螺旋钻进技术在松软煤层瓦斯预抽钻孔施工中的应用.pdf

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安全高效珠扩地质保降技术及应用

螺旋钻进技术在松软煤层瓦斯预抽钻孔
施工中的应用

李泉新,石智军,孙荣军,郭涌

,
!煤炭科学研究总院西安研究院陕西西安∀##∃

摘要%本文介绍了在松软煤层钻进过程中一种有效的方法干式螺旋钻进技术,并时其

,
排粉机理及钻进工艺参数进行理论分析利用此技术指导阳—泉三矿和新元矿松软煤层钻进成

。
孔取得较好的效果
关键词%松软煤层&螺旋钻进&螺旋钻杆&钻压&转速

近年来,随着煤炭生产规模的扩大和开采深度的加深,煤矿瓦斯事故频繁发生,为了避免瓦斯事
故的发生,许多煤矿采取了在本煤层中钻孔预抽放瓦斯,释放瓦斯压力,但大多数矿井煤层透气性

、
差,煤质松软,甚至有动力现象或突出危险,使煤层预抽钻孔打钻难度极大,塌孔卡钻严重,钻孔

。
打不深,致使瓦斯抽放效果差,不能很好地满足生产和开发的要求,影响了煤矿生产的正常进行所

。
以如何解决松软煤层钻进成孔问题对于我国煤矿生产具有极其重要的意义

螺旋钻进

螺旋钻进属于干式钻进,它是利用钻机齿筒所产生的动力通过光钻杆传递给螺旋钻杆至钻头,孔
底及孔壁产生的钻屑则由螺旋钻杆排至孔外,实际上螺旋钻杆和钻孔之间组成了一个“螺旋运输

。
机”螺旋钻进具有以下优点%

,,,
!∋∃由于螺旋钻杆能及时输出所钻下的煤粉无重复破碎现象而且能减少对煤的扰动也没
有静液柱压力影响孔底煤的破碎,所以在软煤中钻进效率高&

,,,
!(∃钻进过程中螺旋钻进不需要冲洗介质因而减少了配置和输送冲洗液的辅助工作适合
在井下无水或水供应不足的情况下钻进,而且减少对孔壁的破坏,成孔率高&

,
!)∃钻进辅助设备少减少了工人的劳动强度&

、,
!∃钻进过程中振动噪音少减少了钻杆因振动对孔壁的影响&

。
!∃在钻进过程中可有效地避免由于瓦斯含量过大而产生喷孔现象
(螺旋钻杆的输煤机理

,,
以距离螺旋轴线&处的煤颗粒∗作为研究对象当钻杆以角速度。绕轴旋转时∗的运动速度

。,
可由图的速度三角形求解叶片上+点的线速度,。−、可用矢量./表示方向为沿+点回转的
,,。
切线方向&∗相对于螺旋面相对滑动的速度平行于+点的螺旋线切线方向可用矢量/0表示当

,,。
不考虑叶片摩擦时则∗绝对运动的速度%)应是螺旋面上+点的法线方向可用矢量.0表示由

,。,
于煤与叶片有摩擦煤颗粒∗运动速度。的方向应与法线偏转一摩擦角甲对,进行分解可得到煤

。。
颗粒的轴向速度%&和圆周速度。%%,就是煤的输出速度,而。(则对煤的输出速度有阻止和干扰

,
根据煤颗粒∗运动速度图!图∋∃的分析可计算出煤轴向移动的速率为%
、
叨嫌田肠探与嫌田钻探

图∋煤颗粒运动速度分析

123
,‘二丽4.56、几一拼‘6267
式中乙螺旋叶片的螺距,8&

,
2—螺旋钻杆的转速978:2&

,“
6—口点的螺旋升角!∃&

,
拼—煤与叶片间的摩擦因数拼二;62侣
—,“。
沪—煤对螺旋面的摩擦角!∃
)螺旋钻进设备与工艺

)<螺旋钻进设备

,
螺旋钻进使用的钻机和一般钻探设备并没有多大差别主要是在钻具组合和钻进工艺参数上具有

。
独特性螺旋钻具使用的螺旋钻杆是将普通钻杆作为芯杆,在芯杆上焊接螺旋叶片,叶片的尺寸和螺

。,,
旋参数都要和芯杆匹配螺旋钻头是在钻头芯体上按照一定规格焊接翼片钻头前部设有锥形导向

。。
这样有利于排粉和保直钻头后部设置有反切削合金以利于提钻时切削煤屑钻杆之间或钻杆与钻头
的连接可以采用丝扣连接,也可以采用插接式连接。在松软煤层钻进瓦斯抽放孔的过程中,由于经常

,,。,
出现钻孔事故为了能够很好地处理孔内事故多采用插接式连接螺旋钻具参数不同其排粉效果

,。
不同所以螺旋钻杆参数的优化非常重要

,
螺旋钻杆的优化可以利用螺旋钻杆的输煤生产率为目标函数把其结构参数和运动参数等可变参

,。
数作为设计变量在一定的约束条件下进行优化设计
由理论分析可知,螺旋钻杆的输煤生产率受螺旋钻杆内径、螺旋钻杆转速、螺旋钻杆的螺距、螺

,,
旋钻杆叶片的升角及螺旋钻杆的填充率等个不确定参数制约而在螺旋钻进过程中个不确定参
,、
数都有各自的约束条件利用亏个参数的约束条件及螺旋钻杆输煤生产率的目标函数进行数学建模

。,
计算机编程计算得出螺旋钻杆有关结构参数的最优值这样螺旋钻杆的排粉量就会达到最优值能最

。
大限度减少在松软煤层钻进过程中由于煤粉过多而产生的抱钻等钻孔事故的发生

<
)(螺旋钻进工艺

,
优化的螺旋钻具是确保松软煤层钻进成孔的关键然而在松软煤层钻进过程中不但要保证有好的

。
螺旋钻具,还要有适合松软煤层钻孔的施工工艺,这样才能顺利地完成钻进成孔在螺旋钻进过程中
主要掌握给进压力及螺旋钻杆的转速。
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