主焦煤礦機械造穴技術研究與應用

摘 要：主焦煤礦采用水力沖孔、擴孔增透技術，實現(xiàn)“鉆、防、沖、篩、轉(zhuǎn)、計、運、監(jiān)”一體化作業(yè)線。雖然在工藝方面減少了作業(yè)人員數(shù)量和施工勞動強度，提高了穿層鉆孔抽采效果，但是經(jīng)過分析對比還是存在很多問題，沖孔煤量少，施工準備程序繁瑣、沖孔效率低等問題未能達到有效解決，瓦斯抽采濃度僅提高約15%，于預想效果甚遠。2020年主焦煤礦在2307工作面底板巷開始嘗試高壓水射流增透技術提高鉆孔的抽采效率，通過實施水力造穴提高瓦斯抽采工作效率，間接創(chuàng)造經(jīng)濟效益和社會效益。通過對機械造穴施工流程工藝的改進，實現(xiàn)了施工過程的自動化和機械化，縮短了施工時間，減少了施工人數(shù)，降低了勞動強度，精確了沖出煤量，美化了施工環(huán)境，增強了施工過程的安全性。

關鍵詞：增透技術;穿層鉆;孔水力造穴;自動化和機械化

近來，主焦礦隨之開采延深，采區(qū)的變化，逐漸從高瓦斯礦井走向了煤與瓦斯突出礦井，在瓦斯治理上也進入了“瓶頸期”。為提高礦井瓦斯抽采效果，提高抽采濃度，解決穿層鉆孔抽采過程中存在的抽采效率低、鉆孔工程量大的問題。主焦礦自主創(chuàng)新采用水力沖孔、擴孔增透技術，實現(xiàn)“鉆、防、沖、篩、轉(zhuǎn)、計、運、監(jiān)”一體化作業(yè)線。雖然在工藝方面減少了作業(yè)人員數(shù)量和施工勞動強度，提高了穿層鉆孔抽采效果，但是經(jīng)過分析對比還是存在很多問題，沖孔煤量少，施工準備程序繁瑣、沖孔效率低等問題未能達到有效解決，瓦斯抽采濃度僅提高約15%，于預想效果甚遠。2020年主焦礦在2307工作面底板巷開始嘗試高壓水射流增透技術提高鉆孔的抽采效率，新購進一套水力造穴設備，其中包括一臺ZDY7300LX煤礦用全液壓坑道鉆機和一臺高壓清水泵站及配套水力造穴設備，開展了超高壓水力割縫技術試驗。

1 采用的技術原理及技術分析

1. 機械造穴原理

機械造穴原理是通過鉆孔見煤時，刀臂對煤體的切割，解決了較硬煤層水力沖孔時單靠高壓水射流不能有效切割煤體的問題，單孔沖孔得到較大提升，同時增大了鉆孔成孔后煤段有效抽采面積，成孔后，在煤層應力集中效應，形成的鉆孔孔洞裂隙重新發(fā)育，增強了附近煤體的透氣性，促進瓦斯解吸和排放，有效的實現(xiàn)對煤體的泄壓增透。

2. 機械造穴設備說明

煤礦用履帶式液壓鉆機規(guī)格：ZDY7300LX，設備特點：外形寬度1.1m，體積小、運動靈活，特別適用于煤礦狹窄巷道的鉆孔施工作業(yè)。坦克炮塔式打鉆機構（專利技術），可實現(xiàn)±180°方位角調(diào)整，-90°-+90°仰俯角調(diào)整，實現(xiàn)全方位布孔。主機導軌帶有隨動角度儀，可簡單準確定位施鉆仰俯角。聯(lián)動式的液壓控制，提高打鉆效率。

清水泵站型號：BQWL315/16-XQ315/12，設備特點：結構緊湊、移動方便、效率高、勞動強度低。輸出壓力高、流量大：輸出壓力16MPa，流量315L/min，為系列化產(chǎn)品。

礦用振動篩式固液分離機型號KFS-50/11，設備特點：高效的分離煤水混合物中的煤水，分離效果好，處理能力強。改善煤礦巷道的工作環(huán)境，避免施工現(xiàn)場煤水橫流。

高壓密封三棱鉆桿規(guī)格：φ89mm×1000mm。性能特點：采用錐面密封耐壓鉆桿，其密封效果良好。在長距離傳輸過程中壓力損失小，保證深孔作業(yè)及水力割煤造穴輸出高壓水流，耐壓35MPa。

可變徑機械造穴裝置，規(guī)格：φ89mm。性能特點：設計采用特殊專利結構，能夠自動實現(xiàn)高壓、低壓水流轉(zhuǎn)換。既適用于松軟煤層，也適用于偏硬煤層;不論是本煤層順層孔、底抽巷穿層孔以及頂板巖巷下行孔的擴孔造穴，都具有適用性。

2 實驗地點概況

2307工作面底板巷設計總工程量為656.8m（斜距）。開口位于2307工作面底板巷車場測07D2點前5m位置，開口施工時為半煤巖巷（巷道底板破煤厚度≮500mm進行控制），先按照183°00′方位、-14°坡度，向前施工71.5m;再按照202°22?方位、-14°坡度，向前施工88.4m，再按照-3.8°～-6.7°坡度，向前施工389.1m，再按照280°00?方位、-19.3°坡度，向前施工102.8m到設計位置。施工期間先按照坡度-14°進行施工，穿過二1煤層進入煤層底板，掘進坡度根據(jù)施工過程中鉆探得出的巷道頂板與煤層的法向距離進行調(diào)整，與煤層底板法向距離始終保持在10～12m范圍內(nèi)。2307工作面底板巷測定煤層原始瓦斯含量最大5.6149m3/t。煤的堅固系數(shù)為0.33～0.66。掘進工作面煤層的煤塵有爆炸危險，煤層的自燃傾向性為不易燃。根據(jù)2307工作面底板巷車場已施工巷道瓦斯涌出情況分析，預計2307工作面底板巷掘進過程中絕對瓦斯涌出量為1.57m?/min。

3 機械造穴施工工藝流程

第一步打鉆前，連接自動開合式機械擴孔裝置，調(diào)整清水泵站的使用壓力，由小逐漸調(diào)大，觀察刀臂開始打開時的壓力以及完全打開時清水泵站水壓力表的壓力大小。

第二步打鉆時，清水泵站水壓力控制在4MPa以下，待鉆進至見煤位置時，停止推進，保持動力頭旋轉(zhuǎn)，調(diào)整清水泵站的水壓力，逐漸往上調(diào)壓，待清水泵站壓力調(diào)到6-7MPa時，隨著齒條活塞下移，推動齒輪刀臂，可變徑機械造穴裝置刀臂開始打開，隨著壓力升高，待刀臂完全打開時進行旋轉(zhuǎn)切割煤體，造穴直徑擴大為φ500mm，同時進行水力沖孔。

第三步待鉆孔穿透煤層見頂板后，退鉆0.5m，保持動力頭旋轉(zhuǎn)，緩慢降低清水泵站的壓力至4MPa以下，刀臂收合。

第四步鉆孔擴孔完畢時，退出自動開合式機械擴孔裝置，完全退出后，調(diào)整清水泵站的壓力，打開刀臂，清洗機械擴孔鉆頭齒輪部位及刀臂槽部位。

第五步當班施工完畢，退鉆拆卸擴孔鉆頭后，用清水對鉆頭內(nèi)外反復沖洗，并放置于專用注油盤內(nèi)，防止擴孔鉆頭內(nèi)部銹蝕損壞。

4 實際應用效果考察

1. 機械造穴后鉆孔體積效果考察

通過在2307工作面底板巷已施工4個機械造穴鉆孔，鉆孔編號分別為D23-5、補D23-9、D19-10、D18-10，詳細參數(shù)見表1

根據(jù)造穴鉆桿伸展開的直徑，造穴體積增大可以得出：0.25*0.25*3.14*1=0.196t。

即每米造穴0.196t/m。通過對鉆孔抽采濃度分析發(fā)現(xiàn)，在鉆孔傾角小角度時候，機械造穴的沖孔煤量相對較大，沖孔煤量達到3.8t，平均每米沖孔煤量1.28t。在鉆孔傾角較大時，同樣的造穴壓力情況下，沖孔煤量相對較小，只有1.2t，每米煤量只有0.3t。這是因為在造穴時候，D23-5鉆孔和補D23-9鉆孔兩個鉆孔的沖孔時間相對較長，實驗時盡可能的多沖出來煤量，所以沖出來的煤量相對較多。

2. 機械造穴抽采效果考察

在2307工作面底板巷分別選取4個未沖孔鉆孔（D18-5、D19-5、D23-7、D23-12）和4個造穴鉆孔（D18-10、D19-10造穴、D23-5造穴、補D23-9造穴）進行考察分析，對鉆孔進行了連續(xù)8d的監(jiān)測，經(jīng)過對8d內(nèi)所測的數(shù)據(jù)進行分析得出：造穴鉆孔平均日抽采攻讀始終優(yōu)于未造穴鉆孔孔組的平均日抽采濃度，造穴鉆孔的平均日抽采濃度純量最高達到41%，是未造穴鉆孔的1.25倍。隨著連抽天數(shù)的增加，造穴鉆孔的平均日抽采純量快速下降并逐漸趨于平穩(wěn)，但平均日抽采濃度始終保持在28%以上，是未造穴鉆孔的1.48倍以上。為了便于直觀的對比分析，特選取連抽8d的數(shù)據(jù)進行對比分析：

結論

1.通過實施水力造穴提高瓦斯抽采工作效率，間接創(chuàng)造經(jīng)濟效益和社會效益。通過對機械造穴施工流程工藝的改進，實現(xiàn)了施工過程的自動化和機械化，縮短了施工時間，減少了施工人數(shù)，降低了勞動強度，精確了沖出煤量，美化了施工環(huán)境，增強了施工過程的安全性。

2.精確機械造穴設計參數(shù)，增強機械造穴的有效性和實用性。實現(xiàn)了機械造穴技術的綜合高效利用。

3.加快瓦斯治理工作進度，消除瓦斯治理安全隱患。通過利用機械造穴技術，在設計參數(shù)與施工流程工藝改進的基礎上，著重采用機械造穴技術治理鉆孔偏移導致的瓦斯三角空白區(qū)，在高效治理的同時確保對原抽采規(guī)劃的干擾降到最低。

參考文獻：

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[2]鄧書軍，楊聘卿.高瓦斯低透氣性堅硬煤層機械造穴泄壓增透技術研究[J].煤炭技術，2020，39（06）：126-128.

作者簡介：

朱振（1986—），男，漢族，籍貫：江蘇邳州市，碩士研究生，工程師，主要從事煤礦“一通三防”工作。

（安陽市主焦煤業(yè)有限責任公司，河南 安陽 455133）