本發(fā)明涉及煤礦沖擊地壓防治技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法及設(shè)備。
背景技術(shù)：
沖擊地壓是我國煤礦面臨的最為嚴(yán)重的動力災(zāi)害之一。隨著淺部煤炭資源儲量逐漸減少，開采深度不斷增大，據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國埋深超過千米的煤炭資源儲量占煤炭資源總量的53％，目前超千米開采的煤礦已超過45個，最大開采深度已接近1500米；易采煤炭資源逐漸枯竭，復(fù)雜開采、困難開采煤炭產(chǎn)量所占比例增加。隨著煤炭開采強(qiáng)度增大和煤礦開采條件惡化，沖擊地壓災(zāi)害日趨嚴(yán)重，目前全國沖擊地壓礦井已超過160個。我國煤礦開采地質(zhì)條件復(fù)雜，沖擊地壓誘發(fā)因素多，有效防治難度大，嚴(yán)重制約了礦井安全高效生產(chǎn)。因此,深入研究煤礦沖擊地壓防治技術(shù)具有重要的意義。
普遍認(rèn)為，沖擊地壓是應(yīng)力問題，即當(dāng)煤體中的應(yīng)力滿足沖擊地壓發(fā)生臨界應(yīng)力條件時就會發(fā)生沖擊地壓。因此，防治沖擊地壓的關(guān)鍵是改變煤體應(yīng)力狀態(tài)、弱化煤體沖擊傾向性，即通過破壞煤體結(jié)構(gòu)、減弱煤體蓄能性能，減小沖擊發(fā)生的可能性。
目前，深部礦井沖擊地壓災(zāi)害十分嚴(yán)重，防治任務(wù)艱巨。國內(nèi)外學(xué)者開展了大量防沖技術(shù)和手段方面的研究。沖擊地壓防治的核心思想就是把高應(yīng)力區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，降低應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值，弱化煤體沖擊傾向性，減少應(yīng)力集中區(qū)的能量聚積。這對這一難題提出區(qū)域性與局部性防沖措施。區(qū)域性防沖措施有開采保護(hù)層，合理開拓，優(yōu)化開采順序、巷道布置、采煤工藝等；局部性防沖措施有煤層爆破、煤層注水、鉆孔卸壓等。開采保護(hù)層對沖擊地壓防治能夠起到根本性的作用，但其具有適用條件，須滿足煤層賦存條件，現(xiàn)場主要通過合理開拓與優(yōu)化開采順序、巷道布置、采煤工藝進(jìn)行區(qū)域性防治，如遠(yuǎn)離斷層開采、兩翼交替開采、工作面順序開采、一次采全高等。
這些防沖技術(shù)都存在一定的局限性，如卸壓效率低、丟鉆桿嚴(yán)重、施工不安全，無法完全滿足沖擊危險區(qū)的快速、安全解危需求。尤其是硬煤，硬煤一般指普氏系數(shù)f>2。采用常規(guī)的鉆機(jī)施工鉆孔的方法，由于煤體較硬，煤體破碎塊度較大，煤渣排除鉆孔不順暢，導(dǎo)致鉆頭卡鉆、掉鉆等現(xiàn)象，鉆孔施工效率低、鉆頭、鉆桿損耗大。
(1)煤層爆破卸壓
爆破卸壓是指在鉆孔底部集中裝藥爆破，破壞煤體連續(xù)性，從而使煤體內(nèi)高應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，并將應(yīng)力向圍巖深部轉(zhuǎn)移，同時有控制地釋放儲存在煤體內(nèi)的彈性能。當(dāng)爆破發(fā)生時，炸藥在煤體中發(fā)生爆炸，以爆炸點(diǎn)為中心，煤體由里向外破壞程度逐漸減小，其影響范圍可劃分為三個區(qū)域：壓碎區(qū)、裂隙區(qū)和震動區(qū)。
卸壓爆破的不足之處在于，該方法僅適用于地應(yīng)力大、煤質(zhì)堅(jiān)硬的煤巖層。此外，炸藥爆炸時會釋放出大量動能，如若設(shè)計(jì)參數(shù)不當(dāng)，不僅起不到卸壓作用，相反可能誘發(fā)沖擊地壓，此外，實(shí)施過程中易造成殘炮、瞎跑，威脅現(xiàn)場施工人員安全。因此，該方法具有一定的危險性。
(2)煤層注水
煤層注水是指向煤層內(nèi)注高壓水，壓裂煤體，并使煤體結(jié)構(gòu)破壞，從而降低煤體承載能力，此外，水的注入可以降低煤體的物理力學(xué)性質(zhì)。該方法具有成本低、操作簡單、適應(yīng)性強(qiáng)的特點(diǎn)。
但煤層注水措施一般適用于吸水性強(qiáng)的煤層，在堅(jiān)硬煤層中使用該法效果不佳。
(3)水力壓裂、水力割縫卸壓
水力壓裂就是考慮到煤體的物理力學(xué)性質(zhì)，利用高壓水流的作用，在煤層中壓出裂縫，并不斷擴(kuò)展，使裂縫周邊的煤體更加破碎，進(jìn)而釋放煤體內(nèi)部的彈性能；煤體高壓射流鉆割卸壓，是以煤柱作為安全屏障，水射流鉆孔時，煤、水經(jīng)過鉆孔向孔外排出，鉆孔周圍煤體劇烈向孔道方向移動，同時發(fā)生煤體的膨脹變形和頂?shù)装宓南嘞蛭灰?，引起鉆孔周圍一定范圍內(nèi)的應(yīng)力降低，并使高應(yīng)力向煤體深部轉(zhuǎn)移，從而起到煤體局部卸壓的作用。
水力壓裂、水力割縫卸壓的工藝稍有不同，應(yīng)用領(lǐng)域也不同。該類型方法施工工藝較為復(fù)雜，在實(shí)際工程應(yīng)用中存在技術(shù)和裝備不配套、不完善等諸多方面的問題，并且很難控制壓裂范圍，實(shí)現(xiàn)均勻卸壓。
(4)掏槽卸壓
掏槽卸壓是控制圍巖變形的一種切實(shí)有效的卸壓方法，其作用機(jī)理在于將卸壓槽開掘后，使煤體應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移，擴(kuò)大了卸壓范圍，使煤體中的彈性能得以釋放，并吸收大量的圍巖變形量，改變周圍煤體應(yīng)力場的分布范圍。
掏槽卸壓效果的優(yōu)劣取決于卸壓槽開挖后所形成的卸壓范圍大小。
(5)煤層鉆孔卸壓
利用鉆孔的方式在煤體內(nèi)高應(yīng)力區(qū)形成一個鉆孔自由面，使該區(qū)域煤體的強(qiáng)度弱化并形成局部的弱化區(qū)或弱化帶，為煤體在應(yīng)力釋放過程中產(chǎn)生的膨脹變形提供補(bǔ)償空間，即“煤層增變”卸壓效果，并且使支承壓力峰值向圍巖深部轉(zhuǎn)移，減小高應(yīng)力對井巷的破壞作用。
根據(jù)“應(yīng)力三向化轉(zhuǎn)移”原理，對具有沖擊地壓危險的局部區(qū)域采用大直徑鉆孔進(jìn)行卸壓，造成巷道一定深度圍巖發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞,形成一個弱化帶,引起巷道周邊圍巖內(nèi)的高應(yīng)力向深部轉(zhuǎn)移,從而使巷道周邊附近圍巖處于低應(yīng)力區(qū)，當(dāng)發(fā)生沖擊時，一方面大直徑鉆孔的空間能夠吸收沖出的煤粉，防止煤體沖出，另一方面卸壓區(qū)內(nèi)頂?shù)装宓拈]合產(chǎn)生“楔形”阻力帶，能夠一定程度阻止煤體沖出。
根據(jù)對各類卸壓措施開展的現(xiàn)場實(shí)踐和對比分析，結(jié)果表明，煤層鉆孔能夠深入高應(yīng)力帶，卸壓效果好、靈活可靠，尤其適用于煤層高應(yīng)力區(qū)的卸壓解危。但現(xiàn)場應(yīng)用同時也表明，該技術(shù)仍存在一定缺陷：一是，現(xiàn)有鉆孔技術(shù)起不到應(yīng)有的卸壓效果，這與鉆孔質(zhì)量、鉆進(jìn)效率等密切相關(guān)；二是，鉆進(jìn)效率低，易出現(xiàn)卡鉆造成的鉆桿丟失；三是，施工環(huán)境不理想的情況下，無法實(shí)現(xiàn)大直徑深孔的連續(xù)鉆進(jìn)；此外，在解危過程中，施工人員存在安全隱患。
通過大量現(xiàn)場應(yīng)用表明，上述方法一定程度上改善了煤體的沖擊傾向性，即通過破壞煤巖體結(jié)構(gòu)、減弱煤巖體內(nèi)聚集的彈性勢能，減小沖擊發(fā)生的可能性，但由于各類方法的局限性，如卸壓效率低、效果差以及施工不安全等多，使這些方法無法完全滿足深井高應(yīng)力區(qū)卸壓的需求。因此，有必要研制一套針對于深部沖擊礦井的高效、安全的煤層卸壓技術(shù)。該技術(shù)既要滿足現(xiàn)場防沖的基本需求，同時又要顯著提高煤層防沖鉆孔的施工效率，降低鉆孔成本，提升安全水平。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明就是針對上述存在的缺陷而提供一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法及設(shè)備。本發(fā)明對現(xiàn)有煤層鉆孔卸壓技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提出一種聯(lián)合機(jī)械鉆進(jìn)和水力射流鉆進(jìn)的新型煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，即“先沖后破”煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)。具體為先利用高壓水流沖落煤體并形成鉆孔斷面，再利用鉆頭將沖落的煤體破碎，然后利用高壓水回流帶出煤粉，從而形成“水力落巖、機(jī)械破巖、回流帶巖”三級鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，起到鉆進(jìn)、成孔、降塵、排粉、冷卻的作用?！跋葲_后破”鉆進(jìn)技術(shù)改變了機(jī)械鉆進(jìn)模式，保留了機(jī)械破碎特性，提升了鉆孔鉆進(jìn)效率，融合了水力防沖特性，從而有效解決煤層防沖鉆孔的低效鉆進(jìn)、卡鉆丟桿、積粉聚塵等問題。
沖擊地壓防治的核心思想就是把高應(yīng)力區(qū)向煤體深部轉(zhuǎn)移，降低應(yīng)力集中區(qū)應(yīng)力峰值，弱化煤體沖擊傾向性，減少應(yīng)力集中區(qū)的能量聚積。
本發(fā)明的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法及設(shè)備技術(shù)方案為，采用機(jī)械鉆進(jìn)和水力射流鉆進(jìn)的煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，先利用高壓水流沖落煤體并形成鉆孔斷面，再利用鉆頭將沖落的煤體破碎，然后利用高壓水回流帶出煤粉。從而形成“水力落巖、機(jī)械破巖、回流帶巖”三級鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，起到鉆進(jìn)、成孔、降塵、排粉、冷卻的作用?！跋葲_后破”鉆進(jìn)技術(shù)改變了機(jī)械鉆進(jìn)模式，保留了機(jī)械破碎特性，提升了鉆孔鉆進(jìn)效率，融合了水力防沖特性，從而有效解決煤層防沖鉆孔的低效鉆進(jìn)、卡鉆丟桿、積粉聚塵等問題。
水力射流一方面沖鉆成孔，提高鉆進(jìn)效率，同時為鉆桿作業(yè)提供降溫、潤滑功效；另一方面，鉆孔內(nèi)高壓水流有利于煤粉導(dǎo)排和降塵；此外，水力射流超前沖落煤體，降低了鉆桿圍壓，有效避免卡鉆丟桿；水力射流同時具有煤層注水防沖的功能。
所述的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法，采用機(jī)械鉆進(jìn)和水力射流鉆進(jìn)的煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，步驟為：
(1)先利用高壓水流沖落煤體并形成鉆孔斷面；
(2)再利用鉆機(jī)將沖落的煤體破碎；
(3)然后利用水流沖洗帶出煤粉。
所述硬煤是指普氏系數(shù)f>2。
步驟(1)中，高壓水流壓力大于煤體的抗壓強(qiáng)度，且不大于30mpa。
步驟(1)中，沖孔后的鉆孔直徑為100～150mm。
上述施工方法使用的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工設(shè)備，包括依次連接的鉆機(jī)、鉆桿、鉆頭和鉆齒，鉆頭和鉆齒前端均設(shè)置有高壓噴嘴射流器，鉆桿內(nèi)部設(shè)置有進(jìn)水管，進(jìn)水管一端穿過鉆機(jī)連接有高壓水管，進(jìn)水管另一端分別與鉆頭和鉆齒前端的高壓噴嘴射流器連接。
所述鉆頭前端設(shè)置有3個以上以鉆頭中心為圓心呈圓環(huán)狀分布的外圈高壓噴嘴射流器，鉆齒前端設(shè)置有3個以上以鉆頭中心為圓心呈圓環(huán)狀分布的內(nèi)圈高壓噴嘴射流器，內(nèi)圈高壓噴嘴射流器形成的圓環(huán)半徑小于外圈高壓噴嘴射流器形成的圓環(huán)半徑。
所述鉆頭為pdc鉆頭(聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)。
鉆頭的直徑為100mm。
所述鉆齒包括與鉆頭固定連接的基體和突出于基體表面的刀翼，內(nèi)圈高壓噴嘴射流器位于刀翼之外的基體表面，所述刀翼呈螺旋式分布(螺旋式刀翼能夠降低鉆頭回旋作用，有助于巖屑排出)。
所述鉆齒刀翼表面設(shè)置有pdc齒。
本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明的“先沖后鉆”煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)是針對高應(yīng)力區(qū)鉆孔卸壓效率低、效果不佳現(xiàn)象所提出的，該方法結(jié)合了鉆孔卸壓和注水卸壓的特性，具有煤粉導(dǎo)排、降塵、鉆桿降溫等多重功效，減少了卡鉆丟桿現(xiàn)象的發(fā)生，顯著提高高應(yīng)力區(qū)煤層鉆孔的鉆進(jìn)效率和成孔效果。本發(fā)明將為煤礦沖擊地壓防治提供重要的技術(shù)手段和裝備。一方面，該技術(shù)的應(yīng)用可顯著提高防沖鉆孔的鉆進(jìn)效率，保證沖擊危險區(qū)的防沖效果；二是，降低區(qū)域卸壓成本；三是，本發(fā)明的應(yīng)用將進(jìn)一步提升礦井安全生產(chǎn)水平。
由此可見，本發(fā)明的“先沖后鉆”煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)應(yīng)用于沖擊地壓治理，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，并具有廣闊的市場推廣價值，對保障沖擊地壓煤層安全高效開采有著十分重要的意義，對推進(jìn)深井安全生產(chǎn)重大事故防治有促進(jìn)作用。
附圖說明：
圖1所示為本發(fā)明硬煤防沖卸壓鉆孔設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2所示為a部分放大圖；
圖3所示為鉆頭正面結(jié)構(gòu)示意圖；
1-高壓水管，2-鉆機(jī)，3-鉆頭，4-鉆桿，5-進(jìn)水管，6-鉆頭，7-外圈高壓噴嘴射流器，8-內(nèi)圈高壓噴嘴射流器，9-pdc齒，10-鉆齒，11-刀翼，12-基體。
具體實(shí)施方式：
為了更好地理解本發(fā)明，下面用具體實(shí)例來詳細(xì)說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但是本發(fā)明并不局限于此。
實(shí)施例1
山東省鄆城煤礦作為典型深部礦井(采深突破1000m)，受沖擊地壓災(zāi)害威脅嚴(yán)重。近兩年來，鄆城井田發(fā)生6次沖擊地壓顯現(xiàn)，造成數(shù)百米巷道損壞，給礦山企業(yè)帶來較大經(jīng)濟(jì)損失，同時也嚴(yán)重威脅井下人員的生命安全。
鄆城煤礦可采煤層為3煤層，平均厚6.3m，單向抗壓強(qiáng)度為15mpa，巷道掘進(jìn)和工作面回采過程中受沖擊地壓威脅。鄆城煤礦原來采用架柱式卸壓鉆機(jī)進(jìn)行施工，三個人為一個班，在不卡鉆的正常情況下一個班施工3個卸壓鉆孔，即75m。
采用本發(fā)明方法對巷道兩幫實(shí)施大直徑卸壓鉆孔，孔深25m，鉆孔直徑150mm，孔間距2m。采用本發(fā)明施工后，正常情況下一個班可以施工4個卸壓鉆孔，即100m，效率提高了33.3％。
具體方案如下：
所述的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法，采用機(jī)械鉆進(jìn)和水力射流鉆進(jìn)的煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，步驟為：
(1)先利用高壓水流沖落煤體并形成鉆孔斷面；高壓水流壓力大于煤體的抗壓強(qiáng)度，且不大于30mpa。沖孔后的鉆孔直徑為100～150mm。
(2)再利用鉆機(jī)將沖落的煤體破碎；
(3)然后利用水流沖洗帶出煤粉。
上述施工方法使用的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工設(shè)備，包括依次連接的鉆機(jī)2、鉆桿4、鉆頭6和鉆齒10，鉆頭6和鉆齒10前端均設(shè)置有高壓噴嘴射流器，鉆桿4內(nèi)部設(shè)置有進(jìn)水管5，進(jìn)水管5一端穿過鉆機(jī)2連接有高壓水管1，進(jìn)水管5另一端分別與鉆頭6和鉆齒10前端的高壓噴嘴射流器連接。
所述鉆頭3前端設(shè)置有3個以上以鉆頭3中心為圓心呈圓環(huán)狀分布的外圈高壓噴嘴射流器7，鉆齒10前端設(shè)置有3個以上以鉆頭3中心為圓心呈圓環(huán)狀分布的內(nèi)圈高壓噴嘴射流器8，內(nèi)圈高壓噴嘴射流器8形成的圓環(huán)半徑小于外圈高壓噴嘴射流器7形成的圓環(huán)半徑。
所述鉆頭3為pdc鉆頭(聚晶金剛石復(fù)合片鉆頭)。
鉆頭3的直徑為100mm。
所述鉆齒10包括與鉆頭6固定連接的基體12和突出于基體12表面的刀翼11，內(nèi)圈高壓噴嘴射流器8位于刀翼11之外的基體12表面，所述刀翼11呈螺旋式分布(螺旋式刀翼11能夠降低鉆頭回旋作用，有助于巖屑排出)。
所述鉆齒刀翼11表面設(shè)置有pdc齒。
本發(fā)明的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法，采用機(jī)械鉆進(jìn)和水力射流鉆進(jìn)的煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，先利用高壓水流沖落煤體并形成鉆孔斷面，再利用鉆頭將沖落的煤體破碎，然后利用高壓水回流帶出煤粉。從而形成“水力落巖、機(jī)械破巖、回流帶巖”三級鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，起到鉆進(jìn)、成孔、降塵、排粉、冷卻的作用。“先沖后破”鉆進(jìn)技術(shù)改變了機(jī)械鉆進(jìn)模式，保留了機(jī)械破碎特性，提升了鉆孔鉆進(jìn)效率，融合了水力防沖特性，從而有效解決煤層防沖鉆孔的低效鉆進(jìn)、卡鉆丟桿、積粉聚塵等問題。
水力射流一方面沖鉆成孔，提高鉆進(jìn)效率，同時為鉆桿作業(yè)提供降溫、潤滑功效；另一方面，鉆孔內(nèi)高壓水流有利于煤粉導(dǎo)排和降塵；此外，水力射流超前沖落煤體，降低了鉆桿圍壓，有效避免卡鉆丟桿；水力射流同時具有煤層注水防沖的功能。
本發(fā)明對鄆城井田防治沖擊地壓災(zāi)害的發(fā)生具有十分重要的意義，同時獲得的相關(guān)成果對其它礦區(qū)沖擊地壓災(zāi)害防治也具有一定的推動作用。項(xiàng)目研究成果具有巨大的推廣應(yīng)用價值。
實(shí)施例2
所述的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法，采用機(jī)械鉆進(jìn)和水力射流鉆進(jìn)的煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，步驟為：
(1)先利用高壓水流沖落煤體并形成鉆孔斷面；高壓水流壓力大于煤體的抗壓強(qiáng)度，且不大于30mpa。沖孔后的鉆孔直徑為100～150mm。
(2)再利用鉆機(jī)將沖落的煤體破碎；
(3)然后利用水流沖洗帶出煤粉。
所述硬煤是指普氏系數(shù)f>2。
本發(fā)明的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法，采用機(jī)械鉆進(jìn)和水力射流鉆進(jìn)的煤層防沖鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，先利用高壓水流沖落煤體并形成鉆孔斷面，再利用鉆頭將沖落的煤體破碎，然后利用高壓水回流帶出煤粉。從而形成“水力落巖、機(jī)械破巖、回流帶巖”三級鉆孔鉆進(jìn)技術(shù)，起到鉆進(jìn)、成孔、降塵、排粉、冷卻的作用。水力射流一方面沖鉆成孔，提高鉆進(jìn)效率，同時為鉆桿作業(yè)提供降溫、潤滑功效；另一方面，鉆孔內(nèi)高壓水流有利于煤粉導(dǎo)排和降塵。
上述施工方法使用zqjg-580/10.0型風(fēng)動鉆機(jī)。使用該鉆機(jī)，出現(xiàn)的卡鉆丟桿現(xiàn)象相對于本發(fā)明實(shí)施例1中的一種硬煤防沖卸壓鉆孔施工方法要更加頻繁一些。