曹志剛 劉 俊
(1.國家能源集團新疆能源有限責(zé)任公司,新疆 烏魯木齊 830027;2.中煤科工集團重慶研究院有限公司,重慶 400037)
烏東煤礦為高瓦斯礦井,主采43#、45#煤層,均為急傾斜特厚煤層,平均煤層傾角45°。隨著礦井開采水平的延伸,開采煤層的瓦斯含量和壓力都不斷增加,使得瓦斯災(zāi)害成為影響烏東煤礦安全的第一因素[1]。煤層瓦斯壓力的不斷遞增,往往會造成鉆孔施工困難,甚至出現(xiàn)鉆孔卡鉆、噴孔現(xiàn)象,鉆孔無法達到設(shè)計施工要求,造成回采工作面出現(xiàn)大面積的空白帶,影響掘進工作面正常掘進。鉆孔不能按照設(shè)計要求完成,直接影響采掘接替工作的開展。
烏東煤礦北采區(qū)在鉆孔施工前期,由于煤層瓦斯含量較小,在鉆孔施工過程中尚未出現(xiàn)卡鉆、頂鉆等現(xiàn)象,鉆孔施工比較順利。但是在+500 m 水平施工邊掘邊抽鉆孔時,特別是在+500 m 水平43#煤層?xùn)|翼施工鉆孔時,按照平常鉆孔施工速度,常會出現(xiàn)鉆孔排渣不及時,導(dǎo)致卡鉆和頂鉆現(xiàn)象,鉆孔很難施工至設(shè)計深度。因此,需要分析卡鉆、頂鉆以及鉆孔排渣不及時的原因,采取措施提高鉆孔施工長度[2-4]。
烏東煤礦擁有ZDY1900S 和DY4000S 鉆機,進行煤層瓦斯預(yù)抽鉆孔施工的主要是ZDY4000S 鉆機。本裝置的主要組成部分有主機、操縱臺和泵站,由于裝置的特殊性,連接時選用特制高壓膠管將各部分進行拼接。主機是鉆機傳動裝置,里面有給進裝置、回轉(zhuǎn)器等;操縱臺是鉆機的核心裝置,主要用于控制鉆機的運行,有控制閥、壓力表以及各種管件;泵站是鉆機的動力裝置,靠著泵站提供的動力,鉆機才能正常運行,其由彈性聯(lián)軸器、斜軸式軸向柱塞泵、隔爆型電動機和油箱等組成。ZDY4000S 鉆機主要技術(shù)參數(shù)見表1。
表1 ZDY4000S 鉆機參數(shù)表
烏東煤礦在前期鉆孔施工過程中,采用的鉆孔施工工藝如下:
(1)鉆孔開孔前必須要防止隱患的發(fā)生,主要從三個大的方面進行考慮:鉆場內(nèi)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺仨毜陀?.5%;供水和供電保持正常;排水和排廢物等通道通暢。只有等到一切安全隱患都消除后,才能進行開鉆。
(2)鉆機開孔時必須嚴格按照設(shè)計要求進行開孔,必須與設(shè)計參數(shù)保持一致,包括傾角、方位角等各個因素。
(3)開孔采用Φ113 mm 的PDC 鉆頭施工至設(shè)計位置,之后通知相關(guān)部門驗收鉆孔。
(4)鉆孔參數(shù)驗收后,開始退鉆,退鉆結(jié)束后要進行擴孔。擴孔選用專用復(fù)合擴孔鉆頭,需要擴至6~7 m 左右進行處理,確保鉆孔內(nèi)無廢渣后再進行退鉆。然后嵌入套管,管口外端超出煤壁30 cm 左右,下管同時用馬麗散進行封孔,之后接抽。
當(dāng)鉆孔進入軟分層時(煤層瓦斯壓力和瓦斯含量大),極易使煤層內(nèi)的瓦斯快速的解吸,原因是鉆頭的鉆進過程中會對煤體產(chǎn)生沖擊使其破碎。粉碎后煤體會在鉆孔周圍迅速解吸,使得流入鉆孔內(nèi)的瓦斯含量急劇增加,最高可以達到正常瓦斯含量的幾十倍。鉆孔前后兩端產(chǎn)生較大的壓力梯度,從而發(fā)生瓦斯激流現(xiàn)象。由于鉆桿使得鉆孔孔徑變小,從而影響了瓦斯和煤粉顆粒的排出,使得內(nèi)部壓力變大,內(nèi)外形成了壓強差使得瓦斯和粉塵顆粒向外噴出,形成噴孔和卡鉆[5]。
若要進行正常的鉆孔施工,需要完全、及時地排出鉆孔內(nèi)的鉆屑,且在鉆孔過程中盡量減少對鉆孔孔壁的破壞,否則易出現(xiàn)卡鉆、噴孔現(xiàn)象。一般情況下鉆孔的施工采用水作為沖洗介質(zhì),也有采用風(fēng)力排渣,風(fēng)力排渣缺點是作業(yè)地點的粉塵較難控制,對于順層長鉆孔一般礦井的風(fēng)壓和流量可能不滿足要求。另外,如果煤層中含水量豐富,采用風(fēng)力排渣就難以將鉆孔的鉆屑排出,導(dǎo)致鉆桿在鉆孔過程中發(fā)生燒死現(xiàn)象。
通過生產(chǎn)實踐發(fā)現(xiàn),針對上述現(xiàn)象可以采取如下措施:
(1)及時對操作人員進行技術(shù)和安全培訓(xùn),不僅要提高施工效率,同時也要保證施工安全。在打鉆過程中不可以強行鉆進,要進行多次的瓦斯含量監(jiān)測,根據(jù)瓦斯的含量調(diào)整鉆進的速度。
(2)遇到響煤炮、頂鉆和夾鉆時應(yīng)當(dāng)立即停止施工,減少水量供應(yīng),對其進行排放卸壓,一段時間后再進行施工。同樣遇到鉆進過程中持續(xù)劇烈噴孔、煤壁開裂或移動、濕式打眼噴干煤等現(xiàn)象時不僅要立即停止施工,還要注意不能退鉆洗孔,并且要求技術(shù)人員安全撤離至有新鮮風(fēng)流處,直到瓦斯不再突出后再進行鉆進。
(3)定時進行瓦斯含量的監(jiān)測。要求瓦斯監(jiān)測人員嚴格按照檢查制度進行現(xiàn)場瓦斯含量檢查,若有瓦斯超限情況出現(xiàn),立即組織人員撤離至安全位置。
(4)對現(xiàn)場鉆孔施工和監(jiān)管人員進行相關(guān)知識認識及預(yù)兆方面的專項培訓(xùn),提高安全意識。
(5)調(diào)整鉆孔施工工藝,采用邊鉆邊抽措施,促進鉆孔排渣。
(1)開孔前必須防止隱患的發(fā)生,鉆場內(nèi)回風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺仨毜陀?.5%,供水和供電必須正常,例如各線路是否可以正常運行,排水和排廢物等是否通暢。只有等到一切安全隱患都消除后,才能進行開鉆。
(2)鉆機開孔時必須嚴格按照設(shè)計要求進行開孔,必須與設(shè)計參數(shù)保持一致,包括傾角、方位角等各個因素,從而使鉆進達到要求。
(3)鉆孔參數(shù)驗收后,開始退鉆,退鉆結(jié)束后要進行擴孔,擴孔選用專用復(fù)合擴孔鉆頭,需要擴至6~7 m 左右進行處理,確保鉆孔內(nèi)無廢渣后再進行退鉆。套上直徑Φ108 mm、長度為6 m 的套管,管口外端超出煤壁30 cm 左右,進行臨時封孔(使用棉紗以及專用裝置封嚴,確保鉆進過程中無瓦斯和水溢出)。
(4)安裝四通(四通結(jié)構(gòu)如圖2),并用氣水分離進行連接,在回風(fēng)側(cè)接上排水和排渣管;同時為了保證裝置的密封性,采用鋼絲將各個軟管扎緊。四通的連接如圖3。
圖2 四通示意圖
圖3 四通連接示意圖
(5)為了保證退鉆和抽放通道的順利進行,當(dāng)鉆機鉆桿深入到設(shè)定距離時,對其進行一次洗孔。之后通知有關(guān)部門驗孔。然后退鉆、拆除裝置、重新封孔并接抽[6]。
由于烏東煤礦在+500 m 水平43#煤層?xùn)|翼南巷施工掩護式邊掘邊抽鉆孔過程中,出現(xiàn)了頂鉆現(xiàn)象,而且在鉆孔施工過程中由于排渣不及時,導(dǎo)致鉆孔中有明顯的激流產(chǎn)生,造成無法正常鉆孔施工。鉆孔在施工至50 m 左右長度就已經(jīng)無法推進,距離設(shè)計長度150 m,差距較大,會直接影響巷道的正常掘進。此外,施工鉆孔中瓦斯?jié)舛绕毡檩^高,達80%以上,因此必須采取邊抽邊鉆措施,將鉆孔施工長度延長至120~150 m。
+500 m 水平43#煤層?xùn)|翼南巷掘進工作面設(shè)計全長2880 m,工作面沿煤層走向由西向東掘進,煤層平均厚度45.1 m。工作面南部為43#煤層頂板,工作面北部為43#煤層底板,工作面上部為原始煤層段,上部僅有+600 m 水平進行了煤層開采,工作面下部為原始43#煤層,沒有采動影響。43#煤層為巨厚煤層,煤層厚度大,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,層位、厚度均穩(wěn)定,總厚27.88 m,有益厚度19.43 m,向東部厚度增大,規(guī)律明顯。43#煤層相對瓦斯壓力為0.40~0.69 MPa,煤層瓦斯含量為6.21~8.06 m3/t,煤的堅固性系數(shù)f值為0.65~0.95,煤的瓦斯放散初速度ΔP為12.85~14.96 mL/s。
掘進工作面在之前掘進過程中,供風(fēng)量為579.6 m3/min 時,巷道回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸畲鬄?.68%,即掘進工作面瓦斯涌出量達到3.94 m3/min。
對巷道實施邊掘邊抽,但在施工第一個鉆孔施工長度為52 m 時,鉆場距離掘進工作面約30 m,出現(xiàn)了頂鉆及排渣不暢的情況。為此,按照改進的施工工藝進行施工,鉆孔施工竣工參數(shù)如圖4,竣工參數(shù)見表2。
圖4 試驗鉆孔竣工圖
表2 竣工參數(shù)表
經(jīng)過鉆孔施工工藝改進后,施工掩護式掘進鉆孔6 個,平均鉆孔深度為123.8 m,較之前鉆孔深度增加71.8 m,增加138%,效果顯著。但值得注意的是,鉆孔施工尚未完成設(shè)計鉆孔長度200 m 的要求。為此,建議烏東煤礦可采用Φ94 mm 鉆頭直接進行施工,采用小鉆頭可降低對煤體的破壞,此外要注意鉆孔施工安全,實時進行瓦斯監(jiān)測。
(1)針對順層鉆孔在施工過程中卡鉆、頂鉆及排渣不暢導(dǎo)致鉆孔不能正常施工的情況,改進鉆孔施工工藝,使鉆孔施工長度顯著增加。
(2)根據(jù)烏東煤礦的試驗結(jié)果,總體上看順層長鉆孔施工工藝經(jīng)過改進后,效果顯著,能滿足礦井瓦斯抽采鉆孔設(shè)計長度的要求。