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(jiǎn)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(méi)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(kāi)采和瓦斯綜合治理帶來(lái)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(zhǎng)5.25 km，東西傾向長(zhǎng)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(wàn)t/a的煤與瓦斯突出礦井，2019年礦井瓦斯等級(jí)鑒定，絕對(duì)瓦斯涌出量為36.72 m3/min，相對(duì)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(duì)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(duì)巷道掘進(jìn)無(wú)水害威脅，工作面開(kāi)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(jiǎn)單，無(wú)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(guò)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(duì)成熟，但高壓水力機(jī)械掏穴技術(shù)研究相對(duì)較少。針對(duì)嚴(yán)重突出煤層，從高壓水力機(jī)械掏穴機(jī)理出發(fā)，對(duì)原始煤體進(jìn)行切割，解決了煤層水力沖孔時(shí)單靠高壓水射流不能有效切割煤體的問(wèn)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(shí)，鉆孔周?chē)严吨匦掳l(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(shí)現(xiàn)對(duì)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(yàn)

3.1 設(shè)計(jì)方案確定

在32集中巷底板抽采巷布置水力沖孔鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)間距為6 m，每個(gè)鉆場(chǎng)10個(gè)鉆孔分2排布置，孔徑113 mm，間距3 m，要求鉆孔穿過(guò)煤層進(jìn)入頂板0.5 m。每個(gè)鉆場(chǎng)布置穿層抽采鉆孔16個(gè)，分2列布置，奇數(shù)列8個(gè)鉆孔、偶數(shù)列8個(gè)鉆孔，列間距為3 m，鉆場(chǎng)間距6 m，有效抽采半徑3 m，根據(jù)巷道實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)，確保無(wú)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(kāi)孔及穿巖時(shí)，使用φ133 mm鉆頭施工，至見(jiàn)煤位置后，通過(guò)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(kāi)后直徑460 mm)展開(kāi)，對(duì)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(hào)為CMS1-6000/55，最大轉(zhuǎn)矩為6 000 N·m，驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率55 kW；②水力沖孔泵型號(hào)為BRW200/31.5，公稱(chēng)流量200 L/min，公稱(chēng)壓力31.5 MPa；③振動(dòng)篩固液分離機(jī)型號(hào)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(shí)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(shí)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(kāi)始打開(kāi)時(shí)的壓力以及完全打開(kāi)時(shí)清水泵站水壓力表的壓力大小。

(2)打鉆時(shí)，泵站水壓力控制在4 MPa 以下，鉆孔正常施工，記錄鉆孔見(jiàn)煤及穿煤位置，穿透煤層見(jiàn)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(dòng)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(shí)，隨著齒條活塞下移，推動(dòng)齒輪刀臂，可變徑機(jī)械掏穴裝置刀臂開(kāi)始打開(kāi)。隨著壓力升高，待刀臂完全打開(kāi)時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割煤體，造穴直徑擴(kuò)大為460 mm，同時(shí)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(dòng)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(shí)，退出機(jī)械掏穴裝置，完全退出后，調(diào)整泵站的壓力，打開(kāi)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(duì)鉆頭內(nèi)外反復(fù)沖洗，對(duì)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(gè)鉆孔，累計(jì)穿煤長(zhǎng)度624 m，通過(guò)計(jì)量裝置驗(yàn)收的煤量共計(jì)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(jì)算成孔煤粉在0.25 t左右，實(shí)際鉆孔掏穴沖孔每米沖出煤量在1.37 t左右。通過(guò)機(jī)械掏穴后，實(shí)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(lái)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(duì)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(duì)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(shí)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(gè)掏穴鉆孔全部正式帶抽后，瓦斯抽采純量2.5 m3/min，計(jì)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?，且鉆孔瓦斯?jié)舛人p率大幅減緩，帶抽4個(gè)月鉆孔基本保持初始瓦斯?jié)舛炔蛔?，取得了明顯的效果。

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

(4)通過(guò)在32集中巷實(shí)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(yàn)鉆孔抽采效果，八礦與華北科技學(xué)院正在合作，對(duì)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(jì)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。