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深槽宽叶片螺旋钻进技术在松软煤层中的应用

更新时间:2009-03-28

本煤层顺层钻孔治理瓦斯是晋城矿区主采3#煤层瓦斯抽采、防突的主要手段,其瓦斯抽采量占矿井总抽采量的80%以上。3#煤层部分高瓦斯区域煤质松软破碎,在这些区域钻孔施工过程中,常遇见塌孔、不返渣、喷孔和卡埋钻现象[1-4],这些问题严重影响了钻进效率、成孔率及成孔深度,突出地体现在排渣方面,主要表现为返渣量大和钻屑排不出。本文从排渣方面入手,研究软硬复合煤体中钻进工艺及有效钻具。

1 干式螺旋钻进存在的问题

晋城矿区长平煤矿现有顺层钻孔施工均采用干式螺旋钻进工艺,钻杆Φ98mm/73mm螺旋钻杆,钻头Φ125mm,该工艺主要存在的问题:①3#煤层不同区域钻探难易程度不同,单一的螺旋机械排粉工艺适应性差;②钻杆螺旋槽较浅,携粉能力弱,煤渣不易被排出;③钻杆螺旋叶片焊接差易脱落,接头加工精度差,钻杆加接和拆卸不方便。

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钻孔施工中异常情况反映在排渣方面为:一方面表现为钻屑排不完,即使不断扫孔,煤渣堆积如山,钻具发烫,但是,依然还有大量煤屑返出,钻机系统压力仍然较高,此时若强行往里钻进,极有可能发生卡埋钻事故,只能提钻终孔;另一方面表现为钻屑排不出(不返渣),钻进过程中有时忽然会遇到不返渣,只排出非常少粉末状煤粉,长时间扫孔仍然没有效果,此时钻机系统压力可能并不高,但若继续钻进1至2根钻杆,必然出现压力异常憋死现象,这种情况下,亦只能提钻终孔。

3.3 临床指南的应用与推广 指南的成功应用与4个地区性因素息息相关,即疾病负担、信仰、花费和障碍[14]。据2010年的一项不完全统计数据[15],中国眼科医师数量已达世界之最,其同时也有数量最为庞大的服务对象。针对如此庞大的眼科医师群体及其服务人群,临床指南的推广与应用显得尤为重要。

2 窄叶片高螺旋钻具应用

钻头采用Φ110mm的三翼合金钻头,切削刃采用硬质合金焊接,因为钻头在工作过程中冷却不足,所以采用合金切削齿,避免在钻进过程中钻头烧钻,钻头翼片与钻头体芯轴呈10°~15°偏角,这样便于岩(煤)粉的导出。钻头前部锥形导向结构,以避免长孔钻进造成钻孔轨迹偏离。

  

图1 Φ110mm/63.5mm螺旋钻杆示意图

窄叶片高螺旋钻具在长平煤矿5302工作面进行了顺层钻孔实验(称为I期实验),累计施工42个钻孔,累计进尺2947.5m,其中,孔深大于60m的钻孔23个,孔深大于100m的钻孔13个,孔深大于150m的钻孔4个,可以看出,成孔效果并不理想。

根据深槽宽叶片螺旋钻进技术要求,设计的钻具组合为“Φ95mm/60.3mm螺旋钻杆+Φ110mm三翼合金钻头”(以下简称Φ95mm钻具组合)。

3 深槽宽叶片螺旋钻进技术

3.1 工艺方法

深槽宽叶片螺旋钻进技术以钻杆的高旋转作为主要动力来排出孔内煤屑,压风的作用是加速孔内瓦斯运移排出和辅助排粉。该技术汲取了纯螺旋钻进与空气钻进的各自优点,取长补短,其主要特点为:

1)采用高螺旋机械排渣为主、风力排粉为辅方式排渣,解决主要依靠压风排渣,排渣能力不足问题。

2)钻具采用螺旋宽叶片设计,叶片宽度大于等于15mm,回转时提高孔壁的稳定性。

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3)利用一定量压风的“透孔”作用,使孔内瓦斯不易聚集,减少喷孔和卡埋钻事故。风量一般控制在常规空气钻进所用风量的50%~60%,减少压缩空气对孔壁的冲刷作用。

4)钻机转速控制在200~300r/min的中低速区间段,减少钻杆旋转过程中对孔壁的扰动和刮削,有利于维护孔壁稳定。

在钻孔施工过程中,钻杆受离心力作用绕钻孔轴线公转并沿孔壁滑动,在此过程中螺旋叶片对孔壁有扰动、刮削等破坏作用,转速越高所产生的离心力越大,对孔壁的破坏作用越强,因此,将钻机转速控制在200~300r/min的中低速区间段,减少钻杆旋转过程中对孔壁的破坏作用,有利于维护孔壁稳定[5,6]

3.2 钻具组合设计

窄叶片高螺旋钻具应用效果不理想的原因除地层松软破碎易塌孔外,与Φ110mm钻具组合中的窄叶片螺旋钻杆回转过程中对孔壁刮擦破坏有很大关系,另外,与钻杆回转速度较高对孔壁的扰动大也有一定关系。基于这些因素,提出深槽宽叶片螺旋钻进技术,研究通过该技术解决窄叶片高螺旋钻进中存在的问题。

1)在5302工作面共施工16个钻孔(称为II期实验),进尺1862.5m,使用Φ95mm钻具组合,无卡埋钻引起的掉钻杆事故,其中,孔深100m以下4个见岩钻孔按废孔处理,孔深大于100m钻孔12个,孔深大于140m钻孔6个,孔深大于150m钻孔4个,平均孔深131.7m,见表1。

  

图2 Φ95mm/60.3mm螺旋钻杆示意图

针对原有钻具携粉能力差、螺旋叶片焊接差易脱落等缺陷,首先设计出了窄叶片高螺旋钻具,钻杆具体参数为:钻杆外径110mm,芯杆直径63.5mm,螺旋翼片宽度5mm,螺距100mm,钻杆长度1.5m,如图1所示。钻具组合为“Φ110mm/63.5mm螺旋钻杆+Φ120mm三翼合金钻头”。该钻具组合(以下简称Φ110mm钻具组合)钻杆强度高,刚度好,钻孔保直性较好;钻杆双头螺旋结构,排渣效率高。

2)在4308工作面共施工27个钻孔(称为Ⅲ期实验),进尺3315m,使用6000N·m动力头和Φ95mm钻具组合,发生一次掉钻杆事故并成功全部打捞。其中,孔深100m以下11个见岩钻孔按废孔处理,孔深大于100m钻孔16个,孔深大于130m钻孔15个,孔深大于150m钻孔14个,孔深大于200m的钻孔5个,平均孔深168.5m,孔深130m以上钻孔成孔率93.8%,见表1。根据孔深不同,钻进效率为37.5~16.8m/h,完成一个150m钻孔需要2~3个小班。

3.3 转速控制

志愿服务的资金来源大体上可以分为三个部分。第一是政府财政给予的支持。第二是民间捐赠方面的资金支持。第三是商业交易所得的资金。不管是政府财政资助、还是社会捐赠,抑或是商业交易,志愿服务这些资金的获得都依赖于经济的蓬勃发展。发展才是硬道理,只有经济建设顺利稳健发展,政府、企业、个人才能创造更多的经济收益,志愿服务作为社会精神文明发展的有益补充才能分到更多的资金用于自身的发展。

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4 现场实验及效果考察

4.1 煤层条件

实验地点位于长平煤矿5302工作面和4308工作面,5302工作面位于西部五盘区,3#煤层情况:黑色,块状,玻璃光泽,以亮煤为主,偶见丝炭,光亮型煤,内生裂隙发育,参差状断口,夹矸为炭质泥岩及泥岩。煤层平均厚度约5.64m,煤层倾角0°~12°,平均倾角4°,煤层不易自燃。普氏f值在0.3~0.6之间,瓦斯含量为8~14m3/t,属于极软煤层。4308工作面煤层条件与5302工作面类似。

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4.2 钻孔施工情况

Φ95mm/60.3mm螺旋钻杆采用插接式连接,单头螺旋结构,如图2所示。钻杆具体参数为:钻杆外径95mm,芯杆直径60.3mm,螺旋叶片宽度18mm,螺距90mm,钻杆长度1.5m。Φ110mm三翼合金钻头结构与Φ120mm的三翼合金钻头相同。

 

表1 各期实验钻孔数据对比

  

实验阶段钻孔数量/个平均孔深/m≥100m钻孔数量/个≥150m钻孔数量/个进尺/mⅠ427413429475Ⅱ16131712418625Ⅲ27168516143315

“Φ95mm/60.3mm螺旋钻杆+Φ110mm三翼合金钻头”钻具组合钻杆为宽叶片设计,增加孔壁稳定性;钻杆单头螺旋结构,有利于大质量煤渣被转动带出。

4.3 效果考察

1)综合分析3次实验:比较Ⅰ期与Ⅱ期的钻孔施工情况可以看出,Ⅱ期较Ⅰ期钻孔平均孔深由74m提高至131.7m,Ⅲ期又提升至168.5m;孔深大于100m钻孔成孔率由Ⅰ期的21.6%,提高至Ⅱ期的92.3%与Ⅲ期的100%;孔深大于130m钻孔成孔率,由Ⅰ期10.8%和Ⅱ期46.2%,提高至Ⅲ期的93.8%;孔深大于150m钻孔成孔率由Ⅱ期的30.8%提高至Ⅲ期的87.5%;特别是Ⅲ期实验中,完成200m以上钻孔为5个。

2)Φ95mm钻具组合成孔率较高,对软硬复合煤体适应性强,其原因可从两个方面分析。一是在于Φ95mm/60.3mm螺旋钻杆的特殊结构,宽叶片、深槽及单头螺旋,宽叶片有利于孔壁稳定性,且可以将一部分不能排出的结核挤压入孔壁,减少卡钻事故;深槽即高螺旋结构,可满足主要依靠钻杆自身螺旋排渣的要求;单头螺旋结构,有利于排出大质量硬煤块体。二是钻头重新选型后选用Φ110mm三翼刮刀PDC钻头,该钻头整体强度较合金钻头高,在煤层中的夹矸里钻进不易损坏,有利于钻进成孔[7-14]

3)实验中存在的问题:每班纯钻进时间较短,辅助时间较长,主要是现场清理煤渣、停电以及瓦斯原因等占用大量辅助时间;钻进过程中返渣量大,每米最大返渣量约172kg,正常情况每米返渣量约为20~30kg。

5 结 论

1)深槽宽叶片高螺旋钻进技术在长平煤矿的成功应用,解决了该矿松软煤层钻进中钻屑排不出、成孔率低等问题,提高了钻孔深度,降低了抽采成本,证明该技术在解决松软煤层高效钻进问题方面具有较大优势。

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2)应用实践表明Φ95mm/60.3mm螺旋钻杆在成孔率方面优于Φ110mm/63.5mm螺旋钻杆,说明深槽宽叶片结构的Φ95mm/60.3mm螺旋钻杆对长平矿软硬互层的煤体结构适应性较强,有利于本煤层钻孔成深孔。

3)采用单头螺旋结构的Φ95mm/60.3mm螺旋钻杆携粉能力强但排渣效率低,故此需要压风辅助排渣,同时,带风钻进对减少卡钻事故的作用也比较明显。

参考文献

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侯红
《煤炭工程》 2018年第05期
《煤炭工程》2018年第05期文献

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