汪開旺

(1.煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122； 2.煤礦安全技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

我國煤炭資源豐富，據(jù)預(yù)測(cè)，到2030年煤炭仍將占一次能源消費(fèi)總量的50%左右[1]。豐富的煤炭資源伴隨著儲(chǔ)量巨大的煤層瓦斯，由于我國大部分礦區(qū)煤層瓦斯賦存具有“三高兩低”特征[2](三高：煤層高瓦斯含量、高可塑性結(jié)構(gòu)、高吸附瓦斯能力；兩低：煤層滲透率低、強(qiáng)化措施下煤層常規(guī)破裂裂隙占比低)，在工作面回采過程中上隅角瓦斯時(shí)常會(huì)出現(xiàn)超限的情況，造成嚴(yán)重的安全隱患。

為解決上隅角瓦斯超限問題，有關(guān)科技人員開展了均壓通風(fēng)技術(shù)或者引風(fēng)流技術(shù)[3-6]、變U型通風(fēng)為Y型通風(fēng)[7-9]，以及采用高抽巷、高位鉆孔、上隅角埋(插)管等技術(shù)[10-14]治理上隅角瓦斯。這些技術(shù)取得了較好的治理效果，但也分別存在增加巷道內(nèi)設(shè)施、巖石巷道(鉆孔)施工和維護(hù)成本高的不足。因此，需要研究新的治理模式和方法來對(duì)上述技術(shù)成果進(jìn)行補(bǔ)充。

鑒于此，葉根飛根據(jù)山西煤礦井下巷道布置現(xiàn)狀提出施工大直徑鉆孔替代回風(fēng)巷道的聯(lián)絡(luò)巷抽采上隅角瓦斯的方法[15]，其采用多次擴(kuò)孔工藝形成直徑600 mm的近水平鉆孔；謝生榮等[16]基于“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)提出尾巷超大直徑管路橫接采空區(qū)密閉抽采技術(shù)，在回風(fēng)巷與尾巷間施工聯(lián)絡(luò)巷并在其中埋入?200 mm管路接入鋪設(shè)于尾巷中的管路(?1 200 mm)抽采系統(tǒng)，在抽采負(fù)壓作用下截流采空區(qū)涌向上隅角的瓦斯，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上隅角和尾巷瓦斯?jié)舛鹊姆€(wěn)定控制。后來研發(fā)了ZDJ10000L型系列履帶式大螺旋鉆機(jī)，可一次成型超大直徑鉆孔(通常鉆孔直徑大于500 mm)并全孔段敷設(shè)鋼質(zhì)護(hù)管，進(jìn)而對(duì)這種一次成孔抽采上隅角瓦斯的新技術(shù)進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了大流量和高濃度瓦斯抽采[17-18]。但是超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯新技術(shù)的研究主要集中在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用方面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔布置的數(shù)值模擬、應(yīng)用效果、經(jīng)濟(jì)效益對(duì)比做了詳細(xì)的闡述[17-19]，而針對(duì)具體的鉆機(jī)操作流程、統(tǒng)一規(guī)范的鉆孔施工技術(shù)工藝等方面并未進(jìn)行深入研究。筆者基于前期基礎(chǔ)研究和大量的現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，提出了超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯工藝，以期為現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提供參考。

1 超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯技術(shù)

1.1 技術(shù)原理

U型通風(fēng)方式下，在工作面回風(fēng)巷和鄰近的輔助巷之間布置超大直徑鉆孔對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行抽采，使上隅角附近形成一個(gè)負(fù)壓區(qū)，既可以截流攜帶高濃度瓦斯的漏風(fēng)流，又可以轉(zhuǎn)移上隅角附近的低能點(diǎn)，讓大部分漏風(fēng)回到抽采系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)治理上隅角瓦斯超限的目的，其抽采過程如圖1所示。

圖1 超大直徑鉆孔抽采示意圖

總的來說，其技術(shù)本質(zhì)主要是改變上隅角風(fēng)流場(chǎng)，不讓瓦斯在上隅角因渦流而積聚，同時(shí)截?cái)嗔穗S漏風(fēng)流涌向上隅角的瓦斯來源。

1.2 成套裝備

現(xiàn)已形成完整的超大直徑鉆孔施工鉆機(jī)成套技術(shù)與裝備，其主要由主機(jī)、電控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、鉆具、運(yùn)輸系統(tǒng)五大部分組成。

鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)額定轉(zhuǎn)矩10 000 N·m以上，額定轉(zhuǎn)速60 r/min，額定功率75 kW，鉆機(jī)行走速度 4.5 m/min，爬坡坡度小于15°，該套裝備能穩(wěn)定施工鉆孔深度大于80 m，最大鉆深可達(dá)100 m，鉆孔直徑為0.5～1.0 m。

2 鉆機(jī)操作施工參數(shù)

在其他因素不變時(shí)，超大直徑鉆孔的成孔效果取決于鉆機(jī)轉(zhuǎn)速、進(jìn)鉆速度、運(yùn)輸系統(tǒng)工效等施工參數(shù)。

2.1 鉆機(jī)轉(zhuǎn)速

鉆機(jī)額定轉(zhuǎn)速為60 r/min，鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的大小影響到鉆孔的走位。根據(jù)煤礦應(yīng)用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)及施工情況、實(shí)際成孔效果，當(dāng)煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值大于0.5或者煤層傾角較小時(shí)，可采用低轉(zhuǎn)速；當(dāng)煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值小于0.5或者煤層傾角較大時(shí)，可采用高轉(zhuǎn)速。

2.2 進(jìn)鉆速度

基于鉆機(jī)轉(zhuǎn)速同樣的影響后果，同時(shí)考慮煤渣排出情況，當(dāng)煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值大于0.5或者煤層傾角較小時(shí)，可慢推進(jìn)，一節(jié)鉆桿(長度為0.8 m)用時(shí)8～10 min；當(dāng)煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值小于0.5或者煤層傾角較大時(shí)，可快推進(jìn)，一節(jié)鉆桿用時(shí) 5～8 min。

2.3 運(yùn)輸系統(tǒng)工效

現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，出煤渣運(yùn)輸系統(tǒng)工作的好壞對(duì)整個(gè)鉆孔的施工速度有決定性的影響。根據(jù)已完成的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，選用孔口機(jī)載刮板運(yùn)輸機(jī)和膠帶輸送機(jī)(或者40煤溜)聯(lián)合出煤，出煤渣效率不能低于100 kg/min。

3 超大直徑鉆孔施工及抽采工藝

施工超大直徑鉆孔是為了在工作面回風(fēng)巷與鄰近的輔助巷之間制造一個(gè)通道，輔以其他手段達(dá)到抽采上隅角采空區(qū)瓦斯，降低瓦斯災(zāi)害的目的，提升安全水平、提高生產(chǎn)效率。其技術(shù)工藝分為鉆孔間距的確定、鉆孔選址、鉆孔施工、護(hù)管施工、封孔、連接抽放系統(tǒng)6個(gè)步驟。

3.1 工藝流程

超大直徑鉆孔抽采上隅角瓦斯技術(shù)流程：根據(jù)礦井煤層瓦斯地質(zhì)條件、瓦斯賦存情況及后期混合抽采量，確定鉆孔直徑和間距，然后依據(jù)回風(fēng)巷、輔助巷的設(shè)施條件和位置高差選擇具有出煤運(yùn)輸系統(tǒng)和較低位置的巷道進(jìn)行超大直徑鉆孔施工，成孔后退鉆，利用鉆機(jī)將鋼質(zhì)護(hù)管推入鉆孔進(jìn)行封孔，接著對(duì)鉆孔兩端進(jìn)行封孔，最后將鉆孔末端接入輔助巷中的抽采系統(tǒng)。

3.2 鉆孔間距的確定

抽采鉆孔都有一定的抽采影響范圍，使其控制半徑內(nèi)的風(fēng)流流向抽放管路，鉆孔間距過大將減弱對(duì)上隅角瓦斯的控制效果，起不到應(yīng)有的作用；鉆孔間距過小則不經(jīng)濟(jì)。因此，在煤柱中布置超大直徑鉆孔需要確定合理的鉆孔間距。

當(dāng)鉆孔直徑為500 mm時(shí)，結(jié)合文獻(xiàn)[19]的研究成果，并通過在煤礦井下對(duì)超大直徑鉆孔抽采瓦斯過程進(jìn)行監(jiān)控發(fā)現(xiàn)，隨著抽采位置向采空區(qū)內(nèi)轉(zhuǎn)移，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u增大，且當(dāng)工作面距抽采鉆孔間距由20 m增加至30 m時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛壬仙让黠@增大，打開新鉆孔抽采后，上隅角瓦斯?jié)舛妊杆傧陆?，隨著間距加大又逐漸升高。說明鉆孔間距大于30 m后不利于控制上隅角瓦斯，鉆孔間距選擇在 20～30 m內(nèi)比較合適。

3.3 鉆孔選址

科學(xué)合理的選址關(guān)系到鉆孔的成功率和安全性，超大直徑鉆孔位置必須滿足以下因素：

1)地質(zhì)因素。由于現(xiàn)階段所用鉆頭不具備破巖功能，在選擇位置時(shí)要盡量避開陷落柱、斷層，避免鉆孔塌孔無法成孔，也避免無法穿透煤柱。

2)施工因素。ZDJ10000L型鉆機(jī)長寬高分別為4.90、2.48、1.90 m，重達(dá)19 t，鉆機(jī)體型較大，現(xiàn)場(chǎng)需要有一定的作業(yè)空間進(jìn)行鉆機(jī)操作，通常巷道寬度不小于4.5 m，高度不小于3.0 m。鉆機(jī)采用螺旋鉆桿排渣，上向鉆孔利于排渣，因此作業(yè)巷道通常選擇標(biāo)高較低的巷道。

3)通風(fēng)因素。打鉆作業(yè)地點(diǎn)要有可靠充足的新鮮風(fēng)流，稀釋短時(shí)間內(nèi)因大量破煤而解吸出來的瓦斯。

3.4 鉆孔施工

施工時(shí)，鉆孔傾角、方位角、孔深、孔徑、開孔間距等要符合設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

鉆機(jī)組裝完成后，用鉆機(jī)吊裝設(shè)備將鉆頭、首節(jié)鉆桿、在加裝一節(jié)鉆桿后安裝至減速機(jī)上。主電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)，通過聯(lián)軸器、減速機(jī)帶動(dòng)鉆桿、鉆頭旋轉(zhuǎn)，然后在推進(jìn)液壓缸的作用下鉆具向煤體中推進(jìn)，鉆頭旋轉(zhuǎn)割煤鉆孔，通過螺旋鉆桿往外排渣。一節(jié)鉆桿完成后，操作單軌吊將下一節(jié)鉆桿吊放至對(duì)接位置，由對(duì)接操作人員將鉆桿對(duì)接并穿銷鎖好，即可進(jìn)行下一節(jié)鉆桿的鉆進(jìn)工作。如上反復(fù)循環(huán)，不斷接入鉆桿，直至鉆透煤柱為止。然后進(jìn)行退鉆操作，退鉆的操作順序與進(jìn)鉆操作相反。

鉆機(jī)司機(jī)必須熟悉鉆機(jī)性能，根據(jù)煤質(zhì)硬度和煤層傾角合理掌握鉆機(jī)轉(zhuǎn)速和鉆進(jìn)速度，并能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行及時(shí)調(diào)整。

3.5 護(hù)管施工

采用鉆機(jī)以機(jī)械方式向孔內(nèi)送入鋼質(zhì)護(hù)管。退鉆完畢后，將首節(jié)護(hù)管水平吊至鉆孔處并在首節(jié)護(hù)管安裝護(hù)管尖頭，然后利用鉆機(jī)推力將護(hù)管頂入鉆孔中。護(hù)管之間采用套口內(nèi)插式連接，前一節(jié)護(hù)管推入指定位置后連接下一根護(hù)管，依次循環(huán)，直至護(hù)管安裝完畢，護(hù)管安裝示意圖見圖2。護(hù)管安裝完成后，將護(hù)管尖頭卸下，在管口安裝防堵篩網(wǎng)。

圖2 護(hù)管裝配示意圖

3.6 封孔

超大直徑鉆孔封孔可根據(jù)鉆孔施工實(shí)際情況選擇黃泥(水泥)封孔或者囊袋式封孔器注漿封孔，囊袋為定制的MNB400/700型封孔囊袋，封孔長度為6 m(鉆孔兩端分別封3 m)。

3.7 連接抽放系統(tǒng)

在輔助巷道內(nèi)敷設(shè)抽放管路及閥門，利用法蘭與鋼質(zhì)護(hù)管的法蘭端(中間連接可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況加工不同長度的鋼管短節(jié)、軟管進(jìn)行連接)連接，并入抽放系統(tǒng)。中間連接可根據(jù)需要加入放水器、計(jì)量裝置，用于放水和觀測(cè)抽放鉆孔及管路的抽放濃度、抽放壓力、抽放流量等參數(shù)。

4 現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證

選擇在五陽煤礦7609工作面進(jìn)行超大直徑鉆孔施工。工作面煤層平均厚度約為5.90 m，7609回風(fēng)巷和7609輔助巷均沿煤層頂板掘進(jìn)，為矩形斷面，寬 5.0 m、高3.5 m，2條巷道平均間距48 m。7609回風(fēng)巷底板標(biāo)高高于7609輔助巷底板標(biāo)高，煤的堅(jiān)固性系數(shù)f值為0.30～0.45。

根據(jù)巷道布置層位現(xiàn)狀及巷道內(nèi)運(yùn)輸系統(tǒng)，選擇在輔助巷往回風(fēng)巷施工鉆孔。超大直徑鉆孔孔徑為550 mm，配套鉆桿選用?400 mm螺旋鉆桿，每根長度為0.8 m，鉆頭選用?550 mm鉆頭，垂直于煤墻施工，要求終孔高度離頂板0.5～1.0 m，開孔距離地面1.6 m左右。

共施工14個(gè)鉆孔，鉆孔平均長度為49 m，每班5個(gè)工人，每班次工作時(shí)間8 h。其中，1#～5#鉆孔未按照標(biāo)準(zhǔn)程序施工，6#～14#鉆孔嚴(yán)格按照前述鉆機(jī)操作施工參數(shù)及工藝要求進(jìn)行打鉆、敷設(shè)護(hù)管和封孔。各鉆孔部分參數(shù)及施工時(shí)間見表1。

表1 鉆孔參數(shù)及施工時(shí)間

超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯技術(shù)施工工藝切實(shí)可行，嚴(yán)格按照程序操作后，鉆孔終孔高度從平均1.6 m提高到3.0 m，打鉆時(shí)間從平均5.8個(gè)班次降到3.3個(gè)班次，提高了工作效率，從打鉆至完成護(hù)管安裝時(shí)間由平均7.6個(gè)班次降到4.7個(gè)班次，降低了61%，極大降低了施工成本。

5 結(jié)論

1)超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯技術(shù)的本質(zhì)是在上隅角制造一個(gè)大流量抽采鉆孔形成負(fù)壓區(qū)，以切斷采空區(qū)瓦斯供給和改變上隅角附近風(fēng)流場(chǎng)，從而達(dá)到治理上隅角瓦斯的目的。

2)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行歸納，研究形成了以鉆孔間距確定、鉆孔選址、鉆孔施工、護(hù)管施工、封孔、連接抽放系統(tǒng)為主的超大直徑鉆孔治理上隅角瓦斯施工工藝。

3)通過規(guī)范施工工藝提高了鉆孔終孔高度，將打鉆至完成護(hù)管安裝時(shí)間由平均7.6個(gè)班次降到4.7個(gè)班次，耗時(shí)降低了61%，證明該工藝切實(shí)可行，在保證鉆孔達(dá)到設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，提高了工作效率，降低了單個(gè)鉆孔施工成本。