CN107023295A - 一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法及设备，采用机械钻进和水力射流钻进的煤层防冲钻孔钻进技术，先利用高压水射流冲落煤体并形成钻孔断面，再利用钻头将冲落的煤体破碎，然后利用高压水回流带出煤粉，从而形成“水力落岩、机械破岩、回流带岩”三级钻孔钻进技术，起到钻进、成孔、降尘、排粉、冷却的作用。“先冲后破”钻进技术改变了机械钻进模式，保留了机械破碎特性，提升了钻孔钻进效率，融合了水力防冲特性，从而有效解决煤层防冲钻孔的低效钻进、卡钻丢杆、积粉聚尘等问题。

Description

一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法及设备

技术领域

本发明涉及煤矿冲击地压防治技术领域，特别是涉及一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法及设备。

背景技术

冲击地压是我国煤矿面临的最为严重的动力灾害之一。随着浅部煤炭资源储量逐渐减少，开采深度不断增大，据统计，我国埋深超过千米的煤炭资源储量占煤炭资源总量的53％，目前超千米开采的煤矿已超过45个，最大开采深度已接近1500米；易采煤炭资源逐渐枯竭，复杂开采、困难开采煤炭产量所占比例增加。随着煤炭开采强度增大和煤矿开采条件恶化，冲击地压灾害日趋严重，目前全国冲击地压矿井已超过160个。我国煤矿开采地质条件复杂，冲击地压诱发因素多，有效防治难度大，严重制约了矿井安全高效生产。因此,深入研究煤矿冲击地压防治技术具有重要的意义。

普遍认为，冲击地压是应力问题，即当煤体中的应力满足冲击地压发生临界应力条件时就会发生冲击地压。因此，防治冲击地压的关键是改变煤体应力状态、弱化煤体冲击倾向性，即通过破坏煤体结构、减弱煤体蓄能性能，减小冲击发生的可能性。

目前，深部矿井冲击地压灾害十分严重，防治任务艰巨。国内外学者开展了大量防冲技术和手段方面的研究。冲击地压防治的核心思想就是把高应力区向煤体深部转移，降低应力集中区应力峰值，弱化煤体冲击倾向性，减少应力集中区的能量聚积。这对这一难题提出区域性与局部性防冲措施。区域性防冲措施有开采保护层，合理开拓，优化开采顺序、巷道布置、采煤工艺等；局部性防冲措施有煤层***、煤层注水、钻孔卸压等。开采保护层对冲击地压防治能够起到根本性的作用，但其具有适用条件，须满足煤层赋存条件，现场主要通过合理开拓与优化开采顺序、巷道布置、采煤工艺进行区域性防治，如远离断层开采、两翼交替开采、工作面顺序开采、一次采全高等。

这些防冲技术都存在一定的局限性，如卸压效率低、丢钻杆严重、施工不安全，无法完全满足冲击危险区的快速、安全解危需求。尤其是硬煤，硬煤一般指普氏系数f>2。采用常规的钻机施工钻孔的方法，由于煤体较硬，煤体破碎块度较大，煤渣排除钻孔不顺畅，导致钻头卡钻、掉钻等现象，钻孔施工效率低、钻头、钻杆损耗大。

(1)煤层***卸压

***卸压是指在钻孔底部集中装药***，破坏煤体连续性，从而使煤体内高应力状态发生改变，并将应力向围岩深部转移，同时有控制地释放储存在煤体内的弹性能。当***发生时，***在煤体中发生***，以***点为中心，煤体由里向外破坏程度逐渐减小，其影响范围可划分为三个区域：压碎区、裂隙区和震动区。

卸压***的不足之处在于，该方法仅适用于地应力大、煤质坚硬的煤岩层。此外，******时会释放出大量动能，如若设计参数不当，不仅起不到卸压作用，相反可能诱发冲击地压，此外，实施过程中易造成残炮、瞎跑，威胁现场施工人员安全。因此，该方法具有一定的危险性。

(2)煤层注水

煤层注水是指向煤层内注高压水，压裂煤体，并使煤体结构破坏，从而降低煤体承载能力，此外，水的注入可以降低煤体的物理力学性质。该方法具有成本低、操作简单、适应性强的特点。

但煤层注水措施一般适用于吸水性强的煤层，在坚硬煤层中使用该法效果不佳。

(3)水力压裂、水力割缝卸压

水力压裂就是考虑到煤体的物理力学性质，利用高压水流的作用，在煤层中压出裂缝，并不断扩展，使裂缝周边的煤体更加破碎，进而释放煤体内部的弹性能；煤体高压射流钻割卸压，是以煤柱作为安全屏障，水射流钻孔时，煤、水经过钻孔向孔外排出，钻孔周围煤体剧烈向孔道方向移动，同时发生煤体的膨胀变形和顶底板的相向位移，引起钻孔周围一定范围内的应力降低，并使高应力向煤体深部转移，从而起到煤体局部卸压的作用。

水力压裂、水力割缝卸压的工艺稍有不同，应用领域也不同。该类型方法施工工艺较为复杂，在实际工程应用中存在技术和装备不配套、不完善等诸多方面的问题，并且很难控制压裂范围，实现均匀卸压。

(4)掏槽卸压

掏槽卸压是控制围岩变形的一种切实有效的卸压方法，其作用机理在于将卸压槽开掘后，使煤体应力向深部转移，扩大了卸压范围，使煤体中的弹性能得以释放，并吸收大量的围岩变形量，改变周围煤体应力场的分布范围。

掏槽卸压效果的优劣取决于卸压槽开挖后所形成的卸压范围大小。

(5)煤层钻孔卸压

利用钻孔的方式在煤体内高应力区形成一个钻孔自由面，使该区域煤体的强度弱化并形成局部的弱化区或弱化带，为煤体在应力释放过程中产生的膨胀变形提供补偿空间，即“煤层增变”卸压效果，并且使支承压力峰值向围岩深部转移，减小高应力对井巷的破坏作用。

根据“应力三向化转移”原理，对具有冲击地压危险的局部区域采用大直径钻孔进行卸压，造成巷道一定深度围岩发生结构性破坏,形成一个弱化带,引起巷道周边围岩内的高应力向深部转移,从而使巷道周边附近围岩处于低应力区，当发生冲击时，一方面大直径钻孔的空间能够吸收冲出的煤粉，防止煤体冲出，另一方面卸压区内顶底板的闭合产生“楔形”阻力带，能够一定程度阻止煤体冲出。

根据对各类卸压措施开展的现场实践和对比分析，结果表明，煤层钻孔能够深入高应力带，卸压效果好、灵活可靠，尤其适用于煤层高应力区的卸压解危。但现场应用同时也表明，该技术仍存在一定缺陷：一是，现有钻孔技术起不到应有的卸压效果，这与钻孔质量、钻进效率等密切相关；二是，钻进效率低，易出现卡钻造成的钻杆丢失；三是，施工环境不理想的情况下，无法实现大直径深孔的连续钻进；此外，在解危过程中，施工人员存在安全隐患。

通过大量现场应用表明，上述方法一定程度上改善了煤体的冲击倾向性，即通过破坏煤岩体结构、减弱煤岩体内聚集的弹性势能，减小冲击发生的可能性，但由于各类方法的局限性，如卸压效率低、效果差以及施工不安全等多，使这些方法无法完全满足深井高应力区卸压的需求。因此，有必要研制一套针对于深部冲击矿井的高效、安全的煤层卸压技术。该技术既要满足现场防冲的基本需求，同时又要显著提高煤层防冲钻孔的施工效率，降低钻孔成本，提升安全水平。

发明内容

本发明就是针对上述存在的缺陷而提供一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法及设备。本发明对现有煤层钻孔卸压技术进行改进，提出一种联合机械钻进和水力射流钻进的新型煤层防冲钻孔钻进技术，即“先冲后破”煤层防冲钻孔钻进技术。具体为先利用高压水流冲落煤体并形成钻孔断面，再利用钻头将冲落的煤体破碎，然后利用高压水回流带出煤粉，从而形成“水力落岩、机械破岩、回流带岩”三级钻孔钻进技术，起到钻进、成孔、降尘、排粉、冷却的作用。“先冲后破”钻进技术改变了机械钻进模式，保留了机械破碎特性，提升了钻孔钻进效率，融合了水力防冲特性，从而有效解决煤层防冲钻孔的低效钻进、卡钻丢杆、积粉聚尘等问题。

冲击地压防治的核心思想就是把高应力区向煤体深部转移，降低应力集中区应力峰值，弱化煤体冲击倾向性，减少应力集中区的能量聚积。

本发明的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法及设备技术方案为，采用机械钻进和水力射流钻进的煤层防冲钻孔钻进技术，先利用高压水流冲落煤体并形成钻孔断面，再利用钻头将冲落的煤体破碎，然后利用高压水回流带出煤粉。从而形成“水力落岩、机械破岩、回流带岩”三级钻孔钻进技术，起到钻进、成孔、降尘、排粉、冷却的作用。“先冲后破”钻进技术改变了机械钻进模式，保留了机械破碎特性，提升了钻孔钻进效率，融合了水力防冲特性，从而有效解决煤层防冲钻孔的低效钻进、卡钻丢杆、积粉聚尘等问题。

水力射流一方面冲钻成孔，提高钻进效率，同时为钻杆作业提供降温、润滑功效；另一方面，钻孔内高压水流有利于煤粉导排和降尘；此外，水力射流超前冲落煤体，降低了钻杆围压，有效避免卡钻丢杆；水力射流同时具有煤层注水防冲的功能。

所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，采用机械钻进和水力射流钻进的煤层防冲钻孔钻进技术，步骤为：

(1)先利用高压水流冲落煤体并形成钻孔断面；

(2)再利用钻机将冲落的煤体破碎；

(3)然后利用水流冲洗带出煤粉。

所述硬煤是指普氏系数f>2。

步骤(1)中，高压水流压力大于煤体的抗压强度，且不大于30MPa。

步骤(1)中，冲孔后的钻孔直径为100～150mm。

上述施工方法使用的一种硬煤防冲卸压钻孔施工设备，包括依次连接的钻机、钻杆、钻头和钻齿，钻头和钻齿前端均设置有高压喷嘴射流器，钻杆内部设置有进水管，进水管一端穿过钻机连接有高压水管，进水管另一端分别与钻头和钻齿前端的高压喷嘴射流器连接。

所述钻头前端设置有3个以上以钻头中心为圆心呈圆环状分布的外圈高压喷嘴射流器，钻齿前端设置有3个以上以钻头中心为圆心呈圆环状分布的内圈高压喷嘴射流器，内圈高压喷嘴射流器形成的圆环半径小于外圈高压喷嘴射流器形成的圆环半径。

所述钻头为PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头)。

钻头的直径为100mm。

所述钻齿包括与钻头固定连接的基体和突出于基体表面的刀翼，内圈高压喷嘴射流器位于刀翼之外的基体表面，所述刀翼呈螺旋式分布(螺旋式刀翼能够降低钻头回旋作用，有助于岩屑排出)。

所述钻齿刀翼表面设置有PDC齿。

本发明的有益效果为：本发明的“先冲后钻”煤层防冲钻孔钻进技术是针对高应力区钻孔卸压效率低、效果不佳现象所提出的，该方法结合了钻孔卸压和注水卸压的特性，具有煤粉导排、降尘、钻杆降温等多重功效，减少了卡钻丢杆现象的发生，显著提高高应力区煤层钻孔的钻进效率和成孔效果。本发明将为煤矿冲击地压防治提供重要的技术手段和装备。一方面，该技术的应用可显著提高防冲钻孔的钻进效率，保证冲击危险区的防冲效果；二是，降低区域卸压成本；三是，本发明的应用将进一步提升矿井安全生产水平。

由此可见，本发明的“先冲后钻”煤层防冲钻孔钻进技术应用于冲击地压治理，具有显著的经济效益和社会效益，并具有广阔的市场推广价值，对保障冲击地压煤层安全高效开采有着十分重要的意义，对推进深井安全生产重大事故防治有促进作用。

附图说明：

图1所示为本发明硬煤防冲卸压钻孔设备结构示意图；

图2所示为A部分放大图；

图3所示为钻头正面结构示意图；

1-高压水管，2-钻机，3-钻头，4-钻杆，5-进水管，6-钻头，7-外圈高压喷嘴射流器，8-内圈高压喷嘴射流器，9-PDC齿，10-钻齿，11-刀翼，12-基体。

具体实施方式：

为了更好地理解本发明，下面用具体实例来详细说明本发明的技术方案，但是本发明并不局限于此。

实施例1

山东省郓城煤矿作为典型深部矿井(采深突破1000m)，受冲击地压灾害威胁严重。近两年来，郓城井田发生6次冲击地压显现，造成数百米巷道损坏，给矿山企业带来较大经济损失，同时也严重威胁井下人员的生命安全。

郓城煤矿可采煤层为3煤层，平均厚6.3m，单向抗压强度为15MPa，巷道掘进和工作面回采过程中受冲击地压威胁。郓城煤矿原来采用架柱式卸压钻机进行施工，三个人为一个班，在不卡钻的正常情况下一个班施工3个卸压钻孔，即75m。

采用本发明方法对巷道两帮实施大直径卸压钻孔，孔深25m，钻孔直径150mm，孔间距2m。采用本发明施工后，正常情况下一个班可以施工4个卸压钻孔，即100m，效率提高了33.3％。

具体方案如下：

所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，采用机械钻进和水力射流钻进的煤层防冲钻孔钻进技术，步骤为：

(1)先利用高压水流冲落煤体并形成钻孔断面；高压水流压力大于煤体的抗压强度，且不大于30MPa。冲孔后的钻孔直径为100～150mm。

(2)再利用钻机将冲落的煤体破碎；

(3)然后利用水流冲洗带出煤粉。

上述施工方法使用的一种硬煤防冲卸压钻孔施工设备，包括依次连接的钻机2、钻杆4、钻头6和钻齿10，钻头6和钻齿10前端均设置有高压喷嘴射流器，钻杆4内部设置有进水管5，进水管5一端穿过钻机2连接有高压水管1，进水管5另一端分别与钻头6和钻齿10前端的高压喷嘴射流器连接。

所述钻头3前端设置有3个以上以钻头3中心为圆心呈圆环状分布的外圈高压喷嘴射流器7，钻齿10前端设置有3个以上以钻头3中心为圆心呈圆环状分布的内圈高压喷嘴射流器8，内圈高压喷嘴射流器8形成的圆环半径小于外圈高压喷嘴射流器7形成的圆环半径。

所述钻头3为PDC钻头(聚晶金刚石复合片钻头)。

钻头3的直径为100mm。

所述钻齿10包括与钻头6固定连接的基体12和突出于基体12表面的刀翼11，内圈高压喷嘴射流器8位于刀翼11之外的基体12表面，所述刀翼11呈螺旋式分布(螺旋式刀翼11能够降低钻头回旋作用，有助于岩屑排出)。

所述钻齿刀翼11表面设置有PDC齿。

本发明的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，采用机械钻进和水力射流钻进的煤层防冲钻孔钻进技术，先利用高压水流冲落煤体并形成钻孔断面，再利用钻头将冲落的煤体破碎，然后利用高压水回流带出煤粉。从而形成“水力落岩、机械破岩、回流带岩”三级钻孔钻进技术，起到钻进、成孔、降尘、排粉、冷却的作用。“先冲后破”钻进技术改变了机械钻进模式，保留了机械破碎特性，提升了钻孔钻进效率，融合了水力防冲特性，从而有效解决煤层防冲钻孔的低效钻进、卡钻丢杆、积粉聚尘等问题。

水力射流一方面冲钻成孔，提高钻进效率，同时为钻杆作业提供降温、润滑功效；另一方面，钻孔内高压水流有利于煤粉导排和降尘；此外，水力射流超前冲落煤体，降低了钻杆围压，有效避免卡钻丢杆；水力射流同时具有煤层注水防冲的功能。

本发明对郓城井田防治冲击地压灾害的发生具有十分重要的意义，同时获得的相关成果对其它矿区冲击地压灾害防治也具有一定的推动作用。项目研究成果具有巨大的推广应用价值。

实施例2

所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，采用机械钻进和水力射流钻进的煤层防冲钻孔钻进技术，步骤为：

(1)先利用高压水流冲落煤体并形成钻孔断面；高压水流压力大于煤体的抗压强度，且不大于30MPa。冲孔后的钻孔直径为100～150mm。

(2)再利用钻机将冲落的煤体破碎；

(3)然后利用水流冲洗带出煤粉。

所述硬煤是指普氏系数f>2。

本发明的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，采用机械钻进和水力射流钻进的煤层防冲钻孔钻进技术，先利用高压水流冲落煤体并形成钻孔断面，再利用钻头将冲落的煤体破碎，然后利用高压水回流带出煤粉。从而形成“水力落岩、机械破岩、回流带岩”三级钻孔钻进技术，起到钻进、成孔、降尘、排粉、冷却的作用。水力射流一方面冲钻成孔，提高钻进效率，同时为钻杆作业提供降温、润滑功效；另一方面，钻孔内高压水流有利于煤粉导排和降尘。

上述施工方法使用ZQJG-580/10.0型风动钻机。使用该钻机，出现的卡钻丢杆现象相对于本发明实施例1中的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法要更加频繁一些。

Claims (10)

1.一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，其特征在于，采用机械钻进和水力射流钻进的煤层防冲钻孔钻进技术，步骤为：

(1)先利用高压水流冲落煤体并形成钻孔断面；

(2)再利用钻机将冲落的煤体破碎；

(3)然后利用水流冲洗带出煤粉。

2.根据权利要求1所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，其特征在于，所述硬煤是指普氏系数f>2。

3.根据权利要求1所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，其特征在于，步骤(1)中，高压水流压力大于煤体的抗压强度，且不大于30MPa。

4.根据权利要求1所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工方法，其特征在于，步骤(1)中，冲孔后的钻孔直径为100～150mm。

5.一种硬煤防冲卸压钻孔施工设备，其特征在于，包括依次连接的钻机、钻杆、钻头和钻齿，钻头和钻齿前端均设置有高压喷嘴射流器，钻杆内部设置有进水管，进水管一端穿过钻机连接有高压水管，进水管另一端分别与钻头和钻齿前端的高压喷嘴射流器连接。

6.根据权利要求5所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工设备，其特征在于，所述钻头前端设置有3个以上以钻头中心为圆心呈圆环状分布的外圈高压喷嘴射流器，钻齿前端设置有3个以上以钻头中心为圆心呈圆环状分布的内圈高压喷嘴射流器，内圈高压喷嘴射流器形成的圆环半径小于外圈高压喷嘴射流器形成的圆环半径。

7.根据权利要求5所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工设备，其特征在于，所述钻头为PDC钻头。

8.根据权利要求5所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工设备，其特征在于，钻头的直径为100mm。

9.根据权利要求6所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工设备，其特征在于，所述钻齿包括与钻头固定连接的基体和突出于基体表面的刀翼，内圈高压喷嘴射流器位于刀翼之外的基体表面，所述刀翼呈螺旋式分布。

10.根据权利要求7所述的一种硬煤防冲卸压钻孔施工设备，其特征在于，所述钻齿刀翼表面设置有PDC齿。