基于大直徑鉆孔的瓦斯抽采裝備及技術(shù)研究

王 鵬

（潞安化工集團(tuán)古城煤礦，山西 長(zhǎng)治 046000）

引言

由于進(jìn)風(fēng)在采空區(qū)上隅角形成渦流等原因，礦井內(nèi)的瓦斯再次匯聚難以排出，這大大影響了工作人員在綜采工作面的作業(yè)和安全。傳統(tǒng)治理是透過巖層進(jìn)行來插管或埋管在上隅角進(jìn)行抽采工作，不但插管操作麻煩，而且?guī)r層移動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致管道位置產(chǎn)生誤差，達(dá)不到理想的瓦斯抽采流量。在采空區(qū)與回風(fēng)巷的上隅角以大直徑鉆孔來進(jìn)行瓦斯抽采是近年來避免礦井瓦斯超越限度的新技術(shù)，操作方法成本相對(duì)傳統(tǒng)治理成本具有明顯優(yōu)勢(shì)，利用得當(dāng)可充分提高礦井開采效率，增強(qiáng)瓦斯治理的靈活性。

本文根據(jù)潞安集團(tuán)下屬某礦井為研究目標(biāo)，針對(duì)于U 型通風(fēng)方式下“以孔代川”技術(shù)，在技術(shù)層面進(jìn)行研究，對(duì)其技術(shù)結(jié)果進(jìn)行論證，根據(jù)需要研制了大直徑鉆護(hù)一體的礦用設(shè)備，進(jìn)一步豐富了礦井下瓦斯治理設(shè)備，保障了井下生產(chǎn)的安全性。

1 礦井概況

潞安集團(tuán)下屬某礦為3 號(hào)煤層，煤層的厚度達(dá)到4.1～6.7 m，厚度平均為5.76 m。其中煤層中含有2 層及以下的矸，其厚度為0.02～0.9 m，其主要含有碳灰質(zhì)巖。

對(duì)煤層開采所產(chǎn)生的3310 工作面瓦斯抽取不充分難題進(jìn)行研究后，決定使用新型大直徑鉆護(hù)一體設(shè)備來對(duì)U 型工作面上隅角進(jìn)行作業(yè)。該設(shè)備的一次成孔施工可以大大改善瓦斯積聚情況。

2 超大直徑鉆護(hù)成孔裝備

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

大直徑鉆護(hù)一體設(shè)備可以在與地下開采面、回風(fēng)巷靠近的上隅角采用一次成孔工藝“以孔代川”來進(jìn)行鉆孔，從而抽取瓦斯。該設(shè)備具有強(qiáng)勁動(dòng)力破碎巖石，鉆孔和外護(hù)管同步，排渣干燥及導(dǎo)向好等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)備主要分為兩大部分，一部分為主機(jī)，另一部分為泵車，兩部分相互分離[1]，如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

1）主機(jī)裝備有回轉(zhuǎn)器和雙液壓馬達(dá)。在工作過程中，在回轉(zhuǎn)器的作用下螺旋鉆桿可以大角度轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行工作，并通過減速器提供必要的能量，液壓馬達(dá)對(duì)可伸縮鉆頭施加所需作用力進(jìn)行旋轉(zhuǎn)破碎作業(yè)。為了有足夠的扭矩來往前破碎，采用了外護(hù)管同步技術(shù)。在鉆進(jìn)破碎時(shí)，外護(hù)管和鉆頭協(xié)同向前，兩者前端頂部位置的排渣距離要相等，避免煤巖因排屑間隙不相等而不能順利排出。

2）后一部分的泵車主要作用是為主機(jī)的鉆桿等設(shè)備提供破碎巖層所需的動(dòng)力，泵車電機(jī)與聯(lián)軸器相連，傳遞運(yùn)動(dòng)和扭矩，最終在控制與調(diào)節(jié)下通過對(duì)油進(jìn)行加壓或卸壓來控制主機(jī)運(yùn)行。為了提高裝卸鉆桿類裝備的作業(yè)效率和準(zhǔn)確性，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，一些如機(jī)械吊臂、夾持器之類的輔助設(shè)備應(yīng)該提前配備。在往前鉆進(jìn)過程中，為了降低卡鉆、埋鉆等發(fā)生的可能性，泵車的油缸選用雙出頭形式，以提供更加強(qiáng)悍的動(dòng)力[2]。

2.2 性能參數(shù)及特點(diǎn)

動(dòng)力回轉(zhuǎn)器帶動(dòng)螺旋鉆桿旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，鉆頭旋轉(zhuǎn)鉆進(jìn)煤層的同時(shí)外護(hù)管頂推也隨之推進(jìn)，兩者保持一致，外護(hù)管支撐住煤層防止由鉆頭破碎的孔洞導(dǎo)致煤層崩塌，同時(shí)螺旋鉆桿也一直旋轉(zhuǎn)，鉆頭破碎的煤渣就可以順著螺旋鉆桿的通道排出。外護(hù)管在起到支撐作用的同時(shí)，也能防止鉆頭因受力不均等問題產(chǎn)生的螺旋鉆桿發(fā)生偏移的問題。鉆護(hù)一體化設(shè)備也可以適用于煤層質(zhì)地較軟的礦井，裝備技術(shù)參數(shù)如下頁表1所示。

表1 裝備技術(shù)參數(shù)

2.3 施工工藝流程

液壓馬達(dá)提供動(dòng)力到動(dòng)力頭，動(dòng)力頭和螺旋鉆桿一起運(yùn)動(dòng)，可伸縮鉆頭往前推進(jìn)破碎煤層，同時(shí)螺旋鉆桿外的外護(hù)管由于動(dòng)力頭頂推裝置的作用與螺旋鉆桿具有相同的軌跡，推進(jìn)過程中煤渣螺旋排出。在達(dá)到特定深度后，液壓馬達(dá)提供撤回的動(dòng)力，動(dòng)力頭和螺旋鉆桿反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可伸縮鉆頭由于外護(hù)管端卡止縮小截齒直徑，從煤層中抽出后撤。隨之進(jìn)行封孔，連接上抽采管路。

3 工程試驗(yàn)

選取潞安化工集團(tuán)某礦3 號(hào)煤層3310 工作面作為實(shí)地研究對(duì)象，抽采巷和回風(fēng)巷高度差平均為+1.5°，預(yù)留煤柱30 m。鉆孔主要參數(shù)包括鉆孔仰角+7°，鉆孔直徑550 mm，采用抽采巷開孔，回風(fēng)巷接收的方式，回風(fēng)巷透孔和頂板間的距離為1.5 m，施工剖面如圖2 所示。

圖2 施工剖面圖（單位：mm）

鉆孔中心和底板間的距離為1.5 m，相鄰鉆孔間的距離為15 m，鉆孔立面布置如圖3 所示。鉆孔過程中螺旋鉆桿和套管同鉆孔協(xié)調(diào)進(jìn)行，首先由鉆頭進(jìn)行開孔作業(yè)，開孔完畢后將螺旋鉆桿和鉆頭相連接并鉆孔至指定位置，最后退鉆并將套管安裝至鉆頭上，完成整個(gè)鉆孔過程[3]。

圖3 鉆孔立面布置圖

本次實(shí)驗(yàn)單次鉆孔數(shù)量為37 個(gè)，鉆孔完畢后直接進(jìn)行封孔處理，并對(duì)鉆孔區(qū)域進(jìn)行瓦斯預(yù)抽采處理，抽采過程中對(duì)瓦斯?jié)舛鹊臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄并繪制瓦斯?jié)舛群统椴蓵r(shí)間的曲線圖。

4 瓦斯抽采效果

4.1 鉆孔瓦斯?jié)舛葴y(cè)量

選取已完成的6 個(gè)超大直徑鉆孔測(cè)量其鉆孔瓦斯?jié)舛?，分析可知，工作面與鉆孔距離遞增時(shí)，鉆孔的瓦斯?jié)舛认入S之上升后又呈下降趨勢(shì)。鉆孔瓦斯?jié)舛仍谥泄ぷ髅媾c鉆孔距離為25 m 時(shí)幾乎達(dá)到最大值。新鉆孔往前繼續(xù)打開，后方瓦斯?jié)舛认鄳?yīng)降低，并且兩者濃度差別不大，鉆孔瓦斯?jié)舛仍?%～8.5%之間。

4.2 上隅角瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)

抽采位置的變化會(huì)有規(guī)律的影響上隅角瓦斯?jié)舛鹊淖兓?dāng)抽采位置靠近采空區(qū)時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛葧?huì)上升。當(dāng)工作面推進(jìn)距離由20 m 向前推進(jìn)時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛茸畲?，然后打開新鉆孔，瓦斯?jié)舛乳_始下降，直到推進(jìn)到30 m，隨后又逐漸升高，整體的上隅角瓦斯?jié)舛仍?.6%以下。

4.3 抽采純量變化分析

根據(jù)實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)可知，抽采時(shí)間達(dá)到半年時(shí)，瓦斯?jié)舛认噍^抽采前顯著降低，抽采干管流量達(dá)到180 m3/min 時(shí)，瓦斯?jié)舛燃s為5%，抽采純量為9.25 m3/min。抽采效率和鉆孔連接個(gè)數(shù)間為正比關(guān)系，避免了礦井工作面回采過程中瓦斯?jié)舛冗^高等問題。

5 結(jié)論

1）采用煤柱內(nèi)超大直徑鉆孔施工代替?zhèn)鹘y(tǒng)埋管的上隅角瓦斯?jié)舛冉档头绞?，避免了回采工作面以及采空區(qū)域瓦斯?jié)舛冗^高等問題；

2）本次設(shè)計(jì)的鉆孔設(shè)備成孔直徑在400～800 mm范圍內(nèi)，回轉(zhuǎn)扭矩為15 000 N·m，通過鉆孔、螺旋鉆桿和套筒協(xié)調(diào)配合的方式，實(shí)現(xiàn)了成孔和鉆護(hù)的同步進(jìn)行，整個(gè)鉆孔過程一次完成，能夠很好地避免傳統(tǒng)鉆孔方式存在的鉆護(hù)分離、排渣困難以及鉆護(hù)位置偏差較大等缺點(diǎn)，使得松軟煤層鉆孔的效率和質(zhì)量顯著提升；

3）選取潞安化工集團(tuán)某礦3310 工作面作為實(shí)際實(shí)驗(yàn)對(duì)象，單次鉆孔數(shù)量為37 個(gè)，鉆孔后立刻進(jìn)行瓦斯抽采。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，抽采時(shí)間半年后，抽采干管流量增至180 m3/min，瓦斯?jié)舛燃s為5%，抽采純量為9.25 m3/min，抽采效率和鉆孔連接個(gè)數(shù)間為正比關(guān)系。