一、前言
瓦斯抽放是防治煤矿瓦斯灾害事故的根本措施,从20世纪50年代开始,我国就将瓦斯抽放作为治理煤矿瓦斯灾害的重要措施在高瓦斯和突出矿井推广。2002年,国家煤矿安全监察局制定了:先抽后采,以风定产,监测监控的煤矿瓦斯防治方针;2006年,再次明确煤矿瓦斯治理必须坚持先抽后采、治理与利用并举的方针,进一步强化了瓦斯抽放治理瓦斯灾害的地位。
在20世纪70年代我国把发展综合机械化采煤作为煤炭工作的一项重要工作之后,钻孔抽放瓦斯技术也开始逐步发展起来;20世纪80年代初,煤炭科学研究总院所属的单位在引进吸收国外先进技术的基础上,结合我国煤矿的实际生产条件研制出了拥有自主知识产权的全液压动力头式钻机,之后逐步走上钻机系列化与钻进工艺综合配套、全面发展的轨道。随着煤矿综采技术的发展,在国家九五、十五等科技项目的支持下,适合我国煤矿瓦斯钻孔施工的全液压动力头式钻机又得到了长足发展,钻机品种逐渐增多、性能进一步改善和提高,同时煤矿井下复杂地层钻探、定向钻进、钻孔轨迹测量等钻探技术也有了新的发展。目前钻机已形成动力头式液压钻机系列化,并逐步向履带一体化、智能控制方向发展,井下定向钻进技术也逐步向随钻测量、随钻控制等方向发展,并初见成效。
二、我国煤矿井下瓦斯钻机设备的现状
(一)设备笨重
目前国内大部分井下瓦斯钻机仍然采用老式架柱式结构,体积大、重量大、傻瓜式操作、无法顺利移动,这也是我国井下钻机设备的重大特点,以钻机电机为例,重量在800kg。搬运至少需要16人,钻机笨重,不但导致运转不灵活,而且使搬运受到限制,从而限制生产,此外,钻机设备还存在着耗能大,寿命短,易损坏等问题。
(二)智能化低
煤炭行业的智能化水平和普及率明显滞后于时代的发展。特别是煤矿井下瓦斯钻机设备更是如此,大部分钻机仍是机械动力,液压控制,仅有少数钻机设备实现了智能化操作,却又没有得到普及,这是我国煤矿井下钻机设备的主要问题。
(三)适应性差
高瓦斯矿区抽采,钻孔钻不进去,容易产生塌孔、夹钻、喷孔等现象,且成孔率低,防突治理成本很高。其原因是因为井下钻机设备对地质条件适应性差,地质条件稍有变化,现有钻机就无法展开工作,制约煤矿瓦斯抽采。
一是高瓦斯矿区抽采,钻孔钻不进去、瓦斯抽不出来,松软突出煤层抽采钻孔施工难以解决。
松软突出煤层一般是煤层松软、渗透性极差,但瓦斯含量却特高。在这种煤层中钻进,容易产生垮孔、卡钻、喷孔等现象。我国在松软突出煤层虽然有钻孔深度超过150m甚至达到240m的记录,但大部分的钻孔深度都在100m以下,且成孔率低,防突成本和瓦斯抽放成本很高。我国松软煤层(硬度系数f≤1)在所采煤层中所占比例较大,因此,松软突出煤层的钻进成孔问题一直是个亟待解决的难题。
目前,在煤矿井下钻探施工时,大部分都用水作为钻孔循环介质,由于煤层松软,高压水流对孔壁的冲刷和浸泡导致孔壁坍塌、掉块,严重时导致钻杆卡死,孔底水压升高,形成憋泵现象。用压缩空气作为钻孔循环介质有利于保持孔壁稳定和瓦斯的释放,可有效减少瓦斯突出的可能。但由于目前井下管路风压较低,限制了钻孔深度增大。尽管采用螺旋钻进工艺对于较完整煤层或局部坍塌煤层能够取得较好的成孔效果,但目前由于受钻机能力、钻具强度等因素的影响,孔深依然有限。
二是高瓦斯矿超前抽采钻孔施工长度不足,抽采时间短。目前,国内普遍采用的回转钻进工艺,钻孔轨迹的控制主要靠改变孔底稳定组合钻具和调整工艺参数的方法来实现。对于构造简单、稳定的地层来讲,如果钻孔轨迹设计合理,操作方法得当,基本能够满足钻孔的方向性要求。但对于复杂地层,特别是深孔钻进,钻孔轨迹的方向就很难控制。这是制约我国坑道钻探技术进一步发展的关键性难题。
(三)施工防突钻突出现象严重,危险性大,易造成事故。
目前,施工防突超前钻孔是局部防突的重要技术措施之一。然而,施工防突钻突出现象严重,危险性大,直接威胁工作面作业人员安全。例如,松藻矿务局在工作面打超前排放钻孔时即发生了突出强度近700t的突出,现场的钻孔施工人员全部殉职。淮南矿区去年和今年也先后有工作面作业人员在场的情况下发生的突出,导致了人员伤亡。
三、国外煤矿井下瓦斯钻机设备的现状
美、德、澳等发达国家,由于采取了行之有效的瓦斯抽采措施,基本实现了煤矿安全生产。就煤矿瓦斯抽采工艺而言,除美国部分煤矿采取地面抽采之外,多数矿井采取本煤层钻孔抽采。
发达国家的煤矿井下瓦斯抽采所用的井下瓦斯钻机,虽然种类繁多,功能各异,但根据驱动钻头回转的动力来源不同,煤矿坑道钻机的主流产品可分成两大类:一类是常规的孔口回转钻机(钻机通过钻杆柱驱动钻头回转)。像浅孔钻机及德、日为代表的一些国家生产的深孔钻机一般都是这一类;另一类是孔底动力回钻钻机(钻进时钻杆柱不回转,由孔底马达驱动钻头回转)。像美国多以孔底动力为主,我国引进的几种钻机都属于这种类型。
对用于施工钻进超过300米的瓦斯抽采长钻孔的钻机而言,不仅钻机本身的功率要求较大,而且还需要采取相应的定向措施,以保证钻孔轨迹符合要求,达到预期的抽采效果。
迄今在煤矿井下广泛采用的定向技术有两种:一种是采用稳定组合钻具,另一种是采用孔底马达配合造斜工具。这两种定向技术分别适用于上述两种井下瓦斯钻机(或者说是井下瓦斯钻机的两种工作方式)。在煤矿井下采用稳定组合钻具控制钻孔方向的方法最先始于20世纪70年代的美国,但在煤矿井下应用效果最好的却是德国,并且推广到了钾盐矿。1999年德国Wirth公司用稳定组合钻具在一个钾盐矿完成了一个进尺2223米的地质勘探孔,2003年该公司网站又发布了又钻成一个进尺2700米的水平勘探孔的消息,这是目前世界范围内最深的井下近水平定向钻孔。日本利根公司采用该技术成效也很显著,曾在上世纪80年代初钻成2150米的近水平勘探孔。这种方法的优点是成本较低、可以钻大直径钻孔,缺点是控制钻孔方向的能力不如孔底马达。
煤矿井下钻机采用孔底马达的定向钻进技术于上世纪80年代初始于英国,当时其设备能力可以达到1000米,因为煤层松软和钻进工艺问题,实际最大孔深只有635米。但从80年代中期开始,该方法已成为澳大利亚施工瓦斯抽放孔和地质勘探孔的主要手段,成效也最为显著。钻孔深度一般在700米左右。最大孔深纪录不断刷新,至2002年达到1761米。该方法的优点是控制钻孔方向的能力较强,但由于孔底马达的扭矩较小,钻孔直径也较小,孔底马达的价格较高,相应地钻井成本较高。值得注意的是,这种方法得到成功应用的前提条件是要有长寿命的孔底马达和可靠的随钻测斜技术。国外先进的孔底马达寿命一般都在
200~300小时以上。使用效果较好的随钻测量仪器有澳大利亚钻机上配备的DDMMECCA测量系统,据称可确保钻孔精度在0.5°/100米以内,每百米孔深最大偏差为0.5~1.0米,钻孔直径在89~96毫米之间。
从上世纪60年代起,国外一些发达国家逐步实现了坑道钻机的更新换代,用全液压动力头式钻机取代立轴式钻机。特别是90年代推出的新产品,比以前的产品又有明显的改进,将电液比例控制技术应用于新型钻机。瑞典AtlasCopco公司、加拿大JKSBoyles公司、澳大利亚Longyear公司等开发的几种新型坑道勘探用钻机还采用了自动控制技术,实现了机电一体化操作。这些新技术将很快在瓦斯钻机上得到推广应用。在钻进动力方面,美国对用水力和压缩空气钻进进行了研究,REIDrilling公司曾研发了一种水力破碎岩石的设备及钻进工艺,在肯塔基州某矿煤层顶板中钻进近水平定向瓦斯抽放孔,取得较好的效果。与清水钻进相比,在松软、渗透性好的地层,泥质页岩、泥岩等遇水容易膨胀、坍塌的地层,采用压缩空气钻进效果要好得多。
从整体上看,国外煤矿井下瓦斯钻机的特点是,在整机设计及元、部件的选用上,较国内钻机要先进,其性能更可靠,功能更完善。发达国家的深孔瓦斯钻机多采用先进的孔底马达、造斜工具和随钻测量设备,钻进能力强(大于1000m)、定向精度高。
四、我国煤矿井下瓦斯钻机设备面临的主要问题
从总体上来讲,我国煤矿煤层地质条件复杂,煤炭开采区域较广,在煤矿井下瓦斯治理工作中,遇到的复杂情况和各种困难比其他煤炭开采国家都要多,所采用的治理方式和方法也是多样性的。随着开采深度的不断加深,煤层瓦斯浓度增加、矿压增大、煤层原生结构破坏严重等都对瓦斯抽放和钻孔施工带来很大难度。针对煤矿井下钻进技术所面临的问题主要表现在以下2个方面:
1、如何实现水平长钻孔的准确定向,进一步延长钻孔的有效抽放段距离和有效抽采时间。目前国内普遍采用孔口回转钻进工艺,钻孔轨迹的控制主要通过改变孔底组合钻具和调整钻进工艺参数来实现。对于结构简单的稳定地层,如果钻孔轨迹设计合理,操作方法得当,基本能满足设计要求,但对于定向精度要求较高深孔钻进,钻孔轨迹的方向就很难控制。
2、如何提高松软突出煤层钻孔深度和有效成孔率。我国松软煤层(普氏系数f