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煤礦井下鉆探裝備技術(shù)與鉆具搭配分析
發(fā)布時(shí)間:
2025-04-28
作者:
來(lái)源:
鉆孔分類及特點(diǎn)
煤礦井下鉆孔大致可分為：地質(zhì)勘探鉆孔、瓦斯抽放鉆孔、探放水鉆孔這幾類。
一、地質(zhì)勘探鉆孔：是獲得實(shí)物地質(zhì)資料的唯一手段（獲取巖芯），直接影響著判斷地質(zhì)構(gòu)造，巖層性質(zhì)，水文性質(zhì)的準(zhǔn)確性和可靠性。地質(zhì)勘探鉆孔特點(diǎn)：鉆進(jìn)地層多為巖石，一般采用金剛石復(fù)合片取芯鉆頭，搭配巖心管，螺絲頭，接鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)。選用的鉆機(jī)要求轉(zhuǎn)速要高。根據(jù)巖石硬度和巖心直徑選配合適的鉆頭和巖心管及鉆桿搭配。
二、瓦斯抽放鉆孔：用于抽放瓦斯的鉆孔，如本煤層瓦斯抽放孔，高位鉆孔，穿層孔等。
三、探放水鉆孔：用于探水、抽放水的鉆孔，如排放水孔，煤層注水孔，注漿孔等?！睹旱V防治水規(guī)定》，對(duì)該類鉆孔施工設(shè)備和工藝要求比較嚴(yán)格，必須堅(jiān)持“預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、有掘必探、先探后掘、先治后采”的探放水原則。
沖洗介質(zhì)的主要功能
鉆孔的沖洗介質(zhì)又稱為鉆探的血液，一旦鉆孔中沖洗介質(zhì)停止循環(huán)，或者選擇不當(dāng)時(shí)，就會(huì)發(fā)生燒鉆，鉆進(jìn)時(shí)破碎的巖粉煤渣不能及時(shí)排出孔外，甚至不能進(jìn)尺，甚至還會(huì)發(fā)生孔壁坍塌，夾埋鉆具等一些列孔內(nèi)事故。
因此，正確選擇和合理使用沖洗介質(zhì)是提高鉆探效率和降低鉆探成本的必要手段。
鉆孔沖洗介質(zhì)的主要功能有：
1、冷卻鉆頭：鉆頭在破碎孔底巖石時(shí)，因摩擦?xí)a(chǎn)生大量熱量，如不及時(shí)冷卻，會(huì)使鉆具很快磨損，降低效率，甚至?xí)l(fā)生燒鉆事故。
2、排渣，清洗孔底：將破碎的煤巖粉渣及時(shí)排出孔外，以防止粉渣在孔底堆積，產(chǎn)生重復(fù)破碎，增加鉆具的磨損，并造成卡埋鉆事故，影響鉆具使用壽命和鉆進(jìn)效率。
3、保護(hù)孔壁：在鉆進(jìn)中，由于破壞了巖層的平衡狀態(tài)，如果巖層本身穩(wěn)定性差，易發(fā)生變形甚至坍塌，因此，特殊的沖洗介質(zhì)需要具有一定的比重，來(lái)平衡地層的壓力，同時(shí)還要有一定的造壁功能，能在孔壁上形成一層薄而致密的泥皮，以保護(hù)孔壁（主要針對(duì)泥漿沖洗介質(zhì)）。
4、其他功能：隨著鉆探技術(shù)的發(fā)展，沖洗介質(zhì)還可以達(dá)到以下效果：通過(guò)高壓沖洗介質(zhì)，達(dá)到高壓沖孔，破碎孔底煤巖，還可以利用射流器形成高壓水射流，對(duì)煤巖層進(jìn)行割縫、造穴達(dá)到增透效果。另外隨著千米定向鉆探技術(shù)的推廣應(yīng)用，沖洗介質(zhì)還起到了驅(qū)動(dòng)孔底馬達(dá)帶動(dòng)鉆頭進(jìn)行鉆進(jìn)的作用。
沖洗介質(zhì)的類型
目前煤礦井下常用的沖洗介質(zhì)主要是：清水、泥漿、空氣三種。
一、清水：清水粘度小，煤巖粉在清水中容易凈化，因此鉆具回轉(zhuǎn)和水泵阻力小，對(duì)鉆具和水泵磨損小，鉆進(jìn)效率較泥漿要高，成本低，操作方便。清水沖洗又可以分為靜態(tài)水和壓力水。靜態(tài)水適用于孔淺，煤層較穩(wěn)定的瓦斯抽放孔。壓力水：是目前極為倡導(dǎo)和廣泛應(yīng)用的排渣方式，是水力壓裂、割縫、沖孔等增透工藝的必要條件。
二、泥漿：泥漿是由優(yōu)質(zhì)粘土和水混合后（根據(jù)不同地層需要加入一定數(shù)量的有機(jī)或無(wú)機(jī)的化學(xué)處理劑，以改善泥漿的性能）所形成的一種膠體懸浮液。在復(fù)雜地層鉆進(jìn)時(shí)多采用這種沖洗介質(zhì)，不適合瓦斯抽放孔。
三、空氣：以壓縮空氣作為沖洗介質(zhì)，是松軟煤層最常用的排渣方式。來(lái)源可分為井下壓風(fēng)系統(tǒng)風(fēng)供風(fēng)和移動(dòng)式空壓機(jī)供風(fēng)。
另外使用壓風(fēng)排渣施工時(shí)應(yīng)注意孔口反風(fēng)情況，以防煤與瓦斯燃燒，應(yīng)配套孔口除塵裝置，防止粉塵對(duì)工人的危害。
影響鉆孔的主要因素
鉆孔的目的：根據(jù)前面所說(shuō)的鉆孔分類，我們知道井下鉆探的目的主要是：用來(lái)探明前方是否有礦井水（老窯水、裂隙水、巖溶水），壓力大??；用于煤層中瓦斯氣體的抽放；用來(lái)探明地質(zhì)構(gòu)造；用來(lái)探煤層厚度；還有利用鉆孔進(jìn)行井下注漿等。而影響鉆孔施工及成孔率的主要因素大致可分為以下幾方面：
一、地層條件：煤巖層硬度、瓦斯壓力、地應(yīng)力、構(gòu)造、水敏性等。
二、場(chǎng)地條件：巷道斷面、巷道空間、設(shè)備運(yùn)輸、設(shè)備擺放等。
三、鉆探方法：普通鉆進(jìn)、繩索鉆進(jìn)、螺旋鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)等。
四、人為因素：操作工熟練程度等。
五、設(shè)備、鉆具選配因素：鉆機(jī)性能、鉆具的合理搭配與適配性等。
不同地層條件下的鉆具搭配
目前來(lái)看，井下煤巖層地質(zhì)條件大致可分為以下幾種：
1、常規(guī)地質(zhì)條件：煤巖層硬度適中，穩(wěn)定性較好的地層。
像這種情況下的地質(zhì)條件，如果是打瓦斯抽放孔或者探水孔，鉆具的搭配就比較廣泛。根據(jù)鉆孔的直徑和孔深的設(shè)計(jì)還有鉆機(jī)的性能，在合理徑差下，常規(guī)情況下可以選用地質(zhì)合金鉆桿（外平鉆桿），三棱合金鉆桿搭配金剛石復(fù)合片三翼內(nèi)凹鉆頭。如果條件允許情況下，也可以選用地質(zhì)螺旋鉆桿、肋骨鉆桿、刻槽鉆桿等進(jìn)行搭配。
2、超硬煤巖層：煤巖層硬度系數(shù)很高的地層。
3、松軟煤層：硬度系數(shù)f小于1的煤層稱之為松軟煤層。松軟煤層占我國(guó)在采煤層的60%~80%,其特點(diǎn)是煤層破碎,穩(wěn)定性差,瓦斯含量往往較高,壓力大,本煤層鉆孔施工過(guò)程中容易出現(xiàn)噴孔,塌孔和卡埋鉆等事故.
不同地層條件下的鉆具搭配
首先考慮到水力排渣鉆進(jìn)的方式在極松軟煤層非常容易出現(xiàn)塌孔和卡埋鉆現(xiàn)象，所以該方式不建議在松軟煤層使用，一般都采用風(fēng)力排渣的方式，至于鉆具的選配，
1、可以選用異型多棱刻槽推力排渣鉆桿，簡(jiǎn)稱重型三棱刻槽鉆桿，煤礦坑道鉆探本煤層瓦斯抽放鉆桿，對(duì)煤層硬度系數(shù)適應(yīng)性較為廣泛的新型鉆具產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用于高瓦斯煤層特別是松軟煤層的深孔鉆探施工。分別有外三棱傳動(dòng)型刻槽鉆桿、六方雙銷快接抗拉型刻槽鉆桿、大通孔螺紋連接型刻槽鉆桿、六方雙銷快接抗拉型地質(zhì)螺旋鉆桿等系列產(chǎn)品。其中六方雙銷快接抗拉型可進(jìn)行鉆具的反轉(zhuǎn)功能，并能承受350kN拉拔力，搭配金剛石復(fù)合片內(nèi)凹鉆頭，在合理的鉆頭徑差（10-15mm）設(shè)計(jì)條件下，在三棱膩抹攪拌護(hù)孔的基礎(chǔ)上，增加了螺旋槽推力排渣結(jié)構(gòu)。選用優(yōu)質(zhì)的接頭與桿體材料經(jīng)摩擦焊接、加工中心數(shù)控機(jī)床精加工而成，具有高扭矩、高耐磨、適應(yīng)高轉(zhuǎn)速鉆進(jìn)的性能特點(diǎn)。該鉆桿在合理的鉆頭徑差（10-15mm）設(shè)計(jì)條件下，在三棱膩抹攪拌護(hù)孔的基礎(chǔ)上，增加了螺旋槽推力排渣結(jié)構(gòu)，具備護(hù)孔、泄壓、扶正、降溫四重功效，施工效率提高，事故率降低，成孔率高。
2、也可以選用大通孔鉆抽一體瓦斯排放裝置施工方案。采用大通孔刻槽鉆桿，金剛石復(fù)合片開(kāi)閉合鉆頭，選用礦方自備的液壓履帶機(jī)，選用風(fēng)（水）冷卻降塵方法進(jìn)行鉆孔篩管同步鋪設(shè)鉆進(jìn)。鉆至固定深度后拆除鉆機(jī)動(dòng)力頭后面連接鉆桿的水尾，然后先將懸掛設(shè)備擰到一根瓦斯篩管上，將懸掛設(shè)備進(jìn)行閉合后穿入大通孔刻槽鉆桿，然后接入瓦斯篩管，按照鉆桿進(jìn)尺達(dá)到指定深度后緩慢發(fā)力將鉆頭頂部的開(kāi)閉刀翼打開(kāi)，然后將懸掛設(shè)備徹底推出鉆頭，確保懸掛設(shè)備徹底掛住煤壁后用手緩慢回拉瓦斯篩管確定無(wú)法拉動(dòng)，此時(shí)懸掛設(shè)備完全固定結(jié)實(shí)，然后進(jìn)行鉆桿退鉆，確保退鉆時(shí)瓦斯篩管不會(huì)晃動(dòng)及旋轉(zhuǎn)，直至徹底推桿完畢后進(jìn)行封孔及瓦斯抽放管道接入。
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