順層鉆孔機械造穴增透技術(shù)及現(xiàn)場應(yīng)用研究

武亞男

(山西潞安化工集團 余吾煤業(yè)公司,山西 長治 046103)

余吾煤業(yè)為山西潞安化工集團的一座高瓦斯礦井,設(shè)計生產(chǎn)能力750萬噸/年,平均煤厚6.0 m,瓦斯含量為3.06～23.69 m3/t,煤層透氣性系數(shù)范圍區(qū)間是0.524 0～1.741 5 m2/(MPa2·d)。

1 技術(shù)原理

機械造穴工藝通過形成孔洞釋放煤層中瓦斯積聚勢能,提高煤層透氣性,從而實現(xiàn)增透的目的。機械造穴工藝集水力打鉆、機械造穴為一體,在常規(guī)打鉆過程采用1～2 MPa的低壓水,起到排粉降塵、冷卻鉆頭的作用。機械造穴時使清水泵站壓力達到10 MPa的高壓狀態(tài),機械刀臂完全打開,進行煤體切割產(chǎn)生孔洞,通過高低泵壓的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)打鉆造穴一體化,見圖1.機械造穴工藝受煤層情況及參數(shù)影響不大,出煤量、增透卸壓效果相對穩(wěn)定[1-2]。

圖1 造穴增透瓦斯流動示意

2 技術(shù)工藝

2.1 設(shè)備介紹

機械造穴成套設(shè)備由煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機、清水泵、振動篩、高壓密封鉆桿、高壓旋轉(zhuǎn)接頭、鉆頭、鉆桿、自動開合式機械擴孔裝置等組成。鉆桿為外徑89 mm的三棱高壓密封鉆桿,鉆頭直徑為120 mm.

1) 鉆機:鉆機扭矩為7 300 N·m,動力強勁,能滿足深孔打鉆要求;鉆機寬度為1.1 m,導(dǎo)軌可實現(xiàn)水平±180°旋轉(zhuǎn),俯仰-90°～+90°調(diào)角,垂直650 mm升降距離,可以在任意需要位置打孔。

2) 機械刀:能夠?qū)崿F(xiàn)低壓正常打鉆,高壓刀臂打開擴孔造穴。刀臂轉(zhuǎn)換壓力為4 MPa,正常鉆進時,利用清水泵提供壓力為2 MPa的水快速鉆進,造穴時,調(diào)高壓力至4 MPa打開刀臂,再將壓力調(diào)至10 MPa進行造穴。刀體最大直徑110 mm,刀體擴孔直徑500 mm.由定向扶正器、連接轉(zhuǎn)換器、變徑擴孔器、復(fù)位器、逆向防堵器組成。機械刀構(gòu)成見圖2,實物見圖3.

圖2 機械刀構(gòu)成

3) 清水泵:清水泵型號為BQWL315/16-XQ315/12,泵站能夠提供315 L/min、16 MPa的高壓水輸出。水力造穴清水泵型號為BQWL200/31.5-XQ200/12,能夠提供200 L/min、20 MPa的高壓水輸出。即機械造穴配套清水泵站具有流量大的特點,一方面用于機械刀臂開閉,一方面提供315 L/min的大流量水,提高排渣效率,防止夾鉆。同時機械造穴配套清水泵額定壓力較低,在滿足現(xiàn)場施工的前提下,間接提高了作業(yè)安全性。

圖3 機械刀實物圖

2.2 造穴參數(shù)

N2106回風(fēng)巷機械造穴采用“后退式”先成孔后造穴的施工工藝。首先鉆孔施工至設(shè)計深度,開始造穴時,先保持鉆機動力頭原地低速旋轉(zhuǎn),待孔口返水后,開始緩慢調(diào)整高壓泵壓力至4 MPa,通過鉆機壓力及返渣情況確認(rèn)機械刀臂打開后,再逐步將壓力調(diào)至8～10 MPa開始造穴。造穴間距為8 m,造穴長度為2 m,單穴出煤量為0.6 t,單穴造穴時間為20 min左右,最大造穴深度為176 m.N2106回風(fēng)巷后退式機械造穴參數(shù)見表1.

表1 N2106回風(fēng)巷后退式機械造穴參數(shù)

圖4 機械造穴鉆孔穴洞布置圖

2.3 工程概況

N2106工作面位于東翼采區(qū),沿南北方向布置,N2106回風(fēng)巷巷道沿3號煤層底板布置,斷面寬為5.4 m,高為3.8 m,切眼長為300 m,可采長度為1 024 m.機械造穴鉆孔設(shè)計深度為180 m,鉆孔間距為4 m.

表2 不同巷道機械造穴、水力造穴、普通鉆孔抽采純量數(shù)據(jù)

3 應(yīng)用效果

3.1 萬米抽采量對比

為考察機械造穴、水力造穴鉆孔、普通孔抽采效果,選擇N2106回風(fēng)巷10個機械造穴孔、N2106回風(fēng)巷3個普通孔、N1105回風(fēng)巷10個水力造穴孔萬米抽采量進行對比,鉆孔帶抽時間均為4個月。

1) 機械造穴孔流量優(yōu)于普通鉆孔。鉆孔經(jīng)過機械造穴后,孔內(nèi)煤體暴露面積增大,煤體瓦斯解吸量變大,抽采純量較高。與普通孔相比,機械造穴孔在第1個月、第2個月、第3個月、第4個月的萬米抽采純量分別為普通孔的3.78倍、3.65倍、2.78倍、3.03倍[3-5]。

2) 水力造穴鉆孔抽采純量優(yōu)于機械造穴鉆孔。水力造穴、機械造穴都是通過高壓設(shè)備增加鉆孔孔徑,按照孔深150 m計算,水力造穴孔單孔出煤量為12 t,機械造穴孔單孔出煤量為9 t,即水力造穴孔比機械造穴孔為3 t.同時水力造穴半徑為0.48 m,機械造穴半徑為0.26 m,水力造穴煤穴面積大于機械造穴,另外N1105工作面煤體瓦斯含量高于N2106回順,這也是水力造穴抽采純量優(yōu)于機械造穴鉆孔的一個原因。

與機械造穴鉆孔相比,水力造穴鉆孔在第1個月、第2個月、第3個月、第4個月的萬米抽采純量為機械造穴的1.76倍、1.86倍、1.86倍、1.88倍。

圖5 不同巷道機械造穴、水力造穴、普通鉆孔萬米抽采純量對比

3.2 純量衰減系數(shù)對比

在不受采動影響的條件下,煤層內(nèi)鉆孔的瓦斯流量隨時間呈衰減變化的特性系數(shù)稱為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)。它可以作為評價煤層預(yù)抽瓦斯難易程度的一個指標(biāo),其計算公式如下:

式中:α為鉆孔瓦斯抽采量隨時間變化規(guī)律特征參數(shù),α越小鉆孔瓦斯抽放效果就越好;反之,則鉆孔瓦斯抽采效果就越差。qt為經(jīng)過t時間后的鉆孔瓦斯流量,m3/min;q0鉆孔初始瓦斯流量,m3/min;t為時間,d;α為鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù),d-1.

圖6 不同巷道機械造穴、水力造穴鉆孔萬米抽采純量對比

由圖6可知,水力造穴、機械造穴、普通鉆孔流量衰減趨勢均符合負指數(shù)變化曲線,其中水力造穴孔擬合公式為y=8.789e-0.29x,機械造穴孔擬合公式為y=5.037e-0.31x,普通孔擬合公式為y=1.213e-0.21x.即水力造穴孔流量衰減系數(shù)為0.29 d-1,機械造穴孔流量衰減系數(shù)為0.31 d-1,普通孔流量衰減系數(shù)為0.21 d-1.

顯然,機械造穴孔流量衰減系數(shù)最大,水力造穴孔次之,普通孔最小。

3.3 噸煤瓦斯含量下降對比

通過整理數(shù)據(jù),得出水力造穴、機械造穴、普通孔隨著帶抽時間(x)對應(yīng)的噸煤瓦斯含量下降(y)公式,其中水力造穴公式為y=0.679e-0.07x,機械造穴公式為y= 0.981e-0.22x,普通孔公式為y=0.412e-0.11x.表3為水力造穴、機械造穴、普通孔不同時間時噸煤瓦斯含量下降情況[6]。

表3 水力造穴、機械造穴、普通孔不同帶抽時間對應(yīng)噸煤瓦斯含量

1) 首月噸煤瓦斯含量下降量。水力造穴鉆孔在帶抽第1個月時噸煤瓦斯含量下降0.63 m3/t,機械造穴鉆孔在帶抽第1個月時噸煤瓦斯含量下降0.79 m3/t,普通孔在帶抽第1個月時噸煤瓦斯含量下降0.37 m3/t.

2) 1年噸煤瓦斯含量累計下降量。水力造穴鉆孔在帶抽第12個月時噸煤瓦斯含量累計下降5.32 m3/t,機械造穴鉆孔在帶抽第12個月時噸煤瓦斯含量累計下降3.7 m3/t,普通孔在帶抽第12個月時噸煤瓦斯含量累計下降2.6 m3/t.

3.4 施工效率對比

機械造穴孔單月能夠完成25個,造穴孔打鉆時間為16 h,造穴用時6 h;水力造穴孔單月能夠完成18個,造穴孔打鉆時間為20 h,造穴用時10 h;普通孔單月能夠完成25個,打鉆時間為24 h.

N2106回順可采長度為1 024 m,則巷道均按照同一種類型鉆孔,兩臺鉆機同時施工計算,機械造穴孔、水力造穴孔間距4 m,普通孔2.5 m的情況下,機械造穴孔用時154 d,水力造穴孔用時218 d,普通孔用時246 d.即機械造穴用時最少,分別比水力造穴、普通孔用時減少64 d、92 d.

表4 水力造穴、機械造穴、普通孔施工用時

3.5 施工條件對比

機械造穴工藝與水力造穴工藝原理基本相同,都是通過形成孔洞釋放煤層中瓦斯積聚勢能,提高煤層透氣性,從而實現(xiàn)增透的目的。

1) 煤體硬度。對于煤體硬度偏大的區(qū)域,水力破煤效果不好,返渣量較小,并且出煤時間長。而機械刀能夠利用刀齒快速破煤,出煤效率較高。

2) 用水量。水力造穴配備清水泵流量為200 L/min,機械造穴配備清水泵流量為315 L/min.施工機械造穴使用清水泵對流量要求較高,較低壓力即可完成造穴作業(yè),施工安全方面機械造穴優(yōu)于水力造穴。

3) 俯孔造穴。目前關(guān)于俯孔造穴過程中出現(xiàn)煤渣堵塞問題的解決辦法是使用大流量泵將孔內(nèi)煤渣排出孔外,機械造穴工藝具有流量大的特點,適用于俯孔造穴。

4) 預(yù)抽時間。水力造穴孔單月能夠完成18個,機械造穴孔單月能夠完成25個,因此對于預(yù)抽時間較短的工作面,建議使用機械造穴提高施工效率,增加預(yù)抽時間。

綜上所述,機械造穴適用于煤體偏硬、水量充足、深孔鉆進、預(yù)抽緊張、俯孔造穴等條件。

4 結(jié) 語

1) 機械造穴孔流量優(yōu)于普通鉆孔,鉆孔經(jīng)過機械造穴后,孔內(nèi)煤體暴露面積增大,抽采純量較高。在帶抽第1個月至第4個月,機械造穴孔萬米抽采量為普通孔的3倍左右。

2) 水力造穴鉆孔抽采純量優(yōu)于機械造穴鉆孔。水力造穴、機械造穴都是通過高壓設(shè)備增加鉆孔孔徑,水力造穴半徑為0.48 m,機械造穴半徑為0.26 m,水力造穴孔出煤量比機械造穴孔為3 t.在帶抽第1個月至第4個月,水力造穴孔萬米抽采量為機械造穴孔的1.8倍左右。

3) 機械造穴孔流量衰減系數(shù)最大,系數(shù)為0.31 d-1;水力造穴孔次之,最大系數(shù)為0.28 d-1;普通孔最小,系數(shù)為0.21 d-1.

4) 在帶抽時間相同的情況下,機械造穴鉆孔首月噸煤瓦斯含量下降量最大,達到0.79 m3/t,水力造穴為0.63 m3/t,普通孔為0.37 m3/t.水力造穴孔帶抽12個月噸煤瓦斯含量累計下降5.32 m3/t,機械造穴鉆孔累計下降3.7 m3/t,普通鉆孔累計下降2.6 m3/t.

5) 機械造穴相較于水力造穴、機械造穴、適用于煤體偏硬、預(yù)抽緊張、俯孔造穴等條件。