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在卸压增透钻孔中低水压掏穴扩孔技术的应用
摘要：为解决煤矿井下卸压增透钻孔掏穴施工过程中需要配套高压泥浆泵的问题，提出了低水压掏穴扩孔技术。该技术配套开发了双通道掏穴装置、双通道钻杆及双通道送水器等成套技术装备。该技术在朱仙庄煤矿进行现场应用，结果表明，该技术能够在水压2～3 MPa条件下实现卸压增透钻孔“钻进-掏穴”一体化施工，为煤矿煤层卸压增透提供了新的技术方案。
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我国煤矿开采方式大部分是地下井工开采，高瓦斯矿井占比近50%，瓦斯防治一直以来都是煤矿安全高效开采重点考虑的问题之一。随着大部分矿井向深部开采迈进，按照目前煤层开采深度计算，在地应力等因素作用下的煤体中瓦斯处于近吸附平衡状态，对低透气性煤层实施卸压增透能够有效提高瓦斯抽采效果，防止瓦斯突出事故发生。
扩大瓦斯抽放钻孔孔径对煤层卸压增透是提高瓦斯抽采效果行之有效的方法，而对钻孔煤层段进行掏穴扩孔是常用的技术手段。目前掏穴扩孔施工常用的钻头主要有水力反冲式和机械传递式2种结构。水力反冲式结构是在掏穴翼侧向设置水眼，在掏穴翼内部设计水路，在侧水眼冲击孔壁的反作用力及钻头回转的离心力共同作用下实现张开；为了增大反向推力，施工时往往配套高压泥浆泵，该方案结构简单、便于操作，但在实际施工过程中掏穴翼的开合状态不稳定，掏穴钻孔直径无法保证。机械传递式结构是通过连杆或齿轮机构将轴向推力转化为掏穴翼张开的动力，该结构稳定可靠，能够确保掏穴钻孔直径与掏穴钻头直径的一致性，但在施工过程中也必须配备高压泥浆泵。
本文针对目前掏穴扩孔施工过程中需要配备高压泥浆泵的问题，提出了低水压掏穴扩孔技术。该技术采用了双通道水路分流独立控制方法，借助双通道掏穴装置及相关配套钻具，将常规施工工艺中心水路供水方式更改为独立双通道水路，中心密闭水路用来实现掏穴刀翼的独立控制，旁通贯通水路用来满足掏穴钻孔施工需求。通过双通道掏穴装置及配套钻具的特殊设计，大大降低了工艺技术对水压的要求，在水压2～3 MPa条件下便可以实现对掏穴刀翼的控制，完成钻孔煤层段的掏穴扩孔作业。该技术解决了目前掏穴扩孔施工必须配备高压泥浆泵的难题，降低了工艺施工装备需求门槛，拓宽了掏穴钻孔卸压增透技术应用推广范围。该技术成果在淮北朱仙庄矿进行现场应用，试验应用效果良好。
1、低水压掏穴扩孔技术原理
低水压掏穴扩孔技术是为解决常规掏穴钻孔施工必须配备高压泵的限制而提出的钻孔掏穴施工技术。该技术采用双通道掏穴装置、双通道钻杆及双通道送水器的钻具组合，能够实现利用井下管道静压水进行钻孔和掏穴施工，其施工原理如图1所示。该钻具组合联接后具备2条独立水路：中心密闭水路可以推动活塞轴向移动进而控制掏穴装置切割刀翼的张开与闭合；旁通水路通过侧壁与前端钻头水路导通，钻进时可以起到冷却钻头和携带钻屑的作用。
图1低压水钻扩一体化施工原理图
与目前常规钻孔施工工艺相比，该技术具有以下优势：
(1）工艺施工门槛低
摆脱了卸压增透钻孔施工对高压泵的依赖，在2～3 MPa水压条件下便可以实现卸压增透钻孔“钻进—掏穴”一体化施工；
(2）双通道独立水路
钻孔施工和掏穴刀翼控制互不干扰，钻孔施工和掏穴刀翼控制为独立水路，既避免了正常钻孔施工时掏穴刀翼的误张开，又避免了掏穴施工时前端钻头分流对掏穴刀翼张开的影响。
2、工艺配套钻具介绍
2.1双通道掏穴装置
为增强掏穴装置的工艺适用性，双通道掏穴装置采用稳定性更高的机械结构，内部设计了双通道水路，同时对钻头活塞处的复位弹簧进行了优选。
(1）整体结构
双通道掏穴装置整体结构主要包括先导钻头、掏穴刀翼、伸缩机构、钻头外体、联接接头等，如图2所示。先导钻头主要用于穿层钻孔施工；掏穴刀翼主要用于煤层段掏穴施工，通过齿条与伸缩机构联接；伸缩机构的轴线移动可以通过齿轮联接转化为掏穴刀翼的开合运动，以实现掏穴刀翼的张开与闭合；钻头体内部设计有环空水路和中通水路，便于钻孔施工和掏穴钻孔施工；联接接头用来与配套钻具进行联接。
图2双通道掏穴装置整体结构示意图
(2）复位弹簧优选
复位弹簧的主要作用是施加一定预紧力，确保钻头掏穴刀翼在自然状态下处于收缩状态。预紧力的大小会直接影响钻头的应用效果：预紧力太小会出现钻孔正常钻进过程中掏穴刀翼误张开的情况，会干扰正常钻进施工，导致钻进阻力增大；预紧力太大，掏穴钻进时低水压条件下难以推动掏穴刀翼张开，无法实现掏穴作业。因此弹簧的选择要同时考虑预紧力及低水压条件下的推力，找到最优平衡。
正常钻进回转时，掏穴刀翼所受的离心力
式中m———掏穴刀翼质量，kg;
l———掏穴刀翼长度，mm;
r———齿轮基圆半径，mm。
掏穴钻进时，低水压状态下活塞所受的推力
式中p———水压，Pa;
R———活塞截面圆半径，mm。
当弹簧预紧力小于F1时，掏穴刀翼会在回转时被甩开，无法起到预紧的效果；当弹簧预紧力大于F2时，低水压条件下无法使掏穴刀翼张开。因此弹簧预紧力取F1与F2的平均值能够确保掏穴刀翼预紧力控制在合理的范围内，可以确定弹簧的系数
式中L———活塞的位移量，mm。
2.2双通道钻杆
双通道钻杆整体结构主要包括联接接头、外管体、内管体、支撑机构等，如图3所示。联接接头主要用于多根钻杆间的联接，或与钻头、送水器等的联接；外管体与内管体之间通过支撑机构固定，二者之间形成环空和中空2个独立空间。钻杆材质优选特种优质钢材，以φ89 mm钻杆为例，钻杆静扭强度达20 000 N·m，完全能够满足煤矿井下卸压增透钻孔施工需求。
图3双通道钻杆结构示意图
2.3双通道送水器
双通道送水器进水端采用Y形结构布置，确保进水管路互不干涉；内部设置双通道水路。送水器具有体积小、质量轻、旋转灵活等特点。
3、施工工艺
该技术应用时施工工艺流程图如图4所示。该施工工艺最明显的优势在于摆脱了常规掏穴工艺对高压清水泵的依赖，仅依托现有施工设备和以上配套钻具，利用巷道静压水便可实现卸压增透掏穴钻孔一次成孔施工，施工工艺简单便捷，施工设备方便可靠，同时规避了高压清水泵安全性差、能耗高、不易搬运等缺点，也节省了高压泵专用操作人员带来的人工成本。
图4施工工艺流程图
施工注意事项：
(1）钻机要稳固牢靠，避免开孔或施工过程中出现钻机移位情况（容易导致钻孔报废或钻孔施工事故）；
(2）钻孔开孔前要提前联接双通道掏穴装置、双通道钻杆、双通道送水器进行孔外试水测试，以检验掏穴钻头刀翼的张开、闭合情况，测试时要记录压力参数，便于为后续掏穴作业时提供参数依据；
(3）钻孔开孔时轻压慢转，待造好孔窝后再正常钻进，避免开孔时钻压过大导致钻具摆动；
(4）正常钻进续钻过程中，要注意检查每根钻杆联接部位密封圈状况及内管固定联接情况，发现内管松动或密封圈磨损严重情况要及时维修、更换；
(5）钻孔施工过程中要严格记录见煤点、止煤点位置，为后续掏穴作业提供参考；
(6）掏穴作业时应准确计算掏穴刀翼位置，确保掏穴刀翼张开之后处于煤层内，建议距离见煤点0.5 m以上，掏穴作业时在煤层段反复提拉钻具以便煤屑的快速排出；
(7）收集孔外煤渣，并与理论计算煤渣量进行对比，出渣量不小于理论计算值，证明掏穴效果良好，停止掏穴作业，否则需继续掏穴作业，一段时间后仍无法达到排渣要求则要提出钻具检查掏穴刀翼开合情况；
(8）掏穴作业完成后提出钻具，完成后续封孔作业。
4现场应用情况
(1）矿区概况及地层情况
朱仙庄矿隶属于淮北矿业集团，设计生产能力1.20 Mt/a，矿井位于宿州市东南13 km处。其中可采煤层10#煤位于山西组中部，煤层厚度0.75～3.5 m，平均厚度1.9 m，煤层相对稳定，结构简单，煤层硬度中等，f=0.8～1.2。煤层原始瓦斯含量8～10 m3/t，瓦斯压力大于1 MPa。施工地点岩石柱状图如图5所示。
图5岩石综合柱状图
(2）钻孔设计
施工地点位于Ⅱ1057底抽巷，钻孔为扇形全断面设计，单组设计钻孔11个，每组间隔10 m。钻孔设计如图6所示。
图6钻孔设计图
(3）施工情况
此次现场施工用钻机为ZDY3200S钻机，钻具组合为φ120/350 mm掏穴装置+φ73 mm双通道钻杆+φ73 mm双通道送水器，钻孔施工给进压力6～8 MPa，正常钻孔施工时水压1～2 MPa，掏穴钻进时水压2～3 MPa。此次试验共计施工钻孔5组，完成φ120 mm钻孔55个，累计进尺1 603 m，累计出煤量293 t，煤层段等效钻孔直径达φ0.5 m。
(4）抽采效果评价
为了验证低水压掏穴扩孔工艺施工后掏穴钻孔的瓦斯抽采效果，抽取一组掏穴钻孔与常规卸压增透钻孔进行瓦斯抽采效果对比，如图7、图8所示。
从图7、图8可以看出，掏穴钻孔初始最高瓦斯抽采纯量为0.109 m3/min，随着抽采时间的延长呈现递减趋势，31 d内平均瓦斯抽采纯量为0.069 m3/min，平均抽采浓度为54.2%；常规钻孔平均瓦斯抽采纯量为0.02 m3/min，平均抽采浓度为32.3%，瓦斯抽采始终维持在较低的抽采水平。掏穴钻孔平均瓦斯抽采纯量约为常规钻孔的3.4倍，平均抽采浓度为常规钻孔的1.68倍。数据表明，该工艺施工的掏穴钻孔对瓦斯抽采具有积极作用，能够提高瓦斯抽采效果。
图7瓦斯抽采纯量变化折线图
图8瓦斯抽采浓度变化折线图
1.掏穴钻孔2.常规孔
5、结语
(1）低水压掏穴扩孔技术采用双通道掏穴装置、双通道钻杆及双通道送水器等成套技术装备，在水压2～3 MPa条件下能够实现随钻掏穴一体化作业，施工的掏穴钻孔瓦斯抽采浓度相比常规钻孔提升67.8%，应用效果良好；
(2）现场应用表明，低水压掏穴扩孔技术配套装备稳定性高、适用性强，施工掏穴钻孔时摆脱了高压泵的束缚，拓宽了掏穴钻孔卸压增透技术应用范围，为煤层的卸压增透提供了新的思路。
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文章来源:张朋.低水压掏穴扩孔技术在卸压增透钻孔中的应用[J].煤矿机械,2024,45(01):142-145.
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期刊名称：煤矿机械
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主办单位：哈尔滨煤矿机械研究所
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专业分类：煤矿
国际刊号：1003-0794
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2024-01-11
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