基于定向鉆進(jìn)技術(shù)的掘進(jìn)工作面除塵方案設(shè)計(jì)

孟 琪

(中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司，陜西 西安 710077)

在巷道掘進(jìn)過(guò)程中，粉塵與瓦斯釋放量較大，對(duì)作業(yè)人員存在危害。現(xiàn)有除塵方案存在占地面積大、施工作業(yè)工序復(fù)雜、抽采效果差等缺陷。針對(duì)煤礦井下巷道掘進(jìn)過(guò)程中現(xiàn)有的除塵問題，采用煤礦井下定向鉆進(jìn)技術(shù)，結(jié)合對(duì)朱仙莊礦、蘆嶺礦的施工情況，編制本方案。

1 研究地區(qū)掘進(jìn)背景

某礦井煤層傾角3°～9°，平均煤厚 6.8 m，頂板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，局部為粗粒砂巖，底板以泥巖為主，次為粉砂巖，工作面所掘煤層為二疊紀(jì)8#煤層。煤巖層總體近南北走向，為一寬緩向西傾斜的單斜構(gòu)造，煤層傾角為3°～5°，平均4°，詳見表1、表2。

表1 煤層特征情況

表2 煤層頂?shù)装迩闆r

掘進(jìn)段距三(下)盤區(qū)輔運(yùn)巷 745 m 開始，至設(shè)計(jì)巷道井田邊界范圍。受古河流沖刷，掘進(jìn)范圍內(nèi)煤層厚度變薄，頂板巖性由泥巖變?yōu)樯皫r?？赡艽嬖跀嗔褬?gòu)造，局部發(fā)育有同煤層走向一致的裂隙帶，從而導(dǎo)致頂板破碎及淋水增大，須加強(qiáng)頂板管理和排水措施。

掘錨機(jī)掘進(jìn)時(shí)，巷道一次成巷。掘錨機(jī)在激光指向儀的導(dǎo)向下掘進(jìn)，每次循環(huán)割入煤體 1.0 m。掘錨機(jī)掘進(jìn)截割時(shí)，截割頭首先升至巷道頂板，切入煤體(切入深度 1.0 m)，從上而下截割。當(dāng)割到煤層底板時(shí)，收截割頭，截割底煤，再次將截割頭調(diào)整至巷道中部。當(dāng)頂幫全部支護(hù)完成后方可再進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。詳見圖1。

圖1 掘錨機(jī)掘進(jìn)巷道截割軌跡循環(huán)圖

現(xiàn)有除塵設(shè)計(jì)主要集中于以下措施：

1)安設(shè)降塵噴霧：在距工作面 50 m 范圍內(nèi)設(shè)置1道凈化風(fēng)流水幕，在全風(fēng)壓回風(fēng) 100 m 以內(nèi)設(shè)置2道全斷面風(fēng)流凈化水幕，水幕噴頭間距不大于 0.8 m，并設(shè)置防塵噴霧濾網(wǎng)；掘進(jìn)工作面履帶式轉(zhuǎn)載破碎機(jī)前后及各轉(zhuǎn)載點(diǎn)設(shè)置一道噴霧；回風(fēng)流噴霧距回風(fēng)口大于 1000 m 時(shí)，每隔 500 m 加設(shè)一道噴霧。

2)安設(shè)隔爆水棚。

3)定期沖洗巷道。膠運(yùn)順槽每旬沖洗一次，轉(zhuǎn)載點(diǎn)處 20 m 范圍內(nèi)每天沖洗一次，沖洗時(shí)要對(duì)巷道的頂、底、兩幫、管線、電纜、風(fēng)筒、膠帶輸送機(jī)架子上的煤塵要沖洗干凈，防止粉塵堆積。

2 本方案除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

掘進(jìn)工作面與除塵鉆孔內(nèi)的壓差是除塵鉆孔實(shí)現(xiàn)的前提。將于81311輔運(yùn)39聯(lián)巷設(shè)置鉆場(chǎng)，并布設(shè)3個(gè)除塵鉆孔，孔徑 210 mm。根據(jù)該煤礦提供的81311切眼掘進(jìn)工作面迎頭靶點(diǎn)坐標(biāo)，借助定向鉆進(jìn)技術(shù)鉆進(jìn)至靶點(diǎn)位置[1]，鉆孔布設(shè)位置及平面軌跡設(shè)計(jì)如圖2、圖3所示。

圖2 除塵鉆孔布設(shè)位置示意圖

圖3 除塵鉆孔軌跡示意圖

2.2 定向鉆孔設(shè)計(jì)

除塵鉆孔水平間距約為 1.5 m，垂直方向位于巷道中上部。本煤層鉆孔井壁穩(wěn)定性好，為最大限度提高鉆孔通風(fēng)量，同時(shí)兼顧井壁穩(wěn)定性，除塵鉆孔終孔直徑設(shè)計(jì)為 210 mm，借助精確定向鉆進(jìn)技術(shù)及該煤礦提供靶點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)[2]，確保全孔段鉆孔均位于掘進(jìn)斷面中上部。

除塵鉆孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4。

圖4 除塵孔鉆孔結(jié)構(gòu)示意圖

如圖4所示，一開φ120 mm 鉆頭開孔鉆進(jìn)至 16 m，逐級(jí)擴(kuò)孔至 315 mm，下入φ250 mm 套管 16 m，連接煤氣水分離器，連接負(fù)壓后邊鉆邊抽；二開φ120 mm鉆頭正常鉆進(jìn)，依據(jù)該礦所提供靶點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)，保證鉆孔軌跡位于煤層中上部位，達(dá)到目標(biāo)孔深后逐級(jí)擴(kuò)孔至 210 mm。圖5、圖6為除塵鉆孔軌跡示意圖。

圖5 鉆孔平面圖

圖6 鉆孔剖面圖

2.3 施工工藝設(shè)計(jì)

本次施工將根據(jù)煤礦提供的靶點(diǎn)參數(shù)，設(shè)計(jì)最優(yōu)鉆孔軌跡，采用水平定向鉆進(jìn)工藝，保證除塵效果最大化[3]。

水平定向鉆進(jìn)工藝是指利用鉆孔自然彎曲規(guī)律或采用專用工具，使水平鉆孔軌跡按設(shè)計(jì)要求延伸至預(yù)定目標(biāo)的鉆探方法。圖7為定向鉆進(jìn)工藝流程圖。

圖7 定向鉆進(jìn)施工工藝

定向鉆進(jìn)完成后，更換鉆頭并逐級(jí)擴(kuò)孔至 210 mm，封孔后連接負(fù)壓，完成除塵鉆孔施工流程[4]。

3 應(yīng)用效果評(píng)價(jià)

在預(yù)掘巷道空間范圍內(nèi)施工大直徑超前鉆孔，接入負(fù)壓抽放管路，通過(guò)負(fù)壓抽排粉塵及瓦斯?，F(xiàn)有施工方案試驗(yàn)于多個(gè)礦井，均取得良好效果：在淮北朱仙莊礦巖巷掘進(jìn)過(guò)程中，降塵效率最大可達(dá)到97.2%；在蘆嶺礦煤巷掘進(jìn)過(guò)程累計(jì)抽采瓦斯純量22.1萬(wàn)m3。應(yīng)用結(jié)果表明，大直徑超前定向鉆孔在降塵、除瓦斯等方面效果明顯，對(duì)煤礦安全生產(chǎn)、改善作業(yè)環(huán)境、提高施工效率等方面均具有重要意義[5]。