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1、全程套管快速护孔抽采瓦斯技术地质勘探工程处二零一二年六月全程套管快速护孔抽采瓦斯技术随着煤矿生产规模扩大和开采深度不断增加，矿井地质条件越来越复杂。松软煤层、破碎煤层、断层破碎带等地质异常带钻进时，排渣困难，孔壁稳定性差，造成卡钻、埋钻等孔内事故多。通过改变钻具结构、采用多种钻进工艺后，减少了孔内事故，提高了成孔率，但成孔后，由于稳定性差，孔壁易坍塌，造成瓦斯抽采通道堵塞，依然影响钻孔瓦斯抽采效果。为强化钻孔施工质量和预抽效果，落实集团公司要求的“钻到位、管到底、孔封严、水放通”的十二字方针，我们在丁集矿1331（1）工作面运输顺槽施工的顺层孔采用了快速全程下套管工艺。钻孔成孔后，全孔下入带有
2、筛眼的抗静电阻燃聚氯乙烯管（简称PVC管），作为护孔管和瓦斯抽采通道，既解决了塌孔问题，又解决了松软煤层成孔难、套管下不到位的技术难题。对该工艺具体介绍如下。 1 该工艺关键技术内芯可脱式钻头根据钻孔成孔工艺，在确保钻进效率和安设筛管可靠性的前提下，完善本工艺用内芯可脱式钻头的翼片及钻头结构形式。PVC管选型与结构设计选择适合煤矿井下瓦斯抽采的PVC管及管材尺寸、连接方式，设计完善管上孔眼的尺寸及分布，形成一套筛管。PVC管孔底固管装置根据快速下管工艺需要，安设筛管的孔底悬挂装置，目的是防止下入孔内的筛管脱滑，产生向后滑移现象，从而提高下管长度与钻孔深度的比率。PVC管下入工艺钻孔利用可脱式钻
3、头施工，在钻孔钻至设计深度后，将筛管结构连接、同悬挂装置一起组装，在孔口处采取人工送入钻孔内的工艺。2 快速下管护孔工艺2.1 快速下管工艺图1 快速下套管工艺图2.2 钻杆采用中煤科工集团西安研究院研制生产的宽叶片螺旋钻杆，其结构形式有两种。第一种:大通孔焊接式宽叶片螺旋钻杆。该种钻杆直径为89mm，最小内通孔为50mm，连接后的钻杆内孔近似内平（如图2）。图2大通孔焊接式宽叶片螺旋钻杆第二种：大通孔旋铣式宽叶片螺旋钻杆。该种钻杆直径为73mm，最小内通孔为50mm，连接后的钻杆内孔近似内平（如图3）。图3大通孔旋铣式宽叶片螺旋钻杆2.3 钻头 本工艺设计了三种可下筛管可开闭、可脱芯式钻头（
4、如图4）。三种钻头是：（图4a）十字前置脱芯钻头；（图4b）一字铰接可开闭后置式钻头； （图4c）一字铰接可开闭前置式钻头。(a) (b) (c)图4三种可下筛管可开闭、可脱芯式钻头2.4 PVC管 护孔用的管材选用适合煤矿井下使用的聚乙烯管，简称PVC管。其性能具有抗静电阻燃，直径为40mm，壁厚为2.9mm。 筛管的孔眼设计（如图5）尺寸：根据实际试验情况分为直径5.5mm和8mm两种，孔眼间间距100mm，展开布孔方式为梅花型，四排。图5 筛管筛管的结构分两种：插接式和丝扣式（如图6） 插接式丝扣式图6 筛管结构2.5 孔底固管装置图7 悬挂装置护孔花管下到孔底后，由于其里端没有生根点，
5、在起钻的过程中，护孔花管易被钻杆带出。必须在起钻过程中，采用人工抵住或再次抵护孔花管的方法处理，比较繁琐，费时费力。因此采取在护孔花管的前端加一个或两个孔底固管装置，使其正向能顺利移动，反向翅膀打开，不能退出。3 现场试验现场以丁集矿1331（1）工作面为试验点，结合试验矿井的生产情况，在丁集矿相关单位的支持和配合下，由勘探工程处丁集钻机工区组织进行施工。3.1 试验区工作面概况1331(1)工作面标高-750m-840m，设计可采走向长约1420米，倾斜长210m，煤层平均倾角3度，平均煤厚1.8m，瓦斯含量为5.6m3/t，煤体坚固性系数(f)为0.6。工作面的轨道、运输顺槽设计分别为每间
6、隔10m施工一个垂直于巷道走向方向，孔深为110m的顺层孔，压茬10m；钻孔倾角为近水平，沿煤层倾角变化而进行适当调整。（见图8）图8 丁集矿1331(1)综采面平面布置图3.2 试验钻孔施工情况使用装备：采用ZDY-4000S型钻机，钻机的动力头改成89mm的通孔，108mm复合片专用钻头，钻杆为外径89mm、杆体73mm、内芯50mm的小螺旋肋骨钻杆。护孔管为两种：一种是40mm（1.5 吋）螺丝连接护孔花管，一种是40mm（1.5 吋）插接护孔花管，均是1.5m一根，管体1.1m长度内均匀分布6mm的眼40个。专用钻头：由西安研究所研制的中间有一字形切削片的108mm复合片钻头，中间的一
7、字形切削片可以来回翻动，重复使用；其顶端两侧有两个可伸缩的6mm钢珠，可将一字形切削片既可在钻进中（如图左）处于复位状态，也可在下护孔管至钻头处时将一字形切削片抵开（如图右），使护孔管从钻头内部穿出至孔底。施工工艺：采用108mm复合片专用钻头、89mm的小螺旋肋骨钻杆、系统压风排渣钻进施工到位，起钻一根，使钻头退离孔底1.5m后，从钻杆尾部向钻杆杆体内下顶端安装300mm长的塑料棒后接1.5 吋护孔花管抵至钻头处，将钻头一字形复合片切削片抵开，使塑料棒带护孔管从钻头内部穿出直至下到孔底，之后将钻杆起出，留护孔花管于孔内。本项目工业性试验自2012年4月17日开始，截止2012年6月7日，试验
8、数据统计结果：l 工业性试验共施工40个钻孔(其中成孔34个，报废孔6个)。l 试验总进尺累计4687m，其中成功安设筛管钻孔34个，累计下筛管4236m，平均下管深度为孔深的90.3%。具体试验钻孔施工情况见下表。孔号实际参数煤岩情况封孔长度（m)下套管长度(m)方位()倾角()孔深(m)补67#180-1112062.5m煤20m112m68#1800112069.5m,7598.8m煤20m78m69#1801115029.3m,39115.5m煤20m115m70#1800114060.5m,76.5114m煤20m114m71#1800114全 煤12m114m72#1800117全
9、 煤12m63m73#1800117028.7m,41117m煤20m117m74#1800117全 煤20m117m75#1800117全 煤20m117m76#1800117063.5m,80110m煤20m117m77#1800118097.5m煤20m118m78#1800111056m,6993m煤20m97.5m79#1803117全 煤20m117m80#1803120全 煤20m27m81#18031170102m煤20m117m82#1802120039m,44.5108.5m煤20m120m83#1800120063m,84.599m煤20m120m84#180-21200
10、87m,109120m煤20m118m85#1800129081m,88.3129m煤20m120m86#180-1132024.5m,36.7132m煤30m132m87#180-1123063.5m,93123m煤30m76m88#180-1129全 煤20m120m89#1800121.50117.5m煤30m121m90#180-11290123.5m煤30m129m91#180-11260111m煤30m110m92#180-11202.2120m煤30m120m93#180-1126全 煤30m126m94#180-1132全 煤30m132m95#180-1115042.5m,5
11、475m煤20m110m96#180-1120全 煤20m115m97#180-1123018.5m,48114m煤20m123m98#180-1123全 煤30m91m99#180-1123全 煤30m90m100#180-1112全 煤20m110m101#1800122061.5m,85.2122m煤20m75m102#180-1117136m,81117m煤20m106m103#180-1118全 煤20m93m104#180-1114033m,40114m煤20m70m105#180-1122976.5m,93122m煤20m75m4 成果和建议4.1该工艺取得的主要成果1、实现了钻
12、到位、管到底传统顺层孔施工采用西安煤科院生产的ZDY-4000S全液压钻机、113mm复合片钻头、外径73mm，杆体63.5mm小螺旋肋骨钻杆、系统压风（0.5MPa）排渣法施工。由于地压大，11-2煤体松软，钻孔在施工中其孔壁极易垮孔，常常造成埋、断钻的发生，且返渣量极大。总的统计来看，施工一个110m的顺层孔有近8吨的煤粉量。由于煤体松软，垮孔严重，丁集矿钻机队在1331（1）运顺施工第四单元顺层孔，采用传统下套管工艺，对钻孔下套管深度考察分析，下管深度达到70米以上的钻孔成功率仅为30%。采用本施工工艺的钻具为108mm复合片专用钻头、钻杆为外径89mm小螺旋肋骨钻杆。孔壁与钻杆外径的环
13、状间隙小，基本上是处在一种保直钻进状态。由于环状间隙小，在松软煤层中钻进不容易垮孔，反而易将孔内的煤岩粉反复磨碎，快速吹出。从而提高钻进速度和成孔率，基本上两个小班就能将一个110m的顺层孔施工到位。该工艺由于是从钻杆的杆体内部下护孔花管，经过两个阶段的试验攻关，解决了护孔花管从钻头处能否穿出下至孔底这一难题，这就是可以说：钻孔能打多深，护孔花管就能下多深，真正实现了钻到位、管到底。2、缩短了钻孔施工及下套管时间本次试验总天数44天，成功安设筛管24个孔的实际施工时间约为22.3天，计67个小班，包括封孔、移机、下筛管花费的时间在内，平均2.8个小班即可成孔，充分体现了下套管工艺的快速特点。
14、在1331（1）工作面运顺选取第三、四评价单元，对跟管钻进下套管与传统下套管深度、工作效率进行考察。第三单元为跟管钻进下套管，孔号为70110#；第四单元为传统下套管，孔号为111150#，考察结果见表1。表1 传统下管与快速下管工艺考察对比表考察项目钻进方式下管时间（h）下管深度（m）290传统下套管方式（个）4132382093跟管钻进下套管方式（个）3010002434通过考察，传统下管时因孔内条件差，费时较多，60%的钻孔下管时间均在2小时以上，下管70米以上成孔率为30%；新型快速下管工艺65%的钻孔下管时间仅需40分钟左右，下管深度达到90米以上的成孔率达85%。3、降低了职工的劳
15、动强度，提高了施工效率。从中空钻杆内下护孔花管，缩短了下管时间，提高了钻机台效，每100米钻孔下管时间从传统用时2小时以上减少至40分钟，平均每孔节省工作时间1至2个小时。且此种工艺大大降低了职工的劳动强度，深受现场职工欢迎。4、总结出了一套适合淮南矿区的大通孔螺旋钻杆钻进成孔及快速安设套管工艺方法。实现钻头打得开、套管不堵实、钻到位、管到底、瓦斯抽采最大化。5.2建议1、进一步优化一字铰接开闭前置可脱式钻头结构，提高钻头的使用寿命。2、进行大通孔旋铣螺旋钻杆和普通焊接宽叶片螺旋钻杆钻进及下套管工艺的比较，为下一步推广奠定基础。3、继续完善与螺旋钻杆钻进配套的快速下管护孔工艺，进一步提高施工效率。
