深孔钻进（共3篇）
深孔钻进 篇1
摘要：为了避免在松软煤层中打深孔引发煤与瓦斯突出等灾害,保证施工安全,根据孔周围的应力应变分布规律,分析了松软煤层打钻时经常遇到的问题,总结了钻进工艺和参数与深孔成孔的密切联系,提出了打深孔的工艺措施和参数。实践应用表明,对于定型的钻机和钻孔设计,给进压力、钻进速度和钻机转速等参数的优化配合是提高钻孔深度、实现施工安全的关键。
关键词：松软煤层,钻进工艺,打钻
实现松软煤层中打深孔,必须从钻孔设计、打钻设备到打钻工艺等方面采取综合办法来解决。对于定型的钻机和钻孔设计,优化的钻进工艺不但可以提高打孔的深度,还保证了施工的安全,减少卡钻、喷钻和打钻引发的煤与瓦斯突出等灾害;而且在软煤中打深孔是各种防突措施的前提。因此对打钻工艺的研究具有非常重要的现实意义。
1 钻进机理和孔周围的应力应变分布
打钻使钻孔周围出现塑性带,在钻孔周围形成的非弹性变形带具有应力减小的特征,在应力发生变化时,煤体裂隙的发育是塑性变形的前提,位于弹性各向同性介质中的裂隙,其边缘所受的应力τ边=σBHT+σBH。其中,σBHT为施加于裂隙的拉应力;σBH为负值,是远离裂隙的外部压应力。由于煤体的移走,去掉外部压应力时,拉应力(σBHT)增大,使软煤产生更多的塑性变形来消耗弹性能。因此松软煤层塑性带沿轴向位移明显大于硬煤,钻进时需排更多的钻粉。同时因σBHT的作用,煤体沿轴向不断对排出的钻粉进行补充,使钻进阻力增加。
2 打钻常见问题
2.1 垮孔
采用水力排渣,水量大时对孔壁的冲刷作用较大,使孔壁容易垮塌。水量小时由于水的渗透,回流水量小,排渣不好。在钻进仰孔时,当钻具起出孔口后,由于钻孔有一定的仰角,水随即全部流出孔口,孔壁也易垮塌。采用风力排渣时,则风力排渣粉尘大,风压大时对孔壁的风蚀明显,风压小时因沿途压力损失,容易在孔内造成煤粉淤积。加上煤质软,矿压大,也很容易出现垮孔。当钻孔较深时,钻杆脱节或掉钻头的可能性就较大。
2.2 喷孔
钻孔喷孔应看作是钻孔中出现的动力现象,这种现象的出现类似于煤与瓦斯突出,主要是高压瓦斯、应力集中和软煤存在3个因素综合作用的结果。煤体沿钻孔径向可分为弹性带和塑性带,在弹性带和塑性带边缘处径向应力分量恒等,该边界处的径向应力可写成
στ=-2τSln(r/R0) (1)
式中,στ为径向应力;τS为剪切强度;r 为塑性带半径;R0为钻孔半径。
由式(1)可知,R0越大,στ越小。塑性带是随钻进时间形成的,钻进速度越快,塑性带越窄。在高速钻进时,理论上塑性带将有最小值r=R0,στ=0,这时因无塑性变形,应力不对外做功,弹性能聚集,喷钻几率增加。软煤的塑性态可以用有内摩擦力的塑性介质模型表示为
τH=k+σHtanρ (2)
式中,τH为极限面的切应力;k为内聚力;σH为极限面的正应力;ρ为摩擦因数。
如果取τH=τS,则由(1)式可知,στ由σH决定。考虑到煤层工作面附近正应力的分布和支承压力的存在,στ由采矿深度和钻孔深度决定,这与松软煤层钻孔达到一定深度时易于喷钻和卡钻的事实相符。当钻孔进入软煤分层时,钻头的切削旋转对软煤产生冲击和破碎,煤体中裂隙沿径向的非弹性带迅速发育,非弹性带内的煤体破裂和粉碎使煤体瓦斯快速解吸,使流入钻孔中的瓦斯激增,沿钻孔径向和轴向都出现较大的瓦斯梯度,因而出现明显的瓦斯激流或射流,承压的瓦斯激流或射流对破坏的煤颗粒起边运送、边粉化的作用,同时还继续沿钻孔径向和轴向扩张非弹性带。由于钻孔孔径小,钻孔出现堵孔、排渣不力,瓦斯激(射)流和粉化的煤颗粒难以顺利地向孔外排出,进一步增加了钻孔轴向的瓦斯压力梯度,致使瓦斯爆发性涌出,形成喷孔。
喷孔也可能产生于堵孔后。由于煤层中含水或结核,钻头切削的煤粉难以顺利排出,造成孔内堵塞,在钻孔的浅部(10～20 m的范围内)出现堵孔;或是打钻风压和风量不够,排渣不力,出现堵孔。堵孔造成钻孔前方和周边的瓦斯无法排出,孔内瓦斯不断涌出,孔内外形成较大的压力梯度,达到某个极限时,发生喷孔。
2.3 卡钻
卡钻是与喷孔有直接联系且随之发生的一种现象,喷孔时未能及时退出钻杆,破碎的煤体将钻杆和钻头箍紧;或是孔内出现垮孔和堵孔、排渣不力、孔内积粉增多,此时若仍然钻进,则使堵孔、塌孔的范围不断扩大,造成钻杆和钻头箍紧,钻头无法进退。
3 深孔钻进工艺
3.1 稳固钻机
首先要根据钻孔设计确定钻机位置,固定好钻机,防止钻进过程中的振动。钻机振动将会造成钻杆在钻进过程中摆动或闪动,形成钻杆偏离中心,增加阻力,削弱钻进扭矩,或孔壁受钻杆摆动影响而破坏,增加垮孔、塌孔、堵孔的形成条件。稳固钻机是打钻前重要环节,也是打深孔的基础。
3.2 保证排渣顺畅
排渣是一个关键环节,要做到不堵孔,减少喷孔,降低喷孔强度都靠排渣,排渣是否顺畅,直接关系到钻孔的成败。风力排渣时,排渣不顺畅会摩擦发热产生高温,严重时导致钻孔内起火,带来安全隐患。钻孔排渣顺畅依托2个条件:①保证打钻风压和风量;②规范操作。
焦作工学院“九五”期间曾在平顶山十矿开展“松软煤层打钻技术及装备研究”,研制了扶正器和可收缩钻头,并且侧重进行了打钻工艺的研究。提出了“低压慢速、边退边进、掏空前进”十二字软煤打钻工艺的思路。
含水煤层孔内煤粉变成煤泥糊或煤泥团,单纯送风往往难以达到孔内通畅的效果,多退钻、反复退和提高风压是完全必要的,在此时也可以采用水力排渣来解决。但不能强调钻进速度,否则欲速则不达。
钻粉的多少综合反映了应力、瓦斯压力和煤的力学性质三因素。在相同打钻工艺条件下,应力越大,瓦斯压力越大,煤的强度越低,所产生的钻粉越多。支承压力的分布对钻粉产生和排出的影响非常明显,支承压力的分布区钻粉多,钻孔径向塑性带变宽,孔内排渣困难,往往易卡钻、喷孔和垮孔,多退钻、反复退是钻孔过支承压力带的关键。为了提高钻进速度,可以有计划地进行钻具排渣、风力排渣和水风排渣的替换。实践已证明,这是提高钻进速度和打深孔的有效途径[1]。
3.3 给进压力、钻进速度和钻机转速相互配合
在软煤中打深孔需要给进压力、钻进速度和钻机转速互相配合。钻机给进压力的极限是固定的,不同层段要掌握不同的给进压力,压力升高的原因:①穿层;②孔内出现堵孔;③钻具损坏。当给进压力突然变化时,必须采取果断措施,一是停止钻进,加大排渣力度;另一种是撤钻退钻。钻进速度必须保持适当,软煤分层中钻进主要是降速,通过高转速、低钻进速度延长排渣时间,充分排渣,减少沉渣,同时也起到降低给进压力的作用,提高钻机转速使孔壁光滑,这是后期保证成孔深度的重要环节。资料表明,通过提高钻机转速和排渣风压,软煤中可以打出90 m的深孔[2,3]。
4 应用实例
义马煤业集团某矿12011工作面煤体坚固性系数为0.1～0.4,使用ZDY-5全液压坑道钻机,给进压力0.3～0.5 MPa,钻头Ø75 mm,钻杆长1 m,打钻孔87个,测定钻进每根钻杆最慢为10 min,最快为1 min,按次数统计,在钻进每根钻杆所用时间小于2 min时,发生了严重喷孔。按钻进速度大小分为3个统计区间:<2 min/m,2～5 min/m,>5 min/m。统计表明:孔深小于30 m时,2～5 min/m的速度可以保证安全钻进,其中大于7 min/根杆的各孔钻进平稳。在给进压力5～6 MPa,钻进速度7～9 min/根杆时孔深都超过了75 m。
5 结语
(1)稳固钻机、保证排渣顺畅、注意给进压力、钻进速度和钻机转速的优化配合是打深孔的关键。
(2)高转速低钻进速度,延长排渣时间充分排渣,减少沉渣,既保证了施工的安全,又减少了卡钻、喷钻和打钻引发的煤与瓦斯突出等灾害。
参考文献
[1]唐永志,王子龙.松软高突煤层顺层钻孔施工方法[J].矿业安全与环保,2000,27(4):20-21.
[2]白铁刚,刘伟,佟敬勋,等.MYB-50型全液压钻机的研制与应用[J].煤矿安全,2001(6):38-39.
[3]杜春雨,陈东科,秦峰.新型软煤层打钻设备及应用分析[J].煤矿机械,2003(5):59-60.
深孔钻进 篇2
关键词：深孔,减压,参数
由于对深层矿体的储量计算要求, 近年来在哈达门矿区施工了深孔25个, 孔深都在1000米以上。在开始钻孔中, 由于矿区缺乏这方面的经验, 发生了几起掰钻事故, 究其原因, 是在钻进中操作人员对深孔的减压认识不清楚, 仅凭经验来加减压力而造成的。笔者在深入总结研究后, 提供了一些参数, 较好地指导了施工生产, 事故不再发生, 节省了钻探成本。
1 一般孔底压力的计算
本文讨论的情况是在理想状态下, 即:钻杆仅受轴向压力和拉力, 以及钻机所施加给钻杆柱的扭矩。不考虑已经微弯曲的钻杆所受的弯矩及弯曲应力, 不考虑钻杆柱公转产生的离心力。这样就只需考虑钻杆柱轴向的压力拉力, 钻杆所受的扭矩由于不影响孔底钻头的轴向受力, 故也不用考虑。
在钻进1000米以上的深孔时, 一般采用减压钻进, 此时钻杆柱上部受拉, 下部受压, 在钻杆柱某处轴向力为零。
以1000米为例, 使用Φ75墩粗钻杆, 单位长度上的重量为8Kg/m, 则1000米钻杆柱自重为8000Kg, 当选用NWL规格的钻头时, 钻头承受的最大压力为15KN, (见表2.1[2]) 约为1500Kg。钻头所受轴向压力来自于上部钻杆柱的重量, 由此可以计算出钻杆柱零点位置位于距离孔底187.5米处:L1=187.5m
零点位置距孔口为:L2=1000m-187.5m=812.5m
故L2这部分钻杆的重量全部由钻机进行减压, 才能使钻头承受的压力不会超过其最大值。减压为6500Kg。
单位:千牛表2.1
随着钻孔深度的增加, 减压的数值应当随之增大, 一般的公式为:
F减压= (L- L1) ×8Kg
2 事例
2.1 概况
矿区位于包头市九原区境内, 地处阴山山脉乌拉山中东段, 矿区内主要为黑云角闪斜长片麻岩、石英脉、石英-钾长石脉及钾硅化蚀变岩。可钻性级别中硬到硬。
施工钻孔为313ZK14718, 设计孔深1370米, 倾角88度。方位角10度。采用绳索取心XY-6B钻机施工, 钻头使用的是Φ75孕镶金刚石钻头, 硬度40度。
2.2地层情况
2.2.1上层主要为第四系覆盖层, 厚度为3～7米。软而破碎, 钻进过程中易出现漏水和钻孔垮塌事故。
2.2.2 黑云角闪斜长片麻岩:暗灰色、灰绿色, 鳞片花岗变晶结构, 片麻状构造, 岩石可钻性等级为7～9级。
2.2.3 斜长角闪岩类, 岩石可钻性等级为7～9级, 完整时易于钻进;当出现破碎时, 有较强的研 磨性, 也容易出现掉块卡钻事故
2.2.4 石英岩类, 岩石可钻性等级可达到10级, 硬度较大, 研磨性强。
2.2.5 绿泥石石化蚀变破碎带, 地层较为破碎, 容易发生坍塌、卡钻等钻井事故。
2.3 井故处理
该孔在施工到1205米时候, 不能进尺, 提钻后发现钻头胎体部分有掰齿现象, 且面积较大, 此时地层较完好, 钻机减压60KN, 分析后认为是由于钻进中减压不当造成, 换用新的金刚石钻头轻压把孔底掉落的胎体磨光后, 钻机减压80KN后顺利终孔, 再没有发生类似现象。
另外, 在该矿区的其他孔施工中, 也发生过类似的情况, 经过推算制定如下的减压表供矿区参考。
参考文献
[1]地质岩心钻探规程[S].
深孔钻进 篇3
1松软突出煤层钻进困难原因分析
松软突出煤层具有强度低、富含瓦斯、解吸速度快、透气性差等特点,钻头在轴向压力的作用下侵入煤体,同时在回转扭矩的作用下切削破碎煤壁。在钻头和钻杆的扰动下,孔壁破裂失稳,煤体由约束状态转变成表面状态、流变准平衡状态转变成变形速度较大的状态[4,5],大量瓦斯解吸,钻孔前方与后方出现较大的瓦斯梯度,形成瓦斯激流,激流边运送边粉化破坏煤颗粒。由于钻孔孔径较小,破坏的煤颗粒难以顺利排出孔外,使形成的瓦斯梯度增强,瓦斯由涌出演变成爆发性喷出,发生喷孔、顶钻,致使钻孔深度达不到要求。此外,钻孔排渣量远小于产渣量,大量煤屑在孔底堆积、压实,形成煤屑楔(图1),煤屑楔向上支撑起钻杆,容易造成卡钻事故。
2双动力协同排渣深孔钻进方案
及时、顺畅地排除煤渣是实现深孔钻进的关键。光面圆形钻杆钻进时,排渣动力主要是外界的流体动力,难以满足排渣要求,容易形成煤屑楔,阻碍钻进。螺旋钻杆协同水力钻进时,破碎的煤颗粒除受到水的携带作用外,还受到螺旋钻杆的输送作用,实现了机械和水力双动力协同排渣,提高了排渣能力,消除煤屑楔的阻滞作用,实现均匀、安全、快速排渣。其排渣路线如图2所示。此外,采用水力排渣有助于抑制粉尘的产生,可改善工作环境。
3现场应用及效果分析
3.1工作面概况
淮北杨柳矿10414工作面是104采区(首采区)的首采工作面,位于第7个区段。上邻10412工作面,下接10416工作面(两面均未准备)。南翼(切眼侧)以小沈家断层煤柱为界,北翼到3条大巷(东翼轨道大巷、东翼运输大巷、东翼回风大巷)保护煤柱。工作面走向长1 050 m,倾斜宽180 m,回采二叠系山西组10煤层,采用综合机械化采煤方式,自由垮落式控制顶板。工作面底板标高-610～-558 m。工作面位于牛小集背斜轴部。背斜两翼宽窄不等,较缓,波幅数十米。煤层赋存条件复杂,经常遇断层。煤层突出危险性预测指标值:瓦斯压力2.0 MPa;瓦斯含量12.02 m3/t;瓦斯放散初速度ΔP为20;坚固性系数f为0.36;煤破坏类型为Ⅲ—Ⅳ类;钻屑瓦斯解吸指标K1为0.69;钻屑瓦斯解吸指标Δh2为360;极限吸附常数a为27.65 m3/t,具有突出危险性。
3.2钻孔设计
10414工作面采用穿层钻孔和顺层钻孔相结合的钻孔设计方法,钻孔布置如图3所示。以往顺层钻孔施工时,主要采用ZL850型钻机,光杆Ø50 mm复合钻头,采用压风排渣,但存在钻机平移劳动强度大、钻机扭矩小、钻孔跑偏率大、施工环境差、夹钻方式不安全等缺点,不能适应目前煤巷机械化掘进和连续化运输的需求。因此,引进CMS1-6200/80型履带式钻机,该钻机扭矩达6 200 kN,采用Ø98 mm螺旋钻杆,宝塔形钻头,自旋式排渣方式,适合长距离顺层钻孔施工,能适应高地应力、高瓦斯压力、松软煤层的钻孔施工条件。地质构造异常带施工顺层钻孔,除采用大功率钻机外,针对不同的地质条件,采用循序递进、瓦斯抽采、穿层孔补充等手段,保证工作面瓦斯治理到位。
3.3钻孔施工
10414工作面受地质构造影响,内部存在多个断层和褶曲异常带,地质情况复杂,不利于钻孔设计和施工。为提高钻孔施工效率,根据“边探边掘”的工作思路,采取递进式的钻进施工方式(图4)。其中A和B孔作为前期探查孔,探查开孔2.5 m半径范围内煤层赋存状况,A和B两孔设计倾角一仰一俯,倾角相差6°,根据探明的地质情况为顺层孔施工提供设计依据。
依据杨柳矿顺层钻孔抽采半径5 m的情况,1组钻孔内的3个孔开孔间距为2.5 m,方位为140°,垂直巷帮,其中任意钻孔的有效抽采段都能对其半径5 m范围的煤层进行有效抽采,通过3个钻孔有效抽采段的有序结合和探查互补,对该区段的瓦斯进行有效治理。褶曲段煤层和断层段煤层钻孔布置如图5、图6所示。
受地质构造影响,工作面局部地段存在高瓦斯赋存区,钻孔施工过程中,喷孔、夹钻、顶钻等孔内瓦斯动力现象明显,极易造成瓦斯超限等事故。针对此情况,结合10煤层瓦斯赋存特点,利用现有的瓦斯抽采系统,当钻孔喷孔严重时,先临时封孔,采用高负压(20 kPa)抽采钻孔瓦斯,待抽采1～2 d、抽采浓度降至5%以下,在距1#孔5 m处开2#孔;如果瓦斯依然喷孔严重,则临时封孔抽采,然后在1#和2#钻孔中间开3#钻孔;如果3#钻孔依然喷孔,则临时封孔抽采,套1#和2#钻孔,这样对3个钻孔依次抽采和套孔,利用相互的抽采影响范围来降低瓦斯压力和地应力,保证钻孔顺利施工到位(图7)。
3.4效果分析
(1)钻进。
为了比较采取综合措施后的钻进效果,统计了措施前后各7 d的钻进数据,结果见表1。
由表1可知:双动力协同排渣技术结合辅助措施效果明显,平均单孔钻深提高了41.94%,平均日进尺提高了57.71%。
(2)瓦斯抽采。
钻孔施工完毕,接入抽放管路进行瓦斯抽采。每天读数1次,统计实施措施前后瓦斯抽采参数的变化如图8所示。采取措施后平均单孔瓦斯纯流量、浓度明显提高。最高单孔瓦斯纯流量达到0.80 m3/min,较措施前的0.55 m3/min提高了45.5%。最高单孔浓度达到85%,较措施前的50%提高了70%。双动力协同排渣实现了深孔钻进,煤体暴露面积增大,瓦斯抽采效率得到提高。
4结论
(1)松软突出煤层钻进时,瓦斯解吸速度快,形成瓦斯激流,粉碎、携运煤粉。产渣量远大于排渣量,形成煤屑楔,导致各种瓦斯动力现象,阻碍深孔钻进。双动力协同排渣充分发挥机械输运和水力携运的双重作用,实现了均匀、安全和快速排渣,有助于深孔钻进。
(2)复杂地质构造带采用递进式钻进施工方式及钻孔有效抽采段的有序结合,保证了瓦斯治理的质量。
(3)采取综合措施后,平均单孔钻深提高了41.94%,平均日进尺提高了57.71%。单孔瓦斯纯流量、浓度得到了明显提高。
参考文献
[1]王永龙,孙玉宁,翟新献,等.松软突出煤层新型钻进技术研究[J].采矿与安全工程学报,2012,29(2):289-294.
[2]孙玉宁,王永龙,翟新献,等.松软突出煤层钻进困难的原因分析[J].煤炭学报,2012,37(1):116-121.
[3]马红伟.平煤十矿本煤层深孔施工装备及工艺研究应用[J].煤炭科学技术,2009,37(10):7-10.
[4]邹全乐,林柏泉,徐幼平,等.螺旋式切煤诱喷增透防突技术研究及应用[J].中国煤炭,2012,38(6):89-93.