底抽巷穿層鉆孔陣列式水力造穴技術(shù)研究與工程應(yīng)用

趙錦剛，劉 壘

（1.潞安化工集團(tuán) 能源事業(yè)部，山西 長(zhǎng)治 046204；2.潞安化工集團(tuán) 李村煤礦，山西 長(zhǎng)治 046600）

目前，煤炭在我國(guó)能源消費(fèi)的比重之中占比接近60%，遠(yuǎn)高于世界的平均水平。我國(guó)的煤炭工業(yè)發(fā)展十分迅速，但煤炭在安全生產(chǎn)上存在著隱患，我國(guó)的煤礦災(zāi)害仍然十分嚴(yán)重，其中瓦斯災(zāi)害尤為嚴(yán)重。瓦斯是危害煤礦安全高效生產(chǎn)的重要影響因素之一，防治瓦斯災(zāi)害、保障煤礦安全生產(chǎn)，是我國(guó)煤炭生產(chǎn)面臨的首要和迫切的任務(wù)。對(duì)于瓦斯礦井，需要對(duì)瓦斯進(jìn)行抽采之后才能進(jìn)行采掘工作。高瓦斯應(yīng)力、低滲透率、高地應(yīng)力、高瓦斯含量是我國(guó)煤層的主要特征，由于復(fù)雜的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)影響，我國(guó)煤層的透氣性普遍低于世界其他產(chǎn)煤國(guó)家，屬于低透氣性煤層。在高瓦斯、低透氣煤層中，使用常規(guī)鉆孔抽采瓦斯綜合施工成本高、抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)，不能有效保障生產(chǎn)的合理銜接，因此提高煤層的透氣性是解決高瓦斯低透氣煤層瓦斯災(zāi)害防治的根本措施[1-2]。對(duì)于沒(méi)有保護(hù)層開(kāi)采條件的煤層，增透方式主要包括氣相和液相兩類(lèi)，相比來(lái)說(shuō)，液相更優(yōu)。其中，“穿層鉆孔+水力造穴增透”是一種較為有效的增透方法[3-5]。水力造穴技術(shù)實(shí)際以高壓水作為破煤介質(zhì)，通過(guò)鉆孔對(duì)孔周煤層進(jìn)行分段沖孔、破碎煤體、擴(kuò)大孔徑，進(jìn)而在鉆孔上形成若干以鉆孔為中心的隔段洞穴，從而釋放鉆孔周?chē)鷳?yīng)力及瓦斯壓力，提高煤層透氣性、促進(jìn)瓦斯抽采效率[6-8]。

1 工程技術(shù)研發(fā)背景

李村煤礦開(kāi)采的三采區(qū)3 號(hào)煤層，具有透氣性差（0.000 206 m3/(MPa2·d））、堅(jiān)固性系數(shù)?。?.3～0.6）、瓦斯含量高（6～14 m3/t）、吸附性強(qiáng)等特點(diǎn)。常規(guī)未卸壓瓦斯抽采，存在鉆孔抽采流量低、衰減快、綜合施工成本高、區(qū)域抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間長(zhǎng)等難題。為確保三采區(qū)的掘進(jìn)安全，優(yōu)化改進(jìn)后實(shí)施“以巖保煤”方案，開(kāi)拓西翼2 號(hào)回風(fēng)大巷及西翼進(jìn)風(fēng)大巷2 條底板巖巷，采用“穿層鉆孔+水力造穴”模式治理待掘煤巷區(qū)域瓦斯?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐顯示，傳統(tǒng)水力造穴技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)、高效造穴。為了解決這一問(wèn)題，研發(fā)了陣列式水力造穴技術(shù)和裝置，并開(kāi)展了工程應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)水力造穴技術(shù)的局限性分析

2.1 “一打一造”工藝的局限性分析

“一打一造”工藝包括2 臺(tái)鉆機(jī)和1 套水力造穴設(shè)備，每組穿層預(yù)抽鉆孔分兩步施工：第一步由一臺(tái)鉆機(jī)按設(shè)計(jì)施工穿層鉆孔；第二步由另一臺(tái)水力造穴鉆機(jī)按照設(shè)計(jì)對(duì)已施工完畢的穿層鉆孔進(jìn)行水力造穴。為確保抽掘平衡，需每天完成1 組穿層鉆孔工程施工、并網(wǎng)帶抽，如圖1 所示。

李村煤礦工程實(shí)踐顯示，第一步鉆孔施工工程可以按時(shí)完成，但第二步水力造穴只能完成計(jì)劃的50%～70%（以西翼進(jìn)風(fēng)大巷穿層鉆孔為例，共施工鉆孔54 組486 個(gè)，僅封孔并網(wǎng)46 組414 個(gè)鉆孔，剩余8組72 個(gè)鉆孔因未能完成水力造穴無(wú)法實(shí)現(xiàn)及時(shí)帶抽）。因此，傳統(tǒng)“一打一造”水力造穴工藝效率低下，嚴(yán)重制約區(qū)域瓦斯抽采，不能高效造穴。

2.2 “一打兩造”工藝的局限性分析

“一打兩造”工藝包括3 臺(tái)鉆機(jī)和2 套水力造穴設(shè)備，與“一打一造”相比，造穴速度可銜接上打鉆速度；但由于巷道空間小、設(shè)備多，造成巷道內(nèi)設(shè)備過(guò)于擁擠，嚴(yán)重影響通風(fēng)及行人，且區(qū)域施工人員過(guò)多，風(fēng)、水、電等使用過(guò)于集中，系統(tǒng)安全得不到保障。因此，“一打兩造”水力造穴工藝的安全性和經(jīng)濟(jì)性有待提升。

3 陣列式水力造穴技術(shù)研發(fā)

3.1 工作原理

陣列式水力造穴方法是在傳統(tǒng)“一打一造”水力造穴工藝基礎(chǔ)上，增加造穴射流孔個(gè)數(shù)，將傳統(tǒng)“一孔多穴多次造”優(yōu)化為“一孔多穴同時(shí)造”，減少中間環(huán)節(jié)，縮短造穴時(shí)間，提高造穴效率。

3.2 設(shè)備配套改造

為保障陣列式水力造穴工藝的實(shí)施，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)。

（1）造穴設(shè)備改進(jìn)。

在試驗(yàn)初期，設(shè)計(jì)使用造穴水刀短接，該水刀短接設(shè)計(jì)長(zhǎng)度150 mm，每個(gè)造穴短接對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)1個(gè)造穴射流孔。但造穴水刀短接硬度不夠，且單個(gè)設(shè)備長(zhǎng)度較短，在鉆孔內(nèi)受鉆進(jìn)扭力影響，反復(fù)使用后水刀短接磨損變形嚴(yán)重。

后期，試驗(yàn)使用三棱高壓鉆桿加工水刀，鉆桿水刀各部分受力均勻不易磨損變形，并且具有加工成本低、成型快、工藝簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，如圖2 所示。

圖2 陣列式水力造穴鉆桿Fig.2 Array hydraulic cavitation drill pipe

（2）履帶式高壓清水泵改進(jìn)。

為適應(yīng)多射流孔的水量要求，對(duì)履帶式高壓清水泵進(jìn)行了改進(jìn)。一是增加1 個(gè)進(jìn)水口，將水箱進(jìn)水口由原來(lái)的1 個(gè)φ25 mm 進(jìn)水口增加為2 個(gè)；二是增大水箱容量，將水箱容量由原先的800 L 增加為1 200 L；三是提高密封效果，對(duì)泵內(nèi)部高壓密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，全部使用耐高壓精度密封圈，保證大流量條件下清水泵壓力大于18 MPa。

（3）集煤斗改進(jìn)。

原有的集煤斗利用接換鉆桿的時(shí)間進(jìn)行清煤，為適應(yīng)陣列式水力造穴要求，在原有集煤斗的基礎(chǔ)上增加了臨時(shí)儲(chǔ)煤倉(cāng)，實(shí)現(xiàn)了不停機(jī)清煤。

3.3 施工流程

（1）造穴設(shè)備安裝。鉆孔施工完畢并退鉆后，安裝造穴設(shè)備；鉆孔內(nèi)煤孔長(zhǎng)度小于7 m 時(shí)，安裝1 個(gè)高低壓轉(zhuǎn)換水刀和1 根水力造穴鉆桿，射流孔間距為3 m；鉆孔內(nèi)煤孔長(zhǎng)度大于7 m 時(shí)，安裝1個(gè)高低壓轉(zhuǎn)換水刀和2 根水力造穴鉆桿，分別安裝在煤孔2、5、7 m 處。

（2）高壓造穴。根據(jù)煤孔長(zhǎng)度調(diào)整鉆桿射流孔位置，履帶式高壓水泵站水壓提升至12～ 18 MPa，利用高低壓轉(zhuǎn)換水刀切換至造穴狀態(tài)進(jìn)行水力造穴作業(yè)，在造穴時(shí)不斷的來(lái)回進(jìn)退鉆桿，保證射流孔對(duì)全煤段進(jìn)行水力造穴。

（3）煤水分離。利用振動(dòng)篩固液分離裝置對(duì)煤水進(jìn)行分離，煤進(jìn)入儲(chǔ)煤斗進(jìn)行儲(chǔ)煤計(jì)量，滿(mǎn)1 t后進(jìn)行清煤作業(yè)，清煤期間由臨時(shí)儲(chǔ)煤倉(cāng)進(jìn)行儲(chǔ)煤。

4 工程應(yīng)用

在李村煤礦西翼進(jìn)風(fēng)大巷采用陣列式水力造穴技術(shù)，開(kāi)展了水力造穴與瓦斯抽采工程應(yīng)用，效果分析如下。

4.1 造穴效率分析

陣列式水力造穴工藝將造穴環(huán)節(jié)由15 個(gè)減少至4 個(gè)，全天完成水力造穴鉆孔數(shù)量由6～9 個(gè)提升至15～22 個(gè)，水力造穴施工效率提升了約1.5 倍。

4.2 抽采效果分析

（1）瓦斯抽采濃度分析。使用傳統(tǒng)“一打一造”水力造穴工藝單孔抽采濃度，平均濃度為36.8%，濃度為50%以上的鉆孔占31%；陣列式水力造穴工藝的單孔濃度平均為68.2%，濃度50%以上的占比79%，對(duì)比如圖3 所示。

圖3 單孔瓦斯抽采濃度分布區(qū)間對(duì)比Fig.3 Comparison diagram of concentration distribution interval of single hole gas drainage

隨著高濃度鉆孔的持續(xù)帶抽，西翼進(jìn)風(fēng)大巷和西翼2 號(hào)回風(fēng)大巷支管濃度逐步提升。西翼進(jìn)風(fēng)大巷支管瓦斯?jié)舛扔?7.2%增長(zhǎng)為36.2%，西翼2號(hào)回風(fēng)大巷支管瓦斯?jié)舛扔?7%增長(zhǎng)為46.8%（圖4）。

圖4 抽采支管濃度走勢(shì)圖Fig.4 Trend diagram of extraction branch pipe concentration

（2）瓦斯抽采量分析。傳統(tǒng)“一打一造”水力造穴工藝施工的鉆孔，平均單組抽采純量為0.02 m3/min，萬(wàn)米抽采量為9.47 m3/min；采用陣列式水力造穴工藝施工后，單組抽采純量提升至0.05 m3/min，萬(wàn)米抽采量提升至18.42 m3/min（圖5）。

圖5 瓦斯純量及萬(wàn)米抽采量走勢(shì)Fig.5 Gas pure quantity and ten thousand meters extraction quantity trend

（3）抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間分析。西翼進(jìn)風(fēng)大巷根據(jù)造穴工藝劃分2 個(gè)單元進(jìn)行計(jì)量，第一單元傳統(tǒng)“一打一造”水力造穴46 組平均抽采時(shí)間115 d，在線(xiàn)計(jì)量裝置顯示抽采瓦斯總量為17.43 萬(wàn)m3，單組鉆孔抽采范圍煤體瓦斯含量下降1 m3/t 所需時(shí)間39.06 d；第二單元陣列式水力造穴40 組平均抽采時(shí)間29 d，在線(xiàn)計(jì)量裝置顯示抽采總量為8.88 萬(wàn)m3，單組鉆孔抽采范圍煤體瓦斯含量下降1 m3/t 所需時(shí)間16.8 d，瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間較原來(lái)縮短56.99%（表1）。

表1 西翼進(jìn)風(fēng)大巷單組抽采參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison table of single group extraction parameters of west wing intake roadway

4.3 安全性與經(jīng)濟(jì)性分析

與傳統(tǒng)“一打兩造”工藝相比，在相同施工量和施工時(shí)間下，陣列式水力造穴工藝可減少1 臺(tái)鉆機(jī)、1 臺(tái)履帶式高壓水泵站及相關(guān)配套設(shè)備，并且每班可減少施工人員5 人，不僅成本低，更經(jīng)濟(jì)，而且系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，安全作業(yè)更有保障。

5 結(jié) 論

（1）與傳統(tǒng)“一打一造”水力造穴工藝相比，陣列式水力造穴工藝提高了造穴效率，緩解了工程銜接壓力。

（2）與傳統(tǒng)水力造穴工藝相比，陣列式水力造穴工藝提高了瓦斯抽采效果。

（3）與傳統(tǒng)“一打兩造”水力造穴工藝相比，陣列式水力造穴工藝既安全又經(jīng)濟(jì)。