急傾斜煤層流態(tài)化反循環(huán)鉆采技術(shù)研究

張洪偉，程敬義，趙毅鑫，，李楊，萬志軍，王春耀

1.中國礦業(yè)大學(北京)共伴生能源精準開采北京市重點實驗室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(北京) 能源與礦業(yè)學院，北京 100083；3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院 江蘇徐州 221116

急傾斜煤層廣泛分布于我國新疆、甘肅、寧夏、山西、貴州、重慶、安徽等眾多煤炭生產(chǎn)基地[1]，其中，我國南方地區(qū)80%的礦區(qū)賦存有急傾斜煤層，西部礦區(qū)急傾斜煤層占50%以上。當煤層傾角大于55°時，一般多用水平分段綜采或綜放采煤法，此時的含煤地層中分層明顯的煤層底板在重力作用下向已成空間的變形速率急劇增大[2]，使得“支架-圍巖”系統(tǒng)穩(wěn)定性大幅下降，工作面生產(chǎn)與安全事故發(fā)生的概率倍增。作為特殊埋藏條件下的復雜難采煤層，急傾斜煤層綜采難度極大，其安全高效開采方法也是國際采礦界的研究熱點與難點。因此，提出新型急傾斜煤層開采技術(shù)，實現(xiàn)急傾斜煤層工作面自動化、無人或少人化開采新模式，對保障煤礦安全、促進煤炭資源可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義和戰(zhàn)略意義。

從20世紀90年代開始，為實現(xiàn)我國急傾斜/大傾角煤層安全高效開采，形成了大傾角單一中厚煤層綜采和綜放、大傾角煤層群綜放開采等技術(shù)與裝備，完善了我國大傾角煤層走向長壁綜合機械化開采理論與技術(shù)體系[3-8]。然而，急傾斜煤層綜采工作面安全開采還面臨著眾多突出的技術(shù)難題[9-13]，如礦壓顯現(xiàn)非對稱特征使得圍巖控制困難；工作面設(shè)備滑、倒及架間擠咬現(xiàn)象加??；設(shè)備前移過程中下滑嚴重、控制困難；煤層底板滑移導致工作面各裝備發(fā)生下滑、傾倒等現(xiàn)象；綜采工作面片幫和工作面飛矸等難題。在新型急傾斜煤層采煤方法及裝備方面，相關(guān)研究人員提出了履帶式無線遙控采煤機[14]、適應急傾斜煤層綜放工作面液壓支架[15]、急傾斜煤層正傾斜走向長壁采煤法[16]、厭氧菌分解+流態(tài)化開采方法[17]、急傾斜煤層鉆采反循環(huán)提煤開采方式[18]等，為急傾斜煤層開采提供了新思路。但是，相關(guān)研究大多數(shù)集中在綜采設(shè)備的改進方面，針對流態(tài)化開采的方法也具有一定的局限性?；诖?，本文提出了一種急傾斜煤層流態(tài)化反循環(huán)鉆采裝備及開采方法，論述了該采煤方法的基本原理和關(guān)鍵裝備，為急傾斜煤層流態(tài)化開采提供了一種新模式。

1 急傾斜煤層流態(tài)化反循環(huán)鉆采工作基本原理

深部急傾斜煤層流態(tài)化反循環(huán)鉆采方法適用于急傾斜中厚煤層，其核心工藝是反循環(huán)開采和鉆采并行。該鉆采方法基本原理類似于反井法[19-20]：在反循環(huán)鉆采一體機上裝載兩部鉆機，一部是導孔鉆機，另一部是反循環(huán)開采鉆機，導孔鉆機位于反循環(huán)開采鉆機前方。工作時，需先采用導孔鉆機預鉆孔，為反循環(huán)開采鉆機提供鉆桿并安裝反循環(huán)開采刀盤；由反循環(huán)開采鉆機的刀盤及高壓水射流割煤，煤體自溜進入下巷刮板式水力輸送槽。

如圖1(a)所示，反循環(huán)鉆采工作面為無人工作面，該鉆采工作面沿煤層傾斜方向布置。沿煤層走向方向分別布置上下平巷，并與鉆采巷之間形成U型回路。工作面上平巷為回風巷，主要承擔通風、行人和安放反循環(huán)開采裝備的作用；下平巷為運輸巷，主要承擔煤炭運輸作用，下平巷內(nèi)安設(shè)有刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機、水力輸送槽等裝備。新鮮風流由下巷進入，沖洗工作面聯(lián)巷后，由上回風巷排出。采用充填法處理采空區(qū)，且本工作面的運輸巷可作為下工作面的回風巷使用。反循環(huán)鉆采工作面需根據(jù)煤層地質(zhì)條件和開采技術(shù)分為若干塊段，每個塊段又分為若干反循環(huán)開采孔，在該孔內(nèi)完成反循環(huán)開采工作，即工作面劃分為塊段，塊段劃分為開采孔，開采孔為采煤范圍的最小單位。

如圖1(b)所示，上回風平巷布安設(shè)有履帶式反循環(huán)鉆采一體機。該設(shè)備包含兩部鉆機，一部用于自上而下導孔，一部用于自下而上反循環(huán)開采。導孔的作用是為反循環(huán)開采鉆機預先安放鉆桿，帶動刀盤反循環(huán)開采。反循環(huán)開采鉆機可旋轉(zhuǎn)并提升鉆桿，帶動鉆桿端部的刀盤旋轉(zhuǎn)和自下而上破煤，由此形成反循環(huán)鉆采模式。鉆采下來的煤巖體通過自重落煤，并經(jīng)過下運輸平巷內(nèi)的水力輸送槽運送至干濕分離系統(tǒng)。鉆采后即采用充填法對采空區(qū)進行處理。完成一個反循環(huán)開采孔的采煤工作和下一個反循環(huán)開采孔的導孔工作，即為一個工作循環(huán)。

圖1 急傾斜煤層流態(tài)化反循環(huán)鉆采方法示意圖Fig.1 The reverse-circulated excavating-drilling fluidized mining method for steep-inclined coal seam

2 關(guān)鍵裝備及技術(shù)

2.1 反循環(huán)鉆采一體機的組成

反循環(huán)鉆采一體機是采煤的核心裝備，主要包括主機、液壓控制、泵站、油箱和電控系統(tǒng)等。操作臺位于動力與控制部，是控制和操縱鉆機工作的中心，主要由各種控制和操縱的閥及儀表組成，通過管路、線纜控制鉆機的工作，監(jiān)控鉆機的工作狀態(tài)，該操作臺可以搭載于履帶行走部之上，也可以采用膠輪自己行走，機動靈活且便于組裝。鉆采機具包括導孔鉆頭、反循環(huán)開采刀盤、鉆桿等。

如圖2所示，該鉆采一體機搭載兩部鉆進機構(gòu)：一部鉆機為導孔鉆機，在煤層中自上而下導孔；另一部為反循環(huán)開采鉆機，在煤層中實現(xiàn)自下而上反循環(huán)鉆采。其中，反循環(huán)開采需要利用導孔鉆機鉆取的通孔和鉆桿，直接在下巷為導孔鉆桿安設(shè)反循環(huán)開采刀盤，完成開采孔自下而上的開采。鉆機的姿態(tài)(位置、傾角等)均可調(diào)控，兩部鉆機之間的距離通過液壓油缸精準控制。

圖2 反循環(huán)鉆采一體機示意圖Fig.2 The reverse-circulated excavating-drilling mining machine

兩臺鉆機需同時布置在一個履帶式行走平臺上，整體表現(xiàn)為一臺設(shè)備、兩部鉆機的形式。導孔鉆機上安裝有鉆進行程、油壓、鉆桿傾角、方位角等監(jiān)測傳感器，可實時監(jiān)測、評價鉆孔鉆進軌跡，并進行糾偏作業(yè)。鉆機通過履帶自行移動。鉆機動力系統(tǒng)由冷卻、出渣、循環(huán)、測量、供水、供電等構(gòu)成，為反循環(huán)鉆采一體機提供鉆具旋轉(zhuǎn)和推進動力。旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)是由泵站產(chǎn)生高壓油驅(qū)動液壓馬達轉(zhuǎn)動，通過減速箱使主軸產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，再由連接在主軸上的各級鉆桿向鉆頭傳遞。同時，泵站產(chǎn)生的高壓油驅(qū)動推進油缸，帶動動力頭沿鉆架的軌道做往復運動，通過鉆桿使鉆頭或刀盤產(chǎn)生對煤巖的壓力和旋轉(zhuǎn)破巖。

2.2 反循環(huán)鉆采工作方式

2.2.1 鉆采一體機的架設(shè)方式

圖3為反循環(huán)鉆采一體機的鉆機工位轉(zhuǎn)換示意圖(以導孔鉆機為例)。實際鉆機結(jié)構(gòu)形式需要根據(jù)礦井地質(zhì)條件具體設(shè)計。鉆采一體機安裝時，需要將整機移裝到位并固定好，鉆機起立時，由起立液壓缸推進。兩部鉆機均可在平臺四面旋轉(zhuǎn)，通過電液控定位和調(diào)整鉆機傾角。鉆桿的接續(xù)通過機械手臂完成。在鉆進前，需將鉆架按照不同傾角豎立起來，用下支撐調(diào)整鉆架并鎖緊，再將上支撐頂住巷道頂板，安裝好轉(zhuǎn)盤吊、機械手、前后拉桿。由于鉆機固定在底板上，一側(cè)為采空區(qū)，會存在鉆機穩(wěn)定性問題，因此本鉆采一體鉆機具有上頂油缸，有效支撐頂板的同時，利用頂板提供的反作用力再次穩(wěn)定鉆機。

圖3 反循環(huán)鉆采一體機及鉆機工位轉(zhuǎn)換示意圖(以導孔鉆機為例)Fig.3 The reverse-circulated excavating-drilling machine and its rig station adjusting method (take the hole drilling machine for example)

2.2.2 鉆采平行作業(yè)

圖4為鉆采平行作業(yè)工序示意圖。其工作面沿走向方向分為若干塊段，每個塊段劃分為若干反循環(huán)開采孔。本文選取4條反采孔介紹鉆采平行作業(yè)工序。鉆采平行作業(yè)工序開始時，需要先進行首采孔的導孔工作，類似于開切眼，然后就是鉆采與推進循環(huán)作業(yè)(鉆采并行)。工序描述如下：

圖4 鉆采平行作業(yè)示意圖Fig.4 Schematic of the parallel excavating and drilling method

(1) 安裝和調(diào)試。鉆機運到現(xiàn)場后，安裝和調(diào)試的主要工作有：接通所有電機電源，進行短暫通電、觀察電機轉(zhuǎn)向；接通鉆機泵車到操作車、鉆機之間進回油管路；安裝機械手和轉(zhuǎn)盤吊；調(diào)整鉆機角度并鎖緊卡軌器，調(diào)整上下支撐，接通冷卻水系統(tǒng)。

(2) 初次導孔鉆進。如圖4(a)所示，初次導孔鉆進是進行初次反循環(huán)開采的準備工作。一般情況下，導孔鉆進采用高速鉆進，動力頭向下給適當壓力，正向旋轉(zhuǎn)即可。當鉆井深度一定時，考慮鉆具自重影響，壓力逐步減小。此外，通過導孔鉆進軌跡監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測、評價導孔鉆進質(zhì)量。對于松軟煤巖采用低鉆壓，對于堅硬煤巖層采用較高鉆壓。在鉆透下水平透點3 m左右，應逐漸降低鉆壓，完成導孔工作。導孔鉆透后，在下巷道卸下導孔鉆頭，接上反循環(huán)開采刀盤。為保證刀盤順利接續(xù)，需要在下運輸平巷內(nèi)備用至少有兩個刀盤。

(3) 鉆采并行作業(yè)。如圖4(b)所示，操作臺開啟反循環(huán)開采模式，通過導孔鉆機設(shè)置的記憶鉆進控制系統(tǒng)，對反循環(huán)開采過程中的鉆進速率、轉(zhuǎn)速、輸出功率、水射流壓力、鉆壓等進行記憶控制。反循環(huán)開采的同時，下一導孔鉆進開始。反循環(huán)開采逐步卸下的鉆桿，可通過機械手臂重復在導孔鉆進過程中使用，實現(xiàn)鉆桿共用。導孔鉆機一般提前反鉆采機一個工位，同時導孔工作需要提前反循環(huán)開采工作完成。

(4)推進鉆機和移裝刀盤。第一個反循環(huán)開采孔結(jié)束后，反采刀盤應位于工作面上回風平巷位置。此時，利用卡瓦將導孔鉆機的鉆桿抱死并懸停，然后卸下反循環(huán)開采鉆機的刀盤，并運送至下運輸平巷[圖4(c)]。與此同時，移動鉆機前進至下一反循環(huán)開采位置，將反循環(huán)開采鉆機對準導孔鉆桿，并將卡瓦抱死的鉆桿安裝在反循環(huán)開采鉆機上、下部，同時，完成反采刀盤的安裝工作[圖4(d)]。至此，懸停鉆桿、推進鉆機和移裝刀盤聯(lián)動完成，可進行下一反循環(huán)開采工序和導孔工序。依次循環(huán)，如圖4(e)和圖4(f)所示，直至停采。

2.2.3 反循環(huán)開采刀盤割煤方式

破煤的主要構(gòu)件為反循環(huán)開采刀盤，如圖5所示。反循環(huán)開采刀盤破煤方式，包括截齒機械破煤、垂直于鉆桿方向的高壓水射流割縫輔助致裂和鉆桿呈30°～60°夾角的大流量水力沖蝕落煤三部分。刀盤基礎(chǔ)為桁架結(jié)構(gòu)，煤層裂隙發(fā)育明顯時不需要采用鑿巖刀盤進行研磨破煤，僅需要采用機械齒即可，且機械齒不需要密集布置。反循環(huán)開采刀盤輔助水力切割的方法進行煤體預破裂，一方面可減小截齒機械破煤所需的截割力、降低功耗，另一方面可作為冷卻水保護截齒；采用高壓水射流切縫可致裂刀盤周邊約0.5 ～1.0 m的煤體，隨后通過鉆桿呈30°～60°夾角的大流量水槍將已經(jīng)碎裂的煤體輔助沖蝕落煤。因此，破煤直徑為機切割煤和水力割煤直徑的總和。

圖5 反循環(huán)鉆采刀盤及割煤示意圖Fig.5 Schematic of the reverse-circulated cutting plate

3 流態(tài)化反循環(huán)鉆采工藝

反循環(huán)鉆采工藝包含采煤、運煤、輔助運輸、采充作業(yè)等工序，以及智能化控制、通風管理等部分，如圖6所示。其特點是：采用鉆采一體機完成采煤工序，采用煤水重力自溜方式完成反循環(huán)鉆采巷的運煤，運輸巷采用機械和水力輸送運煤。

(1) 采煤工序。主要包含2套關(guān)鍵技術(shù)：一套是鉆孔和反循環(huán)開采并行；另一套是刀盤旋轉(zhuǎn)割煤和水力割縫輔助割煤技術(shù)(機械+水力割煤技術(shù))。

(2) 運煤工序。主要包含2道主要工序：一道是反循環(huán)鉆采巷道煤炭運輸工序，主要通過刀盤和水孔沖洗反循環(huán)開采孔運煤，特殊情況下(傾角較小)可采用耙斗輔助運煤；另一道是下平巷煤炭運輸工序，主要采用刮板式水力輸送槽運輸，即煤水混合物落在槽內(nèi)，通過刮板將煤水運走。

(3) 智能化控制。主要是通過自動化技術(shù)集中控制整個工作面甚至采區(qū)系統(tǒng)的運行，達到鉆采分運、聯(lián)動控制的目的，實現(xiàn)鉆進、采煤、煤水分離、運輸?shù)裙ば虻闹悄芑瘏f(xié)調(diào)運行。

(4) 輔助運輸系統(tǒng)?？刹捎脝诬壍鯇Σ牧虾驮O(shè)備進行運輸。

(5) 采充作業(yè)工序。有反循環(huán)鉆采孔采后全部充填；反循環(huán)鉆采孔間隔充填2種方案。

(6) 通風管理。主要是對通風系統(tǒng)進行管理，如果工作面過長，可采用多打聯(lián)巷的方式為后期鉆采工作服務。

圖6 反循環(huán)鉆采工藝和生產(chǎn)系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic of reverse-circulated drilling and its production system

4 反循環(huán)鉆采產(chǎn)量評估

4.1 反循環(huán)鉆采工作面重疊距離及遺煤率概算

反循環(huán)鉆采時，不同反循環(huán)鉆采孔之間可以互相重疊設(shè)置，提高采出率；也可分隔設(shè)置，以保證刀盤穩(wěn)定性。由于反循環(huán)鉆采刀盤為圓形，因此會在工作面之間留下邊角煤，該情況類似于薄煤層螺旋鉆采煤法，如圖7所示。

圖7 反循環(huán)鉆采中頂?shù)装暹z留煤Fig.7 Residual coal from the reverse-circulated mining system

圖8 重疊長度和遺煤率之間的關(guān)系Fig.8 Relationship between the overlap length and coal residual rate

遺留煤量與反循環(huán)鉆采孔重疊距離相關(guān)。圖8為重疊長度和遺煤率之間的關(guān)系曲線，遺煤率指的是兩個工作面之間未采出煤量占一個推進距離采出煤量的比值?？梢钥闯觯汗ぷ髅嬷丿B長度越大，遺煤率越小，當不重疊時，遺煤率在21.5%左右。因此，反循環(huán)鉆采刀盤的直徑對遺煤率有重要的影響，總體而言，刀盤直徑越大，遺煤率越低，工作面采出率越高。在設(shè)計重疊距離時，需要根據(jù)實際地質(zhì)條件和目標采出率選用刀盤直徑來確定。

4.2 反循環(huán)開采煤炭年產(chǎn)量概算

采煤裝備的產(chǎn)煤能力是衡量煤礦技術(shù)水平的重要指標之一。在開采過程中，需要根據(jù)煤層厚度選用相匹配的刀盤直徑。刀盤直徑相對于煤層厚度過小時，煤炭采出率低，工作面遺煤嚴重；刀盤直徑相對于煤層厚度過大時，會造成刀盤割頂?shù)装?，影響設(shè)備性能和煤質(zhì)。

設(shè)定反循環(huán)開采刀盤直徑為2.0～6.0 m，水射流割煤深度取0.75 m，則純機械割煤和輔助水力割煤年產(chǎn)量與反循環(huán)鉆采速度之間的關(guān)系如圖9所示?？梢钥闯觯S著鉆采刀盤直徑的增加，煤炭年產(chǎn)量增加，使用刀盤純機械割煤，鉆采速度為2.5 m/h，刀盤直徑為2 m、4 m和6 m時年產(chǎn)量分別為21×104t、52×104t和97×104t。因此，同等鉆采技術(shù)條件下，煤層厚度越大，產(chǎn)量越高。

隨著刀盤推進速度的增加，煤炭年產(chǎn)量呈現(xiàn)線性增加趨勢。使用刀盤純機械割煤，假定厚度為4.0 m的煤層，采用4.0 m直徑的刀盤，以16 h采煤時間計算，反循環(huán)鉆采刀盤鉆采速度為2 m/h、3 m/h和4 m/h時，年產(chǎn)量分別為22×104t、33×104t和44×104t；若使用刀盤+水射流輔助割煤，在反循環(huán)鉆采刀盤鉆進速度為2 m/h、3 m/h和4 m/h時，年產(chǎn)量分別為28×104t、42×104t和56×104t，較純機械割煤分別提高年產(chǎn)量6.0×104t、9.0×104t和12.0×104t。因此，鉆采速度參數(shù)和高壓水射流輔助割煤工序?qū)γ禾慨a(chǎn)量具有重要影響。

圖9 煤炭年產(chǎn)量估算Fig.9 Estimation of the coal annual production

5 結(jié)論與展望

本文提出了一種急傾斜煤層流態(tài)化新型反循環(huán)鉆采方法，該方法的關(guān)鍵技術(shù)裝備為鉆采一體機，可在鉆采并行工藝下實現(xiàn)煤炭連續(xù)生產(chǎn)。主要結(jié)論與展望如下：

(1) 圍繞深部急傾斜煤層地質(zhì)條件，研究高應力作用下反循環(huán)鉆采高效破煤及高壓水射流輔助破煤機理，研究大流量沖蝕落煤作用下破碎煤體水運特性，優(yōu)化煤炭流態(tài)化運輸工藝。

(2) 圍繞反循環(huán)鉆采一體機的適應性問題，調(diào)研急傾斜煤層賦存條件，分析反循環(huán)鉆采一體機在不同煤層的適應性，對比分析反循環(huán)鉆采一體機與綜采設(shè)備之間的技術(shù)、經(jīng)濟、安全等問題，充分論證急傾斜煤層反循環(huán)鉆采方法的適用性。

(3) 圍繞反循環(huán)鉆采一體機的智能化問題，研制履帶式和膠輪式行走平臺，研發(fā)高精度鉆機定位和鉆孔糾偏構(gòu)件，解決反循環(huán)鉆采一體機鉆機、鉆具之間的高精度定位問題，研發(fā)接續(xù)鉆桿和穩(wěn)固鉆桿的智能機械手臂，研發(fā)反循環(huán)開采刀盤快速精準安裝機器人。

(4) 圍繞反循環(huán)鉆采一體機的穩(wěn)定性問題，研究鉆采充協(xié)同作用下采空區(qū)頂板垮落狀態(tài)、覆巖運移規(guī)律和來壓特征，優(yōu)化鉆采平行作業(yè)工序，防止反循環(huán)開采過程中可能出現(xiàn)的卡鉆、卡盤等問題。

(5) 圍繞反循環(huán)鉆采采煤方法中水力運輸及廢水回收利用等問題，研究煤水運輸、分離及水資源循環(huán)利用方式，分析水力運輸效率，全面評估該方法的技術(shù)、經(jīng)濟及社會效益和對環(huán)境的潛在影響。