龍山煤礦21031上底板巷水力沖孔應用研究

摘要：文章介紹了通過水力沖孔增透技術(shù)，對抽放鉆孔進行水力沖孔，以高壓水為動力破壞鉆孔內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造，增強煤層透氣性、減少采掘工作面瓦斯涌出量，顯著提升單孔抽采能力和抽采效果，提高抽放效率、縮短抽放時間、最大限度消除瓦斯災害。

關(guān)鍵詞：底板巷；水力沖孔；瓦斯抽放；增透技術(shù)；煤炭開采 文獻標識碼：A

中圖分類號：TD713 文章編號：1009-2374（2015）04-0153-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0357

1 項目背景

煤與瓦斯突出事故一直是突出礦井安全生產(chǎn)的重大威脅，為解決這一難題，各個大型煤業(yè)公司采取了各式各樣的防治煤與瓦斯突出措施，預抽煤層瓦斯就是其中一項強有力的防突措施。但在預抽煤層瓦斯過程中，煤層透氣性差嚴重制約著礦井瓦斯抽防效果。龍山煤礦積極開展水力沖孔增透技術(shù)，對抽放鉆孔進行水力沖孔，以高壓水為動力破壞鉆孔內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造，增強煤層透氣性、減少采掘工作面瓦斯涌出量，顯著提升單孔抽采能力和抽采效果。提高抽放效率、縮短抽放時間、最大限度消除瓦斯災害，根據(jù)龍山煤礦現(xiàn)有條件，實驗區(qū)域選為21031上底板抽放巷。

2 實驗地區(qū)基本概況

21031上底板抽放巷總工程量425m，巷道斷面為直墻半圓拱型，斷面凈尺寸：寬×高=3400×3200mm，墻高1500mm，拱高1700mm，巷道斷面面積：S掘=10.5m2，

S凈=9.6m2。巷道布置在距二1煤層底板10～25m的底板泥巖中，局部為砂巖，泥巖致密塊狀，比較穩(wěn)定。根據(jù)打鉆探測21采區(qū)瓦斯壓力較大，含量較高，具有突出危險性。實測21采區(qū)煤層原始瓦斯含量最大值為

15.94m?/t，瓦斯壓力1.36MPa。

3 設備選擇

3.1 鉆沖一體化鉆頭

鉆沖一體化鉆頭，包括普通鉆頭、沖割裝置殼體和高壓密封鉆桿組成。普通鉆頭用于打鉆破碎巖石和煤的主要工具；沖割裝置殼體起到?jīng)_孔或割縫作用，利用水壓的供水不同來控制打鉆和沖割一體化，不用退出鉆桿后重新安裝沖割鉆頭。鉆頭型號Φ94mm，水力沖孔鉆頭孔徑有1.5mm、2mm和2.5mm。

3.2 高壓密封鉆桿

高壓密封鉆桿是在鉆桿螺紋加密封圈起到?jīng)_割裝置殼體和鉆桿密封作用，能耐壓25MPa。

3.3 高壓后置水辮

高壓后置水辮能耐25MPa，內(nèi)部采進口耐高壓密封圈。

3.4 高壓水射流水質(zhì)多級過濾裝置

高壓水射流水質(zhì)多級過濾裝置主要用于利用高壓水射流水力沖孔或水力割縫技術(shù)對煤層實施卸壓增透時過濾水質(zhì)，避免堵塞高壓射流噴嘴，提高工作效率。

3.5 高壓軟管

選用耐高壓軟管，耐壓應不小于泵的額定壓力。管徑高壓軟管的沿程損失如表1所示，因此，應優(yōu)先選擇32mm和25mm內(nèi)徑的高壓軟管，以減少壓力損失。如表1所示：

表1 管路壓力損失與內(nèi)徑的關(guān)系

內(nèi)徑D（mm） 體積流量q（L/min） 系數(shù) 雷諾數(shù)Re 壓力損失△P（MPa/m）

32 200 59.7 89320 0.004

25 200 59.7 139562.5 0.014

16 200 59.7 97693.75 0.118

8 70 59.7 69781.25 0.505

3.6 煤礦用深孔鉆車

CMS1-4000/55型煤礦用深孔鉆車可實現(xiàn)360°垂直回轉(zhuǎn)，并可實現(xiàn)垂直升降640mm，還可實現(xiàn)-90°～+90°俯仰角的全方位鉆孔作業(yè)等功能。

3.7 乳化泵

圖1

泵站可選擇（往復式柱塞泵），五柱塞泵效果更好（流量脈動小），乳化液泵型號BRW200/31.5，公稱流量：200L/min；公稱壓力：31.5MPa。

4 水力沖孔設計

4.1 水力沖孔最大終孔間距確定

根據(jù)鑫龍煤業(yè)瓦斯實驗室測定的水力沖孔半徑，龍山煤礦在抽采時間30天時，抽采半徑為4.76m，即鉆孔布置間距由原4m一組改為6m一組。

4.2 水力沖孔鉆孔設計

為進一步強化抽采效果，水力沖孔孔間距確定為6m，即在21031上底板巷每間隔6m施工一組鉆孔，每組設計抽采鉆孔10個，傾角18°～105°，孔深29～43m，總鉆孔工程量1600m。

4.3 水力沖孔煤量及時間要求

沖孔人員應注意水量及水壓控制，水量及水壓由小到大逐漸遞增，防止煤量太大導致卡鉆。沖孔順序由煤孔段見煤點開始，每根鉆桿沖孔10分鐘左右，煤量0.3t左右，直至沖完整個煤孔段，單個鉆孔沖孔時間2小時左右，煤量不少于2t。

4.4 煤量計量

為保證鉆車處沖出的煤準確計量，專門在鉆車處配備了小推車（0.11m3/車），即每車煤量0.15t。

5 水力沖孔效果

5.1 經(jīng)濟效益

為加快抽放進度，確定水力沖孔孔間距為6m（即3m抽放半徑，每組鉆孔10個），相較于普通抽采鉆孔（孔間距4m，每組鉆孔16個），每百米巷道鉆孔數(shù)量減少240個，每個鉆孔平均30m左右，即每百米巷道減少7200m鉆孔。

每米鉆孔施工成本38元，即每百米巷道可節(jié)約鉆孔施工成本17.36萬元，每個鉆孔封孔成本約370元左右（水泥25kg、聚氨酯3kg，封孔管12m，連接管2m、注漿管5m），即每百米巷道可節(jié)約鉆孔封孔成本88.8萬元。

21031上底板巷自C94組向里，還剩余180米左右，可節(jié)約鉆孔施工成本31.2萬元；每個鉆孔封孔成本約370元左右，可節(jié)約鉆孔封孔成本159.8萬元；共計節(jié)約成本191萬元。

5.2 社會效益

（1）降低瓦斯治理投資費用，提高瓦斯抽采效果，緩解“抽、掘、采”接替緊張的局面；（2）最大限度地降低煤層瓦斯含量和煤層瓦斯壓力，杜絕采掘過程中發(fā)生煤與瓦斯突出的可能，確保礦井安全生產(chǎn)；（3）減少采掘過程中的瓦斯涌出量，降低采掘過程中發(fā)生瓦斯預警或瓦斯超限的概率。

5.3 效果考察

2014年8月份至今，龍山煤礦在21031上、下底板巷共計施工穿層抽采鉆孔912個進行靜壓水沖孔，總進尺30891m，其中煤孔段6826m，共沖出煤量561t，即平均每個鉆孔出煤量為0.62t，經(jīng)計算，鉆孔孔徑平均由Φ75mm，擴大至Φ260mm，鉆孔孔徑擴大了3.5倍。鉆孔當月單孔抽放濃度和抽放量也大幅提高。

10月份到目前為止，龍山礦共在21031上底板抽放巷施工水力沖孔鉆孔25個，鉆孔進尺930.3m，其中煤孔段172m，共沖出煤量75.2t，平均每孔沖出煤量3.0t。經(jīng)計算，鉆孔孔徑平均由Φ94mm，擴大至Φ618mm，鉆孔孔徑擴大了6.6倍。鉆孔當月單孔抽放濃度也均達到了90%以上，單組抽放混合量也由0.01～0.02m3/min，提高到0.1m3/min以上。

6 組織措施

6.1 統(tǒng)一思想，高度重視

為保證水力沖孔工作順利開展，每周由總工程師、防突礦長組織相關(guān)部門管理人員，召開水力沖孔專題會。針對水力沖孔過程中遇到的技術(shù)、材料供應等問題，逐一討論解決，保證水力沖孔工作的順利進行。

6.2 制度約束，嚴格考核

龍山煤礦還專門制定了水力沖孔考核辦法，明確水力沖孔責任，對人為原因影響水力沖孔進度的，嚴肅進行責任追究。同時為保證水力沖孔現(xiàn)場操作規(guī)范和沖孔效果，還安排通防部副科級人員連續(xù)跟班，現(xiàn)場監(jiān)督指導水力沖孔工作，督促通防隊堅持“人少時停鉆，也不停沖孔”的原則，保證水力沖孔鉆機每班配備4人，力促水力沖孔工作順利推進。并在每天礦早調(diào)度會上通報水力沖孔進展情況，及影響情況處罰情況。既有效保證了水力沖孔情況的真實性，也有效督促了水力沖孔工作的開展。

6.3 強化裝備，保證設備運行正常

龍山煤礦水力沖孔使用CMS1-4000/55型煤礦用深孔鉆車，配套使用Φ73mm×800mm耐高壓密封三棱鉆桿（連接處用密封圈密封耐高壓大于20MPa）、Φ94mm沖壓鉆頭和耐高壓大于20MPa后置水辮。礦要求通防隊機電隊長或班長，每天對水力沖孔使用的高壓泵及鉆車進行檢修，防止設備運行過程中出現(xiàn)故障。同時要求易損件現(xiàn)場必須有備件，如高壓水辮、密封圈等。專業(yè)的沖孔設備和完善的設備維護體制，有效保證了水力沖孔工作的順利開展。

作者簡介：孫華鋒（1987-），男，河南鶴壁人，安陽鑫龍煤業(yè)（集團）龍山煤業(yè)有限責任公司助理工程師，研究方向：煤炭技術(shù)。

（責任編輯：蔣建華）