高壓水力機(jī)械掏穴工藝在突出礦井穿層鉆孔中的研究及應(yīng)用

尚 賓

(河南能源化工集團(tuán) 鶴煤公司八礦，河南 鶴壁 458003)

鶴壁礦區(qū)為單一可采煤層，整體構(gòu)造形態(tài)為單斜，走向近南北，向東傾斜。含煤地層為石炭二疊系含煤巖系，共含煤15層，其中二1煤為主采煤層。二1煤位于二疊系山西組下部，賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤厚4.0～15.0 m，平均厚8.0 m。煤田大部分為緩傾斜煤層，煤層傾角5°～25°，一般20°左右，局部大于30°。其他煤層都不可采，由于礦區(qū)沒有解放層可采，采取區(qū)域治理措施困難。并且礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷層褶曲發(fā)育，尤其到井田深部斷層更多，給礦井開采和瓦斯綜合治理帶來很大困難。煤層透氣性低，瓦斯賦存受地質(zhì)構(gòu)造影響較為嚴(yán)重，靠近斷層和褶曲軸部為瓦斯富集區(qū)。

八礦位于鶴壁礦區(qū)南部，井田南北走向長5.25 km，東西傾向長1.7～1.9 km，面積約7.9 km2。井田為一隱伏井田，屬單斜構(gòu)造。二疊系山西組二1煤層為礦井唯一可采煤層，平均厚度6.75 m，平均傾角24°。井田內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，斷裂構(gòu)造發(fā)育，尤其小斷層較多，煤層穩(wěn)定性中等，局部存在明顯的變薄現(xiàn)象，并呈條帶狀分布。礦井為核定生產(chǎn)能力81萬t/a的煤與瓦斯突出礦井，2019年礦井瓦斯等級鑒定，絕對瓦斯涌出量為36.72 m3/min，相對瓦斯涌出量為39.63 m3/t，煤層瓦斯含量5.49～18.36 m3/t，瓦斯壓力0.50～1.75 MPa。

1 工作面概況

32集中抽采巷主要為3207工作面區(qū)域措施治理服務(wù)，井下位于礦井三水平32采區(qū)。3207工作面位于井田的北部，對應(yīng)的地面位于故縣新村南，地面標(biāo)高+134.05～+138.12 m，地面起伏不大，基本全為已搬遷的故縣舊村。工作面南部地面為塌陷積水區(qū)，對巷道掘進(jìn)無水害威脅，工作面開采二1煤層，工作面標(biāo)高-598.8～-653.8 m。工作面煤層走向NE轉(zhuǎn)向NW，傾向SE轉(zhuǎn)向NE，傾角17°～32°，平均27°，平均煤厚7.0 m，煤層結(jié)構(gòu)簡單，無夾矸層。煤層直接頂為泥巖，厚度4.4 m；基本頂為砂質(zhì)泥巖，厚度11.3 m。煤層直接底為泥巖，厚度1.0 m；基本底為砂質(zhì)泥巖，厚度4.0 m。

2 穿層鉆孔高壓水力機(jī)械掏穴技術(shù)

瓦斯區(qū)域治理技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高壓水力沖孔、增透等技術(shù)在壓裂機(jī)理、增透機(jī)理、裂紋擴(kuò)展規(guī)律及水力壓裂工藝方面進(jìn)行了大量研究，中、硬煤層水力壓裂增透機(jī)理及工藝相對成熟，但高壓水力機(jī)械掏穴技術(shù)研究相對較少。針對嚴(yán)重突出煤層，從高壓水力機(jī)械掏穴機(jī)理出發(fā)，對原始煤體進(jìn)行切割，解決了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。造穴裝置刀臂在鉆孔內(nèi)切割煤體，最后形成了較大體積的孔洞，充分進(jìn)行煤體卸壓，增大了有效抽采范圍。同時，鉆孔周圍裂隙重新發(fā)育，增強(qiáng)了煤體的透氣性，促進(jìn)瓦斯解吸和釋放，從而有效地實現(xiàn)對煤體的卸壓增透[1-4]。穿層鉆孔高壓水力機(jī)械掏穴技術(shù)工作原理如圖1所示。

圖1 穿層鉆孔高壓水力機(jī)械掏穴技術(shù)工作原理Fig.1 Working principle of high pressure hydraulic mechanical digging for layer-through boreholes

3 探索試驗

3.1 設(shè)計方案確定

在32集中巷底板抽采巷布置水力沖孔鉆場，鉆場間距為6 m，每個鉆場10個鉆孔分2排布置，孔徑113 mm，間距3 m，要求鉆孔穿過煤層進(jìn)入頂板0.5 m。每個鉆場布置穿層抽采鉆孔16個，分2列布置，奇數(shù)列8個鉆孔、偶數(shù)列8個鉆孔，列間距為3 m，鉆場間距6 m，有效抽采半徑3 m，根據(jù)巷道實際情況進(jìn)行設(shè)計，確保無抽采空白帶。鉆孔施工要求全部采用高壓泵水力沖孔[5-8]，施工順序：鉆孔開孔及穿巖時，使用φ133 mm鉆頭施工，至見煤位置后，通過清水泵調(diào)整水壓，將鉆頭后方可變徑機(jī)械造穴裝置刀臂(閉合狀態(tài)直徑110 mm，完全展開后直徑460 mm)展開，對煤體進(jìn)行切割。要求每孔沖出煤量不少于6 t。

3.2 設(shè)備選型

①履帶鉆機(jī)型號為CMS1-6000/55，最大轉(zhuǎn)矩為6 000 N·m，驅(qū)動電機(jī)功率55 kW；②水力沖孔泵型號為BRW200/31.5，公稱流量200 L/min，公稱壓力31.5 MPa；③振動篩固液分離機(jī)型號為KFS-50/11，處理量為50 m3/h，電機(jī)功率為11 kW，網(wǎng)孔尺寸為0.5 mm，篩分效率70%～85%，振次920次/min；④機(jī)械掏穴鉆頭直徑為73 mm，噴嘴3只，噴嘴直徑1.5 mm，鉆孔擴(kuò)徑后直徑可達(dá)到460 mm[5-7]。機(jī)械掏穴鉆頭模型如圖2所示，機(jī)械掏穴鉆頭實物如圖3所示。

圖2 機(jī)械掏穴鉆頭模型Fig.2 Bit model of mechanical digging

圖3 機(jī)械掏穴鉆頭實物Fig.3 Physical drawing of bit for mechanical digging

3.3 施工流程

機(jī)械掏穴工藝操作流程如圖4所示。

圖4 機(jī)械掏穴工藝操作流程Fig.4 Process operation flow of mechanical digging

(1)施工前，檢查機(jī)械掏穴裝置，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。

(2)打鉆時，泵站水壓力控制在4 MPa 以下，鉆孔正常施工，記錄鉆孔見煤及穿煤位置，穿透煤層見頂板不少于0.5 m后，停止推進(jìn)。

(3)退鉆至核算掏穴起始位置，保持動力頭旋轉(zhuǎn)，調(diào)整泵站的水壓力，逐漸往上調(diào)壓，待泵站壓力調(diào)到 6～7 MPa 時，隨著齒條活塞下移，推動齒輪刀臂，可變徑機(jī)械掏穴裝置刀臂開始打開。隨著壓力升高，待刀臂完全打開時進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割煤體，造穴直徑擴(kuò)大為460 mm，同時進(jìn)行水力沖孔。

(4)待鉆孔施工至核算掏穴結(jié)束位置，保持動力頭旋轉(zhuǎn)，緩慢降低清水泵站的壓力至4 MPa以下，刀臂收合。

(5)鉆孔擴(kuò)孔完畢時，退出機(jī)械掏穴裝置，完全退出后，調(diào)整泵站的壓力，打開刀臂，清洗機(jī)械掏穴鉆頭齒輪部位及刀臂槽部位。

(6)當(dāng)班施工完畢，退鉆拆卸擴(kuò)孔鉆頭后，用清水對鉆頭內(nèi)外反復(fù)沖洗，對造穴裝置進(jìn)行保養(yǎng)，防止擴(kuò)孔鉆頭內(nèi)部銹蝕損壞。

4 應(yīng)用效果

4.1 單孔沖出煤量

3205底抽巷原使用普通履帶鉆機(jī)施工水力沖孔，孔徑94 mm，單孔每米沖出煤量在0.51 t左右，平均單孔沖出煤量4.08 t。使用機(jī)械掏穴技術(shù)共施工78個鉆孔，累計穿煤長度624 m，通過計量裝置驗收的煤量共計858.7 t，平均單孔沖出煤量11.1 t，提高172%；平均造穴沖孔每米沖出煤量在1.37 t左右，提高168%。可變徑機(jī)械掏穴裝置直徑460 mm，計算成孔煤粉在0.25 t左右，實際鉆孔掏穴沖孔每米沖出煤量在1.37 t左右。通過機(jī)械掏穴后，實際形成的鉆孔直徑726 mm，較原使用的φ94 mm鉆頭施工鉆孔，孔徑提升7.82倍，每米鉆孔帶抽煤體體積由原來的0.006 5 m3提升為0.426 0 m3，增大64倍，具有較好的抽采效果。施工前后每米沖出煤量和單孔沖出煤量對比如圖5所示。

圖5 施工前后每米沖出煤量和單孔沖出煤量對比Fig.5 Comparison of coal output per meter and single hole before and after construction

4.2 鉆孔初始瓦斯?jié)舛?/h3>

在32集中巷實施抽采鉆孔(尤其是機(jī)械掏穴工藝)后，新施工鉆孔初始瓦斯?jié)舛?0%以上鉆孔占比從15.6%升至78.5%；瓦斯?jié)舛刃∮?0%鉆孔占比從18%降至0；32集中巷新施工鉆孔瓦斯初始濃度80%以上鉆孔占比達(dá)85.6%，有效杜絕了瓦斯?jié)舛炔缓细胥@孔。

4.3 鉆孔瓦斯?jié)舛人p速率

由于鉆孔施工標(biāo)準(zhǔn)化提升、單孔沖出煤量提高、封孔工藝改進(jìn)，鉆孔瓦斯?jié)舛人p速率也得到了較大改善。施工前后鉆孔瓦斯?jié)舛人p速率如圖6所示。

圖6 施工前后鉆孔瓦斯?jié)舛人p速率Fig.6 Decay rate of gas concentration in boreholes before and after construction

4.4 瓦斯抽采純量

3205底抽巷原200 m抽采平均單元支管純量為2.08 m3/min，平均單孔純量0.017 m3/min，核算百米鉆孔流量為0.007 m3/(min·hm)。80個掏穴鉆孔全部正式帶抽后，瓦斯抽采純量2.5 m3/min，計算掏穴鉆孔平均單孔純量為0.028 m3/min，百米鉆孔流量0.056 m3/(min·hm)，取得了較好的抽采效果。

5 結(jié)論

(1)單孔沖出煤量提高，單孔每米沖出煤量由0.51 t提高到1.37 t，平均單孔沖出煤量由4.08 t提高到11.10 t；擴(kuò)大了鉆孔沖煤造成的孔洞，形成松軟的煤層，增加了煤層的透氣性，具有較好的抽采效果。

(2)鉆孔初始瓦斯?jié)舛却蠓岣撸毅@孔瓦斯?jié)舛人p率大幅減緩，帶抽4個月鉆孔基本保持初始瓦斯?jié)舛炔蛔儯〉昧嗣黠@的效果。

(3)抽采鉆孔瓦斯抽采純量明顯提高，按照目前的抽采量計算，以32集中巷控制區(qū)域瓦斯儲量為例，在原有預(yù)抽期的基礎(chǔ)上可以提前2個月抽采達(dá)標(biāo)。

(4)通過在32集中巷實施機(jī)械掏穴工藝后，抽采鉆孔表面積和體積都有了較大提高。為進(jìn)一步檢驗鉆孔抽采效果，八礦與華北科技學(xué)院正在合作，對掏穴鉆孔有效影響半徑進(jìn)行了井下考察，初步確定鉆孔有效影響半徑在4.9 m左右，較八礦現(xiàn)使用的3.0 m抽采有效半徑提升至1.6倍。為優(yōu)化區(qū)域治理鉆孔設(shè)計提供了理論依據(jù)，初步核算，在確保抽采效果的基礎(chǔ)上，節(jié)約了成本，提升了區(qū)域治理進(jìn)度，保證了礦井抽采接替。