摘要：本文经过资料调查和技术研究，形成了一套完整的俯角穿层钻孔施工工艺，大大提高了俯角穿层钻孔的钻进速度及成孔率。
　　关键词：俯角穿层钻孔、排渣
　　中图分类号： tu755.2+2文献标识码： a
　　目前防治煤与瓦斯突出的区域性措施中，开采解放层和预抽煤层瓦斯是最为行之有效的措施。根据资料调查，顶(底)板预抽煤层瓦斯技术在全国各煤矿已得到广范的应用，并均达到较好的治理效果，特别是底板预抽巷仰角(上行)预抽钻孔较为长见，原因是上行穿层钻孔较易施工，孔内钻屑较易排出，钻孔成形好，预抽效果相对较好。而顶板俯角(下行)钻孔在实际应用中却较少，原因是下行钻孔施工中孔的岩(煤)粉不易排出，钻孔施工慢，穿岩层与煤层相接段时钻孔易塌孔，钻孔成孔后岩(煤)粉大多残存在孔底，阻挡了瓦斯涌出的通道，大大降低了预抽效果，致使穿层俯角钻孔应用相对较少，钻孔施工工艺不成熟。
　　1 俯角穿层预抽钻孔施工工艺技术研究
　　穿层预抽钻孔施工的重点的是穿过岩石后的煤孔段，只有煤孔段成孔率提高，才能使钻孔成孔区一定范围内的瓦斯得以释放，使地应力得以卸压，再以合理的钻孔间距达到目的区充分卸压，再利用高负压对所有钻孔进行抽放，将释放出的瓦斯全部抽出，从而降低目的区的瓦斯含量，大大降低目的区的瓦斯压力。只有目的区内的瓦斯压力、地应力、瓦斯含量都大幅度降低后，才能达到降低突出危险性，直至消除突出危险。
　　1.1钻孔施工设备的选择
　　1.1.1钻机的选择
　　随着钻孔长度的增加，钻杆与钻孔间接触摩擦的面积和钻杆本身的重量都相应地增大，钻机的旋转扭矩和推进力也相应的需要增大。wwW.11665.coM因此，要求选择的钻机要满足旋转扭矩和推进力增大的要求，十二矿目前使用效果较好的钻机主要是mk－4型钻机。
　　1.1.2钻具的选择
　　对于穿层钻孔施工，钻杆的选择变化不大。由于钻进过程中煤与岩有一个变化的过程，钻头的选择必须适用于岩孔段和煤孔段的变化，在岩孔段时根据岩石的硬度选用不同岩石复合片钻头，在煤孔段时使用组合片钻头。钻头的直径与钻杆相比不亦过大，这是因为在较软的砂质泥岩钻进时，该岩石遇水易膨胀，容易对钻头产生挤压，最终导致无法钻进也无法退出钻杆。而煤孔段如果钻头直径过大，在发生喷孔时，大量的煤无法及时排出时也将封闭钻头的后方，进一步使煤粉不能正常排出，而产生夹钻，使钻杆无法退出。
　　1.1.3排渣工艺研究
　　排渣工艺技术是钻孔成孔的关键技术。钻进过程一般要求能完全、及时地排除孔内的钻屑，在煤层中钻进还要减少对孔壁的破坏，保持孔壁完整，而在突出煤层中钻进还要考虑有利于瓦斯的涌出和排放。（1）排渣方式的选择
　　传统的排渣方式是用水作冲洗介质，以携带、排出钻屑，并起到冷却钻头的作用。但是，水力排渣方式的最大缺点是对孔壁的冲击作用太大，垮孔、喷孔严重。同时，钻孔内处于气（瓦斯、空气）、液、固（钻屑）三相流动状态，流态极不稳定，也容易造成卡钻现象。
　　风力排渣是用压缩空气经过钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔内形成高速风流，钻屑则悬浮在风流中被吹向孔口，从而实现排渣和钻头冷却。风力排渣的最大缺点是，作业地点煤尘不易控制。但在突出或松软煤层中打钻时，风力排渣具有明显的优势：①压风对孔壁的冲击小，不易破坏孔壁；②不影响煤层中的瓦斯解吸，使瓦斯得以自由、快速地释放；③钻孔内始终只有气、固两相流动，发生卡钻的可能性也减小了。因此，风力排渣是在突出或松软煤层中打钻比较理想的排渣方式。穿层钻孔施工先钻进岩石后钻进煤层，其排渣方式应采用水排和风排交替进行的方式。这是因为，岩层钻进时如不用水排，则钻具很快产生高温。煤层内如用水排，则出现喷孔后孔内的煤渣很难排出孔外，不能钻进和成孔。
　　（2）风力排渣研究
　　根据气力输送原理，钻孔内的钻屑能否被压风吹出，首先取决于钻孔内的风速，其次是钻孔倾角、钻屑的粒径和固气混合比（钻孔在单位时间的产渣量与压风流量的比值）等。钻孔的倾角是根据煤层赋存条件和抽放的要求设计的；钻屑的粒径则主要与煤层的破坏程度、是否垮孔和喷孔、钻头形式、钻头钻进和旋转的速度等有关；固气混合比则主要与钻孔在单位时间内的产渣量和压风流量有关；钻孔内的风速与供风的压力、钻杆内孔及钻孔的阻力系数等有关。风速

大，排渣能力越强；固气混合比、钻屑的粒径越小则排渣越容易；下向钻孔排渣比上向钻孔困难。排渣需要一定的风速，但为使风流达到这个风速就要克服风流的各种阻力损失，即需要一定的供风压力。排渣的压风阻力损失△p一般由以下几个部分组成：①纯空气气流从孔底输送到孔口的阻力损失△pa；②使钻屑从孔底加速到一定速度而附加的阻力损失△psac；③为使煤渣以一定的速度输送并排出到孔口而附加的附图损失△ps；④钻头的压风阻力损失△pt；⑤空气在钻杆内流动产生的阻力损失△pz。则△p＝△pa+△psac+△ps+△pt+△pz （4）式中 △p ——压风的阻力损失，pa； △pa——输送纯空气气流从孔底到孔口的阻力损失，pa； △psac——使钻屑从孔底加速到一定速度而附加的阻力损失，pa； △ps——使煤渣以一定的速度输送而附加的阻力损失，pa； △pt——钻头处的压风阻力损失，pa； △pz——空气在钻杆内流动产生的阻力损失，pa。若钻孔内风速为u，则供风流量为式中 qa——供风流量，m3/s； d孔——钻孔直径，m； d钻——钻杆外径，m。以下是各部分阻力损失的计算方法：（1）△pa在钻孔中，越靠近孔口空气压力越低，密度越小，速度越大，即孔内空气按多变指数变化。孔内的压风可看作等温过程，多变指数m值取1。设钻孔孔口为原点，如果为水平钻孔，则当孔深为l时纯空气由孔底到孔口的阻力损失为式中 △pal——水平方向输送纯空气的阻力损失，pa； p0——原点处的绝对压力，pa； △pa0——以孔口风流密度、流速、按不可压缩气体计算沿程阻力损失，pa。由于钻孔有一定的倾角，空气从孔底到孔口要克服位能做功，即要损失一部分压力：式中 △pa2——对于一定倾角的钻孔，压风克服位能的阻力损失，pa；ws——排渣量，kg/s； a——有效排渣面积，m2；l——钻孔深度，m；θ——钻孔倾角，上向孔取“－”，下向孔取“＋”。则纯空气气流从孔底输送到孔口的阻力损失△pa为
　　△pa＝△pa1＋△pa2（2）△psac根据有关理论，钻屑一般从孔底开始在5～15 m内加速到正常速度，在此段内阻力损失激增。△psac的计算公式为式中 c——常数，大小取决于排渣方式，一般在风力排渣中取10；μs——混合比，钻孔在单位时间的产渣量与压风流量的比值。（3）△ps在特定的煤层区域和施工技术设备等条件下，混合比μs、有效排渣直径d、钻屑粒度ds及风流的状态均是相对稳定的。同样取钻孔孔口作为原点，由输送钻屑形成的阻力损失为式中 m——多变指数，在风力排渣中压风可看成是等温变化，取m=1；ε——系数，在风力排渣中re＞500，ε取0；△ps0——以孔口处风流的密度、流速，按不可压缩气体计算的钻屑流动产生的阻力损失，pa。式中 fr0——傅劳德常数，； φ0——钻屑速度与气流速度的值，（u－ut）/u；d——风力排渣的等效排渣直径，用水力半径r来计算，m； ρ0——原点（孔口）处的压风密度，kg/m3；k——修正系数，在风力排渣中re＞500,k取0.444。（4）△pt压风通过钻头上的2个小孔流入钻孔孔底，钻头的沿程阻力损失很小，可忽略不计，则钻头部分阻力损失△pt为式中 ——钻头的局部阻力系数； ρt0——孔底的压风密度，kg/m3； ut0——钻头上小孔的出口风速，m/s；
　　（5）△pz顺层长钻孔的长度较长，空气在输送过程中各处的压力变化较大而呈多变状态，在不同的深度有不同的密度，再加上钻杆结构复杂，使计算更为繁琐。可将孔底的第一根钻杆作为计算原点（其压力pz0为孔底的绝对压力与钻头阻力损失之和），先按不可压缩气体计算所有钻杆的阻力损失△pz0，取多变指数m=1，则钻杆阻力损失可按下式计算：式中 pz0——原点（孔底的第一根钻杆）处的绝对压力，pa； △pz0——以原点处风流的密度、流速、按不可压缩气体计算的钻杆内风流的阻力损失，pa。（3）岩石段与煤孔段过渡期间水力排粉换风内力排粉研究
　　由岩石过渡到煤孔段是否更换成风力排粉主要取决于煤层顶板的岩性，十二矿煤层顶板岩性多为砂质泥岩，在钻进时如使用水力排粉，则会出现膨胀现象，结果造成钻头后方钻孔直径缩小，严重时连钻头也会出现夹死现象，导致无法钻进。所以一定要在合适的时机将水力排粉更换成风力排粉。
　　是否更换排粉方式，可以从钻机操纵台的给进压力表反映出来，如钻孔开始膨胀缩小，则给进压力会出现升高现象，钻机主油泵噪音也增大，这时会逐渐出现钻孔给进困难现象，直至无法给进。当出现钻孔

给进困难的前期必须将水力排粉更换成风力排粉，更换后不能马上给进，要保持只旋转不给进，只有在孔内的水全部排出后，而且孔口呈现干的现象时才可以逐渐给进。
　　2 应用效果
　　十二矿已15-31010采面瓦斯综合治理设计中，经过资料调查和技术研究，最主要的治理措施是先施工进、回风巷的高位瓦斯预抽巷，在进、回风巷的高位预抽巷内向下部的已15煤层内布置的进、回风巷先施工俯角预抽钻孔，形成了一套完整的下行钻孔施工工艺。自2005年11月底至2006年5月12目前已15-31010回风巷高位预抽巷穿层钻孔已施工676个，平均每班成孔率在1.5个，并达到了较好的预抽效果：已15-31010回风巷掘进过程中由同瓦斯地质条件下炮后瓦斯浓度0.6%左右降低到0.4%左右，炮掘单进达到80m以上，同比增加单进约15～20m 。
　　3 结论
　　该项目在十二矿已15－17310采面机风巷的应用成功，为十二矿今后打钻技术奠定了基础，它将在十二矿及中平能化集团公司得到推广。
　　作者简介：惠磊，籍贯：河南省邓州市，学历：本科，毕业院校：河南理工大学，现从事煤矿技术管理工作。