钻孔扩孔及自然水压冲孔应用

引言
　　穿层钻孔预抽煤层瓦斯是区域性瓦斯治理技术中的必不可少的一项技术手段，但相比较来说施工穿层钻孔的治理费用比顺层钻孔的费用要多，矿井瓦斯治理投入较大，效果也不甚明显。基于此，祁南矿针对自身的现状，尝试了对施工钻孔进行综合利用，对施工的钻孔进行扫孔和扩孔，经过不断的探索和试验分析。实验证明钻孔扫孔和冲孔的应用，可以使瓦斯抽采效果大大提高，能有力保障矿井的安全生产。
　　1 地质概况
　　1.1 试验地点煤层赋存情况
　　试验地点位于我矿34下5底板巷，在34下5底板巷施工底板钻孔，对34下5机巷及两帮的32煤层进行预抽。
　　所预抽的32煤层厚度2.8～4.2m，平均3.7m，为中厚～厚煤层，以中厚煤层为主；煤层结构复杂，夹矸层数1～3层，以1～2层为主，夹矸岩性多为泥岩，厚0.02～0.8m。煤呈黑色～灰黑色，沥青～玻璃光泽，条带状结构，层状构造参差状断口，内生裂隙较发育。宏观煤岩成分以亮煤、暗煤为主，夹有镜煤透镜薄层，宏观煤岩类型为半亮～半暗型煤。容重1.38～1.43t/m3，平均1.4 t/m3。
　　1.2 试验地点煤层顶、底板情况
　　老顶为中细砂岩，厚4.3～5.4m，灰色，块状，中细砂岩，胶结致密，含大量的石英、云母片，局部含粉砂岩。直接顶泥岩，厚8.5～12.8m，灰～灰黑色，致密，块状，性脆，泥岩，含有云母和植物化石碎片。直接底泥岩，厚1.5～2.5m，灰色～深灰色，致密，块状，局部具有厚约0.3m炭质泥岩。老底细砂岩，厚0.5～2.8m，灰～灰白色，中细砂岩，块状结构，致密坚硬，具水平层理，成份以云母和石英为主。
　　2 试验配套设备
　　（1）钻机：采用ZDY-3200S全液压钻机，该钻机由西安煤炭科学研究院钻探研究所研制生产。（该钻车为液压钻机，最大扭矩3200 N・m）
　　（2）钻杆：采用直径73mm，长1m的平光钻杆。
　　（3）钻头：施工时为Ф133mm金刚石复合片钻头，扩孔为Ф130mm掏穴钻头（展开后Ф260mm）。
　　（4）试验钻场：11#.13#钻场钻孔完成后用扩孔钻头进行扫孔，12#采用钻孔完成后不扫孔。
　　（5）冲孔水压：5Mpa～5.5Mpa。
　　3 试验过程
　　此次试验目的是利用扩孔钻头施工底板钻孔，通过对穿层钻孔对扩孔、冲孔后的煤量、瓦斯排放量和抽放影响的范围进行综合分析，得出结论，优化钻孔施工参数。
　　3.1 考察步骤
　　采用ZDY3200S型钻机，先用Ф133mm金刚钻头施工至进入煤层500mm后起钻，换用Ф130mm扩孔钻头（展开后Ф260mm），下至见煤处开始进行扩孔。利用扩孔钻孔考察以下参数：
　　（1）考察掏出总煤量的大小，详细记录每个钻孔扩孔期间及自然水压冲孔半小时的煤量。
　　（2）利用CJZ瓦斯参数测定仪考察扩孔钻孔与非扩孔钻孔排放瓦斯量，对比计算掏出的瓦斯量。
　　（3）钻场结束后对比利用扩孔钻头施工的钻场和没用扩孔钻头施工并冲孔的钻场的抽采参数。
　　3.2 掏出煤量比较
　　通过施工比较，扩孔钻头扫孔后用自然水压冲孔，平均每孔可冲出1.2t的煤量，冲孔20分钟后水变清，冲不出钻渣。不扫孔的钻孔用自然水压冲孔，平均每孔可冲出1t的煤量，冲孔15分钟后水变清，冲不出钻渣。
　　扫孔的钻孔比未扫孔的钻孔冲出的煤量要大。
　　3.3 单个钻孔抽采效果分析比较
　　为防治瓦斯超限，冲孔过程中使用防喷孔装置，冲孔时排出的瓦斯直接由抽放装置抽走，无法比较瓦斯排放量。但钻孔合茬后对钻孔单孔瓦斯抽放参数进行了测量，具体参数如下表1、表2、表3：
　　表1 12#钻场（未扩孔钻场）单孔瓦斯抽放参数表
　　钻场号 钻孔 流量（m3/min） CH4（%） 纯量（m3/min） 压力（KPa） 温度（℃）
　　12# 1-1 0.045 40.2 0.0181 21.2 27.2
　　1-2 0.047 44.1 0.0207 21.5 26.8
　　1-3 0.049 49.3 0.0242 21.5 27
　　1-4 0.068 55.6 0.0378 21.4 27
　　1-5 0.035 33.5 0.0117 21.2 27.7
　　1-6 0.056 21.1 0.0118 21.2 28
　　1-7 0.031 50.6 0.0157 21.3 28.3
　　平均值 0.047 42.1 0.02 21.3 27.42857
　　表2 11#钻场（扩孔钻场）单孔参数表
　　钻场号 钻孔 流量（m3/min） CH4（%） 纯量（m3/min） 压力（KPa） 温度（℃）
　　11# 1-1 0.113 99.9 0.1129 21.2 26.9
　　1-2 0.109 98.1 0.1069 21.2 27.5
　　1-3 0.047 44.7 0.021 21.3 26.2
　　1-4 0.086 53.3 0.0458 21.4 25.6
　　1-5 0.062 70.1 0.0435 21.5 24
　　1-6 0.045 75.9 0.0342 21.4 25.1
　　1-7 0.036 72.8 0.0262 21.2 26.6 　　平均值 0.071 73.5 0.0558 21.3 26
　　表3 13#钻场（扩孔钻场）单孔参数表
　　钻场号 钻孔 流量（m3/min） CH4（%） 纯量（m3/min） 压力（KPa） 温度（℃）
　　13# 1-1 0.122 94.8 0.1157 22.2 27.5
　　1-2 0.089 88.9 0.0791 21.7 27.3
　　1-3 0.075 99.9 0.0749 21.5 27.5
　　1-4 0.073 67 0.0489 21.3 27.5
　　1-5 0.047 44.1 0.0207 21.4 26.8
　　1-6 0.045 40.2 0.0181 21.5 27.2
　　1-7 0.077 88.9 0.0685 21.3 28.4
　　平均值 0.075 74.8 0.0608 21.5 27.5
　　在相同的负压条件下，12#钻场的平均单孔流量为0.047 m3/min，浓度为42.1%，纯量为0.02 m3/min。11#钻场平均单孔流量为0.071 m3/min，浓度为73.5%，纯量为0.0588m3/min 。13#钻场为0.075 m3/min，浓度为74.8%，纯量为0.0608 m3/min。
　　由以上数据进行分析，扫孔后的钻孔，抽采的流量、浓度、纯量都要显著大于未进行扫孔的钻孔。
　　3.4 钻场抽采效果分析
　　钻场合茬后，对整个钻场的抽采参数进行了测定，可以看出，扫孔的钻场，在相同负压的情况下，抽采的流量要显著大于未扫孔的钻场，11#钻场近几个月平均抽采纯量为0.3553m3/min，12#钻场近几个月平均抽采纯量为0.2939m3/min，12#钻场近几个月平均抽采纯量为0.4173m3/min。
　　扫孔钻场要比未扫孔钻场平均抽采纯量要大1.2～1.4倍。
　　4 结论
　　经过试验对比，穿层利用扫孔钻头进行扫孔，后期进行自然水压冲孔，可有效的提高钻孔掏出的煤量，并利用后期的瓦斯抽放，可有效的提高钻孔的利用率和瓦斯抽采效。