新型瓦斯抽采钻孔设备及下放筛管技术研究

机械管理开发

MECHANICALMANAGEMENTAND

DEVELOPMENT

Total192No.4，2019

DOI:10.16525/j.cnki.cn14-1134/th.2019.04.079

新型瓦斯抽采钻孔设备及下放筛管技术研究

王志荣

（阳泉煤业集团和顺新大地煤业有限公司，山西

摘

阳泉

032700）

如钻进困难、钻孔被冒落岩石破坏、抽采效率低、抽要：由于钻孔在松软煤层中推进时遇到很多技术短板，

并在潞安高河煤矿15采浓度不高等问题。为解决钻孔钻进与抽采问题，设计了一种新型钻进设备与钻进流程，新工艺具有下放筛管接近90%以上、号煤层1305工作面进行了现场验证。相比之前的旧工艺，百分百成孔、使用简单、价格低廉、人工劳动少等优势。关键词：松软煤层中图分类号：TD355

抽采浓度

成孔率

下筛管技术

文章编号：（2019）1003-773X04-0179-03

文献标识码：A

引言

松软煤层高瓦斯矿井在我国广泛分布，如淮南

矿区、大同矿区、潞安矿区等都存在松软煤层瓦斯抽

由于煤层自身地质条件的采的难题。在松软煤层中，

塌孔等事故时有发生，特殊性，在钻孔过程中喷孔、

如何从松软煤层中高效地将瓦斯抽出已成为迫切需要解决的问题。顺层钻孔预抽瓦斯已成为解决瓦斯

为了解突出问题的主要技术，但是不适于松软煤层。

决在松软煤层采掘中瓦斯抽采浓度低、抽采纯量不高、坏孔率高等问题，研发了一种新型设备与钻孔工

现场验证结果艺，并且在潞安高河煤矿进行了试验，

良好，值得推广。

1研发设备与技术参数

冲洗水压力/MPa钻头规格/mm钻孔倾角（/°）给进力/kN

表1主要技术参数

0.6-1.2-10~+10125

起拔力/kN

130860

椎32、椎38、椎75、椎94推进行程/mm

适用气压/MPa0.4~0.63

时间不超过16h，成百米孔任务，节省了一个班的时间，可操作性强。安全地完成，以及下入为了保障钻孔施工高效、

筛管能顺利完成，实验采用由技术研发中心自主设计的一体式三棱螺旋钻杆进行现场试验。图1为凹槽式三棱螺旋钻杆正视图和剖面图。

A-A

A

钻机型号为MQT-130/3.2气动锚杆钻机，双排

顺畅升降，提高气及新型的密封结构保证支腿快速、

钻了工作效率；独特的消声系统可降低机器的噪声。

杆直径为75mm，可开三种直径的孔，推进速度较快，主要技术参数如表1所示。与其他钻机相比具有以下的独特优势：

1）MQT-130/3.2气动锚杆钻机是目前国内转矩

钻进速最大、功率最大的气动锚杆钻机。安装简便、

度快、推进行程距离远，不会有高温隐患，能很好地自动降温。由于钻机本身的气动联动功能，使得钻机的钻进效率大幅增加，上下钻杆频率和幅度保持高

增大了工作效率，减少了速运转，降低了冗余时间，

是集钻孔、搅拌、安装于人工劳动，节省了经济成本，

一身的锚护工具。

2）打钻效率高。相比其他百米钻机，从启动到完

收稿日期：2018-12-12

（1976—）作者简介：王志荣，男，本科，毕业于太原理工大学安研究方向为一通三防管理。全工程专业，助理工程师，

A

图1凹槽式三棱螺旋钻杆正视图和剖面图

三棱螺旋钻杆的设计，保留了三个方向的切面

与钻孔之间具有充足的空隙，充足的空隙是为了更好地将煤粉、煤渣及时地排出；三个切面的棱硬度较高，能够将硬度较高、直径较大的煤渣进行二次碾碎，使得排渣更加彻底。

三棱螺旋钻杆与传统螺旋钻杆相比，具有多种

成孔率更高，优势：钻杆工作稳定安全，使用时间长；

操打钻偏出现象很少发生；相比之前的下行孔施工，

作更简便，打钻时间缩短，效率高；完孔结实、耐用。选用新型研发的优质合金钢加工钻头（如下页图2），钻孔直径可达椎88mm，全身用PDC复合片焊接，能破碎硬度较高的多类坚固岩石，适用性较

钻进过程中保持广；另外钻头底部安装可活动翼片，

当钻进到指定位置时，横向施加一定的冲击力关闭，

·180·

jxglkfbjb@126.com机械管理开发

第34卷

图2铰接式可开闭型PDC钻头示意图

便可将尾翼打开。可开启式尾翼能循环使用，

实现了从钻杆直入孔底的目的，缩短了下放时间，

增加了下放深度，避免了与岩石壁的摩擦与损耗。为了防止采煤机与孔内筛管的碰撞摩擦，产生瓦斯爆炸的火花，选用了无静电不可燃的筛管。全筛管下放工艺具有简捷、高效、安全性高、下放失误率

低的长处。为了切实保障下放成功，

需要及时对钻孔深度、方向、倾角进行记录和调整。

根据工作面倾角及设计要求，

开始打钻孔，打钻完成后，开始下放筛管，筛管下放步骤分为四步。

1）“清理孔”将孔内钻屑冲洗干净。

2）“深入底”将先行钻杆取出，

开始下放孔底安装装置和筛管，沿着钻杆内孔缓缓放下。确定筛管

是否到达钻头尾部就看二者的长度比较，

当下放筛管长度已经超过钻杆长度时，

可确认筛管已经下放到钻头了。然后将继续下放，

直到筛管无法再往更深的方向推进，可知道此时筛管已经下放到钻孔的尾部了。

3）“退钻杆”，为了避免钻头作业与筛管的摩擦，

造成对筛管的损伤，需要将转速降到最低，

然后缓慢旋转把钻杆退出来。

4）“停旋转”，为了防止横梁被打断，

需要在钻头快退出钻孔时停止钻杆的旋转。

下放完毕后，取出所有钻杆，对孔口进行封闭，防止异物进入堵塞钻孔，

开始现下场一试验

个钻孔的施工，

以此类推。2本试验在高河煤矿1305工作面进行，工作面主采3号煤层总厚5.85～6.08m，平均厚度5.98m，煤层埋藏深度487.5～503.5m。瓦斯储量约1915万m3，可解析瓦斯含量7.3971m3/t，工作面最大瓦斯含量可达到9m3/t。施工现场瓦斯参数与瓦斯含量可见表2。

表2施工场地瓦斯基本参数表

瓦斯压力/MPa2.4标高/m-618瓦斯含量（/m3·t-1）12.37埋深/m

843

透气性数（/m2·MPa2·d）

0.0019

施工场地瓦斯含量梯度：己15.16煤层开采标

高为-320～-670m，瓦斯压力1.07～2.95MPa，瓦斯

含量12.7～20.03m3/t。经计算十矿瓦斯梯度每延伸百米煤层瓦斯含量增加为戊9.10煤层4.8m3/t、己15.16煤层2.2m3/t。

实验周期确定为20d，每日安排两班的实验任务，中、晚班。中班做试验预备作业，打孔35m；晚班

在中班的基础上继续钻进40m，到达75m后，

开始下放筛管做现场验证，下放完毕后注浆封孔，第二天

中班联网开始抽采瓦斯。

选取第三施工阶段的施工情况，记录下放筛管

长度和筛管下放率以及钻孔倾角，

见表3。利用高压风将钻孔内的钻屑排出，

总共打15个钻孔，掘进量为1500m，筛管下放全部成功，

钻孔深度与筛管长度几乎平齐。钻进过程中，实际钻进量比设计钻进量多20m，设计深度为80m。

表3第三施工阶段钻孔施工情况表

孔号倾角/(°）筛管下放长度/m筛管下放率/%

1-122-101001003-9969-1098

98

5-106-107-11100

100

8-10.59-1110-1511-1312-14100

100

13-1214-1015

-9

由表3知，钻孔全部成功，相比其他旧工艺，

成孔率增加了50%左右；筛管下放深度几乎与钻孔深度平齐，增大了抽采管与瓦斯的接触时间与接触面积，极大地提高了抽采率，使得瓦斯抽采浓度和抽采

纯量都有倍数增涨，增大了企业的经济效益，

保障了工作面开采地安全生产。

施工结束后进行瓦斯抽采作业，并且对抽采数据进行记录分析，为了更好地展现新型工艺与设备地先进性与优越性，将抽采结果与传统工艺下的抽

采效果进行对比，

如下页表4所示。从表4可以看出，

高河矿1305工作面传统工艺下单孔抽采纯量在0.016m3/min，与新工艺对比如下。

1）全筛管下放工艺下，单孔瓦斯抽采纯量为

0.081m3/min，

比传统工艺下的抽采纯量提高了5倍，2019年第4期王志荣：新型瓦斯抽采钻孔设备及下放筛管技术研究·181·

表4钻孔抽放数据统计表（其中51号～号为对比孔）

抽采纯量平均抽采日抽日平均混合流量/最高浓

/m3·采量抽采量（/m3·纯量（孔号度/%浓度/%（m3·min-1）min-1）min-1）/m3

/m3474849505556575859606162515253

32.338.6.527.799.99

99.9999.9999.99

0.0620.0400.0480.0950.0440.0

99.9999.9999.9999.9999.9999.9920253520

0.0990.0450.0810.1620.0880.2380.0480.0600.0200.044

0.0620.0200.0480.0440.0440.0410.0990.0450.0810.1620.0880.2380.0010.0150.0070.009

0.0080.081

.328.869.263.463.459.1142.6.82116.62233.32126.72342.71.521.610.113.0

11.6116.6

新型艺日抽采纯量的10倍之多。相比于传统工艺，

工艺更能在松软煤层发挥良好作用，极大地增大了松软煤层的瓦斯抽采浓度于瓦斯利用率，具有很好的经济效益。3结论

铰接式可开闭型PDC钻头与三螺旋钻杆的配

在高河矿1305工作合使用以及新的下放筛管技术，

面的现场验证可以得出以下结论。

减小了瓦斯的1）三螺旋钻杆不仅有利于排渣，

而且加快了钻流动阻力，使得瓦斯抽采率大大提升，

进速度与钻孔的成功率。

2）筛管下放深度增加，使得瓦斯抽采通道畅通，

钻孔利用率显著提升。保证了瓦斯的持续有效抽采，

通过与旧工3）综合瓦斯抽采浓度和抽采纯量，

艺的对比分析，可见筛管下放深度的增加对于抽采

而且具有重要的作用，并且与抽采量的增加成正比。并且将大三棱钻头的使用，起到了良好地排渣功能，

块废渣进行了二次切割，使得瓦斯抽采通道更加畅通，减小了瓦斯抽采阻力。整套工艺提高了钻孔的使

值得推广。用时间和抽采效率，

参考文献

[1][2][3][4][5]

马沈岐.煤矿瓦斯地质起拔钻探工艺技术[J].煤炭科学技术，2008，39（9）：87-91.

李世忠.钻探工艺学[M].北京：地质出版社，19.

翟新献，等.松软突出煤层新型钻进技术研究王永龙，孙玉宁，[J].采矿与安全工程学报，2012，29（2）：2-294.

方有向，等.松软煤层筛管护孔瓦斯抽采技术与孙新胜，王力，装备[J].煤炭科学技术，2013，41（3）：74-76.

张付现.松软低透气性煤层全孔段筛管下放技术研究[J].煤，2014，23（10）：13-15.

瓦斯利用率显著提升。

2）下放筛管的抽采孔瓦斯抽采浓度高达99.8%，浓度基本都在40%以上，而传统工艺的瓦斯抽采浓度最高不超过50%，最低浓度几乎接近于零。可见下放筛管能极大地提高瓦斯抽采浓度。

3）采用三棱螺旋钻杆配合铰接式可开闭型PDC

对钻头可将筛管与瓦斯接触面积与接触时间增加，

比日抽采纯量，新型工艺下的日抽采纯量是传统工

（编辑：赵琳琳）

NewDrillingEquipmentforGasDrainageandtheTechnologyof

LoweringScreenPipe

WangZhirong

（HeshunXindadiCoalIndustryCo.,Ltd.,YangquanShanxi032700）

Abstract:Duetoalotoftechnicaldeficiencywhendrillinginsoftcoalseam,suchasdifficultyindrilling,failureofboreholebyfallingrock,lowefficiencyofextraction,lowconcentrationofextraction,andsoon,isdifficulttobedrilled,brokenbyfallingrock,lowinextractionefficiencyandlowinconcentrationofextractionandsoon.Inordertosolvetheproblemofdrillingandpumping,anewdrillingequipmentanddrillingflowaredesignedandverifiedin1305faceofNo.15coalseamofLu'anGaoheCoalMine.Comparedwiththepreviousprocess,thenewprocesshastheadvantagesoflowersievingtubeover90%,100%holeforming,simpleuse,lowprice,lesslaborandsoon.Keywords:softcoalseam;extractionconcentration;poreformingrate;lowersievetubetechnology