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在大口径钻孔中采用风介质排渣的机理_红橙绿编辑部-一个创造奇迹的地方

在大口径钻孔中采用风介质排渣的机理

1 瓦斯抽放孔采用大口径的优势 (1)大口径、中深孔可以更多地揭露瓦斯地层中的孔隙、裂隙,可以更加有效地抽放煤系地层中赋存的瓦斯; (2)采用中压风对煤系地层所产生的风力切割破坏作用较小,因而,钻进中对煤岩的破裂创口面积较小,能引起的前置性坍塌范围较小;..

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在大口径钻孔中采用风介质排渣的机理

发布时间:2012-06-02 热度:

  1 瓦斯抽放孔采用大口径的优势
  (1)大口径、中深孔可以更多地揭露瓦斯地层中的孔隙、裂隙,可以更加有效地抽放煤系地层中赋存的瓦斯; (2)采用中压风对煤系地层所产生的风力切割破坏作用较小,因而,钻进中对煤岩的破裂创口面积较小,能引起的前置性坍塌范围较小; (3)中压风在孔内连续存在的时间很短,不会对孔壁形成张力膜堵塞裂隙通道,所以,瓦斯的运移通道是畅通的; (4)钻孔壁上方不受湿重度影响,对孔壁保持较稳定的支持状态大有好处,同时,孔壁上方能发生的后置性坍塌和合成性坍塌的机会大大降低,即使发生坍塌,影响的范围也会较小.综述以上优势,采用中压风、大风量,钻进大口径、中深孔的瓦斯钻孔,对矿井动力影响较大的瓦斯地质是较好的工艺方法.目前钻探设备提供的主要能力参数
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  2 钻具级配的新形式
  2.1 大口径一次性成孔的前导型钻具级配
  大口径成孔虽然有利于揭露煤岩层中富存的瓦斯,能产生较大的释放瓦斯效果.但是,由此带来的问题是:大口径钻孔在揭露富存有高压瓦斯的积聚区时,由于钻孔内的压力骤减,在钻孔中很容易形成瓦斯突出.大口径钻孔形成瓦斯突出能量较大,给钻场施工带来很大的危险性.为了解决这个问题,重新设计了钻具级配.新设计的钻具级配是:94mmPDC全面钻头+63?5 mm外平钻杆(10 m)+200 mmPDC扩孔钻头+73 mm外平钻杆(设计长度).这种两级孔径、一次性成孔的新型钻具级配,主要解决了2个问题: (1)以小孔径前导钻进,防止钻孔揭露高压瓦斯积聚区时产生的瞬间突出和对钻场的人员、设备以及巷道造成伤害和损失; (2)大口径扩孔钻进完成扩孔任务,使成孔的过程不必再进行二次钻进,节省了时间和成本,达到了大口径抽放的目的.大口径钻孔可以发散、衰减突出瓦斯的能量地质工程专业论文,减缓瓦斯突出的速度和钻渣推移出来的速度.
  2.2 大口径一次性成孔的反向型钻具级配
  在近水平成孔,采用风介质排渣钻进中,钻渣很难排干净,从而导致钻具在孔内的给进、起拔操作过程中,将沉积在孔底的钻渣推拉堆起,形成钻渣堵塞,使钻具在孔内的工作受阻,造成孔内事故.为了解决这个问题,将钻具设计成反向型钻具级配:200 mm正反向一体化组合式PDC全面钻头+73 mm(或89 mm)外平钻杆+190 mm多功能扶正器+73 mm(或89 mm)外平钻杆(设计长度).设计的正反向一体化全面钻头,在保证钻头主刃面正常切削岩石的同时,对于因坍塌、掉块、堵塞等情况造成的孔内事故,反向钻头的辅刃面则可以在起拔钻具的同时,随着钻杆的回转,进行反向切削,在一定程度上解决埋卡钻等问题.多功能扶正器是将扶正与正反向切削埋渣、渣堵等的作用结合在一起,对于解决埋卡钻等问题,同样能达到解决之目的.
  2.3 钻具级配中应注意的问题与解决方法
  (1)对于前导型的钻具级配,扩孔钻头要设计成具有导渣槽和风眼的扩孔钻进的钻头.导渣槽的形式有螺旋型和直槽型,在保证复合片靠背焊接强度的前提下,应尽量选择较大槽口,便利钻渣通过,减少重复磨削.目前使用的各种扩孔型钻头,一般效果较差.其中扩孔钻头钢体设计上存在一定的问题,其主要问题:一是钢体保径长度不够,起不到稳定钻头匀速切削的作用;二是钢体导渣槽不合理,容易导致积渣,产生重复磨削和碰撞,致使复合片发生碎裂和掉片;三是保径强度不够,造成钢体磨损,使复合片侧刃暴露过多,产生崩片等.因此,新设计的扩孔钻头,加强了钢体在结构上的稳定性,加强了钻头的外保径,复合片切割刃角的几何参数,设计的更加合理.同时,与扩孔钻头相匹配的接头,设计上考虑了既要起到稳定扩孔钻头的扶正效果,还要便利导排钻渣的合理槽口,在接头的筋板上焊接硬质合金切削刃,起拔钻具时,接头还具有反向切削钻渣的功效,方便处理埋卡钻等事故.
  (2)对于反向型钻具级配,钻头的正反向切削刃的一体化设计是很重要的.在设计上适当加长了钻头体筋部,在筋板上焊接保径硬质合金,在反向刃部焊接复合片,使正反向一体化钻头的功用大大增加:正面主刃部为主切削刃;中间筋部既能起到钻头保径作用,同时还对较大粒径的钻渣进行重复的磨削与破碎,并且能起到良好的稳定钻头作用,减少在非平衡钻进中钻头发生的偏摆作用;反面辅刃部为辅切削刃,其主要作用是在起拔钻具时,遇到卡、埋、堵等孔内事故时,反向辅刃仍能起到切削钻渣的作用,不至于因为钻孔内形成的渣堵、渣塞等而导致钻具不能起拔出来,有利于处理孔内事故.
  3 在大口径钻孔中采用风介质排渣的机理
  3. 1风介质作用下钻渣在孔内的分布情况
  钻孔内风压、风量、风速的参数值,决定排出钻渣粒径的大小和在孔内的分布状况.从钻孔孔口喷出的钻渣分布情况观察,粗颗粒的钻渣在钻孔环状间隙中下部形成密集分布区,在钻孔上部形成稀疏区.由于粗颗粒运移过程中相互之间发生的碰撞阻碍作用,使得钻孔环状间隙中颗粒喷出的速度并不相同,即密集区喷出钻渣的速度低,稀疏区钻渣喷出的速度高.在钻孔下部粗颗粒钻渣较为密集,由于粗颗粒钻渣运移过程中相互之间发生的碰撞阻碍作用影响较大,同时钻杆的公转使钻杆始终贴向钻孔的下半部,阻碍了钻渣的运移.因此,在钻孔下半部粗颗粒钻渣密集区,粗颗粒钻渣的出口速度相对较低,并且排出的钻渣量大,大部分钻渣堆积在钻场较近地带.在钻孔中上部粗颗粒钻渣为稀疏区,因为钻孔空间较为畅通,钻渣受阻情况较小,因而粗颗粒钻渣在出口处的速度明显提高,钻渣喷出的距离远,钻渣数量明显减少.同时在钻孔中上部,细粒钻渣和粉尘大量喷出,使钻场的工作环境很差.因此,加强孔口降除尘是改善钻场工作环境的重要工作.
  3. 2在不连续风介质作用下钻渣运移方式
  在煤矿井下钻进中,受钻场空间条件的限制,钻杆的长度都较短.因此,在钻进中要不断地换接钻杆,而每换接一次钻杆,都要经过停风、送风、排渣的过程.在风介质循环的一个周期内,每一次停风都会使钻渣沉积下来,而每一次送风,都要再建立起高速风流,启动沉积的钻渣使之形成悬浮状态,然后随高速风流在钻孔内定向运移,直至排出钻孔孔口.在煤矿矿井供风系统中,风压基本上较为稳定,其风压值约为0?5MPa左右.在大口径钻孔钻进中,由于钻孔的环状间隙较大,并且,随着钻孔深度的加深,钻孔内的风压、风量、风速的综合参数值衰减较快,携渣能力损失较大.另外,大口径钻孔的钻渣切削量较大,钻具回转速度偏低,造成钻孔孔壁较为粗糙;钻具保直难度增加,使钻孔弯曲度增加等诸多因素的影响,从而导致大量的钻渣滞留在钻孔的孔口部位,造成排渣困难、积渣严重.在煤矿井下钻进中,我们观察钻孔内钻渣滞留的情况,约有2/3的钻渣不能有效排出,对钻进的影响很大.3.3 不连续风介质排渣的几点做法
  (1)必须控制钻进速度,保持孔内的钻渣数量相对稳定,使排渣的速率相对均匀,减少排渣的阻力;(2)换接钻杆时,应持续一段排渣时间,要观察孔口排渣量,待排渣量减少到一定程度后再停风换钻杆;(3)尽量选择距离瓦斯积聚区较近的钻场设计钻孔位置,适当减小钻孔深度;(4)设计新型的钻具,采取旋拉排渣的方式,增大孔内排渣的力度.目前,在近水平孔的沿煤层钻进中,尽管采取了一些办法,但是,排渣的效果仍不太理想,对其工艺方法的进一步研究仍在进行中.对于临近层的瓦斯积聚区,进行仰角钻进中,排渣的效果要好得多.但是在仰角钻进中,顶板的破碎松动对钻进影响很大,主要是较大的碎石块,由于其无法排出,卡住钻孔导致卡钻事故.
  4.大口径钻孔中钻进参数的协调关系
  4.1正常钻进中钻进参数的工作范围
  在瓦斯地质钻进中,能满足正常钻进的煤系地层条件为:煤系地层的稳定性较好,一般没有构造影响或有一些小构造但对钻进过程影响不大,瓦斯积聚压力可以控制,适应中长期抽放等条件,则成孔钻进的过程可实现正常钻进.在正常钻进中,钻进参数的综合稳定性良好,钻进效率较高,孔内的事故率很低.钻进参数值的范围:转速≯200 r/min,常用钻压值3~15MPa,钻速1~3 m/h.
  4.2遇阻钻进中钻进参数的工作范围
  在瓦斯地层钻进中,经常遇到的是煤系地层的稳定性较差,受局部地质构造影响,部分层段的岩层结构变得疏松.在中小构造带内,层角砾岩或充填物松散堆积断层带内,在钻进的扰动下,风将角砾岩中的充填物吹掉,使角砾岩之间无依托地向形成钻孔空间部位滑移,充填钻孔环状间隙,造成埋、卡钻具等孔内事故,严重阻碍继续钻进.在不对破碎带进行固结处理的情况下,钻进的难度很大.在构造影响的地层中,裂隙较为发育,在形成的裂隙空间,常常是积聚起的高压瓦斯地带.对于初期揭露的高压瓦斯包,瓦斯能量、瓦斯压力与钻孔孔径揭露的岩石面积、钻孔内导排瓦斯、钻渣的状况等诸多因素有关.在钻进中遇到此类地层,钻进的工作参数将发生大幅度的急剧摆动,处理不当会造成钻机超压憋死,严重的还会形成事故.钻进参数值的范围:转速10~100 r/min,泵压表反映的压力值在5~18MPa之间大幅摆动;钻压≯3~8 MPa,为系统设计压力值,工作状态是处理孔内事故,若钻机的工作压力达到满负荷,钻机将被迫憋死无法工作;钻速≯1m/h.一般情况下,在地层不稳定,发生冒落、坍塌等较为严重的孔内情况时,必须先处理事故、清理孔内钻渣,然后才能继续钻进.
  5 孔内事故的判断与处理
  采用风介质进行大口径瓦斯抽放孔钻进时,常遇到的一些问题与处理方法如下.(1)由地层构造破碎带引起的地层结构松散、破碎,在钻进中受钻具扰动、受风力作用将充填的泥土、碎屑排走,角砾岩之间的空隙被活石充填,更容易发生坍塌、掉块等情况,造成埋钻、卡钻等事故.在钻进中遇到这类地层时,钻机的系统压力很不稳定,压力表的指针大幅度摆动,钻具承受的扭矩大大增加,回转速度受阻,严重时产生回转不连续,以至不能继续钻进.在确定钻场时,应针对该钻场进行单孔或组孔技术实施设计,在钻进中,操作者应根据技术设计,对所钻进的地层变化情况熟练掌握,及时判断孔内所发生的事故情况.一般的处理方法是:先停止给进,立即起拔钻具,使钻头和辅助钻具脱离开坍塌地段,对坍塌岩块和钻渣进行排渣处理,当钻具能回转正常后,再尝试着推进钻具,且不可盲目钻进.对于每一个回次的钻进,风介质排渣都要尽量多排,使孔内尽量少沉积钻渣,便于钻进较深的钻孔.
  由于风介质对地层的浸透性和切割性较弱,所以,不易引发较大规模的后置式坍塌和联合式坍塌,孔壁状况较好.但是,对角砾岩的充填物、弱结构的砂岩、粉砂地质岩、页岩等类型的岩石,在风介质压力作用下则容易吹出充填物和胶结物,使得较大的角砾石和钻渣形成活动的砾石堆或发生前置性坍塌,形成孔内较大的积渣量,造成一定的渣堵.在目前使用的钻具级配中,导致钻具形成好进难出的状况.目前,针对上述原因造成的孔内事故,运用新设计的新型钻具级配系统,则能在很大程度上解决上述问题.(2)在瓦斯抽放孔的钻进中,遇到有构造的地层或构造集中的构造带时,首先采取的方法是避开构造带.因为,对矿区的地质构造基本上是清楚的,瓦斯积聚区是一个较大的范围,所以,钻进的靶标可以适当调整,选择相对稳定的地层钻进,使瓦斯抽放孔能顺利地到达瓦斯积聚区进行抽放.其次,在无法回避的断层带钻进时,则应尽量放大钻孔角度,利用仰角的关系,有利于钻渣的排出.仰角钻进对钻进工艺参数的要求是:回转速度要适中,钻速不能过快,尽量减少对不稳定破碎带的搅动,使塌落的孔壁尽快重新建立起角砾岩间的相互受力支撑平衡状态.在钻进时需要穿过小的断层构造带时,钻具受阻情况较为严重,埋、卡钻的情况时有发生.在实际的钻进过程中,每次事故的发生都有一个过程,因此,事故发生的初期就应及时判断、快速处理,而不能任由事故形成后再去处理,在实际的钻进中,不少孔内的事故成为定局时是很难处理的.(3)在瓦斯地层钻进中,由于井下的巷道空间有限,所选用的钻杆较短,每钻进一个回次都要有停钻、停风、换接钻具、开风、排渣、钻进的过程,如此频繁换接钻杆的钻进方式,造成钻渣在孔内大量的沉积.因此,每一个回次的钻进都要尽量地清渣.若要停钻,首先要将孔内的钻具提出钻孔或将钻具提到安全孔段,避免回拖钻具时在孔内形成渣堵或渣塞,造成孔内事故的发生.(4)大口径钻孔在本煤层中钻进或近水平孔钻进时,由于钻孔的环状间隙较大,造成风压、风量、风速的综合参数衰减较快,在风介质循环的一个过程内,形成越往孔口的部位沉渣越多,从而导致了钻进的过程变得更为复杂,也限制了大口径钻孔在钻进瓦斯地层时的钻进深度,目前钻进终孔直径为200mm的钻孔,进尺深度在300 m左右.
  6 结语
  采用大口径钻孔的方式抽放瓦斯地层中富存的瓦斯,达到降低高瓦斯煤层中瓦斯的含量,保证了煤矿采煤安全,这种工艺在国内高瓦斯煤矿已被广泛地使用.目前,在解决大口径瓦斯孔钻进中,孔内发生的各种坍塌、掉快,造成的埋钻、卡钻等事故,而采用风介质循环来钻进大口径的瓦斯抽放钻孔,减少钻孔的孔壁坍塌和小构造引起的卡钻等也已经取得了较好的效果.随着非平衡钻探工艺的研究和在实践中推广应用和不断的创新发展,大口径钻孔抽放瓦斯的效率会得到很大程度的提高.
  参考文献:
  [1] 马沈歧,王彦红.非平衡钻进中的钻具问题[J].煤田地质与勘探, 2000, (6).
  [2] 马沈岐.孔内煤与瓦斯突出机理与钻进工艺[A].世纪之交煤矿地质学术论文集[C].西安:西安地图出版社, 1990.


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