新景礦水力造穴快速掘進(jìn)技術(shù)研究

摘 要：新景礦3#煤屬于突出煤層，早期的超前預(yù)抽措施嚴(yán)重影響了南五正巷的掘進(jìn)速度，水力造穴措施的運(yùn)用極大地提高了該巷的消突效果，使掘進(jìn)速度相比早期提高了85%以上。

關(guān)鍵詞：突出煤層；水力造穴；消突；掘進(jìn)速度

1 礦井概況

新景礦位于陽泉市區(qū)西部，井田東西長(zhǎng)約10.5km，南北寬約8.5km，面積約為66.4km2。設(shè)計(jì)產(chǎn)量為600萬t/a，一水平設(shè)計(jì)高程+525m，二水平設(shè)計(jì)高程+490m。該井田共含煤19層，其中的3#煤層為穩(wěn)定且全區(qū)可采煤層，煤質(zhì)為優(yōu)質(zhì)無煙煤。2004年11月11日，位于3#煤層的7303工作面發(fā)生首次煤與瓦斯突出事故，突出煤70t，瓦斯11560m3，造成1人死亡。2005年經(jīng)煤炭科學(xué)總院撫順研究院鑒定，新景礦3#煤層為突出煤層，礦井為突出礦井。在隨后的采掘過程中，3#煤層頻繁發(fā)生煤與瓦斯突出和瓦斯噴出現(xiàn)象，瓦斯涌出量通常在10m3/t以上，最大可達(dá)77.45m3/t。3#煤層透氣性系數(shù)為0.0957～0.5692m2/MPa2·d，基本屬于可以抽放煤層，但是抽放難度較大。

南五正巷位于+525m水平保安區(qū)，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度均為1570m，全巷沿3#煤頂板掘進(jìn)，巷道凈高2.6m，寬5m，屬于突出危險(xiǎn)性掘進(jìn)工作面，在掘進(jìn)過程中需實(shí)施超前預(yù)抽的防突措施，但是瓦斯抽采效果較差，消突時(shí)間長(zhǎng)，通常需達(dá)10～15天，造成巷道掘進(jìn)速度過低，每月進(jìn)尺僅35m左右，嚴(yán)重影響了礦井正常的采掘接續(xù)。因此，急需一種實(shí)現(xiàn)該巷快速消突的技術(shù)來保證巷道按期完工。本文介紹了水力造穴技術(shù)在該巷的試驗(yàn)應(yīng)用，試驗(yàn)結(jié)果證明水力造穴技術(shù)的應(yīng)用對(duì)突出掘進(jìn)工作面能夠起到快速消突的效果，提高巷道的進(jìn)尺速度。

2 水力造穴機(jī)理

水力造穴是在原有鉆孔的基礎(chǔ)上，通過高壓水射流將鉆孔的煤壁進(jìn)行破碎剝離，形成一段或者數(shù)段直徑遠(yuǎn)大于初始鉆孔直徑的孔洞，俗稱水力沖孔。由于煤體的原始應(yīng)力平衡得到破壞，造成煤體在孔洞方向發(fā)生位移，促使應(yīng)力狀態(tài)重新分布，從而誘導(dǎo)煤體的次生裂隙發(fā)育。煤體中瓦斯的賦存與解析的平衡得到破壞，部分吸附瓦斯向游離瓦斯轉(zhuǎn)化，并通過裂隙進(jìn)行運(yùn)移排放。同時(shí)被高壓水浸泡的煤體的塑性得到增強(qiáng)，降低了煤體的吸解速度、水力造穴時(shí)沖出的大型孔洞對(duì)煤體起到一定的卸壓作用，進(jìn)而破壞了發(fā)生突出的基礎(chǔ)條件。

3 水力造穴的施工工藝及效果

3.1 水力造穴設(shè)備

（1）ZDY2300LX履帶式液壓鉆機(jī)，額定轉(zhuǎn)矩為800～2300N·m，轉(zhuǎn)速60～170r/min。

（2）履帶式高壓清水泵站：水泵流量200L/min，水泵額定壓力20MPa。

（3）螺旋高壓密封鉆桿：鉆桿直徑φ80mm，最大耐壓20MPa。

（4）高壓旋轉(zhuǎn)接頭額定轉(zhuǎn)速為100r/min，額定壓力20MPa，額定流量200L/min，水箱1500L。

（5）高壓水射流閥組。

（6）三防裝置，具有臨時(shí)封孔，煤水分離等作用。

以上設(shè)備在巷道中的布置如圖1所示。

3.2 南五正巷水力造穴施工工藝

在具體實(shí)施時(shí)，首先在設(shè)計(jì)鉆孔位置用φ153mm的擴(kuò)孔鉆頭施工一個(gè)深度為1m的淺孔，將與三防裝置配套的水力臨時(shí)封孔套筒塞入到短孔內(nèi)，通過清水泵站向封孔套筒上的膠袋充水，壓力為3MPa。用軟管將三防裝置與南五正五巷的瓦斯抽采管路連接，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)封孔功能。隨后用φ94mm鉆頭換下φ153mm擴(kuò)孔鉆頭，進(jìn)行正常打孔，待鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)深度時(shí)，通過退卸鉆桿將鉆孔中水力沖孔閥調(diào)整到需要造穴的位置。隨后提高履帶式高壓清水泵站的供水壓力至20MPa，此時(shí)水力沖孔閥開啟，通過鉆桿的前后往復(fù)推進(jìn)和高速旋轉(zhuǎn)，高壓水射流實(shí)現(xiàn)剝離煤體的效果。造穴沖出的煤體通過三防裝置進(jìn)行煤水分離。沖孔造穴尺寸設(shè)計(jì)為φ0.8m，長(zhǎng)度1m，可通過鉆孔出煤量估算造穴的孔徑。當(dāng)一個(gè)鉆孔完成水力造穴施工后，退出所有鉆桿，并調(diào)節(jié)鉆機(jī)的角度，按照相同的工藝進(jìn)行下一個(gè)孔的施工，并對(duì)已施工孔進(jìn)行及時(shí)封孔。

圖2為南五正巷掌子面上鉆孔及水力造穴的位置，共布置鉆孔18個(gè)，采用三排局扇法布置，對(duì)1～12#鉆孔實(shí)施水力沖孔措施，13～18#鉆孔為做實(shí)驗(yàn)效果對(duì)比而不進(jìn)行水力沖孔施工，其中7～12#鉆孔設(shè)計(jì)深度60m，由于鉆孔深度不同，1#、2e鉆孔施工一個(gè)造穴，3#、4#鉆孔施工兩個(gè)造穴，5～12#鉆孔施工3個(gè)造穴，兩個(gè)造穴間距通常為15～20m。由于水力造穴能夠?qū)植棵后w進(jìn)行擾動(dòng)，有誘導(dǎo)小范圍煤與瓦斯突出的危險(xiǎn)，因此造穴距離掌子面的最近距離不得小于20m。

3.3 南五正巷水力造穴消突效果

通過鉆孔的位置關(guān)系，將6#與13#，5#與14#，3#與16#，2#與17#鉆孔分為四組進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，將這些鉆孔在抽采1至6天內(nèi)的瓦斯抽采平均濃度、平均抽采混合量進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果如表1所示。

從表1可知，進(jìn)行造穴的鉆孔在抽采第三天時(shí)，平均抽采量與未造穴鉆孔相比，平均增加51%，且瓦斯的凈抽采量平均增加69%；

在抽采第六天時(shí)，進(jìn)行造穴的鉆孔平均抽采量與未造穴鉆孔相比平均增加83%，且瓦斯的凈抽采量平均增加90%。

當(dāng)抽采至第七天時(shí)，分別在-30°方向距掌子面50m和20m處（未造穴區(qū)域）測(cè)試煤層瓦斯含量，分別為11.94m3/t、7.03m3/t；而+30°方向距離掌子面55m、20m處（造穴區(qū)域）瓦斯含量為分別9.73m3/t、4.03m3/t。

綜上所述，與早期煤層瓦斯預(yù)抽相比，通過增加水力造穴工藝能夠極大的促進(jìn)南五正巷的消突效果，將煤層瓦斯含量提早下降到標(biāo)準(zhǔn)下。

4 結(jié)論

現(xiàn)新景礦南五正巷掌子面上每次布置12個(gè)造穴鉆孔，相比早期鉆孔數(shù)減少1/3。鉆孔依舊呈局部扇形布置，其中0°方向鉆孔設(shè)計(jì)深度為60m，通常在預(yù)抽3～5天后，距離掌子面30m深處的煤層瓦斯含量8m3/t以下，瓦斯壓力下降到0.74MPa以下。現(xiàn)南五正巷已可連續(xù)掘進(jìn)20m，月進(jìn)尺可達(dá)65m，與早期相比增加85%。

雖然水力造穴能夠極大提高巷道的消突時(shí)間，但是水力沖孔因用水量進(jìn)而出煤量較大，常造成巷道地板泥化嚴(yán)重，因此需提前疏通巷道臨時(shí)水溝并及時(shí)清理造穴出煤。

參考文獻(xiàn)

[1]劉明舉，趙文武，等.水力沖孔快速消突技術(shù)的研究與應(yīng)用[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2010，03：58-61.

[2]周華玉.水力沖孔快速消突技術(shù)的研究[J].煤炭科技，2012，02：4-5.

[3]郭旭鋒，李江濤.水力沖孔增透技術(shù)的數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用[J].中州煤炭，2014，02：37-39.

作者簡(jiǎn)介：王曉平（1984，07-），男，漢族，陜西洛南縣人，本科，河南鐵福來裝備制造股份有限公司，助理工程師，研究方向：礦用鉆探裝備。