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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，分析了松软薄煤层常风压钻进影响因素及出现塌孔、喷孔、卡钻的情况，提出中风压空气钻进方法。通过分析得出在中风压顺层钻进过程中，产生的钻屑主要受空气紊流、升力和碰撞反力的垂直分力作用实现风力排渣，钻杆的旋转对煤粉颗粒的悬浮输送也起着重要的作用；南桐煤矿松软煤层地压和瓦斯压力较大，钻进中扰动较大，易出现孔内局部坍塌，应尽量使钻孔产生的煤粉颗粒处于悬浮流和底密流状态。
[关键词]采矿工程 松软薄煤层煤层 顺层钻孔 空气钻进
中图分类号：C752 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0261-01
重庆地区煤层赋存条件差，地质构造复杂，煤层松软，瓦斯含量高、瓦斯压力大，瓦斯灾害治理困难。南桐煤矿开采K1、K2、K3煤层，其中K2煤层作为保护层首先开采。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，因此，K2煤层是典型的大倾角松软薄煤层。施工顺层长钻孔抽采煤层瓦斯是防治瓦斯灾害行之有效的措施，但由于南桐煤矿煤层的赋存特征，在钻进过程中容易发生喷孔、塌孔、卡钻等现象，造成钻孔成孔深度浅、成孔率低，导致瓦斯预抽效果差、保护层工作瓦斯抽采达标时间长，严重制约了突出矿井保护煤层工作面机械化开采效率的发挥，影响了正常的采掘部署。因此，本文在分析松软煤层难以钻进的原因基础上，提出中风压空气钻进顺层钻孔，对其参数进行了优化，并进行了现场应用。
1. 松软薄煤层难以钻进深孔原因分析
南桐煤矿松软薄煤层深孔钻进的影响因素主要有：
（1）煤层埋藏深，地质构造复杂，构造应力大。
（2）煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大。
（3）煤层松软，抗压强度低，成孔困难。
（4）钻孔参数不合理。
（5）钻机能力小，钻杆扭矩小，钻孔打到一定深度时力不从心；压风风压小，排粉能力弱等。
2. 松软薄煤层无法钻进深孔原因分析
南桐煤矿在松软薄煤层打钻的过程中，由于地应力和瓦斯应力的作用，在钻孔的周围会形成塑性变形区，即钻孔周围的卸压区，而大量喷出瓦斯和煤粉，则是一种孔内动力现象。主要表现在如下几种形式：
2.1 塌孔
在地应力、瓦斯应力的作用下，加上煤质松软，钻孔孔壁会出现垮塌现象。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。釆用水力排渣的钻进方式时，水流对钻孔壁的冲刷作用较大，更容易诱使孔壁垮塌。
2.2 喷孔
钻孔喷孔属于钻孔中发生的一种动力现象，它属于钻孔内的小型突出，是由集中地应力、瓦斯应力和煤体结构等因素的综合作用。伴随着钻孔的钻进喷出大量的瓦斯和煤粉。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。
2.3 卡钻
卡鉆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。
3. 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、钻头水口（眼）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。在松软煤层钻进中，空气钻进对孔壁的扰动较小，能够减少钻孔坍塌、卡钻等事故，具有较高的成孔率和较深的成孔深度；同时空气不会阻塞瓦斯气体的释放通道，有利于瓦斯抽采。
3.1 钻孔内煤粒受力分析
风力排渣工艺是松软煤层空气钻进成孔的关键。在气流水平流动和钻杆转动的作用下，产生了几种使钻孔产生的煤粉颗粒悬浮的力，从而实现风力排渣。
（1）紊流时气流所产生的铅垂方向的分速度对颗粒产生的气动力为悬浮力。
（2）处于管底的煤粉颗粒，因其上部速度大于下部速度，产生上部压力小于下部压力，从而形成悬浮力。
（3）煤粉在气流的推动下产生旋转环流，颗粒上部的环流与气流的速度方向相同，叠加后速度增大；颗粒下部的环流与气流的速度方面相反，叠加后速度减小。该速度差产生对颗粒的升力。
（4）煤粉颗粒的形状不规则，受到的推力在垂直方向产生分力。
（5）煤粉颗粒相互间或与钻孔孔壁间相碰撞获得的反弹力在垂直方向的分力。
其中，紊流对细煤粉颗粒的悬浮起主要作用；升力和碰撞反力的垂直分力对粗煤粉颗粒的悬浮起主要作用。钻杆的旋转对煤粉颗粒的悬浮输送也起着重要的作用。钻杆的旋转使得钻杆周围的气流产生涡旋，从而对颗粒产生向上的分力。由于重力作用，钻孔下部颗粒的浓度往往大于钻孔上部，这导致钻孔上部气流的速度大于钻孔下部的气流速度。钻孔上部的煤粉颗粒更容易被较高速气流带走，钻孔下部的煤粉颗粒则容易聚集成沙丘状颗粒群向孔口移动。而钻杆的旋转则能够把钻孔下部的颗粒群带至钻孔上部，从而实现排渣。
3.2 钻孔内煤粒运动状态分析
在松软煤层空气钻进中，当钻孔内气流速度不同时，钻孔产生的煤粉颗粒具有悬浮流状态、底密流状态、疏密流状态、停滞流状态等不同的运动状态。
在悬浮流和底密流状态，钻孔产生的煤粉在较大风速的作用下，能够顺利排出。对于疏密流状态，煤粉在局部区域堆积形成砂丘状颗粒群，但由于气流有足够的速度，又会将砂丘状颗粒群吹走，在这种颗粒群聚集、吹散交替作用下实现风力排渣。在停滞流状态，虽然因煤粉聚集造成流通截面变小加速了气流速度，但这种状态很不稳定，煤粉聚集造成堵孔的可能性也会大大增加。
南桐煤矿松软煤层地压和瓦斯压力较大，施工过程中由于钻具旋转扰动，往往会出现孔内局部坍塌，另外孔壁的粗糙程度较大，不利于钻进过程中的顺利排渣，因此钻进中应尽量使钻孔产生的煤粉颗粒处于悬浮流和底密流状态。
4. 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）在中风压顺层钻进过程中，产生的钻屑主要受空气紊流、升力和碰撞反力的垂直分力作用实现风力排渣，钻杆的旋转对煤粉颗粒的悬浮输送也起着重要的作用。
（3）南桐煤矿松软煤层地压和瓦斯压力较大，钻进中扰动较大，易出现孔内局部坍塌，应尽量使钻孔产生的煤粉颗粒处于悬浮流和底密流状态。
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，E-mail：ld@cqu.edu.cn。
[关键词]采矿工程 松软薄煤层煤层 顺层钻孔 空气钻进
中图分类号：C752 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）01-0261-01
重庆地区煤层赋存条件差，地质构造复杂，煤层松软，瓦斯含量高、瓦斯压力大，瓦斯灾害治理困难。南桐煤矿开采K1、K2、K3煤层，其中K2煤层作为保护层首先开采。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，因此，K2煤层是典型的大倾角松软薄煤层。施工顺层长钻孔抽采煤层瓦斯是防治瓦斯灾害行之有效的措施，但由于南桐煤矿煤层的赋存特征，在钻进过程中容易发生喷孔、塌孔、卡钻等现象，造成钻孔成孔深度浅、成孔率低，导致瓦斯预抽效果差、保护层工作瓦斯抽采达标时间长，严重制约了突出矿井保护煤层工作面机械化开采效率的发挥，影响了正常的采掘部署。因此，本文在分析松软煤层难以钻进的原因基础上，提出中风压空气钻进顺层钻孔，对其参数进行了优化，并进行了现场应用。
1. 松软薄煤层难以钻进深孔原因分析
南桐煤矿松软薄煤层深孔钻进的影响因素主要有：
（1）煤层埋藏深，地质构造复杂，构造应力大。
（2）煤层瓦斯含量高、瓦斯压力大。
（3）煤层松软，抗压强度低，成孔困难。
（4）钻孔参数不合理。
（5）钻机能力小，钻杆扭矩小，钻孔打到一定深度时力不从心；压风风压小，排粉能力弱等。
2. 松软薄煤层无法钻进深孔原因分析
南桐煤矿在松软薄煤层打钻的过程中，由于地应力和瓦斯应力的作用，在钻孔的周围会形成塑性变形区，即钻孔周围的卸压区，而大量喷出瓦斯和煤粉，则是一种孔内动力现象。主要表现在如下几种形式：
2.1 塌孔
在地应力、瓦斯应力的作用下，加上煤质松软，钻孔孔壁会出现垮塌现象。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。釆用水力排渣的钻进方式时，水流对钻孔壁的冲刷作用较大，更容易诱使孔壁垮塌。
2.2 喷孔
钻孔喷孔属于钻孔中发生的一种动力现象，它属于钻孔内的小型突出，是由集中地应力、瓦斯应力和煤体结构等因素的综合作用。伴随着钻孔的钻进喷出大量的瓦斯和煤粉。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。
2.3 卡钻
卡鉆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。
3. 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、钻头水口（眼）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。在松软煤层钻进中，空气钻进对孔壁的扰动较小，能够减少钻孔坍塌、卡钻等事故，具有较高的成孔率和较深的成孔深度；同时空气不会阻塞瓦斯气体的释放通道，有利于瓦斯抽采。
3.1 钻孔内煤粒受力分析
风力排渣工艺是松软煤层空气钻进成孔的关键。在气流水平流动和钻杆转动的作用下，产生了几种使钻孔产生的煤粉颗粒悬浮的力，从而实现风力排渣。
（1）紊流时气流所产生的铅垂方向的分速度对颗粒产生的气动力为悬浮力。
（2）处于管底的煤粉颗粒，因其上部速度大于下部速度，产生上部压力小于下部压力，从而形成悬浮力。
（3）煤粉在气流的推动下产生旋转环流，颗粒上部的环流与气流的速度方向相同，叠加后速度增大；颗粒下部的环流与气流的速度方面相反，叠加后速度减小。该速度差产生对颗粒的升力。
（4）煤粉颗粒的形状不规则，受到的推力在垂直方向产生分力。
（5）煤粉颗粒相互间或与钻孔孔壁间相碰撞获得的反弹力在垂直方向的分力。
其中，紊流对细煤粉颗粒的悬浮起主要作用；升力和碰撞反力的垂直分力对粗煤粉颗粒的悬浮起主要作用。钻杆的旋转对煤粉颗粒的悬浮输送也起着重要的作用。钻杆的旋转使得钻杆周围的气流产生涡旋，从而对颗粒产生向上的分力。由于重力作用，钻孔下部颗粒的浓度往往大于钻孔上部，这导致钻孔上部气流的速度大于钻孔下部的气流速度。钻孔上部的煤粉颗粒更容易被较高速气流带走，钻孔下部的煤粉颗粒则容易聚集成沙丘状颗粒群向孔口移动。而钻杆的旋转则能够把钻孔下部的颗粒群带至钻孔上部，从而实现排渣。
3.2 钻孔内煤粒运动状态分析
在松软煤层空气钻进中，当钻孔内气流速度不同时，钻孔产生的煤粉颗粒具有悬浮流状态、底密流状态、疏密流状态、停滞流状态等不同的运动状态。
在悬浮流和底密流状态，钻孔产生的煤粉在较大风速的作用下，能够顺利排出。对于疏密流状态，煤粉在局部区域堆积形成砂丘状颗粒群，但由于气流有足够的速度，又会将砂丘状颗粒群吹走，在这种颗粒群聚集、吹散交替作用下实现风力排渣。在停滞流状态，虽然因煤粉聚集造成流通截面变小加速了气流速度，但这种状态很不稳定，煤粉聚集造成堵孔的可能性也会大大增加。
南桐煤矿松软煤层地压和瓦斯压力较大，施工过程中由于钻具旋转扰动，往往会出现孔内局部坍塌，另外孔壁的粗糙程度较大，不利于钻进过程中的顺利排渣，因此钻进中应尽量使钻孔产生的煤粉颗粒处于悬浮流和底密流状态。
4. 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）在中风压顺层钻进过程中，产生的钻屑主要受空气紊流、升力和碰撞反力的垂直分力作用实现风力排渣，钻杆的旋转对煤粉颗粒的悬浮输送也起着重要的作用。
（3）南桐煤矿松软煤层地压和瓦斯压力较大，钻进中扰动较大，易出现孔内局部坍塌，应尽量使钻孔产生的煤粉颗粒处于悬浮流和底密流状态。
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，E-mail：ld@cqu.edu.cn。