機械水力一體化增透技術研究與實踐

徐顯富

（普安縣工業和科學技術局，貴州 黔西南 561504）

1 實驗區域概況

糯東煤礦12000 工作面位于普安縣樓下鎮糯東村以東約450 m（平距），工作面對應地面無建筑物，多為農田、溝谷。采面位于糯東煤礦一采區北翼20號煤層中，采面設計走向長1075 m，切眼為149.4 m，可采面積137 530 m2，平均采高2.8 m，可采儲量53.9 萬t。20 煤整體賦存較穩定，厚度0.8～4 m，煤層平均厚度2.5 m，夾矸2～3 層，厚度約0.8 m。20 煤下距26 煤109 m。糯東煤礦20 煤層為較穩定煤層，煤層厚度變異系數為29.5%，掘進過程中已發生過瓦斯動力現象，在打鉆過程中也發生過噴孔現象。經測試20 煤層瓦斯放散初速度（△P）最大值為3.866 kPa，最小堅固性系數（fmin）為0.40，實測原始瓦斯壓力為0.76～0.92 MPa，實測煤層原始瓦斯含量為12.41～17.06 m3/t。

2 機械擴孔工藝原理

煤體是經歷過漫長而復雜的成巖過程而形成的一種特殊地質材料，其內部包括了大量的裂隙[1]。煤體包含了豐富的孔隙，瓦斯氣體分子吸附在孔隙表面。當煤層中的瓦斯分子從孔隙表面脫附以后，在煤體中的運移主要包括兩個過程，內部的擴散和進入到裂隙中的滲流[2-3]。

鉆孔瓦斯抽采的難易程度主要取決于煤層本身的透氣性系數。若煤體的透氣性系數低，那么鉆孔的抽采半徑就小，造成施工鉆孔的數量增加，煤體鉆孔效率減小。只有提高煤體的透氣性系數，才能提高瓦斯抽采效率。在采取保護層開采等卸壓增透的情況下，通過鉆孔等措施進行層內卸壓增透是提高煤體透氣性的主要手段。

煤層擴孔后，孔洞的形成使鉆孔周圍較大范圍內的煤體最小主應力持續減小，當最大主應力和最小主應力之差超過煤體強度后，煤層發生塑性變形，煤體得到卸壓，鉆孔周圍大范圍煤體進入塑性變形狀態。沖孔后鉆孔周圍煤體應力演化路徑如圖1。

圖1 沖孔后鉆孔周圍煤體應力演化路徑

煤體發生塑性變形后，一方面應力的卸載使得煤層應力減小，裂隙變大，促進煤體透氣性系數的提高；另一方面更加重要的是，煤體發生塑性變形后，煤層進一步破碎，煤層中裂隙發育，煤體透氣性系數將會得到提高[4]。煤體透氣性系數的提高加快了瓦斯在煤體中的流動，裂隙中瓦斯從煤體中通過抽采鉆孔流出。在煤礦井下通過鉆孔進入煤層內部，使用高壓水沖出大量煤體及瓦斯形成較大的卸壓洞室，為煤體瓦斯解吸提供充分空間，在洞室附近煤體形成裂隙，釋放煤層中的能量，達到煤層消突目的。造穴前后應力變化如圖2。

圖2 造穴前后應力變化

3 機械水力一體化擴孔裝備及施工工藝

3.1 機械水力一體化擴孔裝備

機械水力一體化擴孔通過機械式煤層造穴卸壓裝置在含瓦斯突出煤體中沖出一定量的煤體，形成一個孔洞，從而提高煤層透氣性，促進瓦斯有效抽采[5]。該技術包括了機械式煤層造穴卸壓裝備、相關的機械水力一體化擴孔系統保障及抽采工藝流程。KXJ-7300-500 機械式煤層造穴卸壓裝備由煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機、沖孔泵、礦用振動篩式固液分離機、高壓密封鉆桿、高壓管匯、高壓旋轉接頭、鉆具、自動開合式機械擴孔裝置等組成。

3.2 機械水力一體化擴孔工藝

（1）首先連接自開合式擴孔裝置，調整沖孔泵的使用壓力，由小逐漸調大，觀察擴孔刀開始打開時的壓力以及完全打開時沖孔泵壓力表的壓力大小。

（2）打鉆時，沖孔泵水壓力需控制在低壓進行正常鉆進，鉆進至需擴孔造穴位置時，停止推進，保持動力頭旋轉，將沖孔泵的壓力逐漸往上調，使刀臂完全打開。待沖孔泵壓力調到6～8 MPa 時，保持壓力向前推進，進行機械擴孔[6]。

（3）第一次擴孔后，鉆頭退后500 mm，完全卸調沖孔泵站壓力，刀臂自行收回，常規打鉆至下一個需要擴孔的位置，進行再次擴孔，循環進行。

（4）每次鉆孔施工時，明確記錄見煤巖情況、鉆孔基本參數等，記錄每次作業的開始和結束時間。

（5）擴孔結束后，退出擴孔裝置，退出后，調整沖孔泵的壓力，對擴刀進行清洗和維護。

3.3 機械水力一體化擴孔方案

糯東煤礦20 煤為突出煤層，12000 工作面作為一采區20 煤12001 工作面的接替工作面，采取穿層鉆孔預抽煤巷條帶瓦斯措施進行區域瓦斯治理，但受煤層頂板軟巖及鉆孔積水影響，抽采效果不理想。因此設計在12000 回風底抽巷，采用穿層鉆孔對12000 回風順槽兩側各15 m 的范圍內進行機械水力一體化擴孔，提高瓦斯抽采效果。

機械水力一體化擴孔保護范圍為12000 工作面各巷道及兩壁兩側各15 m，根據巷道布置可以劃分為三個區域?；仫L順槽見煤處以及開切眼處均超前保護15 m?；仫L順槽保護范圍為走向上自北翼運輸聯巷開口69 m 處至1194 m，共1125 m；傾向上煤巷兩側各15 m，共35 m。切眼保護范圍為走向上自北翼運輸聯巷開口1194 m 處至1129 m，共35 m；傾向上130 m。運輸順槽保護范圍包括12000 運輸順槽和副切眼。具體如圖3 所示。

圖3 機械水力一體化擴孔保護范圍示意圖

本方案以回風順槽保護范圍為例計算了部分鉆孔的施工參數。設計在12000 回風底抽巷垂直于巷幫布置扇形穿層鉆孔，每施工完一排穿層鉆孔后，移動設備到下一施工鉆孔地點。第1 排鉆孔設計布置在12000 回風順槽自北翼運輸聯巷開口72 m 處，鉆孔間距為6 m，鉆孔排間距為5 m，布置1#～225#共225 排鉆孔。鉆孔要穿透煤層全厚，并穿過頂板至少0.5 m，奇數排鉆孔和偶數排鉆孔相互交錯。部分鉆孔的終孔示意圖如圖4（以見煤底板為基準）。

圖4 部分鉆孔布置平剖面圖（m）

為了考察機械水力一體化擴孔的卸壓增透效果，對單個鉆孔的出煤量進行了統計。根據出煤量的統計，截至2020 年7 月9 日，共施工鉆孔539個，其中完成機械水力一體化擴孔323 個，擴孔煤段長875 m，共出煤763 t，單個鉆孔平均出煤量為2.34 噸/孔，平均擴孔半徑為0.41 m。20#煤全層厚度2.2～4.1 m，平均2.8 m，容重1.65 t/m3，以最邊緣鉆孔為控制范圍界限計算，鉆孔覆蓋范圍為10 500 m2。按統計的單個鉆孔出煤量2.34 噸/孔計算，12000 回風底抽巷里程400～600 m 區域內605 個機械水力一體化擴孔鉆孔出煤率為：

機械水力一體化擴孔出煤率29‰，大于設計值10‰，可以認為12000 回風底抽巷里程400～600 m區域內卸壓充分。

4 瓦斯抽采效果考察

為了更加全面系統地對機械水力一體化擴孔鉆孔的抽采效果進行比對分析，對第二評價單元水力沖孔區域（12000 回風底抽巷200～400 m）以及第三評價單元機械水力一體化擴孔區域（12000 回風底抽巷400～600 m）的瓦斯抽采數據進行了考察。

第二評價單元為水力沖孔鉆孔于2019 年10 月1 日開始接入抽采網絡，第三評價單元為機械水力一體化擴孔鉆孔于2020 年1 月17 日開始接入抽采網絡。第二、第三評價單元瓦斯抽采前兩個月，其平均瓦斯純流量均為2.02 m3/min，平均濃度分別為30.2%和29.3%。對于松軟煤層，機械水力一體化擴孔與水力沖孔卸壓強化瓦斯抽采能力基本相同。

2020 年7 月6 日，糯東煤礦第一次測定了控制范圍內的殘余瓦斯含量，結果如圖5。88 組鉆孔首先接入抽采管路，其余鉆孔依次接入，由于抽采時間的不同，區域內殘余瓦斯含量呈左低右高的趨勢。當瓦斯抽采時間大于226 d 時（88 組～89 組），預抽后殘余瓦斯含量可以降低至8 m3/t 以下（88～94組鉆孔見煤底板間距為3 m）。當瓦斯抽采時間減少到181 d 時（96 組～97 組），殘余瓦斯含量約等于8 m3/t。隨抽采時間的進一步減少，殘余瓦斯含量逐漸增加，當抽采時間減少至53 d 時（126 組～127 組），校檢得到的瓦斯含量遠大于8 m3/t。

圖5 機械擴孔區域瓦斯含量隨地點的變化趨勢

截至2020 年9 月20 日，機械水力一體化擴孔區域（第三評價單元）抽采瓦斯894 734 m3。根據糯東煤礦總結的瓦斯抽采規律，抽采過程中部分抽采量為附近煤層瓦斯運移的量，控制范圍內煤層預抽瓦斯量為抽采總量的60%，本循環控制范圍內瓦斯抽采量為536 840 m3。

5 結論

通過對糯東煤礦12000 回風順槽機械水力一體化擴孔鉆孔瓦斯抽采效果的分析研究得出以下結論：

（1）糯東煤礦12000 回風順槽機械水力一體化擴孔鉆孔出煤率為29%，鉆孔出煤率達到設計要求。

（2）12000 回風順槽第三評價單元內的瓦斯抽采率為33 %，瓦斯抽采達標。

（3）12000 回風順槽第三評價單元內瓦斯含量為5.22～7.43 m3/t，對應瓦斯壓力為0.232～0.372 MPa，瓦斯含量小于8 m3/t，瓦斯壓力小于0.74 MPa，達到消突指標要求。