，反映了煤层破坏程度、瓦斯压力
和瓦斯含量、煤体应力状态及透气性等参数。
由于
各钻孔之间不是孤立的，随时间推移，各钻孔的各项
参数对其相邻的钻孔都会产生一定影响。
因此，应
该把钻场中各钻孔看成一个系统，来考察钻孔流量
规律。
考察钻孔流量变化规律，可以确定工作面前
方瓦斯释放程度、释放过程、煤层应力、煤体裂隙等
状态。
钻孔流量变化规律也是下一阶段打钻施工的
重要依据。
2．3应注意的问题
由分析可知，要实现打深孔的目的，除了掌握逐
段打钻施工技术外，还应该注意打钻工艺。
（1）给进压力。
给进压力是钻孔施工过程的重
要技术参数，不同层段应控制不同的给进压力极限
值。
有文献表明，软煤层给进压力极限值为1O
NPa，硬煤层给进压力一般为6～7MPa。
在钻进过
程中，给进压力要根据具体情况确定。
（2）钻进速度。
钻进时必须保持适当的速度，..
通过煤层结构异常带时应减速，减速可充分排渣、减
少沉渣，同时也能起到降低给进压力的作用。
（3）钻孔排渣。
钻孔排渣好坏直接关系到钻孔
的成败。
排渣效果不好会造成堵孔、卡孔，甚至摩擦
发热产生高温，带来安全隐患。
只有压风和排渣通
畅才能继续钻进，严禁强打、硬拔和蛮进等操作。
3效果分析
（1）在具有突出危险的掘进工作面实施逐段卸
压打钻施工后，减少了喷孔、卡钻、垮孔、堵孔等动力
现象，提高了打钻速度和施工效率。
（2）在具有突出危险的掘进工作面实施逐段卸
压打钻施工后，杜绝了打钻过程中的煤与瓦斯突出
事故发生，实现了安全生产。
（3）实施卸压区动压抽放后，有效地解决了打
钻过程的瓦斯超限问题，实现了正常循环作业，提高
·..
d．..
了生产效率。
4结语
（1）根据掘进工作面附近煤体的“三区”分布规
律、煤体的应力应变全程曲线及扩容膨胀情况、钻孔
能释放地应力等分析结果可知，逐段卸压打钻能释
放瓦斯压力和地应力，并且扩大掘进工作面附近煤
体的卸压区和转移应力集中区，能防止和减少垮孔、
堵孔、喷孔和卡钻等动力现象。
（2）在突出掘进工作面复杂构造带进行逐段卸
压打钻施工技术可行，施工方便，效果明显。
（3）试验结果表明，逐段卸压打钻施工技术能
显著降低煤与瓦斯突出危险性，较好地消除打钻和
生产过程中的动力现象，同时能有效地解决瓦斯超
限问题，所以逐段卸压打钻施工技术是解决突出掘
进工作面打钻困难问题的最简单也是有效的方法。
（4）要实现打深孑L，除了掌握逐段打钻施工技
术外，还应该注意打钻过程的给进压力、钻进速度、
钻孔排渣等打钻工艺。
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（责任编辑：
秦爱新）
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