三軟突出煤層“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝研究及應用

孟 杰 黨軍超 王洪盤 蔣志剛 閆本正

(1. 河南能源化工集團研究院有限公司，河南省鄭州市，450046；2. 義馬煤業集團新義煤業有限公司，河南省洛陽市，471800)

1 概況

義煤公司新義礦是典型的三軟突出煤層，主采二1煤層，無保護層可采。井田內大、中型斷層不發育，水文地質條件簡單-中等。受區域地質構造控制，二1煤層全層構造軟煤發育，煤層厚度變化大、透氣性差。

新義礦瓦斯治理的主要問題是現有水力沖孔技術施工工藝復雜、效率低。目前新義礦主要利用11090軌道和膠帶巷底板巷施工穿層鉆孔，采用水力沖孔技術措施進行瓦斯治理。現有的水力沖孔工藝流程為：?89 mm鉆頭打鉆→?113 mm鉆頭全巖段擴孔、?133 mm鉆頭擴孔口2 m→安裝防噴孔裝置→換沖孔鉆頭沖孔→沖出一定的煤量或者返清水時沖孔結束→封孔、連抽。此沖孔工藝相當復雜，以現有的工藝水平，沖孔效率為1.5 t/班。

針對上述情況，新義礦與河南能源研究院合作在11090工作面開展水力沖孔工藝優化試驗，以期能夠提高新義礦的水力沖孔效率，同時能提高煤層瓦斯抽采效率，縮短抽采達標時間，緩解煤礦抽、采、掘接替緊張局面。

2 新型水力沖孔工藝的提出

水力沖孔是在突出煤層中直接應用的一種防治突出措施，它是以巖柱或者煤柱作為安全屏障，利于高壓水將煤、水、瓦斯經過孔道向孔外排出，孔道周圍煤體劇烈向孔道方向移動，同時發生煤體的膨脹變形和頂底板的相向位移，引起在沖孔影響范圍內地應力降低、煤層卸壓、裂隙增加、煤層透氣性增高，促進瓦斯的解吸和排放。

鉆沖一體化水力沖孔工藝是目前廣泛應用的一種水力沖孔工藝，該方法從水力沖孔的工藝流程入手改進水力沖孔工藝。該工藝減少了傳統水力沖孔工藝中在鉆孔完成之后退鉆桿，然后更換水力沖孔鉆頭再進行水力沖孔這道工序，節省了工作時間，提高了沖孔效率。但該水力沖孔工藝也存在一定的弊端，對于鉆孔長度在30～50 m的短鉆孔不能充分發揮鉆機的鉆進效率，且沖孔效率提高的有限。新義礦屬于三軟煤層，其施工完成一個鉆孔(鉆孔長度30～50 m)需4 h左右，而沖孔要達到要求的出煤量(煤孔出煤量不低于1 t/m)需要2個班，沖孔占用了鉆機大量的時間，極大地降低了鉆機的施工效率。原因分析如下：

(1)三軟煤層煤體松軟，容易沖孔，但是三軟煤層沖孔面臨一個矛盾點，如果水力沖孔壓力低，水射流沖擊范圍小，出煤量小，則沖孔效率低；如果沖孔壓力高，水射流沖擊范圍大，出煤量大，容易堵孔。而且新義礦煤層中含有結核，更容易造成鉆孔堵塞。

(2)鉆沖一體化水力沖孔工藝沖孔時排渣通道狹小，鉆頭直徑89 mm，成孔后鉆孔直徑90～95 mm，鉆桿直徑73.5 mm，那么沖孔時鉆孔內的環空面積只有27.85 cm2，環空尺寸為8～10.5 mm，如有大顆粒煤渣極易堵孔甚至抱鉆。

為此，從水力沖孔的基本原理出發，分析水力沖孔的關鍵影響因素，考慮改進適用于三軟煤層短鉆孔(鉆孔長度30～50 m)的水力沖孔工藝。在水力沖孔過程中，水力壓力、煤的堅固性系數、鉆孔孔徑、鉆桿直徑、環空大小(鉆孔孔徑與鉆桿直徑的差值除以2，環空越大，水力沖孔時，沖出煤粉或煤渣越順暢，效率越高)、煤孔段的長度、沖出煤量等幾個參數都很重要。其中沖孔水壓的確定一般取煤體堅固性系數的12～20倍，壓力越高沖煤速度越快；但相同沖孔壓力下也要保證有足夠的環空讓煤粉(煤渣)從孔內排出，如果環空較小，就容易發生堵孔、埋鉆等事故，因此沖孔效率與沖孔壓力和鉆孔的環空正相關，即沖孔壓力一定的情況下，沖孔效率隨著鉆孔環空的增大而增加，當鉆孔環空增大到一定數值時，沖孔效率不再增加，此時，鉆孔的環空尺寸達到了最優值；同理，鉆孔環空一定時，與沖孔效率相對應的也有一個最優的沖孔壓力值。鉆孔沖出煤量是考核瓦斯抽采鉆孔沖孔效果的重要參數，一般以煤孔沖出1～1.5 t/m煤為標準，沖孔效率則以單位時間內沖出的煤量進行考核。為了提高水力沖孔效率，必須使環空大小與沖孔壓力相互匹配，在沖孔壓力和沖出煤量一定的情況下，盡量增加環空可以有效提高沖孔效率，根據這一思路提出了“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝。

3 “鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝

“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝技術原理是在不改變鉆孔尺寸的前提下，利于瓦斯抽采孔水力作業機進行沖孔作業，作業機上的連續油管直徑只有16 mm，相應地增大了沖孔時的環空，利于排渣，從而提高水力沖孔效率；同時還可以解放鉆機及相應的鉆工，鉆工只負責打鉆，沖孔作業人員利用瓦斯抽采孔水力作業機對已有瓦斯抽采鉆孔進行水力沖孔增透作業，為了避免鉆機和瓦斯抽采孔水力作業機相互影響，沖孔作業滯后于鉆機1～2組鉆孔。瓦斯抽采孔水力作業機體積小，能夠通過履帶行走，移動方便，同時在沖孔作業時對鉆孔的孔徑大小要求不高，?89 mm鉆孔完全可以滿足水力沖孔對鉆孔環空大小的要求，因為該作業機利用連續油管進行水力沖孔作業，連續油管直徑16 mm，鉆頭直徑89 mm，成孔后鉆孔直徑90～95 mm，沖孔時鉆孔內的環空面積為68.8 cm2，是鉆沖一體化沖孔工藝的2.5倍，環空尺寸為37～40 mm，是鉆沖一體化沖孔工藝的4～5倍，能夠通過該環空的煤渣顆粒尺寸也相應增大，能夠有效地縮短沖孔時間。瓦斯抽采孔水力作業機照片如圖1所示。在該水力沖孔工藝模式下，因為鉆機只負責打鉆，鉆孔直徑89 mm，不再進行擴孔作業，從而保證每班施工2～3個鉆孔，提高了打鉆效率。

圖1 瓦斯抽采孔水力作業機

4 現場試驗

通過理論分析可知“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝與鉆沖一體化水力沖孔工藝相比，鉆孔內的環空面積和環空尺寸明顯提高，對應的沖孔效率也會明顯提高。但是在鉆孔內的環空面積和環空尺寸相對固定的情況下，水力沖孔壓力與沖孔效率的關系以及水力沖孔壓力與鉆孔內的環空之間的關系仍需通過現場試驗確定。本次現場試驗選擇新義礦11090工作面膠帶巷底板巷，擬通過現場試驗確定沖孔壓力、鉆孔環空以及沖孔效率三者之間的關系。

4.1 試驗地點概況

新義礦11090工作面井下標高為-186.6 m～-298.53 m，對應地面標高為+390 m～+413 m,走向長度185 m，傾斜可采長度1030 m，可采儲量137.6萬t。該工作面所采二1煤層煤質松軟，煤層厚度變化較大，且賦存不穩定，煤層厚度1.5～12 m，平均4.6 m，煤層傾角4°～16°，平均傾角5°，局部夾矸，煤層結構中等。煤的堅固性系數f值為0.22～0.65，瓦斯放散初速度ΔP值為15.0～28.0，從煤體結構參數分析可以看出，二1煤層普遍較軟，具備發生煤與瓦斯突出的煤體結構條件。礦井實測二1煤層瓦斯壓力為1.14 MPa，煤層瓦斯含量為9.69 m3/t,均具備發生煤與瓦斯突出的瓦斯含量和瓦斯壓力條件。

4.2 現場試驗方案

在11090工作面膠帶巷底板巷內開展鉆沖一體化和“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝，每種沖孔工藝選擇6列鉆孔進行試驗，沖孔壓力從4 MPa逐漸增加至20 MPa(根據經驗，沖孔水壓的確定一般取煤體堅固性系數的12～20倍，因此該礦的最小沖孔壓力為3～4 MPa)，現場記錄不同壓力下單位時間內的沖出煤量。11090工作面膠帶巷底板巷內的穿層鉆孔的布置方式采用6 m×6 m布置，每列布置8個鉆孔，上幫控制20 m，下幫控制15 m。每列選擇4個鉆孔，進行間隔沖孔。水力沖孔試驗方案如圖2所示。

4.3 現場試驗情況分析

經過3個多月的現場試驗，利用鉆沖一體化水力沖孔工藝共完成水力沖孔鉆孔56個，合計沖孔煤段323 m，合計沖孔煤量549 t，平均出煤量1.7 t/m，平均每班出煤量為2.95 t/班；利用“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝合計沖孔46個，合計沖孔煤段284 m，合計沖孔煤量406 t，平均沖孔效率為4.7 t/班。同時也分別統計分析了鉆沖一體化水力沖孔工藝和“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝在不同沖孔壓力下的沖孔效率，如圖3和表1所示。

由圖3和表1可以看出：

(1)相同沖孔壓力下，環空增大，沖孔效率明顯提高；環空越大，其沖孔效率隨沖孔壓力增加而增大的幅度越大。“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝隨沖孔壓力的增加其沖孔效率提高的幅度明顯大于鉆沖一體化水力沖孔工藝沖孔效率提高的幅度。

(2)相同鉆孔環空條件下，隨著沖孔壓力的增大，沖孔效率逐漸提高，當壓力增高到一定程度時沖孔效率不再有明顯變化，此時達到了最佳沖孔壓力。當沖孔壓力在12 MPa作業時，鉆沖一體化水力沖孔工藝沖孔效率最高，為4.3 t/班，當超過12 MPa時，其沖孔效率下降，為4 t/班，在現場試驗中還出現堵孔和抱鉆的情況，這是因為沖出煤量大于了鉆孔環空的排渣能力，造成了堵孔和抱鉆。而“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝則沒有出現這種狀況，其最佳沖孔壓力為16～18 MPa，沖孔效率為5.6～5.8 t/班。

圖2 水力沖孔試驗圖

圖3 不同沖孔壓力下兩種沖孔工藝效率對比分析圖

沖孔壓力/MPa鉆沖一體化/t·班-1鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機/t·班-142.212.562.783.2883.363.85103.84.5124.3251445.4165.67185.7205.8

5 結論

(1)相同沖孔壓力下，環空增大，沖孔效率明顯提高；環空越大，其沖孔效率隨沖孔壓力增加而增大的幅度越大。

(2)相同鉆孔環空條件下，隨著沖孔壓力的增大，沖孔效率逐漸提高，當壓力增高到一定程度時沖孔效率不再有明顯變化，此時達到了最佳沖孔壓力。

(3)鉆孔環空的大小對沖孔效率起到了制約作用，隨著鉆孔環空的增大，其最佳沖孔壓力和最佳沖孔效率明顯增加，而且出現堵孔和抱鉆的概率明顯減少。“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝的最佳沖孔壓力為16～18 MPa，沖孔效率為5.6～5.8 t/班，是鉆沖一體化水力沖孔工藝的1.4倍，是原水力沖孔工藝的3.8倍。

(4)“鉆機+瓦斯抽采孔水力作業機”協同沖孔工藝不再利用鉆機進行沖孔作業，解放了鉆機，不僅提高了沖孔效率，同時也提高了鉆進效率。

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