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【摘 要】随着煤炭开采的深入，越来越多的煤矿进入深部高瓦斯区域，瓦斯治理就成为煤矿安全生产的重中之重。瓦斯抽采是治理瓦斯问题的最主要手段和措施，2010年全国瓦斯抽放量达到100亿立方米。但瓦斯抽放受煤层地质情况影响，特别是在松软煤层高瓦斯区域，清水钻进钻孔不成孔的问题，严重制约瓦斯抽放效率。
【关键词】高瓦斯；松软煤层；清水钻进；不成孔
松软煤层高瓦斯区域的钻孔施工一直是煤矿瓦斯治理的重点和难点，主要是因为松软煤层钻孔成型差，特别是高瓦斯区域，由于瓦斯喷孔影响，钻孔成孔率极低，多数钻孔无法达到设计深度要求，即使钻孔深度达到要求，钻孔还会经常出现塌孔、堵孔等情况，严重影响了钻孔的抽放效率。
一、项目介绍
余吾煤业公司（屯留煤矿）位于山西省长治市屯留县，属潞安矿区。井田面积162.2平方公里，地质储量15.45亿吨，可采储量6.81亿吨，设计能力600万吨/年。屯留煤矿N2202工作面，走向长度1360m，工作面长225m，煤层倾角-6°～15°，平均倾角3.6°。工作面开采煤层为6号煤，煤层厚度为6m左右。开采层平均瓦斯含量为7.9m3/t，开采层残存瓦斯量2.5m3/t，回采面瓦斯相对涌出量5.54m3/t，日产10000吨煤对应绝对瓦斯涌出量为38.47m3/min。为高瓦斯工作面，煤质为软煤层。
二、钻孔施工设计
N2202回风顺槽向工作面内部布置工作面平行预抽钻孔。钻孔呈三花眼布置，第一排钻孔为垂直孔，钻孔设计深度115m（可覆盖工作面一半宽度），开口位置距底板1.2m；第二排钻孔为斜平行孔，钻孔设计深度120m，开口位置距底板1.5m，斜平行孔与垂直孔夹角为5°，钻孔间距为2.5m，钻孔仰角为2-3°，钻孔直径为φ94mm，所有钻孔均为顺层煤孔，尽量保证钻孔在煤层中成孔。
平行预抽钻孔施工采用ZDY-1900S型钻机，该钻机适用钻孔深度为100～350m，钻孔直径94～200mm,主轴倾角0～±90°，利用矿井静压水系统进行孔内排渣，静压水压力2-3MPa。
三、常规光面钻杆施工情况
在屯留矿N2202工作面，从2011年4月26日至5月10日，共有3台钻机施工62个钻孔，总钻孔进尺3145米，平均钻孔深度50.7米，平均每班施工进尺49.9米，钻孔施工详细情况如表1、表2、表3。
表1 常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计
施工地点 N2202回风巷
时间 钻孔编号 施工深度 成孔深度 情况
5.3--5.10 155-168 63-84
小计 969
有效施工班数 16 每班进尺 60.5625
施工钻孔数量 17 平均孔深 57
表2 常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计
施工地点 N2202回风巷
时间 钻孔编号 施工深度 成孔深度 情况
4.26.—5.6 B281-257 18-100
小计 979
有效施工班数 16 每班进尺 61.1875
施工钻孔数量 17 平均孔深 57.58823529
表3 常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计
施工地点 N2202回风巷
时间 钻孔编号 施工深度 成孔深度 情况
4.26—5.10 B215-235 14-82 喷孔，顶钻，卡钻
小计 1197
有效施工班数 31 每班进尺 38.61290323
施工钻孔数量 28 平均孔深 42.75
通过以上数据可知，常规光面钻杆的成孔深度、成孔率和排渣效果如表4所示。
表4 屯留矿常规光面钻杆钻进效果
工作面 钻机 钻杆类型 设计深度 平均成孔深度 成孔率 排渣量
屯留矿N2202 ZDY-1900S 光面钻杆 120m 50.7m 22.5% 正常
四、常规光面钻杆施工存在的问题
1、瓦斯动力现象严重。在钻孔施工过程中，瓦斯动力现象表现特别频繁，瓦斯喷出不均匀，喷出量和喷出持续时间不稳定，携带大量煤块，给安全施工带来极大的隐患，而且严重影响钻孔进尺。为确保施工安全，在孔口安设防喷孔装置。
2、钻孔塌孔严重。钻孔塌孔体现在两个阶段，第一阶段是钻孔施工过程中，孔内壁由于水侵蚀和钻动影响，在钻孔施工过程中出现塌孔，塌孔量大时，导致钻孔无法顺利排渣，出现堵孔现象，塌孔严重时，将导致夹钻，在N2202回风巷施工过程中，因为钻孔塌孔出现两次掉钻头钻杆现象。第二阶段是钻孔施工完成后容易出现塌孔现象，导致钻孔堵塞，影响瓦斯抽放效率。
3、钻孔顶钻现象突出。钻孔顶钻的出现主要是由于瓦斯涌出不均匀，加上水力排渣不均匀共同形成的结果，顶钻严重时可将钻机连同钻杆推出，严重影响钻孔施工效率。
4、钻孔深度无法保证。因钻孔塌孔、堵孔、顶钻等多因素综合，导致钻孔施工过程中不出水、卡钻等情况，无法保证钻孔施工深度，特别是再18—30米的应力集中区域表现突出。
五、设备及钻杆改造
1、钻杆改造
1）改造目的：在不影响钻孔施工效率的前提下，使钻孔在施工过程中能对瓦斯释放进行有序引导，解决瓦斯释放的不均衡问题，同时加速对煤渣的排放效果。
2）改造方法：在钻杆表层加工一层螺旋状耐磨层，螺旋角度45度左右，螺旋高度3mm，螺旋宽度10mm。如图1所示。
2、设备改造
1）钻机回转器
钻机回转器，是钻杆的动力来源，是夹住钻杆推动、倒退以及旋转的部件。回转器内部夹住钻杆的是四片小卡瓦，通过外围胶筒挤压夹住钻杆，当钻杆直径较大时，四片小卡瓦的闭合完全能提供足够的紧握力，推动钻杆旋转或进退；但当钻杆直径偏小时，四片小卡瓦完全闭合后对钻杆的紧握力不够甚至完全不能夹住钻杆，导致在在推进、倒退以及旋转时不能对钻杆提供足够动力而影响施工效率。
改造办法：将每片小卡瓦两侧分别切削0.8—1mm（通过计算是小卡瓦侧边分别切削0.98mm），通过改造后，四片卡瓦吻合后，卡瓦围合内径将减少2mm，就能完全紧握直径在60-62mm之间的钻杆，改造内容如图二所示。
2）钻机夹持器
钻机夹持器，是在倒退钻杆过程中使用极其频繁的部件，主要用于紧握钻杆进行反转拆卸钻杆。当钻杆直径较大时，夹持器加紧后，回转器反向旋转，使夹持器与回转器直径的钻杆丝扣松动进行拆卸钻杆；当钻杆直径偏小时，夹持器完全闭合后对钻杆的紧握力不够甚至完全不能夹住钻杆，回转器反向旋转时，导致孔内钻杆一起反向旋转，当孔内钻杆某个接头处丝扣紧合力稍弱时，钻杆就会脱落，形成掉钻杆、钻头事故。
改造办法：将夹持器两大夹合组件结合内侧分别切削1-1.5mm，使夹持器内部卡瓦夹合直径缩小2—3mm，就能完全紧握直径在60-62mm之间的钻杆了，改造内容如图三所示。
六、改造后低螺旋耐磨钻杆施工情况
钻杆和设备改造后，在屯留矿N2202工作面，从2011年5月30日至6月21日，1台钻机施工17个钻孔，总钻孔进尺1755米，平均钻孔深度103.2米，平均每班施工进尺45米，钻孔施工情况如表5所示。
表5 低螺旋耐磨钻杆瓦斯钻孔施工情况统计
施工地点 N2202回风巷
时间 钻孔编号 施工深度 成孔深度 情况
5.30—6.21 B48--152 27-105
小计 1755
有效施工班数 39 每班进尺 45
施工钻孔数量 17 平均孔深 103.2352941
通过以上数据可知，低螺旋耐磨钻杆的成孔深度、成孔率和排渣效果如表6所示。
表6 屯留、高河矿低螺旋耐磨钻杆钻进效果
工作面 钻机 钻杆类型 设计深度 平均成孔深度 成孔率 排渣量
屯留矿N2202 ZDY-1900S 螺旋钻杆 120m 103.2m 94.1% 较多
七、结论
通过对N2202回风巷钻孔施工情况的分析，可以得出如下结论：
（1）低螺旋耐磨钻杆钻孔深度得到大幅度提高。N2202回风巷从原来50.7m提高到103.2m，基本上能满足工作面钻孔的覆盖宽度要求，可有效解决工作面内部区域的瓦斯突出问题；
（2）低螺旋耐磨钻杆钻孔成孔率大幅度提高，成孔率超过90%；
（3）瓦斯喷孔现象得到明显缓解。钻杆改造后进行施工时，钻杆的螺旋叶片能够有效地引导瓦斯释放，防止瓦斯在孔内聚集喷发；
（4）钻孔施工的稳定性得到保障。改造后钻孔施工过程比较稳定，单班钻孔进尺比较均衡，钻孔施工的连续性得到了更好的保证；
（5）钻孔见岩情况得到一定控制。熔覆的耐磨螺旋对钻杆有一定的扶稳作用，能够使钻杆偏向得到一定控制，钻孔不容易见岩；
（6）钻孔塌孔现象得到明显改善。改造后钻杆螺旋耐磨层对孔内壁进行挤压，将孔内壁特别酥软煤层刮出，扩大了孔内半径（孔经从原来的Φ94mm提高到最大的Φ220mm），增加孔内瓦斯释放面，提高瓦斯抽放效率。同时由于螺旋叶片能够均匀排渣，防止煤渣聚集堵孔，有效保证了钻孔的成型；
（7）改造后单班施工效率有所下降，主要原因有两个：新工艺的使用还需要一段时间进行熟练；排渣量的提高，成孔直径增大一定程度上影响了钻进效率。
通过对试验的分析和总结，这套施工技术完全能够在屯留矿3#煤层进行大规模使用，将有助于提高潞安集团瓦斯抽放钻孔施工效率，提高钻孔施工深度，保证成孔率和瓦斯抽采效率。
参考文献
[1]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术.煤炭工业出版社,2007（6）.
[2]石智军,胡少韵,姚宁平等.煤矿井下瓦斯抽采（放）钻孔施工新技术.煤炭工业出版社,2008.
作者简介
徐计连，学历：本科，毕业学校：辽宁工程技术大学，工程管理专业
职务：山西潞安工程有限公司矿建分公司书记兼技术负责人
【关键词】高瓦斯；松软煤层；清水钻进；不成孔
松软煤层高瓦斯区域的钻孔施工一直是煤矿瓦斯治理的重点和难点，主要是因为松软煤层钻孔成型差，特别是高瓦斯区域，由于瓦斯喷孔影响，钻孔成孔率极低，多数钻孔无法达到设计深度要求，即使钻孔深度达到要求，钻孔还会经常出现塌孔、堵孔等情况，严重影响了钻孔的抽放效率。
一、项目介绍
余吾煤业公司（屯留煤矿）位于山西省长治市屯留县，属潞安矿区。井田面积162.2平方公里，地质储量15.45亿吨，可采储量6.81亿吨，设计能力600万吨/年。屯留煤矿N2202工作面，走向长度1360m，工作面长225m，煤层倾角-6°～15°，平均倾角3.6°。工作面开采煤层为6号煤，煤层厚度为6m左右。开采层平均瓦斯含量为7.9m3/t，开采层残存瓦斯量2.5m3/t，回采面瓦斯相对涌出量5.54m3/t，日产10000吨煤对应绝对瓦斯涌出量为38.47m3/min。为高瓦斯工作面，煤质为软煤层。
二、钻孔施工设计
N2202回风顺槽向工作面内部布置工作面平行预抽钻孔。钻孔呈三花眼布置，第一排钻孔为垂直孔，钻孔设计深度115m（可覆盖工作面一半宽度），开口位置距底板1.2m；第二排钻孔为斜平行孔，钻孔设计深度120m，开口位置距底板1.5m，斜平行孔与垂直孔夹角为5°，钻孔间距为2.5m，钻孔仰角为2-3°，钻孔直径为φ94mm，所有钻孔均为顺层煤孔，尽量保证钻孔在煤层中成孔。
平行预抽钻孔施工采用ZDY-1900S型钻机，该钻机适用钻孔深度为100～350m，钻孔直径94～200mm,主轴倾角0～±90°，利用矿井静压水系统进行孔内排渣，静压水压力2-3MPa。
三、常规光面钻杆施工情况
在屯留矿N2202工作面，从2011年4月26日至5月10日，共有3台钻机施工62个钻孔，总钻孔进尺3145米，平均钻孔深度50.7米，平均每班施工进尺49.9米，钻孔施工详细情况如表1、表2、表3。
表1 常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计
施工地点 N2202回风巷
时间 钻孔编号 施工深度 成孔深度 情况
5.3--5.10 155-168 63-84
小计 969
有效施工班数 16 每班进尺 60.5625
施工钻孔数量 17 平均孔深 57
表2 常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计
施工地点 N2202回风巷
时间 钻孔编号 施工深度 成孔深度 情况
4.26.—5.6 B281-257 18-100
小计 979
有效施工班数 16 每班进尺 61.1875
施工钻孔数量 17 平均孔深 57.58823529
表3 常规钻杆瓦斯钻孔施工情况统计
施工地点 N2202回风巷
时间 钻孔编号 施工深度 成孔深度 情况
4.26—5.10 B215-235 14-82 喷孔，顶钻，卡钻
小计 1197
有效施工班数 31 每班进尺 38.61290323
施工钻孔数量 28 平均孔深 42.75
通过以上数据可知，常规光面钻杆的成孔深度、成孔率和排渣效果如表4所示。
表4 屯留矿常规光面钻杆钻进效果
工作面 钻机 钻杆类型 设计深度 平均成孔深度 成孔率 排渣量
屯留矿N2202 ZDY-1900S 光面钻杆 120m 50.7m 22.5% 正常
四、常规光面钻杆施工存在的问题
1、瓦斯动力现象严重。在钻孔施工过程中，瓦斯动力现象表现特别频繁，瓦斯喷出不均匀，喷出量和喷出持续时间不稳定，携带大量煤块，给安全施工带来极大的隐患，而且严重影响钻孔进尺。为确保施工安全，在孔口安设防喷孔装置。
2、钻孔塌孔严重。钻孔塌孔体现在两个阶段，第一阶段是钻孔施工过程中，孔内壁由于水侵蚀和钻动影响，在钻孔施工过程中出现塌孔，塌孔量大时，导致钻孔无法顺利排渣，出现堵孔现象，塌孔严重时，将导致夹钻，在N2202回风巷施工过程中，因为钻孔塌孔出现两次掉钻头钻杆现象。第二阶段是钻孔施工完成后容易出现塌孔现象，导致钻孔堵塞，影响瓦斯抽放效率。
3、钻孔顶钻现象突出。钻孔顶钻的出现主要是由于瓦斯涌出不均匀，加上水力排渣不均匀共同形成的结果，顶钻严重时可将钻机连同钻杆推出，严重影响钻孔施工效率。
4、钻孔深度无法保证。因钻孔塌孔、堵孔、顶钻等多因素综合，导致钻孔施工过程中不出水、卡钻等情况，无法保证钻孔施工深度，特别是再18—30米的应力集中区域表现突出。
五、设备及钻杆改造
1、钻杆改造
1）改造目的：在不影响钻孔施工效率的前提下，使钻孔在施工过程中能对瓦斯释放进行有序引导，解决瓦斯释放的不均衡问题，同时加速对煤渣的排放效果。
2）改造方法：在钻杆表层加工一层螺旋状耐磨层，螺旋角度45度左右，螺旋高度3mm，螺旋宽度10mm。如图1所示。
2、设备改造
1）钻机回转器
钻机回转器，是钻杆的动力来源，是夹住钻杆推动、倒退以及旋转的部件。回转器内部夹住钻杆的是四片小卡瓦，通过外围胶筒挤压夹住钻杆，当钻杆直径较大时，四片小卡瓦的闭合完全能提供足够的紧握力，推动钻杆旋转或进退；但当钻杆直径偏小时，四片小卡瓦完全闭合后对钻杆的紧握力不够甚至完全不能夹住钻杆，导致在在推进、倒退以及旋转时不能对钻杆提供足够动力而影响施工效率。
改造办法：将每片小卡瓦两侧分别切削0.8—1mm（通过计算是小卡瓦侧边分别切削0.98mm），通过改造后，四片卡瓦吻合后，卡瓦围合内径将减少2mm，就能完全紧握直径在60-62mm之间的钻杆，改造内容如图二所示。
2）钻机夹持器
钻机夹持器，是在倒退钻杆过程中使用极其频繁的部件，主要用于紧握钻杆进行反转拆卸钻杆。当钻杆直径较大时，夹持器加紧后，回转器反向旋转，使夹持器与回转器直径的钻杆丝扣松动进行拆卸钻杆；当钻杆直径偏小时，夹持器完全闭合后对钻杆的紧握力不够甚至完全不能夹住钻杆，回转器反向旋转时，导致孔内钻杆一起反向旋转，当孔内钻杆某个接头处丝扣紧合力稍弱时，钻杆就会脱落，形成掉钻杆、钻头事故。
改造办法：将夹持器两大夹合组件结合内侧分别切削1-1.5mm，使夹持器内部卡瓦夹合直径缩小2—3mm，就能完全紧握直径在60-62mm之间的钻杆了，改造内容如图三所示。
六、改造后低螺旋耐磨钻杆施工情况
钻杆和设备改造后，在屯留矿N2202工作面，从2011年5月30日至6月21日，1台钻机施工17个钻孔，总钻孔进尺1755米，平均钻孔深度103.2米，平均每班施工进尺45米，钻孔施工情况如表5所示。
表5 低螺旋耐磨钻杆瓦斯钻孔施工情况统计
施工地点 N2202回风巷
时间 钻孔编号 施工深度 成孔深度 情况
5.30—6.21 B48--152 27-105
小计 1755
有效施工班数 39 每班进尺 45
施工钻孔数量 17 平均孔深 103.2352941
通过以上数据可知，低螺旋耐磨钻杆的成孔深度、成孔率和排渣效果如表6所示。
表6 屯留、高河矿低螺旋耐磨钻杆钻进效果
工作面 钻机 钻杆类型 设计深度 平均成孔深度 成孔率 排渣量
屯留矿N2202 ZDY-1900S 螺旋钻杆 120m 103.2m 94.1% 较多
七、结论
通过对N2202回风巷钻孔施工情况的分析，可以得出如下结论：
（1）低螺旋耐磨钻杆钻孔深度得到大幅度提高。N2202回风巷从原来50.7m提高到103.2m，基本上能满足工作面钻孔的覆盖宽度要求，可有效解决工作面内部区域的瓦斯突出问题；
（2）低螺旋耐磨钻杆钻孔成孔率大幅度提高，成孔率超过90%；
（3）瓦斯喷孔现象得到明显缓解。钻杆改造后进行施工时，钻杆的螺旋叶片能够有效地引导瓦斯释放，防止瓦斯在孔内聚集喷发；
（4）钻孔施工的稳定性得到保障。改造后钻孔施工过程比较稳定，单班钻孔进尺比较均衡，钻孔施工的连续性得到了更好的保证；
（5）钻孔见岩情况得到一定控制。熔覆的耐磨螺旋对钻杆有一定的扶稳作用，能够使钻杆偏向得到一定控制，钻孔不容易见岩；
（6）钻孔塌孔现象得到明显改善。改造后钻杆螺旋耐磨层对孔内壁进行挤压，将孔内壁特别酥软煤层刮出，扩大了孔内半径（孔经从原来的Φ94mm提高到最大的Φ220mm），增加孔内瓦斯释放面，提高瓦斯抽放效率。同时由于螺旋叶片能够均匀排渣，防止煤渣聚集堵孔，有效保证了钻孔的成型；
（7）改造后单班施工效率有所下降，主要原因有两个：新工艺的使用还需要一段时间进行熟练；排渣量的提高，成孔直径增大一定程度上影响了钻进效率。
通过对试验的分析和总结，这套施工技术完全能够在屯留矿3#煤层进行大规模使用，将有助于提高潞安集团瓦斯抽放钻孔施工效率，提高钻孔施工深度，保证成孔率和瓦斯抽采效率。
参考文献
[1]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术.煤炭工业出版社,2007（6）.
[2]石智军,胡少韵,姚宁平等.煤矿井下瓦斯抽采（放）钻孔施工新技术.煤炭工业出版社,2008.
作者简介
徐计连，学历：本科，毕业学校：辽宁工程技术大学，工程管理专业
职务：山西潞安工程有限公司矿建分公司书记兼技术负责人