松软煤层讲义.doc

松软煤层钻进工艺原理及应用煤炭科学研究总院西安研究院钻探技术研究所2007年元月松软煤层是指煤的硬度系数f小于1的煤层，它是地质构造的产物，主要是由于断层和层滑等原因所形成，所以也称松软煤层为构造煤层。松软煤层通常都与断层、褶皱、产状变化、煤层厚度变化等有共生关系。松软煤层具有强度低、瓦斯吸解速度快、瓦斯含量相对高的特征，因此它属于煤与瓦斯突出体。在分布上，松软煤层的剖面形态均呈层状、似层状、凸镜状、在平面上呈带状或面状；松软煤层在煤层中的位置通常都是沿顶、沿底、也可在松煤层中间；松软煤层厚度变化较大，多数都呈不稳定状态，其厚度可以从几厘米到整个煤层。煤矿瓦斯治理和利用工作已经引起我国政府和煤矿企业的高度重视，国家在煤层气资源开发和利用方面作了大量的投入，很多煤矿企业也开始转变观念，变传统的安全性瓦斯抽放为利用性或生产性瓦斯抽放，将各种抽放技术结合起来，想方设法提高瓦斯抽放浓度和抽采率，既确保了生产安全，也有效利用了能源。但是我国目前除抚顺等少数矿区外，大多数矿井煤层透气性差，煤质松软，甚至有动力现象或突出危险性，属于松软煤层，这使本煤层预抽钻孔打钻难度极大，塌孔、卡钻严重，钻孔打不深，致使瓦斯抽放效果差，不能很好的满足生产和开发的要求，影响了煤矿生产的正常进行。所以解决松软本煤层钻进问题对于我国煤矿生产具有极其重要的意义。1 松软煤层瓦斯突出机理与防突途径1.1松软煤层瓦斯突出机理松软煤层中瓦斯突出是一个复杂的动力过程，瓦斯突出的动力主要是地应力和瓦斯压力，而阻碍突出的阻力是煤体抵抗破坏的能力，突出能否发生及其发生的规模主要取决于阻力和动力之间相互的作用关系。因此地应力、瓦斯压力和煤的物理力学性质是影响煤层瓦斯突出的三个主要因素。 地层深处的煤层，一方面由于地应力和构造应力的作用，聚集了较高的弹性变形能；另一方面，由于煤层中含有瓦斯而具有一定的瓦斯内能。地下的采掘工作往往会对煤层的应力平衡状态造成扰动。对煤层应力平衡状态的破坏，一方面降低了煤层阻碍突出发生的抵抗力，另一方面使得煤层中的弹性变形能和瓦斯内能释放成为可能。在正常情况下，或由于地应力、瓦斯压力太小，或由于应力状态改变缓慢，释放的能量不足以激发煤与瓦斯突出，而在地应力和瓦斯压力较高的情况下，煤层工作面受到采掘工作的扰动，使得煤层应力状态突然改变，巨大的弹性变形能和瓦斯内能瞬间释放，引起煤体的高速破碎，同时在潜能和瓦斯压力的作用下煤体发生移动，瓦斯由已破碎的煤体中解吸、涌出，形成瓦斯流，解吸的瓦斯进一步破碎煤体，同时把破碎的煤粉抛出，发生煤与瓦斯突出。 根据上面的分析，煤与瓦斯突出是地应力、煤层瓦斯以及煤的结构力学性质三者综合作用下产生的复杂动力现象。在突出过程中，地应力和瓦斯压力是发动、发展突出的主动力，煤的结构力学性质是阻碍突出发生的因素。1.2松软煤层防瓦斯防突途径对于特定的煤层，煤的坚固性系数、煤的瓦斯解吸性系数、煤层中软分层厚度三个参数相对来说是难以改变的。根据上述分析可以看出，为了减少和消除煤层突出危险性，主要是降低瓦斯压力，而钻孔预抽煤层瓦斯是降低瓦斯应力的有效方法。目前钻孔预抽煤层瓦斯的方法主要有穿层钻孔预抽和顺层钻孔预抽两种方式。以往普遍采用以穿层钻孔为主的本煤层瓦斯抽采方法，即先在煤层底板岩石中施工出一条岩石巷，然后沿岩石巷施工上仰穿层孔作为瓦斯预抽放孔。这种瓦斯抽放方法有以下缺点： 底板专用瓦斯抽放道每区段有一条岩石巷道，因此掘进巷道工程量大。 钻孔的工程量大，钻孔的岩石长度占比例较大，钻孔利用率低，成本较高。 工作面准备时间长，先打底板道，再打钻孔预抽瓦斯，最后掘煤巷。 穿层钻孔浅，预抽瓦斯范围受到限制，只解决了巷道掘进带防突，回采工作面瓦斯涌出并未得到解决。 而采用顺煤层钻孔抽采瓦斯则具有成本低，钻孔利用率高等优点。因此在松软煤层瓦斯抽放多采用顺层孔瓦斯抽放。顺层钻孔抽采煤层瓦斯减弱直至消除煤层突出危险的实质在于：煤层抽采钻孔的施工，造成钻孔周围煤层的局部卸压；通过抽排煤层中的瓦斯，可以使具有突出危险的煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量大幅度降低，使煤体内的瓦斯潜能得到释放并降低；由于瓦斯的排放可以引起煤层的收缩变形，使煤层的地应力下降、透气性增大，煤体应力的下降也使煤层中的潜能得到释放。这些都在不同程度上降低了导致突出发生的主动力和能量。同时，煤体中的瓦斯释放以后，煤体的透气性增大，煤层应力减少，煤体强度增大，这样就增强了煤体的机械强度和稳定性，使得发生煤与瓦斯突出的阻力增大。2 松软煤层顺层孔钻进的成孔工艺2.1 松软煤层顺层钻孔的参数2.1.1 顺层钻孔的布置在煤矿的实际生产当中，一般各矿根据本矿区瓦斯赋存量和相对涌出量、回采工作面长度等决定本煤层预抽钻孔的布置方式。目前所采用的钻孔布置方式主要有两种，一种是沿工作面走向布置的走向钻孔，钻孔的平面布置如图1所示（A钻孔），钻场一般设置在回采终止线或尾巷附近，钻孔深度根据工作面长度和具体的施工条件而定。现有的设备能力已经在松软煤层中完成180m钻孔的施工能力，因此一般100m以上的工作面，水平钻孔的设计深度可达到100180m，如山西阳泉三矿，工作面150m，设计钻孔垂直于回风顺槽，在平面上呈平行间隔布置，钻孔间距为35米，整个工作面总共布置钻孔180个，钻孔深度为150m，钻孔直径200mm，采用煤科总院西安分院生产的ZDY-4000S型钻机，完成钻孔深度达180m（此孔方位倾斜设置）。另一种钻孔布置方式是沿工作面倾向布置的水平钻孔，钻孔布置形式有斜钻孔、平行钻孔和交叉钻孔。钻孔深度一般80-150m，终孔直径94-130mm。根据实践效果检验，钻孔角度向工作面方向呈45角的斜钻孔抽放效果最佳，钻孔平面布置图如图1所示（B钻孔）。图1 顺层预抽瓦斯钻孔布置图2.1.2 顺层钻孔的直径 在防止塌孔堵塞钻孔通道的前提下，可以在一定程度上增大钻孔直径以提高瓦斯抽采量。2.1.3顺层钻孔的间距图2给出了不同钻孔间距的抽放效果，最佳钻孔间距与钻孔流动场的控制范围有关。(a)图的钻孔间距太大，瓦斯流入巷道中，存在着潜在的危险。(b)图钻孔太密，间距太小，每米钻孔瓦斯抽放量太小，虽然能够很好的抽放瓦斯，但经济上不合理，造成了不必要的浪费。(c)图是理想的最佳的钻孔间距，两个钻孔的有效抽采半径相加即为钻孔的理想布置间距。 图 2 不同钻孔间距的抽放效果2.2 松软煤层顺层钻孔的排粉工艺煤矿井下进行钻孔作业由于受井巷条件、供给条件、场地、安全标准等因素的限制，很多地面采用的成熟钻进技术和仪器很难在井下得到推广应用，因此，目前煤矿井下的松软煤层钻进工艺方法主要是回转钻进工艺，根据钻进过程中所采用的排粉介质或排粉方式的不同主要分为水排粉钻进、风排粉钻进和干式螺旋钻进。2.2.1水排粉钻进在煤层钻进成孔过程中传统的排粉工艺是用水作为冲洗介质，以携带、排出钻屑，并起到冷却钻头的作用。由于煤矿井下静压水供应都比较充足和便利，因此几乎所有的煤矿都在采用清水作为钻孔循环介质进行钻孔施工。根据循环水的供给条件的不同，分为静压水循环和动压水循环。在松软突出煤层中钻进，为确保钻进过程中排粉通畅，需配备专用的泥浆泵供送循环水，同时根据钻进需要调节泵量、泵压。这种水力排粉方式携带煤粉能力强，能够迅速的带走钻进产生的煤粉，有效的降低了堵孔钻进事故发生的可能性。水排渣钻进的最大缺点是对孔壁的冲击作用太大，垮孔、喷孔严重。其主要原因一是水的密度较大，对煤壁的冲刷作用强，二是水对煤体的沾湿作用，使水渗入到煤的裂隙或孔隙内部，不但降低了煤粉的胶结作用，降低了煤粉的强度，而且水的表面张力加速煤的解体。此外水还封闭了瓦斯涌出通道，阻碍了瓦斯的排放，而且由于水对煤的沾湿作用，从煤表面置换出瓦斯气体，使煤体中的瓦斯压力进一步提高，承受的压力增大，则孔壁上的煤更容易在瓦斯的作用下破碎、抛出形成喷孔。所以在松软煤层钻进过程中，用水排粉钻进的孔深较浅且不容易成孔，必须寻求其他的新方法取代水排粉钻进。 2.2.2风力排粉钻进风力排粉是用压缩空气经过钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔内形成高速风流，钻屑则浮在风流中被吹向孔口，从而实现排粉和钻头冷却。风力排粉的最大缺点是作业地点煤尘不易控制。但在突出或松软煤层中打钻时，风力排粉具有明显的优势： 压风对孔壁的冲击小，不易破坏孔壁； 不影响煤层中的瓦斯解吸，使瓦斯得以自由、快速地释放； 钻孔内始终只有气、固两相流动，发生卡钻的可能性也减小了。因此，风力排粉是在突出或松软煤层中打钻比较理想的排粉方式。 虽然风排粉钻进能够很好的解决松软煤层钻进成孔问题，但也存在一些问题： 钻进风压不稳定，压缩风主干管到各个采区后，分成采区支干管，支干管又被分成许多分支进入各个工作面，这样具体到某工作面的风压就会受到其他采区或工作面风量的影响。孔口粉尘污染很严重，即使采用孔口灭尘或集尘措施，也往往由于孔口密封问题很难取得理想的效果。为此有的煤矿试验采用向钻孔内供送气水混合物，既体现了采用压风钻进保持钻孔稳定性和渗透性的特点，同时有效避免了孔口的粉尘污染。而采用泡沫钻进则存在泡沫的制取和消泡等技术环节，同时由于井下管道供风压力不足，制取的泡沫压力和流量不能满足深孔钻进的要求，因此在实际推广应用中也存在一定的困难。目前各科研机构和生产单位正在积极的探索和研究解决这些问题。 对钻孔前方的应力集中区认识不清，巷道两侧及迎头一定范围内存在一个应力集中区域，钻孔进入该区域后，钻孔排粉量、瓦斯涌出量明显增大，钻孔甚至出现某个方向的漂移或错动。由于对钻孔前方的应力集中区没有认识或认识不清，钻进时仍按卸压区的工艺进行钻进，势必造成夹钻、喷孔和丢失钻具等问题。2.2.3水平干式螺旋钻进在松软煤层中使用螺旋钻具钻进顺层孔过程中，钻机齿筒所产生的动力通过光钻杆传递给螺旋钻杆至钻头，孔底及孔壁产生的钻屑则由螺旋叶片推移式前进输送，钻屑自身的重力、钻屑之间的粘滞力、以及钻屑与叶片和外壳之间的摩擦力阻止了它和螺旋叶片一起旋转，从而实现钻屑在叶片推动下挤压直线前进。螺旋钻具包括螺旋钻杆和螺旋钻头，螺旋钻头由钻头体、翼片、螺旋带（有些钻头无螺旋带）和连接部分组成，翼片上镶有阶梯状硬质合金，以避免干式钻进时发生钻头烧钻。钻头直径应比钻杆大1020mm，以减少钻杆柱与孔壁的摩擦力，钻头与钻杆以及钻杆与钻杆之间有两种连接方式：一种是丝扣连接，一种是插接式连接，螺旋钻头可以按照硬质合金翼片式全面钻头设计原则设计，螺旋钻杆由心管、螺旋带和连接部分组成,心管为无缝钢管,外面焊有钢质螺旋带。螺旋钻杆之间的连接也有两种:一种是采用六角形套,并用销子固定;另一种是采用高强度的锥形丝扣连接。在松软煤层钻进过程中，由于经常出现钻孔事故，为了能够很好的处理孔内事故，多采用插接式连接。水平螺旋钻进的特点： 由于螺旋钻杆能及时输出所钻下的煤粉,无重复破碎现象,而且能减少对煤的扰动，也没有静液柱压力影响孔底煤的破碎,所以在软煤中钻进效率高。 钻进过程中，螺旋钻进不需要冲洗介质，因而减少了配置和输送冲洗液的辅助工作，适合在井下无水或水供应不足的情况下钻进，而且减少了孔壁的破坏几率，成孔率高 钻进辅助设备少，减少了工人的劳动强度，提高了钻进效率。 钻进过程中振动、噪音少。减少了钻杆因振动对孔壁的影响。虽然螺旋钻进在松软煤层钻进中有一定的优势，但也存在很多问题： 施工难度随孔深增加而增大，钻进速度随孔深增加而降低，垮孔严重时无法再进； 低速旋转时排屑慢，易断钻杆； 高速旋转时钻机扭矩降低，钻屑增多时易卡钻； 钻进阻力大，停钻时钻杆易产生反转，致使钻杆脱节或掉钻头。2.3松软煤层钻进工艺参数钻进工艺参数包括钻压、转速和泵量，三者在一定的条件下相互因影响。一般来说，泵量越大，钻压越小，转速越高，钻孔的轨迹就有下斜的趋势，反之则有上仰趋势。在松软煤层中钻进，由于煤的硬度较低，钻压越大，钻头切削刃切入煤层就越深，切下的煤粉就越大，越不容易被冲出孔外，在孔内堆积形成煤屑楔，钻孔轨迹有上仰趋势，反之有下斜趋势，所以当钻进过程中给近压力突然升高时，应立即停止钻进进行排渣或撤钻、退钻排屑或往返进退钻杆，待孔内动力现象平衡后再加尺进钻。在松软煤层钻进时，转速对钻孔轨迹的影响很大。钻压一定时，转速越高，煤粉颗粒越细，易排出孔外，孔内干净，形成煤楔的可能性小，钻孔呈下斜趋势。这时产生的煤粉较多，容易在钻孔中（除钻头部分）产生煤粉堆积，造成堵孔；但转速又不能太低，转速太低，钻进过程中产生的煤屑颗粒过大，容易堆积在组合钻具部位，形成卡钻埋钻事故。为了避免钻进事故的发生，就要在保证高转速的情况下，尽量减少煤粉量，即控制钻进过程中钻进速度来实现，钻进速度必须保持适当，在松软煤层钻进过程中，主要是降低钻速。通过降低钻速充分排渣以减少沉渣，同时也起到降低给进压力的作用，所以松软煤层的钻进速度要比硬煤的钻进速度慢。泵量即钻进过程中冲洗液量，其主要功用是冷却钻头及排除煤粉，如果是用风排粉的方式钻进必须保证风压、风量：在钻进过程中，风量的大小直接关系到钻孔排渣的好坏：风量小，钻孔排渣不好，不仅造成堵孔卡钻，而且会摩擦生热产生高温，甚至会导致钻孔内起火，带来安全隐患。风量大，携带煤粉能力强，孔底干净，有利于钻进。但风量不能过大，风量过大会冲塌孔壁，成孔困难，不利于抽放瓦斯。由于有些矿井的压风系统风压小，不能满足钻孔排粉的需要。因此需要安设空压机和储能包以获得稳定的风压。在钻进时，当发现孔口排渣受阻或风量减少，就要停止向前钻进，直到钻孔掏空后方可继续钻进。尤其是在过软分层时，由于应力和高压瓦斯的作用，会造成瓦斯喷孔、钻杆和钻头前方周围的煤体失去应力平衡，煤粒大量溃散，瓦斯喷孔时所带来的煤粉一时难以排出，从而积聚并堵塞钻孔，造成孔口气流不畅。这时钻杆必须后退，必要时应后退卸掉12根或更多的钻杆进行掏孔，只有在压风和排渣畅通时才能钻进。严禁强打、硬拔、蛮进。当钻孔向煤体深部推进时，由于钻孔的排渣距离长，排渣阻力也相应增加，滞留在钻孔内的沉渣也就越多，孔内的空间也就越少。虽然这时孔内的风速增强，由于空间小，排渣也就少，因此只要发现孔内空间和孔口排渣量减少，必须停止前进，不能蛮进，此时钻杆退退进进、来回捣孔、反复掏空。2.4松软煤层钻进设备在松软煤层钻进过程中不但要保证有一个好的排粉工艺，还要有适合钻孔施工的钻进设备，这样才能顺利的完成钻进成孔。2.3.1钻机主要用于松软煤层钻进的机型为西安钻探研究所研制ZDY-1900S、ZDY-4000S钻机显示了巨大的优势。两种钻机的技术性能参数如表2、表3：表2 ZDY-4000S钻机其技术性能参数钻孔深度 m200钻杆直径 mm150螺旋终孔直径 mm200/150钻孔倾角45回转速度r/min10-220最大扭矩 N.m4000给进能力 kN146起拔能力 kN146功率 kW55适用电压 V380/660整机质量 kg2500主机外型尺寸 （长宽高） 2.250.951.7表3 ZDY-1900S钻机主要性能参数钻孔深度 m350钻杆直径 mm73终孔直径 mm200/150钻孔倾角090回转速度r/min10-220最大扭矩 N.m1850给进能力 kN105起拔能力 kN73功率 kW37适用电压 V380/660整机质量 kg2500主机外型尺寸 （长宽高） 2.250.951.7ZDY-1900S ZDY-4000S 2.3.2 钻具在松软煤层利用风或水排粉钻进成孔时常采用组合钻具，这种钻具主要由钻头和短钻杆组成，根据钻具中连接钻头的规格的数量将钻具分为单级和多级。采用一种规格的钻头组成的钻具称为单级组合钻具。单级组合钻具根据加稳定器和不加稳定器又可分为两类，加稳定器单级组合钻具，根据钻孔倾角的变化，可分为使钻孔上仰、钻孔倾角基本保持不变（亦称保直）和钻孔下斜三种。由多种规格钻头连接成的钻具，则称为多级组合钻具，有几个钻头则称为几级钻具（如图5）。利用风或水作为冲洗介质的钻进成孔过程中，使用多级组合钻具可有效的防止瓦斯突出，因为在小钻头钻进时由于直径小一般不易喷孔，而相隔一段距离和时间后，该段钻孔已在一定程度上释放了周围煤体的地应力和瓦斯，随后正常直径的钻头扩孔时，也不易发生喷孔，降低了钻孔的喷孔程度甚至克服喷孔现象的发生。而且多级组合钻具切削下来的煤粉颗粒较小，在排粉通道和冲洗介质量一定的情况下，有利于排粉，并保持孔内干净。另外组合钻具中后面的扩孔钻头相当于粗径钻具，对前面的小径钻头起到导向作用，这样在煤层倾角变化不大的情况下，可增加钻具的稳定性，使钻孔方向沿着煤层延伸，而且扩孔钻头后面均对应前面的切削刃镶焊有反向合金，倘若煤层瓦斯压力大，发生塌孔时，可进行反向切削，破碎掉块，提出钻具，以免发生埋钻事故。现场试验发现，减小钻头级差或加长钻头之间的距离，可抑制喷孔强度。 a 三级组合钻具 b 二级组合钻具 在干式排粉钻进成孔时，常采用螺旋钻具，这种钻具主要是由一芯杆外焊螺旋叶片的钻杆和螺旋钻头构成的， 钻杆在松软煤层钻进过程中，要根据钻进的孔径及钻进过程中排粉方式的不同，选用不同类型的钻杆。用于坑道钻进的钻杆主要为外平钻杆和螺旋钻杆。（i）在水排粉和风排粉钻进的情况下，选用外平螺纹连接钻杆，普通钻杆采用45钢，其螺纹接头采用特种钢并利用摩擦焊接技术与钻杆连接，这样改善了钻杆的接头强度，增加了钻杆的使用寿命。（ii）在螺旋排粉的情况下，选用螺旋钻杆，螺旋叶片的参数可以利用水平螺旋钻杆的设计原则得出。目前应用的螺旋钻杆形式以单螺旋为主，芯杆直径有42mm、50mm、63.5mm和73mm等，螺旋外径有80mm、110mm、130mm和150mm等。钻杆接头有直接连接型和接头过度连接型。 钻头 利用风排粉或水排粉钻进松软煤层时，常采用复合片钻头，复合片钻头包括钢体式复合片钻头和胎体式复合片钻头。在松软煤层钻进过程中，由于煤体松软，所以常采用钢体式复合片钻头，钢体式复合片钻头是将金刚石复合片焊接在加工好的钢体翼片上作为切削齿切削煤体的钻头，其有两翼、三翼、四翼的。如图： 图 6 钢体式复合片钻头在钻进煤层时多采用内凹式钻头，内凹式复合片钻头主要用于保直钻进，该复合片钻头由于中间内凹，钻头破碎岩石时，孔底中间部分形成短岩心柱，有助于钻头的导向钻进，它和一定的组合钻具相连，可使钻孔轨迹沿原方向延伸，倾角和方位角基本保持不变，加上钻头体上有较长的外保径，所以对孔底有较强的切削作用，而对孔壁很少产生切削作用。该钻头具有良好的适应性和钻进性能。用螺旋排粉的方式钻进松软煤层时，应采用螺旋钻头，螺旋钻头由钻头体、翼片、螺旋带和连接部分组成。由于螺旋排粉钻头冷却效果差，所以常采用硬质合金作为钻头的切削齿，螺旋钻头翼片上镶有阶梯状布置的硬质合金切削具,在外径上也镶有保持孔径的硬质合金片。钻头体上一般焊有一段螺旋带,与钻杆螺旋带衔接,便于输送岩粉。钻头直径应比钻杆直径大1020mm,以减小钻杆柱与孔壁的摩擦力。螺旋钻头可按照硬质合金翼状全面钻头的设计原则设计,有两翼、三翼和四翼的,可以具有平底、锥形或阶梯式的刃部。2.4松软煤层钻孔的封孔工艺目前封孔方法主要有封孔器、水泥沙浆和聚氨脂封孔三种方法。 封孔器多为胶圈封孔器，虽然其型号较多，原理基本相同，即利用螺杆与螺母的相对运动。带动内外管挤压胶圈，使之膨胀变形达到封孔的目的。封孔器的密封性能良好，可以重复使用，操作简便、经济，但为了进一步提高抽放效果，加大封孔深度，这种封孔结构和封孔工艺操作上需进一步改进。 水泥沙浆封孔在我国的应用较为普遍。封孔操作方法有人力封孔和压气封孔两种。水泥沙浆广泛用于具有一定角度的煤孔和岩孔的封孔。这种封孔方法，材料来源充足、价格低廉；其缺点是用材料多，运输费用和工时费高，目前的人工操作和辅以压气均感笨重、费工费力，封一个孔一般需要一个小时；另外由于操作复杂使封孔质量往往不易保证，从而影响抽放瓦斯效果。 聚氨脂封孔用料少，封孔装置也小，故携带方便；封孔操作快、省力，封孔约需要10分钟；聚氨脂具有可塑性，受压变形而不破裂，在动压区或长时间抽放时，更具有其独特的优越性。聚氨脂封孔卷缠药液法及钻孔内封孔管结构如图6： 根据松软煤层中钻孔的特点以及各封孔工艺的特点，煤矿上常用水泥砂浆和聚氨脂对松软煤层钻孔进行封孔。经过多次实验证明这两中封孔工艺在松软煤层中应用效果好，而且经济上合理。3 松软煤层顺层孔钻进常见的问题及预防措施3.1松软煤层钻进遇到的问题及原因分析在松软煤层中钻进过程中，常遇见喷孔、塌孔、堵孔和卡钻事故问题，这些问题严重影响了钻进效率，甚至导致终孔。喷孔往往伴随着垮孔、堵孔和卡钻的出现。钻孔喷孔应看作是钻孔中出现的动力现象，这种现象类似于煤与瓦斯突出，主要是高压瓦斯、应力集中和软煤存在三个因素综合作用的结果。当钻孔进入软煤分层时，钻头的切削回转对软煤产生一种冲击和破碎力，这种力使煤体破裂、粉碎。破裂和粉碎的煤体顿时产生瓦斯迅速解吸。钻孔周边煤体快速的瓦斯解吸使流入钻孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的几十倍，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。承压的瓦斯激流对破坏的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，同时还继续向钻孔周边扩大影响范围，由于钻孔孔径小或钻孔出现堵孔，瓦斯激流和粉化了的煤颗粒难以顺利的向孔外排出，进一步增加了钻孔内外的瓦斯梯度，致使这种瓦斯涌出变成了爆发性的孔内瓦斯向孔口外流，形成喷孔。 钻孔垮孔是钻孔壁发生垮塌的现象，形成垮孔的原因主要有三个方面：煤层松软，孔壁受振动后随钻进而崩塌；钻孔深度增加，钻头下扎，孔壁不直，发生弯曲、钻进时钻杆发生摆动，破坏孔壁；喷孔时瓦斯流对孔壁的破坏。钻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：孔内排渣不尽，并不断积存，造成钻孔前方的煤渣、煤粉无法外排，形成堵孔；垮孔未能停止，边排边垮，造成无法正常清理孔内残渣；喷孔的结果。顶钻和卡钻：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。而卡钻是由于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。虽然喷孔、塌孔、堵孔和卡钻是不同现象，但它们又是相互联系的，其中卡钻是严重的打钻事故，往往可能出现扭断钻杆丢失钻头。影响钻进的正常进行，所以在钻进过程中要尽量避免这些现象的发生。3.2预防措施松软煤层钻进过程中所遇到喷孔、塌孔、堵孔和卡钻事故问题，严重影响了钻孔的正常进行，为了减少这些现象的发生，在钻进过程中应做到以下几点： 稳固钻机：钻机底部有垫木垫在实底上，要用立柱控制钻机位置，防止钻机在钻进过程中震动，钻机震动将会造成钻杆在钻进过程中摆动或闪动，形成钻孔偏离中心，孔壁不平直，增加了钻进时的阻力，削弱了前进能力，孔壁受钻杆摆动影响而破坏，增加跨孔、堵孔的形成条件。如果是插接式接头会出现主动钻杆与钻杆插接接头对接困难，增加了辅助时间，影响钻进效率。所以稳固好钻机是钻进前重要环节。 掌握给进压力和钻进速度：钻机的给进压力的极限是固定的，不同层段要掌握不同的给进压力，压力升高的原因是 换层； 孔内出现堵孔； 钻具损坏，断钻头钻杆也会致使压力突然变化。当给进压力突然升高时必须采取果断措施，停止钻进进行排渣或撤钻、退钻排屑或往返进退钻杆，待孔内动力现象平衡后再加尺进钻。钻进速度必须保持适当，在松软煤层钻进过程中，主要是降低钻速。通过降低钻速充分排渣以减少沉渣，同时也起到降低给进压力的作用，所以松软煤层的钻进速度要比硬煤的钻进速度慢。钻进速度和给进压力的掌握，需要针对不同钻机、不同煤层特征和排渣条件进行测试和总结。 如果是用风排粉的方式钻进必须保证风压、风量：在钻进过程中，风量的大小直接关系到钻孔排渣的好坏：风量小，钻孔排渣不好，不仅造成堵孔卡钻，而且会摩擦生热产生高温，甚至会导致钻孔内起火，带来安全隐患。风量大，携带煤粉能力强，孔底干净，有利于钻进。但风量不能过大，风量过大会冲塌孔壁，成孔困难，不利于抽放瓦斯。由于有些矿井的压风系统风压小，不能满足钻孔排粉的需要。因此需要安设空压机和储能包以获得稳定的风压。在钻进时，当发现孔口排渣受阻或风量减少，就要停止向前钻进，直到钻孔掏空后方可继续钻进。尤其是在过软分层时，由于应力和高压瓦斯的作用，会造成瓦斯喷孔、钻杆和钻头前方周围的煤体失去应力平衡，煤粒大量溃散，瓦斯喷孔时所带来的煤粉一时难以排出，从而积聚并堵塞钻孔，造成孔口气流不畅。这时钻杆必须后退，必要时应后退卸掉12根或更多的钻杆进行掏孔，只有在压风和排渣畅通时才能钻进。严禁强打、硬拔、蛮进。当钻孔向煤体深部推进时，由于钻孔的排渣距离长，排渣阻力也相应增加，滞留在钻孔内的沉渣也就越多，孔内的空间也就越少。虽然这时孔内的风速增强，由于空间小，排渣也就少，因此只要发现孔内空间和孔口排渣量减少，必须停止前进，不能蛮进，此时钻杆退退进进、来回捣孔、反复掏空。4工程应用4.1阳泉三矿螺旋排粉钻进2005年11月西安分院钻探研究所在阳泉三矿裕公井7209工作面开始进行松软煤层干式螺旋排粉钻进试验，试验历时22天，钻进了5个孔，成孔5个，最大孔深186.2m，顺利完成试验指标。在使用过程中螺旋排粉正常，钻进过程中前三个试验钻孔的过程中未出现任何钻孔事故，当钻进第四个实验孔时煤层瓦斯突出发生了埋钻事故，但由于所使用的ZDY-4000S钻机能力大，设计的钻杆强度大，所以钻孔事故顺利解决，成功的完成松软煤层钻进试验，解决了松软煤层中难成孔的问题。4.1.1 试验场地位置和煤层条件试验场地位于三矿裕公井7209工作面，工作面走向长834米，倾斜长150米，工作面为3#煤层，煤层稳定、结构简单，煤层总厚为1.1-2.1米，在煤层中上部有一薄层夹石，将煤层分为上下两层：上分层厚0-0.37米，平均为0.16米；夹石厚度为0-0.06米，平均为0.04米；下层厚度1.1-1.9米，平均为1.61米。该煤层属于松软煤层，且软硬分布不均，平均f系数为0.5左右，煤层瓦斯含量较大，绝对瓦斯最大涌出量为40m3/min，相对瓦斯涌出量为32.41 m3/min，回采期间可能会有煤与瓦斯突出现象，有煤尘爆炸危险性，无煤层自然发火倾向性。4.1.2 钻场条件及钻孔参数 钻场在回风巷中，巷道宽4米，巷道高2-2.5米。设计钻孔垂直于回风顺槽，钻孔孔径为150 mm，孔深为200m。在平面上钻孔呈平行间隔布置，钻孔间距为35米，整个工作面总共布置钻孔180个。此次试验钻孔5个，其中4钻孔为钻机能力孔。钻孔布置示意图如下：4.1.3 试验设备及钻进工艺试验设备试验采用ZDY-4000S钻机（性能见表2），螺旋钻杆钻进，螺旋钻杆采用插接式连接。钻具参数如下：钻杆外径： 130mm芯杆直径： 73mm螺旋叶片厚度：6mm螺距 ： 100mm钻杆长度 ： 1.5m 接头处外径不大于85mm钻头采用150mm的三翼螺旋钻头，切削刃采用硬质合金焊接，翼片与钻头体芯轴呈10-15偏角，这样便于岩（煤）粉的导出。钻头前部到锥形导向结构，以避免长孔钻进造成钻孔轨迹偏离。如图7 图 7 实验所用钻杆和钻头钻进工艺a. 首先稳固好钻机，以防钻机在松软煤层中钻进中震动移位。钻机震动将会造成钻杆在钻进过程中摆动或闪动，不但会使钻孔偏离中心，孔壁不平直，进而增加阻力，削弱前进能力，孔壁受钻杆摆动影响而破坏，增加跨孔、堵孔的形成条件，而且主动钻杆与螺旋钻杆插接接头对接困难，增加了辅助时间，影响钻进效率。所以稳固好钻机是钻进前重要环节。此次实验利用液压支腿支在煤层顶板和底板上将钻机固定，效果良好。 b. 作好钻孔设计工作主要是钻孔参数的调整。由于阳泉三矿3#煤层产状和厚度不稳定，钻孔深处往往存在变化，因此必须通过施工钻孔，及时判断钻孔前方的煤层赋存状况。对设计钻孔及时调整参数，经调整参数后施工的钻孔基本能达到设计深度。 c. 钻进过程中控制好钻压、转速。钻机给进压力的极限是固定的，不同层段要掌握不同的给进压力，压力升高的原因是换层；孔内出现堵孔；钻具损坏，断钻头钻杆也会致使压力突然变化。当给进压力突然升高时必须采取果断措施，必须撤钻退钻。钻进速度必须保持适当，软煤分层中钻进主要是降速，通过降速充分排渣，减少沉渣，同时也起到降低给进压力的作用。所以软煤钻进速度要比硬煤慢。 钻进过程中必须观察排渣情况，及时采取退钻措施，经实践我们形成“低压慢速、边进边退、掏空前进”的软煤打钻工艺思路，严格禁止在排渣不顺的情况下强拔硬进，有时可以先停止进退，旋转螺旋钻杆充分排渣，使钻杆活动后再进或再退。针对三矿煤层局部含水，所以在钻进过程中遇水以后，煤层孔内煤粉变成煤泥糊或煤泥团，单纯螺旋钻进达不到孔内通畅的效果，应在不进尺的情况下旋转螺旋钻杆充分排渣。此时决不能强调钻进速度，单纯要进尺，会事与愿违，欲速不达。d. 提高钻工素质，要求钻进工人能够根据钻进过程中给进压力的变化和螺旋钻具排粉状况及时了解孔内的情况，及时调节钻进压力以适应钻进的需要。试验期间共施工钻孔5个，分别为1#、2#、3#、4#、5#，其中4#钻孔为钻机能力孔。钻孔的钻进参数如表2。表 2 钻孔钻进参数参数孔号钻进深度(m)单次钻进效率(m/h)平均钻进效率(m/h)最大钻进效率(m/h)1#159.210.949.1615.702#150.225.9019.0020.003#150.227.8019.5023.004#186.220.6016.2118.805#142.2未统计4.1.4 试验结论及建议通过本次试验可以得出如下结论： 干式螺旋钻进工艺能够满足阳泉三矿3#煤层预抽瓦斯成孔要求，钻机及钻具结构设计合理，螺旋排粉效果好，钻进效率高，单次最高钻进最高达28.57m/h，平均钻进效率19m/h。 试验所采用的ZDY-4000S钻机参数设计合理，大扭矩、大给进力、大起拔力等设计完全可以满足钻进的需要。现场试验中，钻机充分发挥了钻进效率高，处理孔内事故能力强的特点，而且操作简单，安全可靠，解体性好，搬运安装方便，为高效低成本解决煤矿的瓦斯问题创造了必要条件 专门为试验设计的三翼螺旋钻头使用效果好，钻进过程中未出现崩刃、烧钻等现象。 针对松软突出煤层采用干式螺旋钻进可有效避免钻孔喷孔事故的发生，现场工人操作安全。建议： 本次试验钻机未设计夹持器，影响起、下钻杆的速度，建议钻机增加配套夹持器。 根据预抽钻孔的设计特点，钻孔数量多，钻机搬运频繁，建议钻机增加履带移动装置，方便钻机搬运，提高总体施工效率和减少工人劳动强度。 开孔前要加固好钻机，以防钻机在钻进过程中移位，导致主动钻杆和钻杆的插接式接头不能很好的对接，影响钻进效率和成孔效果。 由于试验所采用的钻具为插接式，在安装和拆卸“U”卡时，要用铜锤敲击以免产生火花，带来安全隐患。4.2 峰峰大淑村软煤钻进大淑村矿是高瓦斯矿井，在开采2 #煤时，回采工作面绝对瓦斯涌出最高达20m3/min以上，由于瓦斯抽放效果差，工作面瓦斯超限时有发生，