全断面钻机在阳煤平舒矿底抽巷穿层孔施工中的应用

引言

阳煤集团为治理掘进工作面瓦斯,消除突出危险性,确保航道安全掘进,在高瓦斯、松软、低透气性工作面中采用底抽巷穿层钻孔煤巷条带瓦斯预抽技术。在距煤巷底板一定距离的岩层内,先掘出一条岩石巷道,利用岩巷超前掩护保护煤巷顺槽做钻孔布置,在岩巷内向待掘煤层巷道位置及其周边规定区域施工钻孔预抽瓦斯。

1施工现场条件

1.1矿井概况

阳煤集团平舒煤矿温家庄井田位于寿阳县北部的温家庄乡,行政区划属山西省晋中市寿阳县。温家庄井田东西最长9.87km,南北最宽5.57km,面积27.8439km2。矿井采用斜井开拓方式,设计生产能力3.0Mt/a,采煤方法为走向长壁综采,划分两个水平煤层组分别开采,第1水平设在8#煤层底板中,标高＋787m:第2水平设在15#煤层底板中,标高＋700m。初期开采8#和15#煤层。矿井现采用中央分列式通风方式,通风方法为抽出式。根据相关资料,平舒煤矿8#和15#煤层均为突出煤层,矿井属于煤与瓦斯突出矿井。

1.2地质条件

81115工作面总体形态简单,为北高南低的单斜构造,81#煤层倾角界于29+109之间,平均为~9。直接顶为砂质泥岩,厚度为5.25m:直接底为泥岩、82#,厚度为3.38m:老顶为细粒砂岩,厚度为2.315m:老底为砂质泥岩,厚度为1.~4m,具体如图1所示。

1.3施工场地

试验场地布设在81115工作面底抽巷内:81115工作面回风底抽巷位于平舒矿中央盘区,从81115底抽巷第八横贯开口,开口后先水平施工30m,再沿89下山施工97.7m后沿61砂岩底板随层掘进,南北向布置,巷道设计长度18~7m,巷道断面为矩型,巷道规格为3.2m高、4.~m宽。该底抽巷施工穿层钻孔用于抽采81#煤层瓦斯 , 该区域81#煤层平均厚度为2 .2~ m, 煤层平均倾角为~9 ,平均瓦斯含量12.89 m3/t。矿井瓦斯地质图显示该区域内81#煤层瓦斯压力最大值为2 .0 MKa , 最小值为1 .0 MKa ,属于突出煤层危险区。

2 钻场布置和钻孔设计

2. 1 钻场布置

81115底抽巷道设计长度为1 8~7 m ,巷道断面为矩型 ,巷道规格为3.2 m(P) ×4.~ m(H) , 穿层孔钻场布设如图2所示 ,钻机安放在巷道中央。1号钻场在距离回风巷迎头约150 m处, 向 前每间隔10m做布置一个钻场 ,该底抽巷共设置了150个钻场。

2.2 钻孔设计

底抽巷瓦斯抽采钻孔布置基本参数如下:

(1)81115工作面底抽巷"以岩保煤"穿层钻孔按照5m×~ m(倾向×走向)布置 ,在81115工作面底抽巷内施工。

(2)81115工作面回风底抽巷设计施工150组穿层钻孔 ,每组有13个钻孔 ,终孔点间距设置为5 m ,每组穿层孔设计钻进工程量为270 m ,共计40 500 m钻进工程量:钻孔控制煤巷及其两帮轮廓线外15 m范围内煤层瓦斯抽采。

(3)原始煤层瓦斯压力测定孔 、含量测定孔每个评价单元布置两组 ,效检孔每隔100 m一组(每组3个) 。

81115工作面底抽巷单个钻场内穿层钻孔在剖面上的设计参数如图3所示。

3 施工配套装备及工艺

3. 1 钻机

施工钻机为wZY35001O型全液压动力头式履带钻机(图4) ,该款钻机是一种多种用途的履带自行式坑道钻机 , 能够满足井下瓦斯抽放孔、地质异常勘探孔、探放水孔、卸压孔及煤体注水孔等多种类型工程孔的施工 ,也可在地面勘探作业中使用。ZDy350010型煤矿用履带式全液压坑道钻机具有低转速、大扭矩的参数特点 ,适于采用PDC复合片钻头配合螺旋钻具施工大直径钻孔 ,可在煤矿井下顶底板稳定中硬岩煤层中施工深度350 m以内的钻孔及直径小于200 mm的近水平瓦斯抽放钻孔。

与其他常规分体钻机、履带钻机相比 ,ZDy350010型钻机在以下几方面具有突出的技术优势(表1) :

(1)钻机开孔倾角调节方便且范围大 ,可在±90o范围内机械化调整 ,一次稳固即能满足全断面钻孔施工要求。

(2)钻机外形尺寸小 ,最大宽度小于1.3 m、不可拆卸高度不大于1.6 m ,结构紧凑 ,对狭窄巷道适应能力更强。

(3)开孔方位调节方便 ,方位角可在0o~360o内自动调整 ,能满足巷道两侧帮及迎头各种角度钻孔施工需求。

(4)开孔高度调整范围大 ,钻机开孔高度调整范围为1.45~2.55 m ,可满足顶板、迎头排孔、跨皮带施工钻孔等要求。

(5)液压系统保护装置完备 ,钻机工作的可靠性更高 ,液压元件采用进 口 、国产先进定型产品 , 性能稳定可靠 , 通用性强。

3.2 钻头与钻杆

配套用钻头为小113mm三翼弧角抛物线PDC胎体式钻头 ,钻杆为小73mm摩擦焊接式外平钻杆 ,实物如图5、图6所示。

小113 mm三翼弧角抛物线PDC胎体式钻头是针对目前常规PDC钻头施工顶底板硬岩层时存在钻进效率低 、使用寿命短的问题而研制的 。三翼弧角抛物线PDC胎体式钻头在吸收 PDC石油钻头设计和加工理念的基础上 ,利用错峰布齿原理 ,采用等磨损原则 ,使钻头上PDC片均匀磨损 , 防止钻头因单个 PDC片过早损坏而报废 ,从而延长PDC钻头使用寿命:采用分层错峰布齿技术 ,实现了多轨道、分层等体积切削岩石 ,钻进阻力小 ,重复破碎少 ,从而明显提高了钻进效率。

小73 mm摩擦焊接式外平钻杆 ,长度1 m/根 。该钻杆由公 接头、母接头和杆体三部分组成 ,其中公、母接头体通过摩擦焊接方式与中间杆体构成一个整体 ,具有强度高、连接可靠、拧卸方便等特点。外平钻杆与钻渣和孔壁之间的摩擦阻力小 ,利于处理卡、埋钻等孔内事故 。使用清水作为排渣介质时 ,钻杆外表面对排渣形成的阻力相对较小 ,有利于孔内清洁。使用结果表明:小73mm摩擦焊接式外平钻杆具有良好的综合机械性能 ,钻杆接头螺纹经过表面硬化处理 ,具有良好的抗粘扣性能 ,施工过程中未出现变形、断裂、粘扣等损坏现象。

3.3 钻进工艺参数及钻具组合

钻进工艺参数包括钻压、转速和泵量 ,三者在一定条件下相互影响 ,须调整相应的钻进工艺参数 , 即选用合适的钻压 、转速和泵量才能取得良好的钻进效果 。此次钻孔施工设计最大深孔为33.07 m ,实际施工钻孔最深为37 m ,属浅孔。

钻具组合分别为:小113mm三翼弧角抛物线PDC胎体式钻头＋小73 mm摩擦焊接式外平钻杆＋小73mm水便。

4 现场试验

4. 1 施工数据统计

抽取底抽巷瓦斯抽采穿层孔工程在81115底抽巷完成的穿层孔9组共102个 ,累计进尺2 194 m ,进行数据统计和效率分析。其中 ,单班平均成孔3.5个 ,最高成孔4.5个:单班平均进尺62.2 m ,最大进尺92 m:最高机械钻速1.5 m/m+i 。钻孔实钻完成参数如表2所示。

4.2 试验数据分析

由实钻数据(图7)可知:单个扇面最高进尺283 m、最多钻孔13个 : 单班最高进尺92 m 、平均进尺62 . 2 m : 最高时效19 . 2 m/h ,平均时效14.35m/h。与常规钻机(矿方原来使用ZDy-3200型钻机)相比 ,节省了大量的施工辅助时间 ,提高了成孔效率:且极大地降低了施工人员的劳动强度 ,增加了钻进效率 , 同时提高了经济效益。

5 结论

通过对履带式全断面钻机在阳煤平舒矿底抽巷施工过程的跟踪 ,进行了实钻数据分析 ,具体总结如下:

(1)全断面钻机外形尺寸小 , 结构紧凑合理 ,调角快速方便 ,一 次稳固后即可施工同一扇面内不同开孔角度的多个钻孔 ,适合在底抽巷施工穿层钻孔。

(2)与常规钻机相比 ,节省了大量的施工辅助时间 ,提高了成孔效率:且极大地降低了施工人员的劳动强度 ,增加了钻进效率 ,确保了瓦斯抽采与煤巷掘进及时衔接 , 同时提高了经济效益。

(3)通过引入履带式全断面钻机 , 阳煤集团平舒矿很好地解决了81115底抽巷瓦斯抽采钻孔施工过程中存在的钻进成孔难、效率低等技术难题 ,确保了煤巷安全掘进 ,为煤矿底抽巷瓦斯抽采钻孔施工设备和配套工艺选择提供了有力借鉴。