大直徑鉆孔替代聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采技術(shù)研究

張俊輝

（西山煤電股份有限公司西銘礦 ，山西 太原 030052）

1 工程背景

西銘礦井田位于山西省太原市境內(nèi)，地面覆蓋王封鄉(xiāng)、化客頭街辦及古交市河南鄉(xiāng)一部分。北部為隨老母－賽莊斷層，南與杜兒坪礦井田相鄰，西與古交市石千峰煤礦相鄰，東部以北頭溝煤層露頭線和小窯采空區(qū)為界。礦井東西長約17km，南北寬約4.6km，井田面積為56.24km2。地理坐標(biāo)為東經(jīng)112°14′～112°31′，北緯 37°38′～37°56′。

西銘礦北七右翼采區(qū)48708備用面煤層節(jié)理發(fā)育、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，直接頂為石灰?guī)r，緊貼灰?guī)r頂板下部為8號煤上分層，厚度0.60-0.75m，平均厚度0.68m；下分層煤層的上部夾矸層厚1.30-3.20m，平均厚度2.27m，巖性為頁巖或砂質(zhì)頁巖，2019年8月份經(jīng)煤科集團(tuán)沈陽研究院實(shí)驗(yàn)室測試巖石堅(jiān)固性系數(shù)f值=3.1，硬度為中等堅(jiān)固，巖石級別為Va；8號煤下分層厚度3.00-3.20m，平均厚度3.10m，屬單一穩(wěn)定中厚煤層。本次“以孔代巷”試驗(yàn)施工要求全部穿透夾矸層全部巖石，以全面測試鉆機(jī)性能。

2 空區(qū)瓦斯抽采的必要性及可行性

2.1 采空區(qū)瓦斯抽采的必要性

采空區(qū)是指回采工作面后方的、回采過程中始終存在并且隨著采面的推進(jìn)，范圍逐漸增加的區(qū)域。由于采空區(qū)是和工作面通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)相連通的，在通風(fēng)壓差的作用下現(xiàn)采空區(qū)瓦斯涌入工作面并經(jīng)由回風(fēng)流排出，當(dāng)采空區(qū)積存瓦斯和涌出瓦斯較大時有可能使工作面上隅角或回風(fēng)流瓦斯處于超限狀態(tài)，特別是當(dāng)頂板冒落時引起采空區(qū)瓦斯突然大量涌出對生產(chǎn)構(gòu)成很大的威脅。

因此為了提高回采日產(chǎn)量，提出以大直徑鉆孔代替聯(lián)絡(luò)巷、以大流量、低負(fù)壓抽采治理回采工作面采空區(qū)瓦斯，徹底解決回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量大和上隅角超限問題，同時降低成本，為礦井的安全生產(chǎn)提供有力的保障是非常有必要的。

2.2 大孔徑代替聯(lián)絡(luò)巷埋管抽采的可行性

煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司（以下簡稱沈陽煤科院）是我國著名的煤礦安全研究院，擁有成套大直徑鉆孔施工設(shè)備及專業(yè)技術(shù)人員。其中在2016年10月至2017年3月沈陽煤科院與馬蘭礦就10610工作面采用大直徑鉆孔取代聯(lián)絡(luò)巷已展開工業(yè)試驗(yàn)研究，其效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)；2017年3月至今沈陽煤科院在霍州煤電集團(tuán)騰暉礦、中煤科工集團(tuán)王坡煤科、潞安集團(tuán)五陽煤礦等多個集團(tuán)的煤礦用大直徑鉆孔取代聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行了試驗(yàn)，其效果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，綜合而言該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)十分成熟，設(shè)備整體性能較為穩(wěn)定。

圖1 U型通風(fēng)上隅角大直徑鉆孔抽采時采空區(qū)風(fēng)流場示意圖

布置大直徑鉆孔在上隅角進(jìn)行瓦斯抽采，就是利用抽采負(fù)壓改變上隅角附近瓦斯流場（如圖1所示），在采煤工作面上隅角處形成一個負(fù)壓區(qū)，使采煤工作面上隅角處瓦斯向抽放管流動，這樣瓦斯流在上隅角后方就被吸入抽采系統(tǒng)，使含瓦斯風(fēng)流到達(dá)不了上隅角和無法在上隅角形成渦流聚集高濃度瓦斯，避免產(chǎn)生上隅角瓦斯超限的問題[1]。

總的來說，利用大直徑鉆孔在上隅角附近進(jìn)行瓦斯抽采，解決上隅角瓦斯超限問題，本質(zhì)上主要是改變上隅角風(fēng)流場，不讓瓦斯在上隅角因渦流而積聚，從根本上截斷了上隅角的瓦斯來源。

西銘礦48706工作面存在煤層瓦斯含量大、鄰近層瓦斯涌出嚴(yán)重、上隅角瓦斯治理困難等難題，采用以往的埋管抽采、施工聯(lián)絡(luò)巷等技術(shù)成本較高，而且后期維護(hù)困難，使用ZDY9000LS型大直徑鉆機(jī)能夠一次性成孔，后期鉆孔維護(hù)簡單，因此在48706工作面的瓦斯抽采巷向皮帶巷施工大直徑鉆孔來取代聯(lián)絡(luò)巷是可行的。

3 施工工藝

經(jīng)協(xié)商，山東祥德機(jī)電有限公司自愿在西銘礦采用ZDY9000LS煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)試驗(yàn)全巖“以孔代巷”技術(shù)。試驗(yàn)地點(diǎn)在48706單軌吊巷巷道口往里200m處，施工方式為從48706單軌吊巷往48708備用面皮帶巷方向垂直施工偽斜長為26m的大直徑鉆孔，要求施工時穿透夾矸層全厚；礦方配合設(shè)備運(yùn)輸、打鉆施工的作業(yè)隊(duì)組為西銘礦抽采科抽采一隊(duì)[2]。

4 實(shí)驗(yàn)流程

試驗(yàn)流程：ZDY9000LS型鉆機(jī)于8月5日在西銘礦地面鉆機(jī)修理倉庫調(diào)試組裝結(jié)束后，于8月8日運(yùn)輸至北七右翼采區(qū)48706單軌吊巷內(nèi)，于8月11日10:00開始接電源開始打鉆試驗(yàn)，截止至8月13日14:00點(diǎn)已圓滿完成打鉆試驗(yàn)任務(wù)。共施工大直徑鉆孔2個，鉆孔偽斜長度為26m。第一號鉆孔由于煤層地質(zhì)條件原因，導(dǎo)致未擴(kuò)孔的φ153mm鉆孔穿過煤柱區(qū)后進(jìn)入48708皮帶巷側(cè)頂板上部石灰?guī)r層，未能與煤柱幫相貫通，為報廢孔。

第二號鉆孔施工時調(diào)整施工角度，仰角由+6°下調(diào)至+3°。此次試驗(yàn)分兩次施工成孔：先用φ153mm鉆頭施工導(dǎo)孔，待鉆孔施工結(jié)束后，再用φ350mm鉆頭進(jìn)行第二次擴(kuò)孔。具體參數(shù)：鉆孔仰角+3°，與巷道夾角+90°，開孔高度距巷道底板1.5m，孔深 26m，最終孔徑 φ350mm，實(shí)測孔徑為400mm左右。

初期施工φ153mm巖柱導(dǎo)孔時需時間為2h，鉆機(jī)給進(jìn)壓力控制在3MPa左右,液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)矩為9000N·m,穿硬夾矸層時鉆桿、鉆機(jī)都有稍微抖動。

安裝φ350mm鉆頭擴(kuò)孔施工時，在3h后鉆進(jìn)18.5m?，F(xiàn)重點(diǎn)對試驗(yàn)φ350mm巖柱鉆孔情況說明如下：

1）施工鉆孔過程中將鉆機(jī)給進(jìn)壓力從0MPa調(diào)整至3MPa左右時,φ350mm擴(kuò)孔鉆頭能夠平穩(wěn)施工夾矸層下部區(qū)域巖柱鉆孔，鉆機(jī)整機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。

2）施工鉆孔過程中將給進(jìn)壓力繼續(xù)稍微調(diào)大時，發(fā)現(xiàn)施工φ350mm巖柱鉆孔的鉆桿和鉆機(jī)整機(jī)抖動嚴(yán)重，及時將給進(jìn)壓力調(diào)至3MPa左右。使用φ350mm擴(kuò)孔鉆頭施工長度為26m的巖柱鉆孔需要時間為4h，鉆孔施工至夾矸層上部硬巖層時，因該段巖石致密較硬（厚度約為1m），40min方可施工1.5m進(jìn)尺，推進(jìn)度較緩慢。故在施工巖柱鉆孔過程中，遇硬夾矸層時需將給進(jìn)壓力調(diào)至3MPa及以下，否則鉆機(jī)回轉(zhuǎn)器等會因負(fù)荷高而停止運(yùn)行和轉(zhuǎn)動。

5 抽采效果及施工成本對比

5.1 屯蘭礦實(shí)際抽采效果情況

屯蘭礦12507綜采工作面采用“U”型通風(fēng)（軌道順槽進(jìn)風(fēng)，膠帶順槽回風(fēng)）+本煤層抽采+裂隙帶（頂板走向鉆孔+傾斜鉆孔）卸壓抽采+下鄰近層卸壓抽采及采空區(qū)埋管倒抽措施；回采期間工作面絕對瓦斯涌出量46m2/min，抽采量達(dá)40m3/min，配風(fēng)量1500m3/min，目前工作面平均日產(chǎn)6000t，回采期間工作面、上隅角、回風(fēng)瓦斯?jié)舛染?.50%以下，瓦斯?jié)舛容^為穩(wěn)定，回采工作穩(wěn)步推進(jìn)如圖2和圖3所示。從整體抽采效果看大孔徑鉆孔抽采效果完全可以滿足工作面安全生產(chǎn)。

圖2 12507綜采工作面瓦斯治理效果綜合數(shù)據(jù)圖

圖3 瓦斯抽采量與風(fēng)排量圖

5.2 施工工藝及成本對比

表1 大孔徑鉆孔和聯(lián)絡(luò)巷埋管施工工藝及成本對比

從表1中我們可以看出：

1）聯(lián)絡(luò)巷埋管需機(jī)掘巷道，貫通后需退掘進(jìn)機(jī)，對通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)整，再對橫貫進(jìn)行埋管封閉，布置聯(lián)絡(luò)巷橫貫工程量大、資金投入高及聯(lián)絡(luò)巷橫貫封閉運(yùn)料困難施工期長，采掘銜接緊張；

2）大孔徑鉆孔單個施工時間為5天，而聯(lián)絡(luò)巷埋管單個施工時間為10天，大孔徑鉆孔與聯(lián)絡(luò)巷埋管相比，施工時間可減少50%；

3）大孔徑鉆孔的施工成本只有聯(lián)絡(luò)巷埋管的15%，如48706工作面全部采用聯(lián)絡(luò)巷埋管則需要9個聯(lián)絡(luò)巷埋管，總成本為180萬元。如果采用大孔徑鉆孔，只需要27萬元，可節(jié)約85%的資金。

6 結(jié)束語

ZDY9000LS型鉆機(jī)具備在巖石堅(jiān)固性系數(shù)值f=3.1及以下的巖石層中鉆進(jìn)的能力，西銘礦利用φ350mm鉆頭試驗(yàn)“以孔代巷”穿透中等硬巖技術(shù)取得成功，與此同時，克服了聯(lián)絡(luò)巷埋管布置聯(lián)絡(luò)巷橫貫工程量大、資金投入高及聯(lián)絡(luò)巷橫貫封閉運(yùn)料困難施工期長，采掘銜接緊張問題，為西銘礦以孔代巷治理瓦斯提供有益參考。