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摘要：突出松软煤层深孔钻进工艺创新主要是针对制约钻孔钻进、钻孔质量和准确度等困难课题的研究。为解决突出松软煤层生产过程中的煤与瓦斯突出问题，采取最主要的方法就是深孔打钻，通过在钻孔设计、钻具改进和打钻工艺等环节的研究，初步探索出一套行之有效的施工办法，较好地解决了突出松软煤层打钻工艺难题。
关键词：松软煤层；深孔打钻；工艺；创新
1 突出松软煤层打钻工艺存在的问题及原因分析
1.1 突出煤层赋存特征通常是含有较高地应力和瓦斯压力的煤体松软，在突出松软煤层中，打钻施工经常遇到的主要难点是瓦斯突出矿压显现造成顶钻、喷孔、塌孔、堵孔和卡钻，而且频繁出现，甚至无法施工深孔，最严重时造成卡钻。卡钻时，不仅阻碍继续钻进，还有可能丢失钻杆，造成打捞困难，甚至无法打捞，影响正常生产。
1.2 在突出松软煤层中，钻进喷孔、卡钻的形成过程为：煤体破碎（钻进—切削煤—煤体粉碎）—瓦斯聚积（瓦斯迅速解吸—孔壁破裂—孔内堵塞—瓦斯梯度猛增）—瓦斯释放（突破堵塞—喷孔—卡钻）。
1.3 喷孔和卡钻原因机理分析：钻孔喷孔是钻孔中出现的动力现象，这种现象的出现类似煤与瓦斯突出，主要是高压瓦斯、地应力集中和松软煤体三个因素综合作用的结果。
在钻机动力的驱动下，当钻孔进入软煤（岩）分层时，钻头的旋转切削，对软煤产生一种冲击和破碎力，使煤体破裂、粉碎，破裂和粉碎了的煤体，煤层中的高压瓦斯产生迅速解吸。钻孔周边煤体迅速的瓦斯解吸，使流人钻孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的几倍到几十倍，此时钻孔前方与后方出现了较大的瓦斯梯度，因而出现了明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激流对破坏的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，同时还继续向钻孔周边扩大影响范围，由于钻孔孔径小和瓦斯放散速度高和粉化了的煤颗粒难以顺利的向孔外排出，进一步增加了钻孔内外的瓦斯压力梯度，致使这种瓦斯涌出形成了爆发性的孔内瓦斯向孔口涌出，瓦斯推动煤粉颗粒沿孔隙排出，形成喷孔；一旦遇阻堵塞，形成卡钻，导致钻孔长度达不到设计要求。
2 突出松软煤层深钻孔施工技术
2.1 实现松软煤层中深孔施工，必须采取综合的方法来解决，综合施工方法主要包括：钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等方面。这里主要介绍钻孔设计、钻机钻具及打钻工艺。
2.1.1钻孔设计奠定深孔钻进基础。在设计钻孔时，设计钻孔开口位置与角度是关键，钻孔的钻进角度一般情况下是根据煤层的倾角来确定的，通常以煤层顶板倾角为基准参照角度，但由于软分层的存在以及钻杆自重的原因，钻孔轨迹并不是一条平行于煤层顶板的直线，钻进过程中钻孔往往在没有达到设计深度时遇到煤层顶板或底板，导致钻孔长度达不到设计要求，造成钻孔深度较短。而且钻孔的角度在打上行孔与下行孔时也存在差距，通过统计和研究，打上行孔时，钻孔的角度一般小于煤层倾角2°～3°，在打下行孔时，钻孔的角度要大于煤层倾角1°～2°，这样，可以使钻孔的轨迹基本沿着煤层走，有效增加钻孔深度。
2.1.2 钻具创新突破“三区域”钻进难关。目前使用的钻机已定型，普遍使用的是Φ75mm普通三翼钻头配合Φ5Omm钻杆，在突出松软煤层中打钻时，因前面所述原因，在打钻期间往往造成卡钻、塌孔，不能打成深孔。
2.2 国内现行传统钻具风力排渣（煤、岩粉）卡钻夹钻原因
2.2.1 钻孔堵塞破坏排渣系统。钻进时钻孔内出现的煤炮、喷孔、塌孔会产生过量煤（岩）粉，传统钻杆不能有效将产生的过量煤（岩）粉及时排出，导致过量煤（岩）粉堵塞钻孔，造成排（岩）粉系统失效。
2.2.2 钻杆堵塞破坏排煤（岩）粉系统。钻进时钻孔内的煤与瓦斯突出（煤炮、喷孔、塌孔）会产生大量高压瓦斯氣体，其压力远远大于钻进时的风压，瓦斯压力导致钻杆内风流逆转，并携带煤（岩）粉进人钻杆，堵塞钻杆，造成供风系统失效、破坏了排粉系统。
2.2.3钻杆发热导致钻孔中瓦斯（煤）燃烧。在钻杆堵塞的情况下，钻杆旋转很容易引发钻杆摩擦起热并导致瓦斯燃烧。钻杆风力排粉情况下，一旦遇到“煤炮区“、“严重喷孔区”和“塌孔区”，风力排煤（岩）粉系统极易失效，若不及时停钻，继续钻进导致引起卡钻夹钻，旋转退钻时又极易引起钻孔瓦斯燃烧。所以，现行钻具难以穿越“三区域”，施工中操作工遇到这类区域，为了避免丢钻头和钻杆烫手，只好选择放弃钻进。
2.3 突出松软煤层扒孔降温钻进的原理及创新
在突出煤层中钻进，遇到“煤炮”是不可避免的，“煤炮”堵塞钻孔，使风力排粉失效，此时往往需要停止打钻。在风力排粉失效的情况下，在传统钻具的基础上进行改进，则可克服风力排粉的缺陷，尽快恢复风力排粉的作用，解决传统钻具因风力排粉卡钻夹钻导致的钻孔深度低问题。
2.3.1 钻杆创新——在原钻杆上加工刻制的螺旋沟槽具有排粉疏通扒孔功能。虽然有专用螺旋钻杆因夹持器不便于卡持，所以不用专用螺旋钻杆，而在钻杆外表设置螺旋输送槽，在不影响正常夹持器使用的前题下，保证钻杆的最小强度不变，给钻杆增加一个螺旋输送功能，即疏扒孔功能。以风力排粉为主，在“煤炮”发生后，钻孔堵塞风力排粉失效的情况下，通过发挥钻杆的螺旋排粉疏通作用即扒孔功能，运送堵孔段钻孔的煤粉，重新打通风力排粉通道，保证钻孔排渣系统正常有效。风力排粉通道开通之后，继续向前钻进，穿越三区域，继续钻进。同时扒孔钻进与风力协同排粉消除了钻杆旋转时产生的高温现象，避免了钻孔燃烧事故的发生。
2.3.2 钻头创新—防止钻杆堵塞。“煤炮”不仅会使钻孔堵塞，也会使钻杆堵塞。孔内动力现象即“煤炮”发生后，大量的高压瓦斯释放，释放的瓦斯压力会高于排粉风力的风压（0.5MPa左右），引起钻杆内风流逆转，将煤（岩）粉渣带人钻孔内部，堵塞排粉风路。为了解决这个问题，对钻杆与钻头的联结部进行改造，在Φ75mm普通三翼钻头内部增设一个单向阀，使得“煤炮”发生时，单向阀在瓦斯压力的作用下及时关闭，钻杆内没有逆转的瓦斯风流，保证钻杆不被堵塞。通过钻具的改进，在打钻期间因喷孔、煤炮而导致卡钻的现象基本消除，卡钻率仅有5%～8%。
2.4 操作流程
钻杆螺旋叶片具有将煤粉向孔口方向输送的推力，按照作用力与反作用力原理，钻杆同样会给钻机一个推向煤壁方向的拉力。具有扒孔功能的螺旋叶片排粉方式会产生“吸引”钻现象，这就要求钻机在钻孔方向上能够承受较大推力和拉力。钻机的操作流程需要做相应的改进。
2.4.1 稳固钻机。严格执行“下垫、上压、前撑、后顶”的原则进行稳固钻机，保证钻机在钻进过程中不产生震动，降低钻进时的阻力，防止钻孔偏离中心，保证孔壁平直。
2.4.2 熟练操作，掌握给进压力和钻进速度。钻机给进压力的极限是固定的，不同层段要掌握不同的给进压力，当给进压力突然升高时必须采取果断措施，一种是停止钻进，进行压风排煤（岩）粉；另一种是撤钻退钻。在突出松软煤层中钻进时要减压、降速，通过减压、降速充分排煤（岩）粉，减少沉碴。
2.4.3 保证打钻风压和风量。据实测，打钻风压必须在0.4MPa 以上，风量必须在3m3/min以上。
3 应用效果
车集矿2709工作面上巷设计走向617m，巷道采用锚网索支护，煤层倾角在8°～11°之间，平均l0°。煤层倾角较稳定，平均煤厚为4.5m，巷道标高为-465～-450m，属于严重煤与瓦斯突出工作面，软煤厚度在0.8～1.8m之间，软煤坚固性系数在0.15～0.4之间。钻孔布孔方法：沿巷道走向每隔4m布置一个顺层钻孔。试验之前该巷道共施工钻孔173个，最大孔深53m，平均深度35m左右。当采用本方案试验后，施工钻孔198个，钻孔平均深度达70m，超过100m的钻孔为38个。
4 结语
4.1 通过在钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等方面的研究，提高了突出松软煤层中的打钻深度，解决了钻进过程中钻杆发热问题，有效防止了卡钻、抱钻以及钻孔着火事故的发生。
4.2 在地质构造带及薄煤层带，钻进易遇见岩石，有待于对定向钻进继续研究。
参考文献：
[1]国家煤矿安全监察局编.《防治煤与瓦斯突出规定》读本[Μ].北京：煤炭工业出版社，2009.
[2]程建业主编.《煤矿瓦斯抽采作业安全培训教材》.徐州：中国矿业大学出版社，2014.
关键词：松软煤层；深孔打钻；工艺；创新
1 突出松软煤层打钻工艺存在的问题及原因分析
1.1 突出煤层赋存特征通常是含有较高地应力和瓦斯压力的煤体松软，在突出松软煤层中，打钻施工经常遇到的主要难点是瓦斯突出矿压显现造成顶钻、喷孔、塌孔、堵孔和卡钻，而且频繁出现，甚至无法施工深孔，最严重时造成卡钻。卡钻时，不仅阻碍继续钻进，还有可能丢失钻杆，造成打捞困难，甚至无法打捞，影响正常生产。
1.2 在突出松软煤层中，钻进喷孔、卡钻的形成过程为：煤体破碎（钻进—切削煤—煤体粉碎）—瓦斯聚积（瓦斯迅速解吸—孔壁破裂—孔内堵塞—瓦斯梯度猛增）—瓦斯释放（突破堵塞—喷孔—卡钻）。
1.3 喷孔和卡钻原因机理分析：钻孔喷孔是钻孔中出现的动力现象，这种现象的出现类似煤与瓦斯突出，主要是高压瓦斯、地应力集中和松软煤体三个因素综合作用的结果。
在钻机动力的驱动下，当钻孔进入软煤（岩）分层时，钻头的旋转切削，对软煤产生一种冲击和破碎力，使煤体破裂、粉碎，破裂和粉碎了的煤体，煤层中的高压瓦斯产生迅速解吸。钻孔周边煤体迅速的瓦斯解吸，使流人钻孔中的瓦斯增加到正常瓦斯涌出的几倍到几十倍，此时钻孔前方与后方出现了较大的瓦斯梯度，因而出现了明显的瓦斯激流，承压的瓦斯激流对破坏的煤颗粒起着边运送边粉化的作用，同时还继续向钻孔周边扩大影响范围，由于钻孔孔径小和瓦斯放散速度高和粉化了的煤颗粒难以顺利的向孔外排出，进一步增加了钻孔内外的瓦斯压力梯度，致使这种瓦斯涌出形成了爆发性的孔内瓦斯向孔口涌出，瓦斯推动煤粉颗粒沿孔隙排出，形成喷孔；一旦遇阻堵塞，形成卡钻，导致钻孔长度达不到设计要求。
2 突出松软煤层深钻孔施工技术
2.1 实现松软煤层中深孔施工，必须采取综合的方法来解决，综合施工方法主要包括：钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等方面。这里主要介绍钻孔设计、钻机钻具及打钻工艺。
2.1.1钻孔设计奠定深孔钻进基础。在设计钻孔时，设计钻孔开口位置与角度是关键，钻孔的钻进角度一般情况下是根据煤层的倾角来确定的，通常以煤层顶板倾角为基准参照角度，但由于软分层的存在以及钻杆自重的原因，钻孔轨迹并不是一条平行于煤层顶板的直线，钻进过程中钻孔往往在没有达到设计深度时遇到煤层顶板或底板，导致钻孔长度达不到设计要求，造成钻孔深度较短。而且钻孔的角度在打上行孔与下行孔时也存在差距，通过统计和研究，打上行孔时，钻孔的角度一般小于煤层倾角2°～3°，在打下行孔时，钻孔的角度要大于煤层倾角1°～2°，这样，可以使钻孔的轨迹基本沿着煤层走，有效增加钻孔深度。
2.1.2 钻具创新突破“三区域”钻进难关。目前使用的钻机已定型，普遍使用的是Φ75mm普通三翼钻头配合Φ5Omm钻杆，在突出松软煤层中打钻时，因前面所述原因，在打钻期间往往造成卡钻、塌孔，不能打成深孔。
2.2 国内现行传统钻具风力排渣（煤、岩粉）卡钻夹钻原因
2.2.1 钻孔堵塞破坏排渣系统。钻进时钻孔内出现的煤炮、喷孔、塌孔会产生过量煤（岩）粉，传统钻杆不能有效将产生的过量煤（岩）粉及时排出，导致过量煤（岩）粉堵塞钻孔，造成排（岩）粉系统失效。
2.2.2 钻杆堵塞破坏排煤（岩）粉系统。钻进时钻孔内的煤与瓦斯突出（煤炮、喷孔、塌孔）会产生大量高压瓦斯氣体，其压力远远大于钻进时的风压，瓦斯压力导致钻杆内风流逆转，并携带煤（岩）粉进人钻杆，堵塞钻杆，造成供风系统失效、破坏了排粉系统。
2.2.3钻杆发热导致钻孔中瓦斯（煤）燃烧。在钻杆堵塞的情况下，钻杆旋转很容易引发钻杆摩擦起热并导致瓦斯燃烧。钻杆风力排粉情况下，一旦遇到“煤炮区“、“严重喷孔区”和“塌孔区”，风力排煤（岩）粉系统极易失效，若不及时停钻，继续钻进导致引起卡钻夹钻，旋转退钻时又极易引起钻孔瓦斯燃烧。所以，现行钻具难以穿越“三区域”，施工中操作工遇到这类区域，为了避免丢钻头和钻杆烫手，只好选择放弃钻进。
2.3 突出松软煤层扒孔降温钻进的原理及创新
在突出煤层中钻进，遇到“煤炮”是不可避免的，“煤炮”堵塞钻孔，使风力排粉失效，此时往往需要停止打钻。在风力排粉失效的情况下，在传统钻具的基础上进行改进，则可克服风力排粉的缺陷，尽快恢复风力排粉的作用，解决传统钻具因风力排粉卡钻夹钻导致的钻孔深度低问题。
2.3.1 钻杆创新——在原钻杆上加工刻制的螺旋沟槽具有排粉疏通扒孔功能。虽然有专用螺旋钻杆因夹持器不便于卡持，所以不用专用螺旋钻杆，而在钻杆外表设置螺旋输送槽，在不影响正常夹持器使用的前题下，保证钻杆的最小强度不变，给钻杆增加一个螺旋输送功能，即疏扒孔功能。以风力排粉为主，在“煤炮”发生后，钻孔堵塞风力排粉失效的情况下，通过发挥钻杆的螺旋排粉疏通作用即扒孔功能，运送堵孔段钻孔的煤粉，重新打通风力排粉通道，保证钻孔排渣系统正常有效。风力排粉通道开通之后，继续向前钻进，穿越三区域，继续钻进。同时扒孔钻进与风力协同排粉消除了钻杆旋转时产生的高温现象，避免了钻孔燃烧事故的发生。
2.3.2 钻头创新—防止钻杆堵塞。“煤炮”不仅会使钻孔堵塞，也会使钻杆堵塞。孔内动力现象即“煤炮”发生后，大量的高压瓦斯释放，释放的瓦斯压力会高于排粉风力的风压（0.5MPa左右），引起钻杆内风流逆转，将煤（岩）粉渣带人钻孔内部，堵塞排粉风路。为了解决这个问题，对钻杆与钻头的联结部进行改造，在Φ75mm普通三翼钻头内部增设一个单向阀，使得“煤炮”发生时，单向阀在瓦斯压力的作用下及时关闭，钻杆内没有逆转的瓦斯风流，保证钻杆不被堵塞。通过钻具的改进，在打钻期间因喷孔、煤炮而导致卡钻的现象基本消除，卡钻率仅有5%～8%。
2.4 操作流程
钻杆螺旋叶片具有将煤粉向孔口方向输送的推力，按照作用力与反作用力原理，钻杆同样会给钻机一个推向煤壁方向的拉力。具有扒孔功能的螺旋叶片排粉方式会产生“吸引”钻现象，这就要求钻机在钻孔方向上能够承受较大推力和拉力。钻机的操作流程需要做相应的改进。
2.4.1 稳固钻机。严格执行“下垫、上压、前撑、后顶”的原则进行稳固钻机，保证钻机在钻进过程中不产生震动，降低钻进时的阻力，防止钻孔偏离中心，保证孔壁平直。
2.4.2 熟练操作，掌握给进压力和钻进速度。钻机给进压力的极限是固定的，不同层段要掌握不同的给进压力，当给进压力突然升高时必须采取果断措施，一种是停止钻进，进行压风排煤（岩）粉；另一种是撤钻退钻。在突出松软煤层中钻进时要减压、降速，通过减压、降速充分排煤（岩）粉，减少沉碴。
2.4.3 保证打钻风压和风量。据实测，打钻风压必须在0.4MPa 以上，风量必须在3m3/min以上。
3 应用效果
车集矿2709工作面上巷设计走向617m，巷道采用锚网索支护，煤层倾角在8°～11°之间，平均l0°。煤层倾角较稳定，平均煤厚为4.5m，巷道标高为-465～-450m，属于严重煤与瓦斯突出工作面，软煤厚度在0.8～1.8m之间，软煤坚固性系数在0.15～0.4之间。钻孔布孔方法：沿巷道走向每隔4m布置一个顺层钻孔。试验之前该巷道共施工钻孔173个，最大孔深53m，平均深度35m左右。当采用本方案试验后，施工钻孔198个，钻孔平均深度达70m，超过100m的钻孔为38个。
4 结语
4.1 通过在钻孔设计、打钻设备和打钻工艺等方面的研究，提高了突出松软煤层中的打钻深度，解决了钻进过程中钻杆发热问题，有效防止了卡钻、抱钻以及钻孔着火事故的发生。
4.2 在地质构造带及薄煤层带，钻进易遇见岩石，有待于对定向钻进继续研究。
参考文献：
[1]国家煤矿安全监察局编.《防治煤与瓦斯突出规定》读本[Μ].北京：煤炭工业出版社，2009.
[2]程建业主编.《煤矿瓦斯抽采作业安全培训教材》.徐州：中国矿业大学出版社，2014.