機(jī)械水力一體化增透技術(shù)研究與實(shí)踐

徐顯富

（普安縣工業(yè)和科學(xué)技術(shù)局，貴州 黔西南 561504）

1 實(shí)驗(yàn)區(qū)域概況

糯東煤礦12000 工作面位于普安縣樓下鎮(zhèn)糯東村以東約450 m（平距），工作面對(duì)應(yīng)地面無建筑物，多為農(nóng)田、溝谷。采面位于糯東煤礦一采區(qū)北翼20號(hào)煤層中，采面設(shè)計(jì)走向長1075 m，切眼為149.4 m，可采面積137 530 m2，平均采高2.8 m，可采儲(chǔ)量53.9 萬t。20 煤整體賦存較穩(wěn)定，厚度0.8～4 m，煤層平均厚度2.5 m，夾矸2～3 層，厚度約0.8 m。20 煤下距26 煤109 m。糯東煤礦20 煤層為較穩(wěn)定煤層，煤層厚度變異系數(shù)為29.5%，掘進(jìn)過程中已發(fā)生過瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，在打鉆過程中也發(fā)生過噴孔現(xiàn)象。經(jīng)測試20 煤層瓦斯放散初速度（△P）最大值為3.866 kPa，最小堅(jiān)固性系數(shù)（fmin）為0.40，實(shí)測原始瓦斯壓力為0.76～0.92 MPa，實(shí)測煤層原始瓦斯含量為12.41～17.06 m3/t。

2 機(jī)械擴(kuò)孔工藝原理

煤體是經(jīng)歷過漫長而復(fù)雜的成巖過程而形成的一種特殊地質(zhì)材料，其內(nèi)部包括了大量的裂隙[1]。煤體包含了豐富的孔隙，瓦斯氣體分子吸附在孔隙表面。當(dāng)煤層中的瓦斯分子從孔隙表面脫附以后，在煤體中的運(yùn)移主要包括兩個(gè)過程，內(nèi)部的擴(kuò)散和進(jìn)入到裂隙中的滲流[2-3]。

鉆孔瓦斯抽采的難易程度主要取決于煤層本身的透氣性系數(shù)。若煤體的透氣性系數(shù)低，那么鉆孔的抽采半徑就小，造成施工鉆孔的數(shù)量增加，煤體鉆孔效率減小。只有提高煤體的透氣性系數(shù)，才能提高瓦斯抽采效率。在采取保護(hù)層開采等卸壓增透的情況下，通過鉆孔等措施進(jìn)行層內(nèi)卸壓增透是提高煤體透氣性的主要手段。

煤層擴(kuò)孔后，孔洞的形成使鉆孔周圍較大范圍內(nèi)的煤體最小主應(yīng)力持續(xù)減小，當(dāng)最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力之差超過煤體強(qiáng)度后，煤層發(fā)生塑性變形，煤體得到卸壓，鉆孔周圍大范圍煤體進(jìn)入塑性變形狀態(tài)。沖孔后鉆孔周圍煤體應(yīng)力演化路徑如圖1。

圖1 沖孔后鉆孔周圍煤體應(yīng)力演化路徑

煤體發(fā)生塑性變形后，一方面應(yīng)力的卸載使得煤層應(yīng)力減小，裂隙變大，促進(jìn)煤體透氣性系數(shù)的提高；另一方面更加重要的是，煤體發(fā)生塑性變形后，煤層進(jìn)一步破碎，煤層中裂隙發(fā)育，煤體透氣性系數(shù)將會(huì)得到提高[4]。煤體透氣性系數(shù)的提高加快了瓦斯在煤體中的流動(dòng)，裂隙中瓦斯從煤體中通過抽采鉆孔流出。在煤礦井下通過鉆孔進(jìn)入煤層內(nèi)部，使用高壓水沖出大量煤體及瓦斯形成較大的卸壓洞室，為煤體瓦斯解吸提供充分空間，在洞室附近煤體形成裂隙，釋放煤層中的能量，達(dá)到煤層消突目的。造穴前后應(yīng)力變化如圖2。

圖2 造穴前后應(yīng)力變化

3 機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔裝備及施工工藝

3.1 機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔裝備

機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔通過機(jī)械式煤層造穴卸壓裝置在含瓦斯突出煤體中沖出一定量的煤體，形成一個(gè)孔洞，從而提高煤層透氣性，促進(jìn)瓦斯有效抽采[5]。該技術(shù)包括了機(jī)械式煤層造穴卸壓裝備、相關(guān)的機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔系統(tǒng)保障及抽采工藝流程。KXJ-7300-500 機(jī)械式煤層造穴卸壓裝備由煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)、沖孔泵、礦用振動(dòng)篩式固液分離機(jī)、高壓密封鉆桿、高壓管匯、高壓旋轉(zhuǎn)接頭、鉆具、自動(dòng)開合式機(jī)械擴(kuò)孔裝置等組成。

3.2 機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔工藝

（1）首先連接自開合式擴(kuò)孔裝置，調(diào)整沖孔泵的使用壓力，由小逐漸調(diào)大，觀察擴(kuò)孔刀開始打開時(shí)的壓力以及完全打開時(shí)沖孔泵壓力表的壓力大小。

（2）打鉆時(shí)，沖孔泵水壓力需控制在低壓進(jìn)行正常鉆進(jìn)，鉆進(jìn)至需擴(kuò)孔造穴位置時(shí)，停止推進(jìn)，保持動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)，將沖孔泵的壓力逐漸往上調(diào)，使刀臂完全打開。待沖孔泵壓力調(diào)到6～8 MPa 時(shí)，保持壓力向前推進(jìn)，進(jìn)行機(jī)械擴(kuò)孔[6]。

（3）第一次擴(kuò)孔后，鉆頭退后500 mm，完全卸調(diào)沖孔泵站壓力，刀臂自行收回，常規(guī)打鉆至下一個(gè)需要擴(kuò)孔的位置，進(jìn)行再次擴(kuò)孔，循環(huán)進(jìn)行。

（4）每次鉆孔施工時(shí)，明確記錄見煤巖情況、鉆孔基本參數(shù)等，記錄每次作業(yè)的開始和結(jié)束時(shí)間。

（5）擴(kuò)孔結(jié)束后，退出擴(kuò)孔裝置，退出后，調(diào)整沖孔泵的壓力，對(duì)擴(kuò)刀進(jìn)行清洗和維護(hù)。

3.3 機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔方案

糯東煤礦20 煤為突出煤層，12000 工作面作為一采區(qū)20 煤12001 工作面的接替工作面，采取穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶瓦斯措施進(jìn)行區(qū)域瓦斯治理，但受煤層頂板軟巖及鉆孔積水影響，抽采效果不理想。因此設(shè)計(jì)在12000 回風(fēng)底抽巷，采用穿層鉆孔對(duì)12000 回風(fēng)順槽兩側(cè)各15 m 的范圍內(nèi)進(jìn)行機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔，提高瓦斯抽采效果。

機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔保護(hù)范圍為12000 工作面各巷道及兩壁兩側(cè)各15 m，根據(jù)巷道布置可以劃分為三個(gè)區(qū)域。回風(fēng)順槽見煤處以及開切眼處均超前保護(hù)15 m?；仫L(fēng)順槽保護(hù)范圍為走向上自北翼運(yùn)輸聯(lián)巷開口69 m 處至1194 m，共1125 m；傾向上煤巷兩側(cè)各15 m，共35 m。切眼保護(hù)范圍為走向上自北翼運(yùn)輸聯(lián)巷開口1194 m 處至1129 m，共35 m；傾向上130 m。運(yùn)輸順槽保護(hù)范圍包括12000 運(yùn)輸順槽和副切眼。具體如圖3 所示。

圖3 機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔保護(hù)范圍示意圖

本方案以回風(fēng)順槽保護(hù)范圍為例計(jì)算了部分鉆孔的施工參數(shù)。設(shè)計(jì)在12000 回風(fēng)底抽巷垂直于巷幫布置扇形穿層鉆孔，每施工完一排穿層鉆孔后，移動(dòng)設(shè)備到下一施工鉆孔地點(diǎn)。第1 排鉆孔設(shè)計(jì)布置在12000 回風(fēng)順槽自北翼運(yùn)輸聯(lián)巷開口72 m 處，鉆孔間距為6 m，鉆孔排間距為5 m，布置1#～225#共225 排鉆孔。鉆孔要穿透煤層全厚，并穿過頂板至少0.5 m，奇數(shù)排鉆孔和偶數(shù)排鉆孔相互交錯(cuò)。部分鉆孔的終孔示意圖如圖4（以見煤底板為基準(zhǔn)）。

圖4 部分鉆孔布置平剖面圖（m）

為了考察機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔的卸壓增透效果，對(duì)單個(gè)鉆孔的出煤量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)。根據(jù)出煤量的統(tǒng)計(jì)，截至2020 年7 月9 日，共施工鉆孔539個(gè)，其中完成機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔323 個(gè)，擴(kuò)孔煤段長875 m，共出煤763 t，單個(gè)鉆孔平均出煤量為2.34 噸/孔，平均擴(kuò)孔半徑為0.41 m。20#煤全層厚度2.2～4.1 m，平均2.8 m，容重1.65 t/m3，以最邊緣鉆孔為控制范圍界限計(jì)算，鉆孔覆蓋范圍為10 500 m2。按統(tǒng)計(jì)的單個(gè)鉆孔出煤量2.34 噸/孔計(jì)算，12000 回風(fēng)底抽巷里程400～600 m 區(qū)域內(nèi)605 個(gè)機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔鉆孔出煤率為：

機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔出煤率29‰，大于設(shè)計(jì)值10‰，可以認(rèn)為12000 回風(fēng)底抽巷里程400～600 m區(qū)域內(nèi)卸壓充分。

4 瓦斯抽采效果考察

為了更加全面系統(tǒng)地對(duì)機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔鉆孔的抽采效果進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)第二評(píng)價(jià)單元水力沖孔區(qū)域（12000 回風(fēng)底抽巷200～400 m）以及第三評(píng)價(jià)單元機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔區(qū)域（12000 回風(fēng)底抽巷400～600 m）的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行了考察。

第二評(píng)價(jià)單元為水力沖孔鉆孔于2019 年10 月1 日開始接入抽采網(wǎng)絡(luò)，第三評(píng)價(jià)單元為機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔鉆孔于2020 年1 月17 日開始接入抽采網(wǎng)絡(luò)。第二、第三評(píng)價(jià)單元瓦斯抽采前兩個(gè)月，其平均瓦斯純流量均為2.02 m3/min，平均濃度分別為30.2%和29.3%。對(duì)于松軟煤層，機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔與水力沖孔卸壓強(qiáng)化瓦斯抽采能力基本相同。

2020 年7 月6 日，糯東煤礦第一次測定了控制范圍內(nèi)的殘余瓦斯含量，結(jié)果如圖5。88 組鉆孔首先接入抽采管路，其余鉆孔依次接入，由于抽采時(shí)間的不同，區(qū)域內(nèi)殘余瓦斯含量呈左低右高的趨勢(shì)。當(dāng)瓦斯抽采時(shí)間大于226 d 時(shí)（88 組～89 組），預(yù)抽后殘余瓦斯含量可以降低至8 m3/t 以下（88～94組鉆孔見煤底板間距為3 m）。當(dāng)瓦斯抽采時(shí)間減少到181 d 時(shí)（96 組～97 組），殘余瓦斯含量約等于8 m3/t。隨抽采時(shí)間的進(jìn)一步減少，殘余瓦斯含量逐漸增加，當(dāng)抽采時(shí)間減少至53 d 時(shí)（126 組～127 組），校檢得到的瓦斯含量遠(yuǎn)大于8 m3/t。

圖5 機(jī)械擴(kuò)孔區(qū)域瓦斯含量隨地點(diǎn)的變化趨勢(shì)

截至2020 年9 月20 日，機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔區(qū)域（第三評(píng)價(jià)單元）抽采瓦斯894 734 m3。根據(jù)糯東煤礦總結(jié)的瓦斯抽采規(guī)律，抽采過程中部分抽采量為附近煤層瓦斯運(yùn)移的量，控制范圍內(nèi)煤層預(yù)抽瓦斯量為抽采總量的60%，本循環(huán)控制范圍內(nèi)瓦斯抽采量為536 840 m3。

5 結(jié)論

通過對(duì)糯東煤礦12000 回風(fēng)順槽機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔鉆孔瓦斯抽采效果的分析研究得出以下結(jié)論：

（1）糯東煤礦12000 回風(fēng)順槽機(jī)械水力一體化擴(kuò)孔鉆孔出煤率為29%，鉆孔出煤率達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（2）12000 回風(fēng)順槽第三評(píng)價(jià)單元內(nèi)的瓦斯抽采率為33 %，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)。

（3）12000 回風(fēng)順槽第三評(píng)價(jià)單元內(nèi)瓦斯含量為5.22～7.43 m3/t，對(duì)應(yīng)瓦斯壓力為0.232～0.372 MPa，瓦斯含量小于8 m3/t，瓦斯壓力小于0.74 MPa，達(dá)到消突指標(biāo)要求。