淺析高突礦井水力掏煤快速消突工藝

解志勝

(晉煤集團 胡底煤業公司，山西 晉城 048214)

胡底煤礦為突出礦井，煤層頂板和底板均存在軟分層，軟煤硬度系數在0.1～0.5之間，在工作面防突檢測中經常造成鉆屑量超標甚至造成突出的危險，影響煤巷安全高效掘進和采面回采。

采取的主要措施是底抽巷施工穿層鉆孔及工作面順層施工掏煤鉆孔對軟分層進行掏煤，但掏軟煤措施效果不明顯，未能徹底解決軟分層問題，在工作面防突檢測中鉆屑量仍然經常超標。針對此情況，決定采用水力掏煤技術解決軟分層問題。

1 水力掏煤理論技術

采用數值模擬、相似模擬、實驗室測定等方式對掏軟煤的煤量、布孔間距、應力分布及透氣性變化規律等技術參數進行研究和分析， 通過在底抽巷穿層鉆孔中使用旋轉掏煤方式，順層鉆孔中采用定點水力掏煤方式，解決軟分層問題。

軟分層掏煤厚度應滿足掏煤后煤層充分卸壓膨脹。參考保護層開采技術規范，當保護層開采后，被保護層最大膨脹變形量大于3‰時，認為被保護層充分卸壓增透。軟分層開采的厚度與開采煤層的絕對膨脹變形量成一定的比例關系，因此，軟分層水射流掏煤的最小厚度可通過掏煤煤層的臨界膨脹變形量來確定，則軟分層水射流掏煤的最小厚度可通過下式來計算：

式中：M0為軟分層水射流掏煤的最小厚度，m；M為煤層厚度，m；ε為煤層達到充分卸壓的臨界相對膨脹變形量，取3‰；K為有效變形系數，根據現場試驗的實際卸壓效果考察確定。

1.1 水力射流參數

軟分層水射流掏煤半徑主要受煤體硬度系數、射流壓力、射流流量及時間控制，其中煤體硬度系數和射流流量較為關鍵。當水射流掏煤半徑、厚度、煤體硬度增大時，水射流水量、壓力隨之增大，時間增加。

水射流參數設計包括水射流流量、壓力和時間等參數，應根據水射流掏煤半徑、厚度和煤體硬度來設計，參數值僅為第一個水射流掏煤鉆孔初次掏煤提供參考，其它鉆孔水射流掏煤的具體參數根據實際掏煤情況進行調整，胡底煤礦突出煤層軟分層水射流參數初步設計如表1所示。

表1 突出煤層軟分層水射流掏煤初步設計參數

1.2 掏煤鉆頭噴頭布置

高壓水射流掏煤采用扇形扁平射流，水力掏煤噴嘴安裝在水力掏煤鉆頭后方。水力掏煤鉆頭根據水力掏煤鉆孔角度來安裝不同角度的噴嘴，噴嘴的安裝角度應根據鉆孔與煤層的夾角設計，不同角度范圍的水力掏煤鉆孔對應一系列不同安裝角度的水力掏煤鉆頭，以確保水力掏煤時鉆頭上安裝的不同噴嘴的射流面與煤層面接近平行。

2 軟分層掏煤技術實施

2.1 底抽巷掏煤鉆孔

在胡底煤礦1305底抽巷前期施工的穿層鉆孔之間施工掏煤鉆孔，在原來每兩排穿層孔之間施工一個掏煤孔，方位角90°和270°，傾角為46°，分別布置在13052/13053煤巷掘進輪廓線內(見圖1)。

圖1 水力掏煤鉆孔布置

2.2 回采巷道掏煤鉆孔

1305回采巷道施工完成順層鉆孔后,在鉆孔軟分層處每5 m施工一個掏煤孔，掏煤孔方位角90°和270°，傾角1～3°，孔深100 m。

2.3 設備選配

對水力掏軟煤系統、供水系統和防超限裝置等試驗設施進行安裝和調試。 水力掏軟煤系統由水箱、高壓泵、高壓軟管、高壓旋轉接頭、鉆機、高壓密封鉆桿、掏煤噴頭及噴嘴等部分組成，沿巷道掏煤范圍0～120 m， 掏煤影響半徑3～6 m，掏煤壓力0～30 MPa。

高壓射流水泵：1備1用，BRW400/31.5型乳化液泵及其配套乳化液箱。額定壓力31.5 MP，額定流量400 L/min，外形尺寸 2 460 mm×995 mm×1 265 mm， 將乳化液泵安裝在1305底抽巷鉆場內，采用直徑51 mm高壓膠管將高壓水輸送至水力掏煤地點。

高壓管路：采用高壓膠管連接乳化液泵和鉆機，輸送高壓水進入高壓鉆桿和噴頭。高壓膠管為鋼絲纏繞式，額定壓力40 MPa，外徑51 mm。

高壓密封水便：額定旋轉密封壓力40 MPa。

高壓密封鉆桿：水力掏煤采用高壓密封三棱鉆桿，額定密封壓力40 MPa，外徑73 mm，接頭采用內密封設計。

高壓密封噴頭：水力掏煤采用2種類型高壓密封噴頭，一種安裝圓錐型射流噴嘴，另一種安裝扁平扇形噴嘴。高壓密封噴頭一端與高壓密封連接，另一端與鉆頭連接。

2.4 軟分層掏煤工藝

2.4.1 穿層鉆孔掏煤

底抽巷穿層鉆孔施工完畢后對煤、巖情況進行記錄分析，退出普通鉆桿，再向孔內送入高壓水力掏煤鉆桿，將水力掏煤鉆頭送入煤巖交接面以下0.5 m，開始送入高壓水進行沖孔，通過旋轉并推進鉆桿，當遇到軟煤時一直沖孔，直至返出清水再向里送鉆桿。重復以上工序直至整個孔沖完，通過水力掏煤，發現在煤層頂、底板處存在軟煤較多，厚度在0.6～0.8 m，掏煤量及孔徑變化見表2。

表2 穿層孔掏煤結果匯總

2.4.2 順層鉆孔掏煤

在順層頂部軟煤區域施工完成鉆孔后，退出普通鉆桿，再向孔內送入高壓水力掏煤鉆桿，從煤壁向里，每15 m定點沖一次孔，反復推拉鉆桿，直至返出清水再向里送鉆桿，重復以上工序直至整個孔沖完，掏煤量及孔徑變化見表3。

表3 順層孔掏煤結果匯總

3 軟分層掏煤效果分析

3.1 提高掘進效率

未進行水力掏煤時，每次工作面突出危險性預測之前都要先在工作面迎頭軟分層中施工卸壓孔，一般需要兩至三天時間，生產效率低。水力掏煤之后，減少了工作面檢測前施工卸壓孔這道工序，提高了掘進效率。

與相同距離的煤巷掘進相比：水力掏煤前35 m區域防突預測共計用時219 h，水力掏煤后35 m區域檢測時間僅需135 h(包括水力掏煤用時4 d)，節省了40%的時間。

采煤面產量比較：采用水力掏煤的采煤工作面每天出煤量由5 000 t提高到7 000 t，提高了40%的產量。

3.2 節省人工成本

與施工卸壓孔需要6人同時作業相比，水力掏煤時僅需3人同時作業，節省了人工，同時也降低了勞動強度。

3.3 降低工作面瓦斯涌出量

水力掏煤前，35 m區域割煤期間回風流瓦斯濃度最大值為0.49%～0.62%；水力掏煤后，回風流瓦斯濃度最大值為0.35%～0.49%，工作面瓦斯涌出量明顯下降。

4 結 語

胡底煤礦2個煤巷掘進工作面及一個綜采工作面均采用軟分層水力掏煤措施，杜絕了在工作面防突檢測中鉆屑量超標，徹底解決了軟分層問題，確保了礦井的安全生產。