水力造穴卸壓增透一體化技術(shù)在新景礦的應(yīng)用研究

武國勝 武澤銘 白新華

(河南鐵福來裝備制造股份有限公司，河南省平頂山市，467000)

我國是瓦斯事故特別嚴(yán)重的國家之一，瓦斯災(zāi)害的治理已成為礦井安全生產(chǎn)工作的重點，瓦斯災(zāi)害防治重點和難點是瓦斯抽采和防突，提高煤礦瓦斯抽采率是煤礦安全生產(chǎn)的治本之策。我國成煤時期長，大部分礦區(qū)構(gòu)造復(fù)雜，透氣性低，82%煤層滲透率小于1 mD，大多數(shù)礦井瓦斯平均抽采率僅有23%。陽泉礦區(qū)煤質(zhì)極松軟、透氣性差，突出危險性大，幾乎沒有保護層開采條件。目前采用了地面煤層氣開采、水力壓裂、CO2預(yù)裂、水力沖割縫等措施，采用穿(順)層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，施工底板抽放巷治理回風(fēng)巷掘進(jìn)條帶瓦斯，同時施工低位高抽巷治理工作面上隅角瓦斯。因煤層可鉆性差且易引起孔壁坍塌以及煤層透氣性差等原因，抽采效果差，瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重制約了礦井安全高效回采和可持續(xù)發(fā)展。通過開展水力造穴卸壓增透一體化裝備及技術(shù)的研究，提升了礦井的機械化裝備水平，增加了煤層透氣性，提高了瓦斯抽采效果、防突指標(biāo)效檢超標(biāo)率明顯降低，顯著降低了煤與瓦斯突出危險性，實現(xiàn)了安全、快速掘進(jìn)，最終帶來了顯著的安全效益和經(jīng)濟效益。

1 工作面概況

新景礦位于陽泉市區(qū)西部，距陽泉市中心11 km，井田東南部為辛興煤礦和神堂嘴煤礦，東北部為三礦井田，北部為一礦井田，西部為七里河井田，西南部為保安煤礦，南部為二礦井田，整體東西長10.5 km，南北寬8.5 km，井田面積59.3 km2。

礦井地理區(qū)位處于太行山北段西側(cè)南麓低中山區(qū)，由于地殼長期隆起，侵蝕基準(zhǔn)面下降，切割較深，溝谷縱橫，地形陡峻，形成了較為復(fù)雜的中低山地貌。區(qū)內(nèi)總體地勢呈西北高，往東南方向逐漸降低的趨勢。

礦井生產(chǎn)能力750萬t/a，主斜井-副立井混合開拓方式，礦井主生產(chǎn)水平+525 m，準(zhǔn)備水平+420 m；采用抽出式通風(fēng)，分區(qū)式通風(fēng)系統(tǒng)，有6個進(jìn)風(fēng)井和5個回風(fēng)井，礦井總?cè)腼L(fēng)量80000 m3/min，總回風(fēng)量79990 m3/min，普遍采用“U+I”型通風(fēng)系統(tǒng)，設(shè)置進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷、內(nèi)錯尾巷和走向瓦斯高抽巷4條回采巷道。

主要含煤地層為上石炭系太原組和下二疊系山西組，煤系地層總厚度平均為181.0 m，穩(wěn)定且全區(qū)可采的為3#和15#煤層，煤層堅固性系數(shù)f為0.38～0.52，煤層透氣性系數(shù)為0.0188～0.1377 m2/MPa2·d，鉆孔百米流量衰減系數(shù)為0.0687～1.5942 d-1，煤層平均瓦斯含量為18.17 m3/t，瓦斯壓力為1.3～2.26 MPa，屬于典型的松軟、低透、高瓦斯突出煤層，期間曾發(fā)生多次煤與瓦斯突出事故。

2 水力造穴卸壓增透一體化裝備及技術(shù)

水力造穴卸壓增透一體化技術(shù)是通過煤礦用履帶式鉆機在煤體中先形成一個鉆孔，在預(yù)定位置實現(xiàn)變徑造穴，造穴部位卸出一定量的煤體，形成一個類圓柱狀孔硐室，為含瓦斯煤體膨脹變形、卸壓、位移提供了空間，同時促進(jìn)煤體裂隙網(wǎng)絡(luò)發(fā)育，煤層透氣性大幅度增高，促進(jìn)瓦斯有效抽采，最終消除煤與瓦斯突出危險性。通常情況下，成套設(shè)備提供18 MPa、200 L/min的動力輸出，高壓水對煤層進(jìn)行造穴后通常形成直徑0.6～1 m，長度1 m的洞穴空間，總體實現(xiàn)了對含瓦斯突出煤體卸壓、增透，達(dá)到了減弱、消除煤與瓦斯突出危險性的目的。水力造穴示意圖見圖1。

圖1 水力造穴示意圖

河南鐵福來裝備制造股份有限公司聯(lián)合中國礦業(yè)大學(xué)研發(fā)成功了ZDY4500系列造穴鉆機。ZDY4500系列造穴鉆機具有適應(yīng)煤層堅固性系數(shù)f≤10的各種煤巖層，寬度小于1 m，導(dǎo)軌可實現(xiàn)水平±180°旋轉(zhuǎn)，俯仰±90°調(diào)角，履帶式承載，獨立行走，原地轉(zhuǎn)向，工作機構(gòu)與動力系統(tǒng)合為一體，結(jié)構(gòu)緊湊、全液壓控制，省時、省力高效；高壓水泵站具有26 MPa、流量200 L/min的高壓力、大流量輸出；打鉆、造穴鉆具單元由高壓密封鉆桿、高壓水旋轉(zhuǎn)接頭和高低壓水流轉(zhuǎn)換閥組成，具有常規(guī)水壓實現(xiàn)正常打鉆、高壓狀態(tài)水力徑向射出造穴功能，實現(xiàn)高低壓自由轉(zhuǎn)換，做到了不退出、更換鉆桿，打鉆、造穴一體化操作；煤水瓦斯固液分離車實現(xiàn)以煤為主的固體走上部，水流走下部，干濕有效分離，采用履帶行走，提高對井下巷道的適應(yīng)性，分離效果好，減輕工作強度、利于標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，擁有50 m3/h混合物處理能力。

3 技術(shù)實施

選取在新景礦3#煤層的3216工作面進(jìn)行水力造穴的工業(yè)性試驗，便于后期效果考察對比，同時在該巷道的其他區(qū)段選取同樣地質(zhì)條件下的常規(guī)抽采區(qū)域作為對比。選取具有代表性的5個施工循環(huán)進(jìn)行技術(shù)效果考察，造穴鉆孔主體沿巷道掘進(jìn)方向施工，巷道上幫方向施工仰角孔，巷道預(yù)定位置(中間)施工水平孔，下幫施工俯角孔，鉆孔的方位角參照巷道掘進(jìn)中心軸線為0°，鉆孔布置如圖2和表1所示。

圖2 水力造穴鉆孔布置平面圖

表1 水力造穴鉆孔布置參數(shù)

掘進(jìn)工作面巷道寬度5 m，掩護巷道掘進(jìn)兩幫各15 m，水力造穴控制區(qū)域為35 m，水力造穴孔孔底間距6～7 m左右，鉆孔控制、釋放掘進(jìn)條帶瓦斯，降低地應(yīng)力、瓦斯壓力；施工完鉆孔后，實施后退式造穴，即先施工預(yù)定孔深的鉆孔，使用打鉆造穴單元從孔底往外段依次造穴，造穴長度1 m左右，預(yù)計造穴直徑0.8～1 m，造穴出煤量采用現(xiàn)場實際計量，造穴完成后，后退7～10 m進(jìn)行第二處造穴，以此類推，直到該鉆孔最外段距離掘進(jìn)斷面煤壁20 m附近，完成該鉆孔造穴；重復(fù)完成該掘進(jìn)工作面其他鉆孔的造穴作業(yè)。管路沿線的非造穴作業(yè)人員需要撤離，造穴施工過程中，多伴隨有響煤炮聲以及瓦斯、煤水混合物大量涌出等現(xiàn)象，水力造穴過程中壓力有較大波動，維持在11～24 MPa，流量在200 L/min左右，單穴造穴用水量6～8 m3，單穴出煤量預(yù)計1.0～1.55 t。

4 水力造穴技術(shù)效果考察

4.1 造穴出煤量考察

水力造穴施工過程切割、破碎大量煤體，煤水混合物從孔口流出，經(jīng)煤水瓦斯固液分離車處理，并計量、稱重。部分造穴段出煤量多達(dá)3.7 t，最少出煤量0.6 t，單孔平均出煤量在1.3 t左右。以第5循環(huán)為例，設(shè)計、施工造穴段55個，共計出煤量70.6 t。其中以6#中間孔為例，6#中間孔共造穴8處，出煤量共計13.1 t，最外段造穴位置為22～23 m，編號為1#，最里段造穴位置為92～93 m，編號為8#，造穴段間距統(tǒng)一設(shè)定為9 m，造穴出煤以煤水混合物中煤屑大量減少、水流逐步變清為止，時間普遍在35 min，1#～8#造穴孔出煤量分別為1.5 t、1.3 t、1.2 t、1.5 t、0.7 t、2.1 t、1.3 t和3.5 t。

造穴過程中，控制區(qū)域內(nèi)煤體卸出率達(dá)到5.98‰～8.92‰，平均在7.5‰，開采保護層的效果考察認(rèn)定認(rèn)為：被保護層的最大膨脹變形量大于3‰，則檢驗和考察結(jié)果可適用于其他區(qū)域的同一保護層和被保護層。因此本文認(rèn)為，水力造穴卸出大量煤體，直觀整體卸壓效果良好。卸出煤體導(dǎo)致煤層變形、位移、膨脹，施工過程伴隨大量瓦斯的釋放，同時是地應(yīng)力緩和降低的重要指標(biāo)。在后期效果考察中掘進(jìn)至造穴對應(yīng)位置時，觀測到造穴段煤體重新運移跡象，造穴孔硐基本恢復(fù)，煤體破碎、擾動痕跡明顯，周圍煤體濕潤，可見毫米級主縫隙存在，縫隙方向多為垂直鉆孔鉆進(jìn)方向，直觀驗證了造穴孔增透、卸壓的效果；煤體大量位移為地應(yīng)力、煤體瓦斯壓力釋放、降低提供了位移空間，造穴破碎、擾動了煤體，形成新的裂隙、溝通原有裂隙，構(gòu)成了發(fā)育的裂隙網(wǎng)絡(luò)?？刂茀^(qū)域造穴出煤統(tǒng)計見表2。

表2 控制區(qū)域造穴出煤統(tǒng)計

4.2 瓦斯抽采效果

選取第5循環(huán)1#、6#造穴抽采孔的抽采數(shù)據(jù)，與本巷道常規(guī)區(qū)域未采用水力造穴的抽采孔進(jìn)行對比分析，抽采負(fù)壓平均為14 kPa，地理條件位于同一巷道內(nèi)，認(rèn)為是同樣瓦斯地質(zhì)條件、同樣抽采工況，利于對比分析，從抽采時間和抽采濃度上進(jìn)行分析比較。水力造穴措施孔抽采濃度維持在30%以上的時間長達(dá)20 d以上，常規(guī)措施孔聯(lián)抽后6 d衰減到30%左右(選取30%為有效濃度)，10 d就衰減到10%左右。造穴前后抽采情況對比如圖3所示。

圖3 造穴前后抽采情況對比

掘進(jìn)工作面水力造穴抽采孔數(shù)量為11個(通常后期適當(dāng)補充5個左右鉆孔)，孔底間距為6～7 m；常規(guī)抽采孔數(shù)量為35～40個左右，孔底間距為2～3 m，抽采孔數(shù)量降低了60%左右，在抽采孔數(shù)量大幅度降低的情況下，抽采濃度提高、抽采時間延長，綜合抽采效果提高1倍以上。

在抽采半徑增大1倍以上的情況下，瓦斯平均抽采濃度大幅度提高，以6#造穴孔為例，單孔抽采純量為0.83 m3/min，該循環(huán)11個抽采孔，日抽瓦斯高達(dá)2700 m3/d，考察期內(nèi)該區(qū)域抽采瓦斯共計43000 m3，抽采瓦斯?jié)舛?、流量滿足發(fā)電、居民使用要求；抽采時間大幅度延長，由以前的有效抽采6 d左右提高到措施后的22 d，提高了2.6倍；水力造穴措施控制區(qū)域內(nèi)，綜合煤厚、平均瓦斯含量、煤體密度、結(jié)合控制區(qū)域面積，計算區(qū)域范圍內(nèi)一次有效預(yù)抽率為35%以上，比造穴前一次預(yù)抽率的12%提高了近2倍，促進(jìn)了抽采達(dá)標(biāo)。

4.3 防突指標(biāo)效檢超標(biāo)率情況

在水力造穴措施控制區(qū)域內(nèi)，瓦斯抽采后，對應(yīng)掘進(jìn)期間，進(jìn)行防突鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1的考察統(tǒng)計，同時選取常規(guī)措施區(qū)域K1進(jìn)行對比分析。常規(guī)措施區(qū)域一次效檢合格率較低，存在效檢指標(biāo)超標(biāo)情況，在統(tǒng)計的75 m掘進(jìn)區(qū)間內(nèi)，超過臨界值的區(qū)段有6次，局部K1高達(dá)0.85 mL/(g·min)0.5，超過指標(biāo)臨界值，導(dǎo)致重新補充局部防突措施，在進(jìn)行二次效檢時，增加了施工工序，增加了防突成本，延長了防突時間，降低了掘進(jìn)效率；在采用水力造穴措施后，效檢合格率大幅度提高，在統(tǒng)計的75 m掘進(jìn)區(qū)間內(nèi)，超過臨界值的區(qū)段僅有2次，分別為0.57 mL/(g·min)0.5、0.52 mL/(g·min)0.5，效果檢驗合格率提高了2倍，一次效檢合格率提高到了92%，節(jié)省了大量的防突措施工程量，爭取了大量的有效掘進(jìn)、回采時間。造穴前后效檢情況對比如圖4所示。

圖4 造穴前后效檢情況對比

4.4 掘進(jìn)工作面掘進(jìn)速度考察

考察水力造穴控制區(qū)域的煤巷掘進(jìn)，防突指標(biāo)效檢合格率大幅度提高，不需要再重復(fù)進(jìn)行局部防突措施補充，抽采效率同比提高，掘進(jìn)過程中，風(fēng)流中濃度大幅度降低，杜絕了局部風(fēng)流超限現(xiàn)象，掘進(jìn)工作面的防突措施孔也由常規(guī)的40個左右減少到目前15～20個左右，綜合以上情況，防突工程量減少、抽采效率提高、防突效檢合格率提高，綜合表現(xiàn)為掘進(jìn)速度提高，統(tǒng)計了3個月的掘進(jìn)進(jìn)尺，月掘進(jìn)進(jìn)尺依次為75 m、82 m、80 m；對比常規(guī)措施區(qū)域月進(jìn)尺50 m，效果提高了58%，其他各項參數(shù)明顯同比改善。造穴前后掘進(jìn)速度對比見表3。

表3 造穴前后掘進(jìn)速度對比

4.5 經(jīng)濟效益分析

使用水力造穴措施后，在影響范圍內(nèi)，煤體物性得以改善，含水量增加、塑性增強，裂隙溝通形成網(wǎng)絡(luò)，透氣性增加，使得瓦斯抽采半徑增加，在對應(yīng)掩護掘進(jìn)條帶的35 m范圍內(nèi)，防突鉆孔工程量減少了50%以上，瓦斯抽采效率提高，防突指標(biāo)效檢一次合格率提高20%，期間因瓦斯?jié)舛冉档?，通風(fēng)、供電、效檢等費用大幅度降低，預(yù)計一次循環(huán)施工可帶來直接經(jīng)濟效益18萬元。

5 結(jié)語

(1)水力造穴成套裝備履帶平臺承載，方便靈活，能提供26 MPa左右高壓力、200 L/min大流量動力輸出，在預(yù)定造穴段變徑造穴，孔穴范圍為1 m，直徑0.6～1 m的類圓柱狀空間，降低了地應(yīng)力；平均單穴卸出煤量1 t，區(qū)域煤體卸出率7.5‰，形成新裂隙、溝通原有煤體裂隙，形成裂隙網(wǎng)絡(luò)，增加煤層透氣性。

(2)水力造穴措施控制區(qū)域，瓦斯抽采效率大幅度提高，在瓦斯?jié)舛?0%以上維持22 d以上，單孔抽采純量最大0.83 m3/min，一次有效預(yù)抽率為35%，降低了水力造穴措施區(qū)域煤層瓦斯含量，消弱了瓦斯膨脹能。

(3)水力造穴措施控制區(qū)域防突指標(biāo)K1效檢一次合格率90%左右，防突指標(biāo)效檢超標(biāo)率明顯下降，節(jié)省了大量的防突措施工程量，掩護煤巷掘進(jìn)進(jìn)尺也由常規(guī)措施區(qū)域的50 m/月提高到79 m/月，粗略計算，一個造穴循環(huán)節(jié)省直接防突成本18萬元以上，為礦井綠色發(fā)展提供了支持。