松软突出煤层沿顶钻进提高钻进深度方法研究.pdf

第 ４２ 卷第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术Ｖｏｌ􀆱 ４２ Ｎｏ􀆱 ５ ２０１４ 年５ 月Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＭａｙ ２０１４ 安全技术及工程 松软突出煤层沿顶钻进提高钻进深度方法研究 宋维宾ꎬ孙玉宁ꎬ王永龙ꎬ王振锋 河南理工大学 能源科学与工程学院ꎬ河南 焦作 ４５４０００ 摘 要为解决松软突出煤层钻孔过程中出现的钻孔变形、卡钻的难题ꎬ提出了沿顶钻进提高钻进深 度的方法ꎬ建立了沿顶钻进力学模型ꎬ采用数值分析的方法对比钻孔开挖后ꎬ钻孔变形、应力以及钻孔 周边塑性屈服范围变化情况ꎬ结果表明沿顶钻进方法能够有效减少钻孔上方变形量和最大主应力ꎬ 同时ꎬ钻孔周边的塑性屈服范围明显缩小ꎮ 在工程应用中ꎬ应根据施工地点松软突出煤厚变化等情况 设计沿顶钻进工艺方式ꎬ以提高钻孔深度ꎮ 关键词松软突出煤层ꎻ沿顶钻进ꎻ瓦斯抽采ꎻ钻孔 中图分类号ＴＤ７１３ 文献标志码Ａ 文章编号０２５３－２３３６２０１４０５－００３４－０３ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｄｅｐｔｈ ｉｎ Ｓｏｆｔ Ｏｕｔｂｕｒｓｔｉｎｇ Ｃｏａｌｂｅｄｓ ｗｉｔｈ Ｒｏｏｆ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ ＳＯＮＧ Ｗｅｉ￣ｂｉｎꎬＳＵＮ Ｙｕ￣ｎｉｎｇꎬＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ￣ｌｏｎｇꎬＷＡＮＧ Ｚｈｅｎ￣ｆｅｎｇ Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｅｎａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ ＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉａｏｚｕｏ ４５４０００ꎬＣｈｉｎａ ＡｂｓｔｒａｃｔＩｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｔｈａｔ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅａｓｙ ｓｔｉｃｋｉｎｇ ｗｈｅｎ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｓｏｆｔ ｏｕｔｂｕｒｓｔ ｓｅａｍꎬｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｎｈａｎｃｉｎｇ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｄｅｐｔｈ ｗｉｔｈ ｒｏｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ.Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｏｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ.Ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｓｔｒｅｓｓꎬａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｙｉｅｌｄ ｒａｎｇｅ ａｒｏｕｎｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ａｆｔｅｒ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｗｅｒｅ ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ.Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｍｅｔｈ￣ ｏｄ ｃｏｕｌｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｍａｘｉｍｕｍ ｐｒｉｎｃｉｐａｌ ｓｔｒｅｓｓ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｔｏｐ ｏｆ ｂｏｒｅｈｏｌｅꎬａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｓｔｉｃ ｙｉｅｌｄ ｒａｎｇｅ ａｒｏｕｎｄ ｂｏｒｅｈｏｌｅ ｗａｓ ｒｅｄｕｃｅｄ ｏｂｖｉｏｕｓｌｙ.Ｔｈｅ ｒｏｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｓｏｆｔ ｏｕｔｂｕｒｓｔｉｎｇ ｃｏａｌｂｅｄｓ ｉｎ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｉｔｅｓꎬｓｏ ａｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｄｅｐｔｈ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓｓｏｆｔ ｏｕｔｂｕｒｓｔｉｎｇ ｃｏａｌｂｅｄｓꎻｒｏｏｆ ｄｒｉｌｌｉｎｇꎻｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅꎻｂｏｒｅｈｏｌｅ 收稿日期２０１４－０１－１５ꎻ责任编辑王晓珍 ＤＯＩ１０.１３１９９/ ｊ.ｃｎｋｉ.ｃｓｔ.２０１４.０５.００９ 基金项目“十二五”国家科技支撑计划资助项目２０１３ＢＡＡ０３Ｂ０２ꎻ河南理工大学博士基金资助项目６０２０７００２ 作者简介宋维宾１９７６ꎬ男ꎬ河南洛阳人ꎬ博士研究生ꎮ 通信作者王永龙ꎬＥ－ｍａｉｌｗｗｙｙｌｏｎｇ＠ １２６􀆱 ｃｏｍ 引用格式宋维宾ꎬ孙玉宁ꎬ王永龙ꎬ等.松软突出煤层沿顶钻进提高钻进深度方法研究[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２０１４ꎬ４２５３４－３６ꎬ４０. ＳＯＮＧ Ｗｅｉ￣ｂｉｎꎬＳＵＮ Ｙｕ￣ｎｉｎｇꎬＷＡＮＧ Ｙｏｎｇ￣ｌｏｎｇꎬｅｔ ａｌ.Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｅｎｈａｎｃｉｎｇ Ｄｒｉｌｌｉｎｇ Ｄｅｐｔｈ ｉｎ Ｓｏｆｔ Ｏｕｔｂｕｒｓｔｉｎｇ Ｃｏａｌｂｅｄｓ ｗｉｔｈ Ｒｏｏｆ Ｄｒｉｌｌ￣ ｉｎｇ[Ｊ].Ｃｏａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ２０１４ꎬ４２５３４－３６ꎬ４０. ０ 引 言 在松软突出煤层中施工钻孔ꎬ钻孔变形量大ꎬ易 形成钻穴ꎬ造成卡钻ꎬ钻进工作难以进行[１]ꎮ 多年 来ꎬ松软突出煤层钻进问题一直是困扰工程技术人 员的难题ꎬ国内外对此问题进行了各种技术途径的 探索试验ꎬ取得了一定的成果ꎮ 孙玉宁等发明了缓 解卡钻的扒孔降温钻具[２－３]和低螺旋钻杆[４]ꎻ凌标 灿等[５]应用三棱钻杆进行了试验研究ꎬ棱状钻具能 够发挥钻杆的扬渣作用ꎬ一定程度上提高了软煤钻 进效果ꎻ针对松软突出煤层稳定性差ꎬ钻孔施工中容 易出现喷孔、垮孔和卡钻等异常现象ꎬ殷新胜等[６] 提出松软突出煤层中风压空气钻进工艺方法ꎮ 上述 研究主要集在钻进装备方面ꎬ对于提高松软煤层的 钻进深度ꎬ缓解松软煤层的钻进问题具有一定的推 动作用ꎮ 但由于我国煤层条件复杂多变ꎬ一些钻进 工艺方法仅适应于局部地区ꎬ对于钻孔变形严重ꎬ卡 钻情况频发的地段ꎬ仍然无法解决[７－９]ꎮ 为此ꎬ笔者 提出了沿顶钻进方法ꎬ即首先沿煤层顶板施工第 １ 排钻孔ꎬ采取由上向下顺序施工钻孔的方法ꎮ 为验 证该方法可行性ꎬ建立沿顶钻进力学模型ꎬ采用数值 分析的方法ꎬ分析钻孔开挖后ꎬ钻孔的变形、应力及 ４３ 宋维宾等松软突出煤层沿顶钻进提高钻进深度方法研究２０１４ 年第 ５ 期 钻孔周边的塑性屈服范围变化情况ꎮ 结合工业性试 验ꎬ在松软突出煤层应用沿顶钻进方法ꎬ验证沿顶钻 进工艺方法提高松软突出煤层钻进深度的可行性ꎮ １ 沿顶钻进施工方法 为避开松软突出煤层钻穴位置ꎬ提高钻进深度ꎬ 提出沿顶板施工钻孔ꎬ即在软硬分层中间实施钻孔ꎬ 以强度相对较高、力学综合性能较稳定的顶板岩层 为保护ꎬ减小钻孔变形量图 １ꎮ 在工作面上方施 工挑顶钻场ꎬ钻孔沿顶板施工ꎬ绝大多数顶板岩层较 稳定ꎬ沿顶板施工密集钻孔ꎬ形成上排钻孔卸压层ꎬ 缓解和降低下排钻孔受力ꎬ由上向下施工钻孔ꎮ 图 １ 沿顶钻进施工方法 ２ 数值模拟分析 ２􀆱 １ 计算模型及煤岩力学参数 １基本假设ꎮ 设煤层围岩为均质、各向同性弹 塑性材料ꎬ服从摩尔－库仑强度准则ꎮ 钻孔断面为 圆形ꎬ且钻孔沿轴向长度较长ꎬ当埋深不小于 ２０ 倍 开挖巷道半径时ꎬ可忽略巷道影响范围内岩石的重 力ꎬ可将开挖问题简化为平面应变模型分析[１０－１１]ꎮ ２计算模型ꎮ 基于弹塑性变形理论ꎬ采用有限 元方法ꎬ应用 Ｐｈａｓｅ２ 软件ꎬ对钻孔开挖进行数值模 拟ꎬ在煤层钻进工程中ꎬ采用 ９４ ｍｍ 钻头施工ꎬ平 均成孔直径为 １００ ｍｍꎬ煤层埋深为 ５００ ｍꎮ 假设在 煤层同一平面施工密集钻孔ꎬ建立煤层介质中钻进 和沿煤层顶板钻进 ２ 种计算模型[１２－１３]ꎬ图 ２ 为钻孔 计算模型ꎬ模型尺寸为 ２􀆱 ５ ｍ１􀆱 ５ ｍꎬ在模型中设置 ５ 个钻孔ꎬ钻孔之间间距相同ꎬ平行布置ꎮ 图 ２ｂ 中 的 ＡＢ 线为钻孔煤层与岩层分界线ꎬ同时为 ５ 个平 行钻孔的公切线ꎮ 煤岩力学参数见表 １ꎮ 图 ２ 钻孔计算模型 ２􀆱 ２ 计算结果分析 １钻孔变形量ꎮ 基于数值模拟计算结果ꎬ提取 观测线 ＡＢ 计算结果的变形量数据图 ３ａꎮ 图 ３ａ 为钻孔的变形量沿观测线长度变化趋势ꎬ在钻孔的 正上方ꎬ变形量达到最大值ꎬ煤孔的最大变形量为 ６１０ ｍｍꎬ沿顶钻孔的最大变形量为 ２ ｍｍ 左右ꎬ煤 孔变形量为沿顶钻孔变形量的 ３５ 倍ꎬ可见采取沿 顶钻孔方案ꎬ可有效减小钻孔的变形ꎬ保障钻孔有更 为充足的排渣空间ꎬ降低钻孔发生堵塞的概率ꎮ 表 １ 煤岩力学参数 岩性 弹性模量/ ＭＰａ 抗压强度/ ＭＰａ 内摩擦 角/ 黏聚力/ ＭＰａ 软煤１ １２６１􀆱 ０７２０􀆱 １０􀆱 ６２ 泥岩２ １０４２􀆱 ３９２７􀆱 １０􀆱 ９４ 图 ３ 变形量、最大主应力沿观测线长度变化趋势 ２钻孔应力分析ꎮ 图 ３ｂ 为最大主应力沿观测 线长度变化趋势ꎮ 图 ３ａ 中的变形量较大区域ꎬ在图 ３ｂ 中为卸压区ꎬ即应力降低区ꎬ沿顶钻孔方式在钻 孔顶部形成较低的应力带ꎬ表明以强度相对较高、力 学综合性能较稳定的顶板岩层为保护ꎬ减小钻孔变 形量的方法是科学有效的ꎻ沿钻孔正上方切点位置 向两侧延伸ꎬ同一位置ꎬ沿顶钻进钻孔最大主应力比 煤孔的最大主应力略大ꎬ表明对于 ２ 种不同力学性 能的材料交接面处存在着应力集中现象ꎬ但并不影 响沿顶钻进施工方法的作用ꎮ ３钻孔塑性范围分析ꎮ 钻孔壁周边受剪切破 坏、拉伸破坏共同作用ꎬ沿孔壁径向向里延伸以剪切 破坏为主ꎮ 整体上煤孔上方形成了较大范围的塑性 区ꎬ其结果致使钻孔上方整体变形严重ꎬ钻孔易失稳 破坏ꎻ而沿顶钻孔的塑性区范围整体较小ꎬ且在钻孔 受力最为薄弱的正上方形成应力较小的保护区ꎬ可 见沿煤层顶板施工钻孔ꎬ可有效防止钻孔顶部岩体 ５３ ２０１４ 年第 ５ 期煤 炭 科 学 技 术第 ４２ 卷 屈服、破坏ꎬ从而保证了钻孔顶部的完整性ꎮ ３ 沿顶钻进施工方案设计 由于我国煤层条件复杂多变ꎬ煤厚的变化对沿 顶钻进施工方案的设计具有重要影响ꎬ因此ꎬ根据煤 厚变化对沿顶钻进施工方案进行了设计分析[１４]ꎮ ３􀆱 １ 煤厚均匀时的沿顶钻进施工 当煤厚均匀ꎬ顶板条件好ꎬ沿顶板能够施工 １ 排 较深的钻孔ꎬ钻孔下方煤层形成卸压松散区图 ４ꎬ 由于其施工原理与解放层开采类似ꎬ因此ꎬ也可称之 为“煤孔解放层”ꎬ钻孔施工由上向下进行ꎮ 图 ４ 沿顶钻进形成卸压松散区 ３􀆱 ２ 煤厚变化不均时的沿顶钻进施工 当遇煤厚变化不均、构造多、突出危险性强的煤 层时ꎬ因顶板条件差ꎬ直接沿煤层顶板钻进困难ꎬ钻 杆容易弯曲变向ꎬ难以达到设计深度ꎬ应根据煤厚变 化情况考虑沿顶钻进的施工设计方案ꎮ 如ꎬ当沿掘 进方向煤厚逐渐变薄时ꎬ可由上向下设计施工多排 钻孔图 ５ꎬ当第 １ 排钻孔未达到设计深度ꎬ遇顶板 岩层时ꎬ施工下一排钻孔ꎬ钻孔上下的间距和左右间 距要合理ꎬ距离不能太小ꎬ否则会降低煤层的整体强 度ꎬ增加煤层的突出危险性ꎻ间距也不能过大ꎬ否则 达不到预定的消突效果ꎮ 钻孔之间的间距要根据煤 层的地质条件进行合理分析确定ꎬ如煤体普氏系数、 瓦斯压力、瓦斯含量和煤层埋深等因素ꎮ 图 ５ 沿顶钻进施工双排钻孔 ４ 工程应用分析 １平煤集团八矿掘进工作面煤层夹矸、喷孔、 煤炮等动力现象十分严重ꎬ部分钻孔煤渣量超过数 吨以上ꎬ具有较强的突出危险性ꎮ 采用常规方法施 工钻孔深度仅 ２５ ｍ 左右ꎬ应用沿顶板钻进工艺由上 向下分层钻进的施工方法ꎬ平均深度提高到 ５４ ｍꎮ ２童亭煤矿掘进工作面煤层普氏系数约 ０􀆱 ２ꎬ 煤体酥软ꎬ属“构造鸡窝煤”ꎬ采用常规方法施工钻 孔ꎬ钻进深度很难突破 １５ ｍꎬ并且在钻进过程中ꎬ喷 孔、卡钻严重ꎬ因此ꎬ沿顶板开挑顶钻场ꎬ实施沿顶钻 进ꎬ第 １ 个钻孔突破 ４０ ｍꎬ沿顶实施第 １ 排钻孔后ꎬ 由上向下分层钻进ꎬ平均钻进深度超过了 ３０ ｍꎮ 综上所述ꎬ沿顶钻进工艺方式ꎬ能够有效提高复 杂条件工作面的钻进深度ꎬ是解决松软突出煤层无 法施工钻孔的有效技术手段ꎮ 该工艺尽管有时需要 施工沿顶钻场ꎬ为钻进增加了一定的施工量ꎬ但相对 于开采保护层消突方法ꎬ经济效益十分明显ꎮ ５ 结 论 １基于弹塑性理论ꎬ结合摩尔－库仑强度准则ꎬ 对钻孔开挖进行数值计算ꎬ发现沿顶钻进方法能够 有效减少钻孔上方的变形量ꎬ降低钻孔周边最大主 应力ꎬ同时ꎬ钻孔周边的塑性屈服范围明显缩小ꎮ ２根据煤厚变化情况ꎬ将沿顶钻进分为 ２ 种情 况ꎬ煤厚均匀时ꎬ直接采用由上而下的沿顶钻进工 艺ꎻ煤厚变化不均时ꎬ可施工深度不同的交替沿顶钻 孔ꎬ从而起到相同的作用ꎮ ３由工业性试验结果可知ꎬ沿顶钻进工艺方式 能够有效提高复杂条件工作面的钻进深度ꎬ是解决 松软突出煤层无法施工钻孔的有效技术手段ꎮ ４沿顶钻进工艺具有较强的实用性ꎬ方法简 单ꎬ效果明显ꎬ对于一些较为复杂的危险地段ꎬ应清 楚掘进工作面的各项地质参数及煤层变化趋势ꎬ以 便设计恰当的沿顶钻进工艺ꎬ使钻进深度提高ꎮ 参考文献 [１] 孙玉宁ꎬ王永龙ꎬ翟新献ꎬ等.松软突出煤层钻进困难的原因分 析[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０１２ꎬ３７１１１７－１２１. [２] 孙 玉宁. 突 出煤 层 扒 孔 降 温 钻 具 及 其 钻 进 方 法 中 国ꎬ ＣＮ１０１１３１０６９[Ｐ].２００８－０２－２７. [３] 王永龙ꎬ翟新献ꎬ孙玉宁.刻槽钻杆应用于突出煤层钻进的合理 参数研究[Ｊ].煤炭学报ꎬ２０１１ꎬ３６２３０４－３０７. [４] 王永龙ꎬ孙玉宁ꎬ翟新献ꎬ等.松软突出煤层新型钻进技术研究 [Ｊ].采矿与安全工程学报ꎬ２０１２ꎬ２９２２８９－２９４. [５] 凌标灿ꎬ戴世鑫ꎬ曹承平ꎬ等.三棱钻杆在中软煤层顺层瓦斯抽 排钻孔的应用[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２００９ꎬ３７１０４４－４６ꎬ１１１. [６] 殷新胜ꎬ凡 东ꎬ姚 克ꎬ等.松软突出煤层中风压空气钻进工 艺及配套装备[Ｊ].煤炭科学技术ꎬ２００９ꎬ３７９７２－７４. [７] 孙玉宁.本煤层瓦斯抽采成孔与封孔技术研究[Ｄ].焦作河南 理工大学ꎬ２００８. 下转第 ４０ 页 ６３