機械水力一體化增透技術研究與應用

張軍義 王 露 朱水康

（1.河南能源集團鶴壁煤電股份有限公司，河南 鶴壁 458000；2.河南能源集團鶴壁中泰礦業有限公司，河南 鶴壁 458020；3.河南能源集團鶴壁煤電股份有限公司第九煤礦，河南 鶴壁 458020）

鶴壁煤電股份有限公司第九煤礦（以下簡稱“九礦”）由于煤層透氣性差，煤質較硬，屬較難抽放煤層，瓦斯抽采濃度低和單孔沖煤量少一直以來是影響瓦斯治理效果提升的主要問題。為了消除上述問題，研究應用機械水力一體化增透技術（以下簡稱“機械造穴技術”），對于增大煤層透氣性，提高抽采瓦斯濃度和純量，實現安全發展有非常重要的意義。

1 礦井概況

九礦隸屬于河南能源集團鶴壁煤電股份有限公司，位于鶴壁礦區北部，核定生產能力0.6 Mt/a。九礦為煤與瓦斯突出礦井，主采二疊系山西組二1煤層，煤厚6.02 m，傾角8°～25°。最大瓦斯含量20.6 m3/t，最大煤層瓦斯壓力1.12 MPa，煤層透氣性系數0.188 m2/MPa·d，煤的堅固性系數0.6～0.8，抽采半徑2.8 m。

2 實施地點概況

該項目實施地點在3103 上底抽巷，巷道全長420 m，巷道頂板距二1 煤層底板平均15 m，巷道尺寸為4.0 m（寬）×3.6 m(高)，采用錨網噴＋壁后注漿聯合支護技術。該區域最大原始瓦斯含量16.26 m3/t，原始壓力1.05 MPa。共設計鉆場27 個，736 個鉆孔，總工程量25 760 m，控制巷道輪廓線外不小于30 m。共分為3 個評價單元，每個單元140 m，每個單元安裝有自動計量和人工計量裝置。

3 項目的應用

3.1 技術原理

為解決煤體較硬、沖孔困難、耗時較長等問題，在2020 年2 月開始試驗了機械水力一體化增透技術。鉆孔開孔及穿巖時，使用直徑為Φ133 mm 鉆頭施工，至見煤位置后，通過清水泵調整水壓，將鉆頭后方可變徑機械造穴裝置刀臂（閉合狀態直徑Φ110 mm，完全展開后直徑Φ500 mm）展開，對煤體進行切割。該技術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。

機械造穴裝置刀臂在鉆孔內進行切割煤體，最后形成了較大體積的孔洞，充分進行煤體卸壓，增大了抽采范圍。同時，鉆孔周圍裂隙重新發育，增強了煤體的透氣性，促進瓦斯解吸和釋放，從而有效地實現對煤體的卸壓增透。如圖1、圖2、圖3。

圖1 機械造穴原理

圖2 機械造穴裝置模型圖

圖3 機械造穴裝置實物圖

3.2 主要裝備性能特點

3.2.1 履帶式全液壓鉆機

（1）外形寬度1.1 m，體積小，運動靈活，適用于煤礦狹窄巷道的鉆孔施工作業。

（2）可實現±180°方位角調整，-90°～+90°仰俯角調整，實現全方位布孔。

（3）主機導軌帶有隨動角度儀，可簡單準確定位施鉆仰俯角。

（4）聯動式的液壓控制，提高打鉆效率。

3.2.2 機械造穴液壓泵

（1）結構緊湊，移動方便，效率高，勞動強度低。

（2）輸出壓力高，流量大。

（3）可用作各采掘機械的噴霧防塵和電機水冷的泵站設備，也可做各類機械的清洗用泵。

3.2.3 振動篩式固液分離機

（1）高效分離煤水混合物中的煤水，分離效果好，處理能力強。

（2）采用履帶行走，提高對井下巷道的適應性，提高移動效率。

（3）結構合理，堅固耐用，噪音小，便于維護。

3.3 作業流程

（1）施工前，調整清水泵站的使用壓力，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，清水泵站水壓力控制在4 MPa ，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。

（3）退鉆至核算造穴起始位置，保持動力頭旋轉，調整清水泵站的水壓力，逐漸往上調壓。待清水泵站壓力調到 6～7 MPa 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切割煤體，造穴直徑擴大為Φ500 mm，同時進行水力沖孔。

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

（5）鉆孔擴孔完畢時，退出機械擴孔裝置。完全退出后，調整清水泵站的壓力，打開刀臂，清洗機械擴孔鉆頭齒輪部位及刀臂槽部位。

（6）當班施工完畢，退鉆拆卸擴孔鉆頭后，用清水對鉆頭內外反復沖洗，對造穴裝置進行保養，防止擴孔鉆頭內部銹蝕損壞。

3.4 應用效果

（1）單孔沖出煤量提高

使用機械造穴技術后，單孔沖孔煤量得到了較大提高。3103 上底抽巷原使用普通履帶鉆機施工水力沖孔，孔徑94 mm，單孔每米煤量在0.26 t/m 左右，平均單孔4.13 t。使用機械造穴技術共施工66 個鉆孔，累計穿煤長度1357 m，通過計量裝置驗收的煤量共計690.2 t，平均單孔10.46 t，提高153%；平均每米造穴沖孔煤量在0.6 t/m 左右，提高130%。如圖4、圖5。

圖4 單孔沖孔煤量對照圖

圖5 每米沖出煤量對照圖

可變徑機械造穴裝置直徑500 mm，計算成孔煤粉在0.27 t 左右，實際鉆孔每米造穴沖孔煤量在0.6 t/m 左右。通過計算，機械造穴后，實際形成的鉆孔孔洞直徑738 mm，較原使用的94 mm 鉆頭施工鉆孔，孔徑提升7.85 倍，每米鉆孔帶抽煤體體積由原來的0.006 9 m3提升為0.427 m3，增大62 倍，抽采效果十分顯著。

（2）鉆孔初始濃度提高

實施機械造穴工藝后，新施工鉆孔初始濃度80%以上鉆孔占比從16.13%上升到90.91%，小于30% 鉆孔占比從3.23%降低到0。

（3）鉆孔衰減速率減緩

由于鉆孔施工標準化提升、單孔沖孔煤量提高、封孔工藝改進，鉆孔衰減速率也得到了較大改善。

（4）抽采純量提升

3103 上底抽巷原抽采評價單元支管純量大約為2 m3/min，平均單孔純量0.003 4 m3/min，核算百米鉆孔流量0.02 m3/min·100 m 左右。66 個造穴鉆孔全部正式帶抽后，抽采純量增加了1.65 m3/min，計算造穴鉆孔平均單孔純量在0.025 m3/min，百米鉆孔流量0.043 m3/min·100 m，提升到原來的215%。

（5）鉆孔施工效率提高

原該地區施工的水力沖孔，鉆孔見煤后單孔沖孔時間在3 h 左右，加上穿巖等時間，每班只能施工一個鉆孔。在使用機械造穴后，鉆孔沖煤效率得到較大提高，鉆孔施工造穴時間在2 h 以內，提高了鉆孔施工效率。

（6）減少了治理工程量

通過施工機械造穴工藝，抽采鉆孔表面積和體積都有了較大提高。為進一步驗證鉆孔抽采效果，與科研院校合作，對造穴鉆孔有效影響半徑進行了井下考察，確定鉆孔有效影響半徑在6.1 m 左右，較現使用的2.8 m 抽采有效半徑，提升至2.18 倍，為優化區域治理鉆孔設計提供了理論依據。初步核算，由原來的每米巖巷2個鉆孔，優化至每米巖巷0.9個鉆孔。按治理煤巷條帶鉆孔平均30 m 進尺計算，每500 m 評價單元節約鉆孔275 個，鉆孔工程量10 500 m，節約成本99.75 萬元，在確保抽采效果的基礎上，節約了成本。

（7）預抽采地區提前達標

以500 m 長煤巷為例，煤厚8 m，控制巷道兩側30 m 以及巷道5 m 共計65 m 范圍，煤層儲量36.4 萬t，煤層原始瓦斯含量10 m3/t。按原設計鉆孔工程量為30 000 m，調整后設計鉆孔工程量19 500 m。按原百米流量為0.02 m3/min·100 m 計算，殘余瓦斯含量達到6 m3/t 以下，需要5.6 個月預抽期。根據造穴工藝鉆孔測定的0.045 m3/min·100 m 百米流量，殘余瓦斯含量達到6 m3/t 以下，需要預抽約4 個月，預計能夠實現煤巷條帶提前1.6 個月抽采達標。

4 結論

通過實施機械造穴工藝，與科研院校合作對項目進行考察后，得出單孔百米鉆孔流量單孔純量由0.02 m3/min·100 m 提升至0.043 m3/min·100 m，單孔每米沖出煤量由0.26 t/m 提高到了0.6 t/m，鉆孔抽采半徑由2.8 m 擴大至6.5 m，從而為優化鉆孔布局提供了依據，為提高抽采效果奠定了基礎。