井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法形成原因

强突出煤层赋存特征为高瓦斯、煤层瓦斯含量高、煤质极松软、煤层透气性低、瓦斯压力大，瓦斯治理难度大。瓦斯抽采是降低煤层瓦斯含量，减少瓦斯灾害最有效的手段，实现瓦斯抽采的关键是抽采钻孔的施工，尤其在强突出煤层中施工钻孔，极易出现喷孔、塌孔、卡钻等现象，导致钻孔成孔率低、成孔深度浅，钻孔施工非常困难。

在煤矿正常生产过程中，地质勘探孔资料直接影响着煤矿的采掘面安全接替，随着矿井的正常生产，采掘工作将进一步向下一水平进行延伸，但受原地面勘探技术条件的制约，地质资料不够完善精确；受矿井生产地面塌陷区影响，已不适宜在地面施工地质勘探孔对地质条件进行鉴别，为得到精确的地质资料，地质补勘孔的施工不得不由地面转入井下施工。

淮南矿业集团地质勘探工程处积极开展科技创新，取得了“井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工技术”成果。

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》的工法特点是：

1.钻孔穿强突煤层钻进具有先进性、独特性、安全性。

2.解决了钻孔穿强突煤层和地质补勘孔由地面转入井下施工难题。

3.钻孔由地面转入井下施工，减少无效钻进量，节约钻孔钻探经费，缩短工程工期，降低工程成本。

4.钻孔由地面转入井下施工，不使用泥浆钻进，避免泥浆加工和储运环节，可大幅减少施工人员，减轻环境污染。

井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法适用范围

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》的适用范围是：

1.适用于高瓦斯突出矿井井下瓦斯治理和补充勘探工程。

2.需要压风排渣钻进。

3.含水层涌水量小于10立方米/小时，涌水量超过10立方米/小时时，应采取综合治水措施，否则钻孔施工进度、孔壁质量等将受到一定的影响。

4.孔径94~133毫米，孔深150米以内的，孔径、垂直度要求较高。

井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法工艺原理

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》的工艺原理叙述如下：

ZDY-3200S型煤矿用全液压坑道钻机（图1），属于低转速、大转矩类型，适于采用复合片钻头施工大直径钻孔，主要用于煤矿井下施工近水平、长距离瓦斯抽放钻孔，也可用于地面和坑道近水平工程钻孔的施工。

MLGF20/12.5-132G螺杆空压机（图2）属于矿用防爆型，整机和所有电气均有防爆合格证及矿用安全认证；齿轮直联，背靠背圆锥滚子轴承；易损件少，可靠性高，操作简单；具有安全、可靠、高效、耐用和低噪声等特点。

突出煤层安全钻进防喷装置（图3、图4）由单位自主研发（已获中国实用新型专利证书），该装置具有安全、可靠、使用简单的特点，可以使钻进时喷出的煤和瓦斯分别进入设定系统，从根本上消除钻孔强烈喷孔或钻孔突出带来的安全隐患。

YCJ5（A）组合测井仪（图5）是由YCJ5T（A）组合测井仪同步机、YCJ5G（A）组合测井仪探管和YCJ5S（A）组合测井仪测深装置组成。该仪器采用无缆（借助钻杆送取探管）测量方式，能够测量水平孔、斜孔及垂直孔，应用于含有甲烷或爆炸性气体的矿井测井，特别是对于煤矿井下采前探测，可节约从地面至井下的无效钻探费用。仪器一次可以测量自然y和选择y两个参数。用于确定钻孔穿过煤层和岩层的位置及深度，同时也可用于确定煤层的深度、厚度和结构；也可以划分岩性并确定岩溶发育带、断层破碎带，提供并作为岩层的对比和分析孔内构造；运用测井仪和测斜仪并与定向钻机相结合可进行断层落差判定。

YHQ-XG全方位钻孔测斜仪（图6）主要由测斜探管、测斜仪（同步机）组成，专供煤矿井下水平钻孔或定向钻孔进行测斜。

利用ZDY-3200S型煤矿用全液压坑道钻机配合MLGF20/12.5-132G螺杆空压机，先用133毫米金刚石复合片钻头钻进20米，然后下127毫米套管20米进行护孔，同时对钻孔进行全孔注浆封堵岩层裂隙，杜绝涌水和跨孔、塌孔对钻孔的影响，待水泥浆凝固48h再用94毫米高强度金刚石复合片钻头配合突出煤层安全钻进防喷装置压风排渣穿强突煤层钻进成孔（钻孔结构见图7）。

在钻进过程中要密切注意瓦斯变化情况、控制钻速，避免瓦斯超限和喷孔事故的发生。对施工的钻孔及时采用YCJ5（A）组合测井仪和YHQ-XG全方位钻孔测斜仪进行测井、测斜，收集、汇总相关资料从而达到地质补勘目的。

井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法施工工艺

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》的施工工艺流程及操作要点叙述如下：

• 工艺流程

施工准备→钻机基础→钻机就位固定→下套管钻孔钻进→下套管注浆护孔→穿强突煤层钻进成孔→测井、测斜收集、汇总数据→钻孔结束→设备撤场。

• 操作要点

1.钻进设备的选型：选用西安煤科院生产的ZDY-3200S液压钻机，该钻机施工钻孔倾角±90°；钻杆选用ф73毫米高强度摩擦焊接外平钻杆；钻头选用ф133毫米、ф94毫米金刚石复合片钻头，该钻头适用于10级以下岩层钻进，具有钻进效率高、使用寿命长的特点。

2.钻机的稳固：用325号矿渣水泥预制混凝土钻机基础，并在规定位置将4只地脚螺栓固定，钻机就位后要将压板固定在地脚螺栓上，拧紧螺母；采用4根液压单体在巷道壁上掏槽进行稳固钻机；钻机处巷道顶部施工两个起吊锚杆，配合手拉葫芦预防钻机歪倒。

3.空压机中风压排渣：矿井系统风压低，一般在0.4~0.5兆帕，风量不稳定，影响钻孔排渣，制约钻孔施工深度的提高。利用空压机产生的中风压经钻杆内孔、钻头进入孔底，在孔内形成高速风流，钻屑则悬浮在风流中被吹向孔口，从而实现排渣和钻头的冷却。尤其在强突出煤层，孔内瓦斯和压风混合，使孔内只有气、固两相流，发生阻塞的可能性减小，避免了钻屑在孔内的积聚，从而减小和避免了喷孔事故的发生，使得钻孔得以成孔。

4.注浆护孔堵水：为避免含水层和跨孔、塌孔对钻孔施工的影响，根据具体情况对钻孔下套管和带压注浆进行护孔，避免发生孔内事故，造成无法钻进。

5.钻孔测井、测斜：及时对施工结束的钻孔进行测井、测斜。测井采用西安煤科院生产的YCJ5（A）组合测井仪对煤岩性及层位进行测定；测斜采用西安煤科院生产的YHQ-XG全方位钻孔测斜仪进行测定。

• 操作要求

1.钻机混凝土基础用不低于325号矿渣水泥预制，并将4只地脚螺栓固定于规定位置。

2.钻机就位后要将压板固定在地脚螺栓上，拧紧螺母。

3.施工现场必须配备2只干粉灭火器和消防沙。

4.钻机用液压单体打牢，并挂防倒装置且经常检查进行加固。

5.孔内下套管时必须使用专用工具，避免套管下窜到孔底，造成钻孔报废。

6.注浆护孔堵水时严格浆液比例，确保孔内岩层裂隙及套管与孔壁之间注实。

7.在穿煤过程中要使用突出煤层安全钻进防喷装置（已获中国实用新型专利证书），防喷装置连接要牢固可靠，抽采管路要及时进行除渣，确保畅通、可靠有效。施工过程中要密切注意瓦斯变化情况，根据瓦斯浓度确定钻机钻速、钻压和钻进进度，避免瓦斯超限事故和喷孔事故的发生。

8.严格按照《钻机工操作规程》和措施要求进行操作施工。

9.全方位钻孔测斜仪和组合测井仪属高精密仪器，严禁强烈震动、碰撞；与钻杆连接时要牢固可靠；在使用过程中钻杆严禁转动；全方位钻孔测斜仪在预定测点要停留进行采样，并按顺序详细记录测量结果，组合测井仪下钻、提钻速度要≤10厘米/秒。

• 劳动力组织

劳动力组织见表1。

参考资料：

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》所用的材料及设备明细如下：

1.该工法所需的配套设备与材料见表2。

2.该工法所需的液压钻机主要技术参数见表3。

3.该工法所需的螺杆空压机主要技术参数见表4。

4.该工法所需的YHQ-XG全方位钻孔测斜仪主要技术参数见表5。

5.该工法所需的YCJ5（A）组合测井仪主要技术参数见表6。

参考资料：

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》的质量控制要求如下：

1.钻机混凝土基础尺寸、强度符合设计，达到质量标准要求。

2.钻机就位要保持水平，钻机底盘及钻机要固定牢固，防止发生移位。

3.开孔倾角误差不大于±1°，孔深要符合要求。

4.岩性较差的情况下，适当增加套管护孔长度，提高护壁的可靠性。

5.钻进过程中不断检查钻杆的垂直度及钻机水平情况，一旦发现倾斜与位移，应立即纠正处理。

6.钻进中当发现孔斜时，应立即进行上下扫孔，直到将钻孔扫直，方可继续钻进，严禁发生孔斜时，强行钻进至终孔。

7.防止塌孔，提高成孔质量。

8.在不同的煤岩层采用合理的转速和钻压，减少对孔壁稳定性产生的影响和预防瓦斯超限事故的发生。

采用《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》施工时，除应执行国家、地方的各项安全施工的规定外，尚应遵守注意下列事项：

1.严格执行《煤矿安全规程》《防治煤与瓦斯突出规定》等相关规定，严格按钻机使用说明书、操作规程和措施进行操作，钻工做到持证上岗，所有人员必须佩戴并能熟练使用隔离式自救器。

2.起吊钻机、油箱等设备要用不小于4分钢丝绳扣，严禁用钢丝代替。起吊钻机、油箱用不少于3吨手拉葫芦，捆绑点选择要合理，起吊点使用锚索时要增加锚具，人员的身体各部位不得在设备落下或歪倒可能伤及人员范围内，以防钻机落下或歪倒伤人。

3.钻孔施工时必须保证风水联动装置正常、可靠；风、水管接头必须用专用U形卡卡牢并用10号钢丝与风、水管锁死以防脱落伤人。

4.开始钻进时，要合理给压轻压慢钻，控制钻速，保证钻孔垂直，并密切观察进尺，每钻进1米对煤、岩情况进行详细记录。

5.钻进期间须做到先开风后钻进，先停机后停风，缓慢开启压风，避免瓦斯超限；钻孔下风侧20米内设置两道全断面喷雾，所有施工人员做好个人防尘保护。

6.卸钻杆，敲钻杆时，必须使用铜锤，钻机操作人员精力集中，与接卸钻杆人员配合一致，听从一个口令，以免误动作伤人，严禁采用钻机旋转力配合牙钳接卸钻杆、水辫，防止牙钳甩动伤人或造成钻杆脱落，发生孔内事故。

7.钻进加尺时，要认真检查钻杆质量，弯曲、坏扣或堵塞的钻杆严禁使用。连接钻杆时接头间缠绕油线或盘根线，对准丝口，不歪斜、不漏风，人工上满丝后方准开启钻机。

8.钻机施工期间，钻机操作人员不得离开操纵台，确需离开操作台时，必须停机。施工点10米范围内不得从事与打钻作业无关的工作，人员不得在钻机附近随意走动。

9.钻孔施工过程中，若孔内有顶钻、喷孔夹钻、透水及其他异常情况时，必须立即停止钻进，切断钻机电源，但不得拔出钻杆，待恢复正常后方可恢复作业。

10.钻机班长负责佩带灵敏可靠的瓦斯便携仪，悬挂于钻孔回风侧5米内的上方，若风流中瓦斯浓度≥0.8%，必须停止作业，切断钻机电源查明原因，由瓦斯检查工处理正常后方可恢复作业。

11.加强钻机和电器设备的检修维护，电器设备严禁失保、杜绝失爆；机修人员要加强维护，保证前夹持器能够正常、可靠、灵敏。

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》的环保措施如下：

1.施工地点做到标牌清楚、齐全，各种标志醒目，施工场地整洁文明。

2.孔口采用除尘装置，回风侧20米范围内安设两道全断面净化喷雾，减少了煤、岩粉的生成。

3.及时将钻渣装袋，按规定位置进行合理堆放和处置。

4.每班不少于三次对施工场所及附近20米范围内洒水灭尘。

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》的效益分析是：

1.该工法将工程施工由地面转入井下，减少无效钻进量，节约工程费用80余万元。地面钻探与井下钻探工程预算分别见表7、表8。

2.该工法将工程施工由地面转入井下，缩短工程工期，由地面施工两个钻孔从准备到工程竣工需要3个月时间，而改为井下施工从准备到工程竣工只需要1个月时间。节省下来的钻探设备和人员可以再创造30~40万/月的产值，创造工期效益。

3.该工法将工程施工由地面转入井下，避免泥浆加工和储运环节，减轻环境污染，可减少施工人员，减少人员薪酬支出。

4.该工法为煤层群高抽巷垂直抽采钻孔代替高抽巷抽采治理瓦斯提供了技术支撑，增加了瓦斯治理的方式，多煤层施工一条高抽巷减少了高抽巷施工数量，节约了巷道成本，节省了采掘面接替时间，具有经济和社会效益。

注：施工费用以2009-2010年施工材料价格计算

《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》在潘一矿东一11515煤层群高抽巷工程项目的应用情况如下：

1.工程概况

潘一矿11515煤层群高抽巷位于一水平东一采区，巷道标高-533.5~-575.5米，从B组抽采石门拨门向东施工，施工长度为1559.7米，巷道位于8煤上方20米处，根据原始资料8煤顶板砂岩含水层实际涌水量分析，预计最大涌水量可达到40立方米/小时，正常涌水量为10立方米/小时。钻孔将穿过高抽巷下部8、7、6、5、4-2、4-1煤，各煤层瓦斯含量及瓦斯压力见表9。

其中8、5、4煤属于强突出煤层。

巷道内原有两个从地面施工的勘探钻孔1和2号，1号孔深761.69米，到1煤底板以下50米；2号孔深689.70米，仅到4煤底板以下10米。需在已有1号和2号孔间补充11515-1和1151-2两个补勘钻孔对8煤以下的煤岩层进行精确勘探，以便准确掌握煤岩层情况，为采掘工作提供详细、准确的地质资料，11515-1和11515-2补勘钻孔设计孔深100，钻孔间距300米，11515工作面（设计）平面图如图8、11515煤层群高抽巷预想地质剖面图如图9、钻孔柱状图如图10所示。

2.施工准备

钻孔施工前，3寸风、水、排管路、调度电话安装到位；混凝土基础要符合要求；现场配备2台干粉灭火器和消防沙；连接防喷装置的抽采系统安全、可靠；瓦斯传感器等各种监测、监控、瓦斯电闭锁装置严格按要求安设，并保证准确、灵敏、可靠，瓦斯传感器悬挂在钻机回风侧5-10米范围内。

3.现场实施

钻机就位后，将钻机进行固定，每班施工人员班中和接班时都要对地脚螺栓和液压单体的稳固进行检查，确保安全、可靠、有效。

钻孔采用中风压排渣钻进，先用ф133毫米金刚石复合片钻头钻进20米，然后下ф127毫米套管进行护孔，同时对钻孔进行全孔注浆封堵岩层裂隙，杜绝涌水和跨孔、塌孔对钻孔的影响，待水泥凝固48小时后再用ф94毫米高强度金刚石复合片钻头配合突出煤层安全钻进防喷装置穿强突煤层钻进成孔。

在穿煤过程中必须使用突出煤层安全钻进防喷装置，防喷装置与抽采系统连接，抽采系统形成的负压对孔内钻屑阻塞钻孔起到抑制作用同时对孔内瓦斯进行抽放，避免瓦斯超限和喷孔事故的发生。

钻孔在起钻后及时对钻孔进行测井、侧斜，在测井、侧斜过程中钻杆严禁转动。组合测井仪在下钻、提钻时速度要≤10厘米/秒；全方位钻孔测斜仪在预定测点要停留进行采样并按顺序详细记录测量结果。YHQ-XG全方位钻孔测斜仪校正技术数据见表12和表13。

工程11515-1钻孔于2009年10月12日开工至2009年10月27日11515-2钻孔结束，历时16天。从工程前期准备到竣工仅用了30天时间，两孔孔深分别达117米和106.4米，钻孔质量优良，数据采集达到要求。

2011年9月，中华人民共和国住房和城乡建设部发布《关于公布2009-2010年度国家级工法的通知》建质[2011]154号，《井下垂直下向钻孔穿强突煤层施工工法》被评定为2009-2010年度国家二级工法。 2100433B

突水一般预兆

(1)煤层变潮湿、松软；煤帮出现滴水、淋水现象，且淋水由小变大；有时煤帮出现铁锈色水迹 。

(2)工作面气温降低，或出现雾气或硫化氢气味(即臭鸡蛋味)。

(3)有时可闻到水的“嘶嘶”声。

(4)矿压增大，发生片帮、冒顶及底肢。

突水工作面底板灰岩含水层突水预兆

(1)工作面压力增大，底板股起，底殿量有时可达500mm以上。

(2)工作面底板产生裂隙，并逐渐增大。

(3)沿裂隙或煤帮向外渗水，随着裂隙的增大，水量增加，当底板渗水量增大到一定程度时，煤帮渗水可能停止，此时水色时清时浊：底板活动时水变浑浊，底板稳定时水色变清。

(4)底板破裂，沿裂缝有高压水喷出，并伴有"嘶嘶"声或刺耳水声。(5)底板发生"底爆",伴有巨响，地下水大量涌出，水色呈乳白或黄色。

突水松散孔隙含水层水突水预兆

(1)突水部位发潮、滴水、且滴水现象逐渐增大，仔细观察发现水中含有少量细砂。

(2)发生局部冒顶，水量突增并出现流沙，流沙常呈间歇性，水色时清时浊，总的趋势是水量、沙量增加，直至流沙大量涌出。

(3)顶板发生溃水、溃沙，这种现象可能影响到地表，致使地表出现塌陷坑。