冲击地压煤层大直径卸压孔快速成孔关键技术_魏宏超.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China Abstract In order to improve the hole ing rate and construction efficiency of large diameter destressing-drillhole in rockburst mine, based on the analysis of the stress characteristics of coal rock in rockburst coal mine, the dynamic instability characteristics of destressing-drillhole and the construction features, the key points for drilling large di- ameter destressing-drillhole, the efficient discharge of cuttings and fast drilling/lifting were proposed. Combining with the discharge of cuttings by dual-power, the technology and equipment for rapidly drilling large diameter destressing-drillhole in rockburst coal seam were ed finally after the design and optimization of key equipment, drilling tools, technology and drilling processes. With the equipment based on the ZDY4000LR rig and the technology including water medium and spiral wide wing drilling pipe, the holes were drilled, safely and efficiently. And the was proved and used at coal mines of Henan Yima and Shaanxi Binchang. The tests show that the large di- ameter pressure-relieving borehole could be constructed efficiently and safely, and the efficiency is increased by 48.9 comparing with high and thin helical blade drilling pipe drilling . The fole-ing rate reached 100, the has high application value and popularization significance. And this can be used for reference in driiling destressing-drillhde in similar coal mines. Keywords rockburst; destressing-drillhole; ZDY4000LR rig; discharge of cuttings by mix-power; Henan Yima coalfield; Shaanxi Binchang coalfield 随着浅部煤炭资源的逐渐枯竭，我国大多数矿 井已进入中深部开采阶段，包括冲击地压在内的各 种动力灾害的发生类型、频率、烈度均有所增加[1]。 截至 2019 年 6 月， 我国正在生产的冲击地压矿井数 量达到了 121 个，广泛分布在山东、黑龙江、陕西 等 20 个省、自治区[2]。煤层大直径钻孔卸压法是一 ChaoXing 第 2 期 魏宏超等 冲击地压煤层大直径卸压孔快速成孔关键技术 21 种通过施工钻孔将积聚高压缩能的煤岩破碎、排出 煤体[1]，实现软化煤岩结构、消除地层应力集中， 从而达到卸压目的。钻孔卸压法因工艺相对简单、 成本低、对生产影响小的优点，占到了冲击地压解 危措施中的近 1/3[3]。 目前，国内针对钻孔卸压法的研究主要集中在 钻孔卸压机理、卸压钻孔布置参数、钻孔参数对卸 压效果影响等方面。贾传洋等[4]通过室内试验研究 孔径、孔间距及孔深等参数对试样强度的影响；马 斌文等[5]研究了钻孔卸压防治煤体冲击地压机理， 推导了钻孔卸压区的边界方程，分析了煤体性质、 钻孔直径及应力环境对钻孔卸压区分布的影响；朱 斯陶等[6]、 王书文等[7]利用能量法分别推导了基于能 量耗散指数的防冲钻孔参数定量计算方法和钻孔防 治冲击地压效果评价方法； 易恩兵等[8]、 刘红岗等[9]、 兰永伟等[10]采用数值方法分析了大直径钻孔卸压效 果和钻孔周围应力分布。 大量文献表明，随着钻孔直径的增大，卸压效 果显著，且涉及的大直径卸压钻孔施工方法多以大 螺旋机械排渣钻进工艺技术为主[2-11]，钻进施工参 数分析与研究较少。基于此，笔者从分析煤层大直 径卸压钻孔施工关键点入手，提出了水介质螺旋宽 翼片双动力排渣成孔工艺方法，并在河南义马矿区 和陕西彬长矿区进行应用，以期提高成孔率和施工 效率，为类似冲击地压矿区提供借鉴。 1 冲击地压矿井掘进巷道煤岩体应力特征 在巷道掘进过程中，工作面与侧帮形成后在张 应力作用下，在近巷道区域煤岩体内部产生延性Ⅰ 型微小裂纹， 其扩展近似平行于最大主应力方向[11]。 裂纹的产生与煤岩体的弹性变形释放了近巷道区域 的岩体压缩能，形成了卸压区残余强度区，该区 域影响范围与煤岩的坚硬系数、弹性极限强度、原 岩最大主应力等参数有关[12]；紧邻卸压区为应力临 界区，在该区域煤岩处于极限破坏临界状态，主应 力差较大； 远离巷道区域原应力区， 岩体在围岩压 力作用下处于高压缩能的应力平衡状态，主应力差较 小，不产生剪切破坏，各应力区域分布如图 1 所示。 随着时间的推移，应力不断传递恢复，卸压区和临 界区随之不断变化减小，巷道不断被挤压缩小。 2 卸压孔孔壁扰动动力失稳特性与过程 在煤层巷道中施工水平卸压钻孔时，孔周围围 岩煤体的自重对钻孔的影响可以忽略不计[10]。在施 工卸压钻孔时，钻孔一次穿过卸压区和临界区进入 图 1 掘进巷道围岩应力区分布示意图 Fig.1 Distribution of stress area in surrounding rocks of excavation roadway 原应力区。 在卸压区内，弹塑性变形与裂隙的产生导致局 部破坏，最大主应力与最小主应力值均较小，剪应 力区域为零，在该区域，煤岩体积压缩量较小，钻 孔施工排除的煤岩粉体积略微大于钻孔体积。 在临界区内，最大主应力接近上覆岩层重力与 构造应力之和，剪应力处于极限平衡状态。钻孔施 工至该区域时，钻头切削排除的煤岩粉体积大于钻 孔体积，其比值正相关于最大主应力值与煤岩弹性 压缩系数比值；此时，孔壁最小主应力减小，剪应 力极限平衡状态被打破，孔壁及其周围一定范围内 煤岩瞬间发生剪切破坏，大量孔壁破碎煤岩块体瞬 间进入钻孔；随着孔壁的不断破坏，卸压区域不断 扩大，逐渐趋于应力平衡，产生的扩孔系数可以达 到 1.732.44[13]。 在原应力区，最大主应力与最小主应力值均较 高，煤岩体处于稳定状态。钻孔施工至该区域时， 钻头切削排除的煤岩粉体积大于钻孔体积，孔壁产 生剪应力破坏，破碎范围不断扩大，大量破碎煤岩 块体进入钻孔。 综上所述，在施工卸压钻孔时，由钻头破碎煤 岩产生的煤岩碎块钻屑体积远小于孔壁失稳剪切 破坏产生的煤岩碎块，施工卸压钻孔的目的在于 形成将破碎煤岩搬运出煤体的通道；将临界区应力 消除，在原应力区形成新的临界区；扩大卸压区范 围，减缓原始应力的恢复。 3 关键技术 通过分析冲击地压煤层施工卸压孔孔壁应力失 稳过程可知在卸压钻孔施工过程中，钻孔内在短 时间产生大量的煤岩碎块，这与文献[14-16]描述的 在施工过程中出现的情况一致。 在施工卸压钻孔时， 孔壁失稳产生大量的煤岩碎块， 其体积远大于普通钻 孔中仅在钻头破碎岩石时产生的钻屑。 因此， 大直径 卸压钻孔安全、 高效成孔的关键在于将连续产生的大 量煤岩碎块高效排出钻孔以及快速钻进与提钻。 ChaoXing 22 煤田地质与勘探 第 48 卷 3.1 排渣技术 煤矿井下近水平钻孔施工排渣方式主要有螺 旋排渣、水介质排渣和风介质排渣[17]。宽翼螺旋与 风介质相结合的中风压复合排渣技术已成为目前碎 软突出煤层的主要施工方法，有效解决了碎软突出 煤层消突钻孔孔壁扰动失稳产生的大量煤粉难排除 的问题。而冲击倾向性煤层在卸压后能够达到自稳 定状态，受冲洗介质扰动很小，因此，宽翼螺旋与 水介质相结合的双动力复合排渣方法，能够实现煤 岩碎块的快速排出要求。 同时，水的悬浮作用减小了煤岩碎屑的有效重力， 在高速旋转的钻杆宽翼片搅动振动下，大颗粒的碎屑 在钻杆周围“液化”， 形成悬浮颗粒流体， 加快了煤岩碎 屑的有效排出。此外，水还具有软化煤岩体、弱化冲 击倾向的作用[18]，进一步增强了该方法的适用性。 3.2 工艺流程 普通钻孔煤岩碎块主要是由钻屑组成，冲击地 压煤层卸压钻孔施工过程中，煤岩碎块主要是由于 钻孔孔壁失稳破坏产生，具有量大、连续产生的特 点。在施工过程中，接钻杆停钻成为孔内煤岩碎块 大量淤积、卡/埋钻的主要原因。因此，连续钻进或 最大限度缩短接钻杆时间成为防止卡钻、埋钻的主 要手段。 由于煤矿井下作业空间有限， 通孔式全液压 坑道钻机大多采用人工后部接钻杆的形式， 需要完成 “停钻–卸送水器–接钻杆–连接送水器–送水–钻进”的 接钻杆工艺流程， 如采用中间加钻杆的流程， 避免了 “卸送水器” “连接送水器”两个步骤， 极大地减少了停 钻时间。同时，利用动力头的大通孔结构，采用动力 头卡盘与夹持器配合， 在动力头后部完成将钻具快速 提出钻孔，有效减少卡钻、埋钻事故的发生。 综上，形成了水介质螺旋宽翼片双动力排渣高 效成孔工艺，其方法原理如图 2 所示。 1送水器；2钻机；3宽翼片螺旋钻杆；4PDC 钻头 图 2 水介质螺旋宽翼片双动力快速成孔工艺原理 Fig.2 Technological schematic diagram of rapidly drilling by water medium and spiral wide wing drilling pipe 4 装备与配套 4.1 钻 机 为实现中间快速夹持钻杆、高效排渣，试验选 用 中 煤 科 工 集 团 西 安 研 究 院 有 限 公 司 生 产 的 ZDY4000LR 型履带式全液压坑道钻机图 3。该钻 机的特点有① 轨道行程达到 1.25 m，实现了中间 夹持 1 m 规格及以下钻杆的功能； ② 常闭式夹持器 可与卡盘协同实现机械拧/卸钻杆， 同时配合 110 mm 大通孔动力头，可从动力头后部快速钻进。该钻机 的主要技术参数见表 1。 图 3 ZDY4000LR 型全液压坑道钻机 Fig.3 ZDY4000LR full hydraulic underground drill rig 表 1 ZDY4000LR 型钻机主要技术参数 Table 1 Technical parameters of ZDY4000LR rig 技术指标 参 数 额定转矩/Nm 4 000700 额定转速/rmin–1 120400 主轴倾角/ –9090 给进或起拔行程/mm 1 250 钻孔高度调节/m 1.452.55 额定功率/kW 55 4.2 钻 具 宽翼片螺旋与水介质相结合的工艺方法实现的 关键在于钻杆的结构与形式，选用 89/73 mm 规格 宽翼片螺旋钻杆，如图 4 所示。宽翼片设计保障了 煤岩破碎块的排出通道，同时螺旋翼片在回转作用 下将大颗粒煤岩破碎块搅动起来，再在水流的作用 下快速、高效从孔内排出。 钻头可选用与之配套的 153 mm 以上型号 即可。 图 4 89/73 mm 宽翼片螺旋钻杆 Fig.4 The spiral wide wing drilling pipe of 89/73 mm 5 应用实例 5.1 河南义马 A 矿 该矿 2 号煤层埋深 710840 m，煤样的动态破 坏时间为 79.9 ms，冲击能量指数为 3.25，弹性能指 数为 9.88，为弱冲击倾向性煤层。项目组在该矿 ChaoXing 第 2 期 魏宏超等 冲击地压煤层大直径卸压孔快速成孔关键技术 23 21220 下巷采用ZDY4000LR 型钻机、“193/153/133 mm PDC 钻头 89/73 mm 宽翼片螺旋钻杆”钻具组合， 以清水为冲洗介质， 施工了 4 组 21 个大直径卸压钻 孔，钻孔参数见表 2。 采用“中间夹持钻杆”钻进工艺流程，将钻进接 单根钻杆时间由 23 min 缩短至 35 s 以内，减少了 钻具静置时间；通过宽翼片螺旋钻杆高转速快速搅 动、大扭矩高效排渣两个模式切换，调节钻进速度， 将回转压力控制在 12 MPa 以内，有效保障了孔内 煤渣的顺畅排出，施工过程中未发生埋/卡钻事故， 153 mm钻孔深度提高至40 m， 平均单孔孔径153 mm、 孔深 40 m施工用时仅为 102.75 min。 表 2 河南义马 A 矿 21220 下巷大直径卸压钻孔施工统计 Table 2 Statistics of large-diameter destressing drillholes in lower roadway 21220 in mine A in Yima of Hena 序号 钻头直径/mm 孔深/m 数量/个 单孔平均用时/min 平均煤炮响声/次 1 133 40 1 145.00 47.00 2 153 40 18 102.75 14.75 3 153 50 1 192.00 6.00 4 193 40 1 122.00 5.00 采用钻屑法对 4 组大直径卸压钻孔卸压效果进 行测评图 5， 结果表明巷道迎头地层压力满足巷道 继续掘进要求。 图 5 钻屑法检测曲线 Fig.5 Testing curves of drilling cuttings 5.2 陕西彬长矿区 B 矿 该矿 4 号煤层埋深 8001 250 m， 煤样动态破坏 时间为 278.40 ms，冲击能量指数上分层/下分层 为 3.20/2.98，弹性能指数上分层/下分层为 13.36/ 11.54， 单轴抗压强度上分层/下分层为 20.5/18.2 MPa， 为强冲击倾向性煤层。采用 ZDY4000LR 型钻机、 “153 mm PDC 钻头 89/73 mm 宽翼片螺旋钻杆” 钻具组合，以清水为冲洗介质的水介质螺旋宽翼片 双动力排渣工艺方法A， 在该矿一盘区辅运巷施工 了 298 个大直径卸压钻孔；采用大螺旋机械排渣钻 进工艺方法B施工了 136 个大直径卸压钻孔，钻孔 参数见表 3。 施工过程中，采用“中间夹持钻杆”钻进工艺流 程和高转速/大扭矩切换操作，冲洗液排量控制在 100120 L/min，旋转的 89/73 mm 宽翼片螺旋钻杆 产生的振动作用，使得大块煤渣有效粒径大于等于 10 mm在冲洗液中悬浮，随着冲洗液流动快速排出 钻孔，达到了高效排渣效果。 与大螺旋机械排渣钻进工艺方法B相比，该工 艺方法施工进尺效率可提高 48.9，且钻孔事故率 大大降低。 表 3 陕西彬长 B 矿一盘区辅运巷大直径卸压钻孔施工统计 Table 3 Statistics of large-diameter destressing drillholes in the auxiliary transport roadway in No.1 panel of mine B in Bin- chang of Shaanxi 工艺方法 序号 钻孔类型 钻头直径 /mm 钻孔数/个总进尺/m 最大孔深/m平均孔深/m 单班综合进尺/m 1 侧帮孔 153 203 5 678.5 99 27.97 2 底板孔 153 89 586.0 8 6.58 A 3 超前卸压孔 153 6 393.0 86 65.50 71.23 1 侧帮孔 153 38 608.0 16 16.00 B 2 底板孔 153 98 540.0 6 5.51 47.85 6 结 论 a. 通过对冲击地压矿井煤岩体应力特征、卸压 孔孔壁扰动动力失稳特性分析， 对比普通钻孔施工， 确定了冲击地压矿井大直径卸压钻孔施工的关键在 于高效排渣、快速钻进与提钻。 b. 现场试验表明采用 1.25 m 行程轨道和大 通孔动力头的 ZDY4000LR 型钻机、以清水为冲洗 介质、配套宽翼片螺旋钻杆的水介质螺旋宽翼片双 动力排渣成孔工艺方法，较大螺旋机械排渣钻进工 艺，施工大直径卸压钻孔具有较高的成孔率和施工 效率，成孔率达到 100，最大孔深可达到 99 m， 具有较高的实用价值。 c. 以水为冲洗介质与螺旋宽翼片钻杆相结合 ChaoXing 24 煤田地质与勘探 第 48 卷 施工方法的排渣机理和适用性有待进一步深入研究 与验证。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 潘俊锋. 煤矿冲击地压启动理论及其成套技术体系研究[J]. 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