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[摘 要]为了解决南桐煤矿松软薄煤层顺层孔成孔率低、深度浅的问题，分析了松软薄煤层钻进出现塌孔、喷孔、卡钻的情况，对钻头直径、钻杆直径、供风风速、流量及压力等参数进行了优化，并将优化成果应用于现场，结果表明：平均钻进深度提高了1.1倍，钻孔平均成功率提高了2.68倍，台机率提高了3.3倍。
[关键词]采矿工程 松软薄煤层煤层 顺层钻孔 空气钻进 参数优化
中图分类号：TD445 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0299-01
南桐煤矿K2煤层平均厚度为0.81m，煤层倾角30～45°；煤层瓦斯含量16～23m3/t，瓦斯压力最大12Mpa，煤层f值仅为0.3。南桐煤矿采用了中风压空气钻进顺层钻孔防治瓦斯灾害，但在施钻过程中多依靠经验参数，导致钻进效果不理想。因此，本文分析松软煤层难以钻进的原因，对中风压空气钻进相关参数进行了优化，并进行了现场应用。
1.松软薄煤层难以钻进深孔原因分析
在地应力和瓦斯应力共同作用下，在松软薄煤层施钻过程中难以钻进深长孔，主要表现形式有：
1.1 塌孔
当轻微塌孔时，只要钻孔排渣畅通，在钻孔壁稳定后，一般不会造成太大的危害；而在严重跨塌发生时，由于钻屑无法及时排出，钻孔跨塌不止，极易造成钻孔报废。
1.2 喷孔
由于喷孔主要发生在孔底或孔底附近，喷孔极易形成孔穴，使钻头失去钻孔壁的约束，形成钻头扫孔现象，孔穴越来越大，直至钻孔报废；喷孔还会造成后部钻孔壁应力增加，变形加剧，形成卡住钻杆等现象。
1.3 卡钻
卡钻与喷孔有很大的关系，是伴随喷孔发生的一种现象。发生喷孔时喷孔点附近钻孔变形，孔壁和煤渣将钻杆、钻头抱紧；也有可能是排渣不力、孔内煤渣增多，没有及时排除而继续钻进，使堵孔范围不断扩大，钻杆钻头箍紧，无法进退。
2.松软薄煤层中风压空气钻进原理
空气钻进是以一定压力的空气为冲洗介质的钻进方法，钻进过程中，压缩空气通过钻杆内通孔、钻头进入孔底，在孔壁与钻杆柱构成的环孔间隙内形成高速风流，将钻进过程中产生的钻屑携带至孔外；由于在钻头底部压缩空气的压力突然降低，吸收周围热量，降低孔底钻头部位的环境及钻头的温度，不但减少了切削具被烧毁的可能性，而且改善了切削具的工作环境，延长了钻头的使用寿命。
3.南桐煤矿中风压空气钻进参数优化
3.1 钻头直径
钻孔直径越大，钻孔内表面积就越大，瓦斯流出的表面积就越大，而对钻孔卸压影响半径的影响则不大。而钻孔越大，施钻时的安全性就越差，喷孔塌孔的几率就高，频率甚至是呈几何倍数增长，所以顺层钻孔孔径一般不超过120mm。如果钻孔孔径小，打钻就越安全；但孔径太小，满足不了施钻钻具和排渣需要。经过反复研究和实践，选用94mm三翼合金钻头。
3.2 钻杆直径
钻杆直径的选择首先要保证排屑通道的畅通。排渣通道既要满足排屑的需要，又要满足提高风速的需要。钻杆直径比钻孔直径小的多时，排渣通道则大，煤渣就会沉淀在钻孔内，并与旋转的钻杆摩擦生热，易引起瓦斯燃烧；相反钻头的直径比钻杆外径大得多，因为钻杆与钻头的直径存在差别，钻头在钻孔内有一个支撑作用，钻杆受重力作用向下产生弯曲，使钻杆及钻头不稳定旋转，钻进方向就会产生偏移，增加钻进阻力，影响钻孔深度。南桐矿区选用钻杆直径为73mm。
3.3 风速及供风流量
在空气钻进中，气流速度大于钻屑颗粒群的自由悬浮速度时，就可以实现排渣，即
式中，—排渣所需风速，m/s；—钻屑的自由悬浮速度，m/s；—重力加速度，m2/s；—钻屑颗粒直径，m；—钻屑的密度，kg/m3；—空气的密度，kg/m3；—阻力系数；—物体形状修正系数。
钻进产生的钻屑质量流量对于排渣有着重要的影响，钻进速度越快，钻屑质量流量越大，需要供风流量越大。为了保证钻进中不断产生的钻屑能够顺利排出，风速还应满足不堵塞条件。即
式中：—满足不堵塞条件的临界风速，m/s；—钻屑质量流量和空气质量流量之比。
根据钻孔直径、钻杆外径可以确定孔底所需的流量。
式中：—空气在钻孔孔底加速后的速度，m/s，；—鉆孔孔底空气的体积流量，m3/s；—钻孔直径，m；钻杆直径，m。
根据管内气固两相流理论，当孔底压力为时，所需供风流量可由下式计算：
式中：—供风流量（大气压状态），m3/s；—大气压力，Pa。经过计算得到南桐煤矿中风压空气钻进供风流量为300～400m3/h。
3.4 供风压力
空气钻进中的压力损失主要包括加速压损、摩擦压损、钻屑悬浮提升压损和局部压力损失。空气钻进供风压力应大于各压力损失之和，表示为：
式中：—供风风压，Pa；—总压力损失，Pa；—压缩空气通过钻杆内的压损，Pa；—空气与钻屑的加速压损，Pa；—空气与钻屑摩擦压损，Pa；—钻屑颗粒群悬浮提升压损，Pa；—各局部压力损失之和，Pa。
经过计算得到南桐煤矿中风压空气钻进供风压力为1～1.2MPa。
4.现场应用
根据优化的中风压顺层钻孔钻进优化参数，选用ZDY3200S型钻机和MLGF16/7-90G型井下防爆移动空气压缩机，分别采用常风压和中风压的钻进实施了现场应用。
应用结果表明：中风压顺层钻孔平均施工深度较常风压顺层孔提高了2.1倍；台机率13844m/月，是常风压顺层下向孔的3.3倍，钻孔平均成功率提高了2.68倍，可见松软薄煤层中风压技术参数选取合理，钻进效率大幅提高。
5.结论
（1）煤层埋深大、地质构造复杂、煤层松软、钻孔参数不合理及装备能力不足，在钻进过程中常发生塌孔、喷孔、卡钻等现场，导致南桐煤矿松软薄煤层难以钻进深长孔。
（2）优化得出南桐煤矿空气钻进参数：钻头直径94mm，钻杆直径73mm，供风风量300～400m3/h，供风压力为1～1.2MPa。
（3）应用结果表明：平均施工深度提高了2.1倍，钻孔平均成功率提高了2.68倍，台机率提高3.3倍，钻进效率大幅提高。
作者简介
李 栋（1986—），男，硕士，2012年毕业于重庆大学采矿工程专业，主要从事煤矿瓦斯灾害防治及非常规气体开采方面的研究工作。
[关键词]采矿工程 松软薄煤层煤层 顺层钻孔 空气钻进 参数优化
中图分类号：TD445 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）04-0299-01
南桐煤矿K2煤层平均厚度为0.81m，煤层倾角30～45°；煤层瓦斯含量16～23m3/t，瓦斯压力最大12Mpa，煤层f值仅为0.3。南桐煤矿采用了中风压空气钻进顺层钻孔防治瓦斯灾害，但在施钻过程中多依靠经验参数，导致钻进效果不理想。因此，本文分析松软煤层难以钻进的原因，对中风压空气钻进相关参数进行了优化，并进行了现场应用。
1.松软薄煤层难以钻进深孔原因分析
在地应力和瓦斯应力共同作用下，在松软薄煤层施钻过程中难以钻进深长孔，主要表现形式有：
1.1 塌孔
当轻微塌孔时，只要钻孔排渣畅通，在钻孔壁稳定后，一般不会造成太大的危害；而在严重跨塌发生时，由于钻屑无法及时排出，钻孔跨塌不止，极易造成钻孔报废。
1.2 喷孔
由于喷孔主要发生在孔底或孔底附近，喷孔极易形成孔穴，使钻头失去钻孔壁的约束，形成钻头扫孔现象，孔穴越来越大，直至钻孔报废；喷孔还会造成后部钻孔壁应力增加，变形加剧，形成卡住钻杆等现象。
1.3 卡钻
卡钻与喷孔有很大的关系，是伴随喷孔发生的一种现象。发生喷孔时喷孔点附近钻孔变形，孔壁和煤渣将钻杆、钻头抱紧；也有可能是排渣不力、孔内煤渣增多，没有及时排除而继续钻进，使堵孔范围不断扩大，钻杆钻头箍紧，无法进退。
2.松软薄煤层中风压空气钻进原理
空气钻进是以一定压力的空气为冲洗介质的钻进方法，钻进过程中，压缩空气通过钻杆内通孔、钻头进入孔底，在孔壁与钻杆柱构成的环孔间隙内形成高速风流，将钻进过程中产生的钻屑携带至孔外；由于在钻头底部压缩空气的压力突然降低，吸收周围热量，降低孔底钻头部位的环境及钻头的温度，不但减少了切削具被烧毁的可能性，而且改善了切削具的工作环境，延长了钻头的使用寿命。
3.南桐煤矿中风压空气钻进参数优化
3.1 钻头直径
钻孔直径越大，钻孔内表面积就越大，瓦斯流出的表面积就越大，而对钻孔卸压影响半径的影响则不大。而钻孔越大，施钻时的安全性就越差，喷孔塌孔的几率就高，频率甚至是呈几何倍数增长，所以顺层钻孔孔径一般不超过120mm。如果钻孔孔径小，打钻就越安全；但孔径太小，满足不了施钻钻具和排渣需要。经过反复研究和实践，选用94mm三翼合金钻头。
3.2 钻杆直径
钻杆直径的选择首先要保证排屑通道的畅通。排渣通道既要满足排屑的需要，又要满足提高风速的需要。钻杆直径比钻孔直径小的多时，排渣通道则大，煤渣就会沉淀在钻孔内，并与旋转的钻杆摩擦生热，易引起瓦斯燃烧；相反钻头的直径比钻杆外径大得多，因为钻杆与钻头的直径存在差别，钻头在钻孔内有一个支撑作用，钻杆受重力作用向下产生弯曲，使钻杆及钻头不稳定旋转，钻进方向就会产生偏移，增加钻进阻力，影响钻孔深度。南桐矿区选用钻杆直径为73mm。
3.3 风速及供风流量
在空气钻进中，气流速度大于钻屑颗粒群的自由悬浮速度时，就可以实现排渣，即
式中，—排渣所需风速，m/s；—钻屑的自由悬浮速度，m/s；—重力加速度，m2/s；—钻屑颗粒直径，m；—钻屑的密度，kg/m3；—空气的密度，kg/m3；—阻力系数；—物体形状修正系数。
钻进产生的钻屑质量流量对于排渣有着重要的影响，钻进速度越快，钻屑质量流量越大，需要供风流量越大。为了保证钻进中不断产生的钻屑能够顺利排出，风速还应满足不堵塞条件。即
式中：—满足不堵塞条件的临界风速，m/s；—钻屑质量流量和空气质量流量之比。
根据钻孔直径、钻杆外径可以确定孔底所需的流量。
式中：—空气在钻孔孔底加速后的速度，m/s，；—鉆孔孔底空气的体积流量，m3/s；—钻孔直径，m；钻杆直径，m。
根据管内气固两相流理论，当孔底压力为时，所需供风流量可由下式计算：
式中：—供风流量（大气压状态），m3/s；—大气压力，Pa。经过计算得到南桐煤矿中风压空气钻进供风流量为300～400m3/h。
3.4 供风压力
空气钻进中的压力损失主要包括加速压损、摩擦压损、钻屑悬浮提升压损和局部压力损失。空气钻进供风压力应大于各压力损失之和，表示为：
式中：—供风风压，Pa；—总压力损失，Pa；—压缩空气通过钻杆内的压损，Pa；—空气与钻屑的加速压损，Pa；—空气与钻屑摩擦压损，Pa；—钻屑颗粒群悬浮提升压损，Pa；—各局部压力损失之和，Pa。
经过计算得到南桐煤矿中风压空气钻进供风压力为1～1.2MPa。
4.现场应用
根据优化的中风压顺层钻孔钻进优化参数，选用ZDY3200S型钻机和MLGF16/7-90G型井下防爆移动空气压缩机，分别采用常风压和中风压的钻进实施了现场应用。
应用结果表明：中风压顺层钻孔平均施工深度较常风压顺层孔提高了2.1倍；台机率13844m/月，是常风压顺层下向孔的3.3倍，钻孔平均成功率提高了2.68倍，可见松软薄煤层中风压技术参数选取合理，钻进效率大幅提高。
5.结论
（1）煤层埋深大、地质构造复杂、煤层松软、钻孔参数不合理及装备能力不足，在钻进过程中常发生塌孔、喷孔、卡钻等现场，导致南桐煤矿松软薄煤层难以钻进深长孔。
（2）优化得出南桐煤矿空气钻进参数：钻头直径94mm，钻杆直径73mm，供风风量300～400m3/h，供风压力为1～1.2MPa。
（3）应用结果表明：平均施工深度提高了2.1倍，钻孔平均成功率提高了2.68倍，台机率提高3.3倍，钻进效率大幅提高。
作者简介
李 栋（1986—），男，硕士，2012年毕业于重庆大学采矿工程专业，主要从事煤矿瓦斯灾害防治及非常规气体开采方面的研究工作。