瓦斯治理機(jī)械擴(kuò)孔快速卸壓增透技術(shù)及應(yīng)用

楊計(jì)南 李傳光

（永城煤電控股集團(tuán)有限公司，河南 永城 476600）

在瓦斯災(zāi)害治理方面，施工抽采鉆孔為其主要方法，卸壓增透預(yù)抽瓦斯為其主要措施。順和煤礦2404 工作面采用穿層鉆孔+水力沖孔工藝進(jìn)行瓦斯治理時(shí)，由于自身煤層條件限制，導(dǎo)致其沖孔效率較低，加長了其工程施工的工期，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)工作產(chǎn)生了影響。在瓦斯抽采方面，針對(duì)鉆孔卸壓增透影響的范圍[1-5]，需要根據(jù)瓦斯地質(zhì)情況進(jìn)一步采取技術(shù)措施提高其增透效果。

1 原瓦斯抽采鉆孔存在的問題

順和煤礦位于永城市，該礦原始瓦斯壓力0～0.58 MPa，殘存瓦斯壓力0～0.2 MPa，原始瓦斯含量1.22～11.21 m3/t，殘存瓦斯含量2.64～4.668 8 m3/t，瓦斯?jié)舛?～0.1%，相對(duì)瓦斯涌出量0～0.11 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量0～0.13 m3/min，瓦斯放散初速度20.7～22.6，煤堅(jiān)固系數(shù)0.82～3.00，目前礦井主采二2 煤。2404 工作面平均埋深665 m，煤層平均厚度1.97 m，煤層硬度系數(shù)f=1～3，相對(duì)較大。煤塵無爆炸危險(xiǎn)性，為Ⅲ類不易自燃煤層。2404 工作面對(duì)瓦斯問題進(jìn)行治理時(shí)，所采用的的工藝是水力沖孔增透+穿層鉆孔技術(shù)。此工藝技術(shù)對(duì)水力沖孔具體流程的一些參數(shù)有硬性要求，一般該過程的水壓不能低于18 MPa，且需要花費(fèi)40 min 才能沖孔1 m 距離。這表明其擁有較低的沖孔效率，這種狀態(tài)下沖出煤粉非常困難。

2 現(xiàn)改進(jìn)卸壓技術(shù)

2.1 現(xiàn)改進(jìn)卸壓原理

現(xiàn)改進(jìn)的卸壓技術(shù)，其原理如圖1。此技術(shù)是使存在于煤體中的原始應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生改變，進(jìn)而卸載煤體所承受的壓力。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)效果，就要增大煤體的暴露面積，一般會(huì)將大塊完整煤層分割以達(dá)到此效果。在進(jìn)行機(jī)械切割時(shí)會(huì)使用高壓水等方法，卸載煤體的承受壓力，同時(shí)也有利于煤層中瓦斯的抽取采集。煤層中能量、應(yīng)力、瓦斯釋放自由空間的增大，煤層透氣性的增強(qiáng)，瓦斯釋放能力的提高，都是由于煤層空隙的增加。

圖1 改進(jìn)卸壓技術(shù)原理

2.2 改進(jìn)卸壓技術(shù)所使用的擴(kuò)孔設(shè)備

改進(jìn)卸壓技術(shù)所使用的擴(kuò)孔設(shè)備由高壓密封鉆桿總成、可變徑機(jī)械擴(kuò)孔裝置、固液分離機(jī)、高壓清水泵站、全液壓坑道鉆機(jī)等主要部分組成。其中，固液分離機(jī)型號(hào)為KFS-50/11 礦用振動(dòng)篩式，高壓清水泵站型號(hào)為BQWL315/16-XQ315/12，全液壓坑道鉆機(jī)型號(hào)為ZDY7300LX 履帶式。

（1）可變徑機(jī)械擴(kuò)孔裝置。該裝置可以自動(dòng)進(jìn)行低壓正常打鉆、高壓刀臂打開進(jìn)行擴(kuò)孔等過程?？梢酝瓿纱罂讖叫秹鹤鳂I(yè)，因?yàn)槠涞扼w的擴(kuò)孔直徑較大，為500 mm，在擴(kuò)孔裝置進(jìn)行正常作業(yè)打鉆時(shí)，對(duì)清水泵站的水壓力有所限制，一般要求其不超過4 MPa，否則可能會(huì)導(dǎo)致無法正常進(jìn)行鉆孔。在擴(kuò)孔裝置進(jìn)行正常作業(yè)擴(kuò)孔時(shí)，當(dāng)清水泵站的水壓力處于6～8 MPa 區(qū)間狀態(tài)時(shí)，進(jìn)行齒輪刀壁推動(dòng)過程。此過程齒條活塞向下移動(dòng)的過程同步進(jìn)行，而齒輪刀壁的推動(dòng)也會(huì)使其開始打開，刀壁的打開程度最終會(huì)隨著壓力的升高達(dá)到最大，直至完全打開，此時(shí)再進(jìn)行擴(kuò)孔工藝。

（2）高壓清水泵站。作為機(jī)械擴(kuò)孔工藝中的專用設(shè)備，一方面，該設(shè)備具有很多結(jié)構(gòu)上的優(yōu)點(diǎn)，比如勞動(dòng)強(qiáng)度低、效率高、各裝置排布緊湊、方便轉(zhuǎn)移等等；另一方面，也有一些功能上的優(yōu)點(diǎn)，水泵站可以抑制粉塵，降低粉塵危害。

（3）全液壓坑道鉆機(jī)。該鉆機(jī)特點(diǎn)為體積小、大扭矩、功能性強(qiáng)、一體化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)緊湊、全液壓操作等等，屬于大直徑機(jī)械旋轉(zhuǎn)切割應(yīng)用的鉆機(jī)。

2.3 機(jī)械擴(kuò)孔技術(shù)工藝

（1）將鉆桿、鉆頭、高壓旋轉(zhuǎn)接頭進(jìn)行連接，并對(duì)高壓清水泵及擴(kuò)孔設(shè)備進(jìn)行調(diào)試。

（2）鉆孔打開的過程要保持持續(xù)緩慢地進(jìn)行推進(jìn)。此過程的目的是為了糾正鉆孔的孔位，防止其偏移。

（3）在鉆孔打開過程結(jié)束后開始進(jìn)行鉆孔，依次連接鉆孔使用的鉆桿。在此過程中，孔內(nèi)會(huì)出現(xiàn)反水現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)注意觀察具體情況，并進(jìn)行合理供水，一般多選用靜壓水或者345 水泵。注意此過程水泵壓力小于3 MPa。在打鉆過程中，著重觀察注意鉆機(jī)主泵的壓力表，如果出現(xiàn)頂鉆，或者出現(xiàn)排粉不暢，則可能是由于主泵壓力過高。如果出現(xiàn)了不能順暢地排出粉塵的情況，往前推進(jìn)鉆孔之前應(yīng)及時(shí)排粉，進(jìn)行前后推拉，最終到達(dá)擴(kuò)孔位置后，推進(jìn)打孔過程結(jié)束。

（4）315 清水泵站壓力待退擴(kuò)孔位置時(shí)開始緩慢調(diào)整，此時(shí)要保持鉆機(jī)動(dòng)力頭原地低速旋轉(zhuǎn)。機(jī)械擴(kuò)孔鉆頭裝置剛開始啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)設(shè)置其壓力為4～6 MPa，具體初始?jí)毫Υ_定過程應(yīng)緩慢調(diào)試進(jìn)行，機(jī)械擴(kuò)孔的鉆頭在此過程逐漸打開。待其完全打開后，清水泵站的壓力開始緩慢調(diào)整，使其壓力緩慢增大控制在6～8 MPa。在擴(kuò)孔階段完成之前，鉆頭都將保持現(xiàn)狀緩慢推進(jìn)。

（5）擴(kuò)孔階段結(jié)束后，即擴(kuò)孔完成后，水泵壓力開始發(fā)生變化，其壓力值開始緩慢下降。此階段先將裝置后退一段距離，為0.5 m 左右。在調(diào)整水泵壓力過程中進(jìn)行刀柄的沖洗，是為了防止機(jī)械擴(kuò)孔鉆頭刀柄內(nèi)夾雜煤粉等異物。等到水泵壓力的壓力值消失后收合機(jī)械擴(kuò)孔鉆頭，此過程進(jìn)行前應(yīng)先后退1 m 左右距離，是為了防止機(jī)械擴(kuò)孔鉆頭未能完全收合。

（6）待一個(gè)擴(kuò)孔段工藝流程結(jié)束后，可根據(jù)施工計(jì)劃和步驟，依次繼續(xù)施工下一個(gè)擴(kuò)孔段。

3 工程實(shí)踐及應(yīng)用效果

位于順和煤礦24 采區(qū)的軌道順槽底抽巷編號(hào)為2404，擁有892 m 的設(shè)計(jì)總工程量，在-702 m 水平建設(shè)為其開口位置。施工過程為先水平掘進(jìn)3 m，再上山掘進(jìn)，上山掘進(jìn)過程中控制角度為13°。西翼回風(fēng)巷道考慮實(shí)際地質(zhì)環(huán)境及開采情況采用支護(hù)形式為“錨網(wǎng)+錨索”。礦井西翼二2 煤層具體參數(shù)見表1，2404 軌道順槽底抽巷巷道布置圖如圖2。

表1 礦井西翼二2 煤層具體參數(shù)

圖2 2404 軌道順槽底抽巷巷道布置圖（m）

對(duì)表2 的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，數(shù)據(jù)結(jié)果表明，機(jī)械擴(kuò)孔的沖孔煤量會(huì)隨著鉆孔傾角的增大而增大，隨著其減小而減??；傾角較小時(shí)，其平均每米的沖煤量可低至0.2～0.3 m3；一些孔的擴(kuò)孔時(shí)間相對(duì)較長，其出煤量較多，如7-a#孔、8-a#孔和10-a#孔，煤量達(dá)到了0.6～0.8 m3/m，7-a#孔作為初始實(shí)驗(yàn)孔，初次實(shí)驗(yàn)沖出來的煤量相對(duì)較多，這是為了盡可能地多沖出煤量為后續(xù)實(shí)驗(yàn)提供參數(shù)參考。數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的結(jié)果表明，整個(gè)實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)為3338 min 的鉆孔時(shí)間，130.6 m 的擴(kuò)孔段長度，74.99 m3的出煤量，共測(cè)試了19 個(gè)機(jī)械擴(kuò)孔鉆孔。計(jì)算可得出其平均每米的煤孔擴(kuò)張時(shí)間和擴(kuò)出煤量，分別為25 min 和0.57 m3。相比于水力沖孔，使用該方法進(jìn)行擴(kuò)孔其時(shí)間減少了17 min/m，煤量增加了0.3～0.4 m3/m。

表2 機(jī)械擴(kuò)孔鉆孔參數(shù)表

統(tǒng)計(jì)分析機(jī)械擴(kuò)孔的抽采濃度，可得出以下結(jié)論：80%的機(jī)械擴(kuò)孔鉆孔擁有較高始抽濃度，此部分鉆孔濃度均在80%～100%之間，這說明始抽時(shí)其濃度的效果較佳；持續(xù)監(jiān)測(cè)濃度較好的鉆孔瓦斯?jié)舛葦?shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)在7～10 d 這段時(shí)間，其濃度會(huì)緩慢衰減；在此監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)的鉆孔存在個(gè)別濃度值較低情況，分析其原因?yàn)槌鏊蜇?fù)壓等其他原因影響，重復(fù)監(jiān)測(cè)異?，F(xiàn)象會(huì)消失。

4 結(jié)論

以順和煤礦2404 工作面區(qū)域瓦斯鉆孔治理為背景，詳細(xì)介紹了2404 軌道順槽底抽巷實(shí)施的機(jī)械擴(kuò)孔快速卸壓增透技術(shù)原理、工藝及效果。相比于水力沖孔，在擴(kuò)孔煤量方面，0.3～0.4 m3/m 為機(jī)械擴(kuò)孔增加量，同時(shí)長鉆孔及近水平鉆孔沖孔技術(shù)方面，該技術(shù)解決了一些問題，比如煤量、不易沖孔等等；另一方面，與水力沖孔相比，機(jī)械擴(kuò)孔在施工效率上可節(jié)約15 min/m，減少40%。工程實(shí)踐表明，機(jī)械擴(kuò)孔快速卸壓增透技術(shù)提高了工作面區(qū)域瓦斯治理效果，保證了工作面的正常回采。