常剛政 劉發(fā)義 戴世鑫

1 國(guó)內(nèi)礦井瓦斯抽采研究現(xiàn)狀

突出松軟煤層瓦斯抽采鉆孔施工的最大障礙是打鉆過程中的噴孔、垮孔、抱鉆等孔內(nèi)事故。而發(fā)生噴孔、垮孔、抱鉆的原因就是較高的瓦斯壓力、地應(yīng)力以及煤層的松軟。老礦區(qū)打鉆過程中噴孔嚴(yán)重，更為不利的因素還是高地應(yīng)力作用下的煤層因打鉆作用導(dǎo)致應(yīng)力重新分布時(shí)，在鉆孔壁發(fā)生劇烈沖擊性崩裂[1，2]。

我國(guó)大多數(shù)礦區(qū)主要采用螺旋鉆桿在本煤層進(jìn)行鉆孔的施工。由于其排渣是完全靠鉆桿上的螺紋旋轉(zhuǎn)擠壓排出，因而，在比較松軟、地壓相對(duì)較大的煤層的鉆孔深度受到了限制，成孔質(zhì)量不高，施工時(shí)間也較長(zhǎng)。這是當(dāng)今瓦斯抽采面臨的最大問題，也是世界性的技術(shù)難題?；谶@一目的，針對(duì)當(dāng)前常用鉆桿在使用過程中存在的問題，研發(fā)新型鉆桿并進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)提高當(dāng)前鉆進(jìn)深度和鉆進(jìn)效率的技術(shù)指標(biāo)，為煤礦煤層實(shí)現(xiàn)深孔鉆進(jìn)提供技術(shù)裝備支持[3，4]。

2 研究區(qū)地質(zhì)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于趙莊礦1103巷。3號(hào)煤層位于山西組下部，上距K8砂巖24.08 m～48.53 m，平均37.39 m，下距K7砂巖0 m～12.80 m，平均7.20 m，層位穩(wěn)定，是本區(qū)主要可采煤層之一。全區(qū)煤層厚度0 m～6.35 m，平均4.69 m。夾矸一般為一層，位于煤層下部，厚0.20 m左右。

頂板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖，次為粉砂巖，局部為中、細(xì)粒砂巖。底板主要是泥巖、砂質(zhì)泥巖，個(gè)別為中、細(xì)粒砂巖或粉砂巖。

隨著工作面的回采并不斷向深部延伸，礦井瓦斯涌出量將會(huì)更大，因此高效瓦斯抽采對(duì)于趙莊礦更加重要。

3 三角形鉆桿設(shè)計(jì)

1)三角形鉆桿設(shè)計(jì)分析。

在高瓦斯煤層或煤與瓦斯突出煤層中，順層鉆孔深度及成孔率除了受煤層本身的物理力學(xué)條件限制外，主要與鉆機(jī)功率、鉆桿結(jié)構(gòu)、排渣方式、鉆具組合、壓風(fēng)大小等有關(guān)。在確定鉆機(jī)型號(hào)，以及明確采用風(fēng)力排渣后，鉆桿結(jié)構(gòu)、鉆具組合、壓力大小就是決定鉆孔深淺及成孔好壞的關(guān)鍵因素。

本項(xiàng)目中采用φ68 mm地質(zhì)鉆挺材料，經(jīng)車床拋掉三個(gè)面，形成三角鉆桿，其橫斷面如圖1所示。

每節(jié)鉆桿長(zhǎng)度按1 m考慮，重量約16.7 kg。

本次使用的三角形鉆桿，是按照一根圓鉆桿削三個(gè)面而成，公扣、母扣與鉆桿主體是一體的，它們的內(nèi)徑是相同的。

2)突出松軟煤層深鉆孔施工技術(shù)。

圖1 三角鉆桿斷面圖

實(shí)現(xiàn)松軟煤層中打深孔，必須采取綜合的辦法來解決，綜合辦法包括:鉆孔設(shè)計(jì)、打鉆設(shè)備和打鉆工藝等方面。

a.鉆孔合理設(shè)計(jì)。

在設(shè)計(jì)鉆孔時(shí)，設(shè)計(jì)鉆孔開口位置與角度是關(guān)鍵，鉆孔的鉆進(jìn)角度一般情況下是根據(jù)煤層的頂板角度來確定的。通過研究，打上行孔時(shí)，鉆孔的角度一般大于煤層傾角2°～3°，在打下行孔時(shí)，鉆孔的角度要小于煤層傾角1°～2°。這樣，可以使鉆孔的軌跡基本沿著煤層走，有效增加鉆孔深度。

b.穩(wěn)固鉆機(jī)。

首先要根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)固定鉆機(jī)，鉆機(jī)底部用墊木墊在實(shí)底上，要用立柱牢固控制鉆機(jī)的位置，防止鉆機(jī)在鉆進(jìn)過程中振動(dòng)。

c.鉆孔充分排渣。

鉆進(jìn)過程中注意觀察排渣情況，在排渣不順的情況下不強(qiáng)拔硬進(jìn)，有時(shí)先停止鉆進(jìn)，送風(fēng)排渣，使鉆桿活動(dòng)后再進(jìn)或再退。當(dāng)孔內(nèi)煤粉變成煤泥糊或煤泥團(tuán)，單純送風(fēng)無法充分排渣時(shí)，停止給壓，反復(fù)旋轉(zhuǎn)鉆桿。

d.掌握給進(jìn)壓力和鉆進(jìn)速度。

鉆進(jìn)速度必須保持適當(dāng)，軟煤分層中鉆進(jìn)主要是降速，通過降速充分排渣，減少沉渣，同時(shí)也起到降低給進(jìn)壓力的作用。所以軟煤鉆進(jìn)速度要比硬煤慢，記錄鉆進(jìn)速度可用每根鉆桿鉆進(jìn)所用的時(shí)間。

4 三角鉆桿的強(qiáng)度及疲勞壽命計(jì)算

4.1 整個(gè)鉆頭強(qiáng)度的計(jì)算

1)鉆頭所受軸壓力計(jì)算。當(dāng)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)，并以鉆頭推進(jìn)速度Vf沿軸向推進(jìn)時(shí)，每個(gè)鉆翼切削煤巖的厚度為:

其中，h為切削厚度，cm;Vf為鉆頭推進(jìn)速度，cm/min;n為鉆頭速度，rpm;Z為鉆翼數(shù)目。

根據(jù)h值可計(jì)算出整個(gè)鉆頭所受軸壓力Po之值為:

2)鉆頭旋轉(zhuǎn)所需扭矩計(jì)算。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)提供的計(jì)算和分析軸向力的基礎(chǔ)資料，可得到整個(gè)鉆頭旋轉(zhuǎn)時(shí)所要的扭矩M的計(jì)算公式如下:

其中，Δ=d/D，d為翼口直徑，經(jīng)測(cè)量d=73 mm;φ為副割刀夾角，φ=0°;φ 為主割刀夾角，φ=120°。

將h=0.18 cm，Gc=f×107=63 kg/cm2，Δ=0.78，k=0.6，u=0.6，C1=0.2代入上式計(jì)算得到:M=375.75 N·m。

4.2 鉆桿強(qiáng)度校核

根據(jù)試驗(yàn)鉆孔現(xiàn)場(chǎng)所使用的鉆桿，選用鋼單層無縫鋼管，每根鉆桿長(zhǎng)L=1000 mm，壁厚δ=25 mm，鉆桿外徑D=68 mm，鉆桿內(nèi)徑d=28 mm，紋扣為三角形扣，尺寸為45 mm×1.6 mm。軸壓15 MPa(最高時(shí))，鉆桿轉(zhuǎn)速n=160 r/min，排渣方式為壓縮空氣從鉆桿中心供風(fēng)排渣。

鉆桿質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、總動(dòng)量矩:

1)單根鉆桿的截面積為:

2)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JZ:一根空心鉆桿的JZ為:

3)動(dòng)量矩:

MZ總=JZ總ε1=34113 kg·cm/s。

JZ總ε2=28205 kg·cm/s。

抗壓—扭轉(zhuǎn)組合強(qiáng)度校核:

鉆桿的拉壓載荷Q為:

鉆桿所受的外加阻力矩∑T的計(jì)算方法。

現(xiàn)使用ZDY-6000L型全液壓坑道鉆機(jī)，電機(jī)功率為75 kW，回轉(zhuǎn)速度60 r/min～210 r/min，取減速后的工作轉(zhuǎn)速140 r/min。鉆機(jī)的輸出扭矩一方面用于驅(qū)動(dòng)各轉(zhuǎn)動(dòng)件及鉆頭進(jìn)行切割，另一方面還承擔(dān)160根鉆桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量所產(chǎn)生的阻力矩，因此∑T是二者之和，參照同類鉆機(jī)算法得前者約為575.75 N·m，后者M(jìn)Z總可化為282.05 N·m。

∑T=575.75+282.05=857.8 N·m。

45號(hào)鋼的屈服極限為353 MPa，安全系數(shù)3～5，則許用應(yīng)力為:

求得的實(shí)際組合應(yīng)力為90.55 N/mm2，處于高低許用應(yīng)力之間。如果遇到鉆桿材質(zhì)或加工質(zhì)量不好，也有導(dǎo)致鉆桿發(fā)生斷裂的可能性。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及與其他鉆桿比較

為了保證順利排渣，根據(jù)風(fēng)力排渣的計(jì)算，壓風(fēng)的壓力必須大于0.75 MPa。本項(xiàng)目在趙莊礦已施工鉆孔86個(gè)，總進(jìn)尺14027多米，最深的孔179 m，最淺的孔40 m(斷層35 m遇矸)，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，抱鉆事故率4.5%，正常情況下每小班160 m，成孔率95%。

1)與螺旋鉆桿在排渣量方面相比?，F(xiàn)場(chǎng)采用配有113 mm鉆頭的三角鉆桿排渣，采用體積為0.016 m3的圓筒進(jìn)行測(cè)量，鉆進(jìn)80 m，約合裝110筒，得出80 m三角鉆桿排渣體積約1.76 m3，而直徑113 mm，高度80 m圓柱體積為0.8 m3，三角鉆桿的排渣體積僅為理想圓柱體積的2倍多，此區(qū)松散煤密度0.9 g/cm3，則三角鉆桿排渣重量約合1.58 t，而螺旋鉆桿相應(yīng)深度的排渣體積約為4.7 m3，約合重量4.23 t，排渣量合三角鉆桿的2.7倍。

2)與螺旋鉆桿鉆進(jìn)時(shí)間方面相比。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)，由于這是新工藝，工人的不熟練或者是過于謹(jǐn)慎，以及新設(shè)計(jì)的鉆桿過重，在無卡鉆、抱鉆的情況下，傳統(tǒng)的螺旋鉆桿鉆進(jìn)平均時(shí)效10 m/h，三角鉆桿鉆進(jìn)平均鉆進(jìn)時(shí)效16 m/h。如果對(duì)工藝再做進(jìn)一步改進(jìn)，和工人對(duì)三角鉆桿的進(jìn)一步熟悉，三角鉆桿的鉆進(jìn)時(shí)間還會(huì)少，優(yōu)勢(shì)更明顯。3)與螺旋鉆桿、圓鉆桿成孔相比。通過以往在淮北祁南礦井下試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)，抱鉆事故率相比，圓鉆桿的事故率是72%，螺旋鉆桿的事故率54%，而三角鉆桿的事故率29%。在趙莊礦由于鉆機(jī)功率較大，抱鉆事故率是4.5%?？梢钥闯鋈倾@桿能有效的降低事故率。

4)與螺旋鉆桿在瓦斯抽放率的比較。三角鉆桿鉆孔變形量不大，孔型較好，其瓦斯?jié)舛雀叱鲈谕瑯鱼@場(chǎng)中相同方位、相同傾角的螺旋鉆桿鉆孔，并且能保持較長(zhǎng)的瓦斯抽放時(shí)間。

5)與螺旋鉆桿在排渣顆粒度的比較。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采樣，可以看出三角鉆桿的顆粒度明顯小于光面圓鉆桿和螺旋鉆桿。在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，三角鉆桿的三個(gè)棱能將顆粒進(jìn)行再次粉碎，從而保證使顆粒小，然后極易從在鉆桿與鉆孔壁之間形成的3個(gè)半圓形空間排出。由于風(fēng)力排渣速度快，致使孔內(nèi)瓦斯不易聚集，從而消除了鉆進(jìn)時(shí)瓦斯噴孔、垮孔、卡鉆、頂鉆的現(xiàn)象。

6)另外對(duì)于三角鉆桿對(duì)鉆頭鉆進(jìn)，會(huì)不會(huì)產(chǎn)生摩擦火花。在此項(xiàng)目中我們用的鉆頭截齒的鉆進(jìn)速度在孔徑113 mm時(shí)，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速為60 r/min～210 r/min的情況下，截齒的切削速度為21.3 m/min左右，因此摩擦點(diǎn)火的或燃率就更小了。另外在鉆進(jìn)的期間，利用壓縮空氣經(jīng)過鉆桿內(nèi)孔、鉆頭進(jìn)入孔底，在孔內(nèi)形成高速風(fēng)流，鉆屑則懸浮在風(fēng)流中被吹向孔口，從而實(shí)現(xiàn)排渣和鉆頭的冷卻。再加上隔一段時(shí)間可以用水沖洗一下鉆孔，給鉆頭降一降溫度，摩擦點(diǎn)火的或燃率就更小了。

[1]俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:66-67.

[2]林伯泉，崔恒信.礦井瓦斯防治理論與技術(shù)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1998:49-50.

[3]王克全.我國(guó)突出礦井煤與瓦斯突出概況[J].煤礦安全，1995(11):32-36.

[4]代志旭，陳寒秋，鄭尚超.突出松軟煤層深孔打鉆工藝的創(chuàng)新與應(yīng)用[J].煤礦安全，2007(8):20-21.

[5]Welby G.Courtney.摩擦點(diǎn)火的防止[J].煤礦安全，1982(2):35-36.