自動化鉆沖造穴卸壓增透裝備的設計及試驗

房新亮， 武國勝， 徐云輝， 劉亞曉

(1.河南龍宇能源股份有限公司 車集煤礦， 河南 永城 476600； 2.河南鐵福來裝備制造股份有限公司， 河南 寶豐 467400)

井下開采煤層絕大多數為低透氣性突出煤層[1]。在不具備保護層開采的條件下，頂(底)板巖巷穿層鉆孔瓦斯預抽是最有效的煤層消突措施[2]。為了提高低透氣性煤層瓦斯的抽出效率，需要采取相應的輔助增透措施，水力沖孔技術是目前普遍應用的煤層卸壓增透技術之一。水力沖孔造穴技術是應用高壓水射流沖擊破碎煤體，在煤體內部形成較大洞穴，洞穴周圍煤體應力得到釋放、裂隙充分發育，進而達到較大范圍卸壓損傷的增透技術[3]。其技術原理如圖1所示。

圖1 穿層鉆孔造穴卸壓增透技術示意圖

中國學者針對水力沖孔卸壓增透的機理、技術和應用開展了一系列研究和考察[4]。王恩元等[5]研究了水力沖孔在梁北二井高突煤層應用中孔洞周圍煤體的多場分布演化規律與卸壓增透半徑。王兆豐等[6]分析了水力沖孔在松軟低透煤層的增透機理并考察了在羅卜安煤礦的應用效果。郝從猛等[7]根據水力沖孔沖出的煤量，將沖孔的形狀進行簡化，建立了瓦斯流動流固耦合模型并借助COMSOL數值軟件進行求解，得出了沖孔后瓦斯抽采半徑模擬結果與現場實測基本一致的結論。王偉[8]以臥龍湖礦松軟煤體為研究背景，推演了高壓水射流沖擊破碎松軟煤體的過程，研發了鉆進沖孔一體化裝備，并實現了履帶式聯動行走。水力沖孔技術的發展與應用極大地提高了各大礦區瓦斯抽采的效果[9]。但是機械化水力沖孔技術面臨著勞動強度大、作業效率低等問題[10]。如何在增加煤層透氣性，提高煤層瓦斯抽采效果的同時，減少設備操作人員成了煤礦瓦斯智能抽采研究的新任務[11]。

為了實現造穴卸壓增透技術的減人增效，采用自動化控制手段，研發了全套自動控制鉆機及配套的鉆桿車，實現了煤層造穴卸壓增透技術的打鉆、沖孔造穴的自動化。具有減少操作人員、遠程控制和避免人為因素對鉆孔成孔質量影響的優勢。以期實現自動化鉆沖造穴裝備提高低透突出煤層瓦斯抽采效果，降低危險環境的人員投入，確保礦井安全高效生產。

1 自動化鉆沖造穴卸壓裝備的設計

1.1 設計路線

自動鉆沖一體化成套裝備需要滿足自動化控制鉆機、遠控清水泵站、高壓密封鉆具、可變徑造穴裝置等部件間的自動配合，其中自動化控制鉆機主要由自動打鉆車與自動鉆桿車兩部分組成。自動化控制鉆機實現設備的一鍵自動打鉆、自動退鉆、自動上鉆桿以及自動下鉆桿等功能，通過無線遙控控制與數據顯示功能方便工人現場作業。主要部件間功能實現及相互關系如圖2所示。

圖2 自動化打鉆造穴裝備設計路線

1.2 自動化鉆機及鉆桿車

實現自動化打鉆造穴的關鍵裝備包括自動化鉆機和自動鉆桿車兩部分組成，兩者的配合關系如圖3所示。其中，可編程控制系統(PLC)通過接近開關、壓力傳感器、位移傳感器、轉速傳感器及溫度傳感器等輸入開關信號及模擬量信號，對設備運行狀態進行判斷，通過邏輯運算輸出開關信號及模擬量信號對各機構功能進行控制，實現設備的自動化運行。另外，通過電磁液壓閥的直接驅動，控制機械手實現各功能動作，同時通過可編程的邏輯控制，實現鉆桿車的自動送鉆與自動回收鉆桿功能。

圖3 煤礦用自動化控制鉆機組成

1.3 其他設施

遠控清水泵站在無線遙控器控制下實現泵站輸出壓力的線性調整及定值調整、保壓，在設備正常鉆進時輸出低壓水，沖孔時泵站輸出壓力自動升高至固定值，并保持，實現設備沖孔時高壓水供給功能。高壓密封鉆具在實現設備扭矩傳遞的同時還具有耐高壓以及自動閉水的功能，在設備連接鉆桿時實現鉆具的自動閉水，減少通水供水時間，避免因拆解鉆桿時水流流出產生虹吸堵塞鉆具。沖孔造穴裝置通過高低壓水切換實現沖孔功能的轉換，通過轉換后的沖孔裝置實現煤體沖孔。

2 現場應用

2.1 試驗地點概況

試驗地點位于車集煤礦26采區軌回五聯巷，采區煤層厚度為2.1～3.2 m，平均厚度為2.7 m，煤層傾角為12°～24°，瓦斯含量為6.47～13.5 m3/t，最大瓦斯壓力0.6 MPa。礦井2013年升級為突出礦井。

2.2 鉆孔布置

通過對水力沖孔的有效半徑現場考察結果發現，水力沖孔鉆孔允許的最大布置間距為5 m。因此，試驗設計4組鉆孔，每組鉆孔的間距為5 m，每組孔共12個鉆孔，分兩排布置，共計48個。每排鉆孔之間的關系為平行關系，鉆孔布置的平面圖、剖面圖如圖4所示，鉆孔參數見表1。

圖4 鉆孔布置

表1 穿層水力沖孔鉆孔參數

3 效果考察

3.1 工作效率考察

為了考察自動化鉆沖造穴裝備的應用效果，需要首先對裝備的工作效率進行考察，這是因為工作效率是評價自動化是否優于普通機械化的關鍵指標。其中，采用自動化鉆沖造穴裝備與普通打鉆造穴裝備的施工過程對比分析的方法進行考察，對比參數見表2。

表2 工作效率對比

通過計算可知，采用自動化鉆沖造穴裝備平均每米的鉆進速度、沖孔速度和退鉆速度分別是普通打鉆沖孔裝備的1.59、1.36、0.72倍。

經過大量的實踐統計分析，常規裝備鉆進、沖孔過程中，鉆孔鉆進的時間、沖孔時間和退鉆時間占總作業時間的比例分別為30%、50%、20%。因此，計算可知，自動化鉆沖造穴裝備的單機綜合作業效率是普通打鉆沖孔設備單機綜合作業效率的1.3倍。

自動化鉆沖造穴裝備在提高單機作業效率的同時，減少了操作人員投入。普通打鉆沖孔裝備一般需要3人進行操作，而自動化鉆沖造穴裝備僅需1人進行控制作業。從人均作業效率的角度分析可以得出，自動化鉆沖造穴裝備的人均作業效率是普通打鉆沖孔裝備的3.9倍。

3.2 增透效果考察

為了進一步確定自動化鉆沖造穴裝備對于強化煤層瓦斯抽采的效果，對裝備試驗期間的造穴出煤量、沖出瓦斯量及強化瓦斯抽采情況進行分析。

3.2.1 沖出煤量

為了考察自動化鉆沖造穴裝備應用是增透效果，對采用沖孔措施鉆孔的單孔沖出煤量進行統計并計算每米沖出煤量，如圖5所示。

圖5 單孔及每米出煤量統計

從圖5可知，單孔沖出煤量最少為1.2 t，最多為15.6 t。單孔每米沖出的煤量為0.6～0.75 t/m，根據煤層煤的密度計算，水射流在鉆孔煤段破沖出了直徑約為0.8～1 m的孔洞，為煤體形變提供了空間。

3.2.2 沖出瓦斯量

為了考察鉆孔沖孔期間沖出的瓦斯量，對第4組4號鉆孔進行考察。該鉆孔在240 min內共計破沖出煤量為7.2 t，經過計算，在鉆孔煤段可形成直徑為0.82 m的孔洞。鉆孔沖孔前后巷道內瓦斯濃度隨時間的變化趨勢如圖6所示。

圖6 沖孔前后巷道風流瓦斯濃度變化

從圖6可知，聯巷在正常條件下，風流中的瓦斯濃度在0.01%左右，當鉆孔進行沖孔時，風流中的瓦斯濃度迅速上升，最高可達0.6%。為了防止瓦斯超限，立即將防噴裝置連接到防噴管路，風流中瓦斯濃度迅速恢復正常。

3.2.3 沖孔鉆孔抽采效果

為了考察水力沖孔后鉆孔的抽采效果，對第4組1#～4#鉆孔的瓦斯純流量隨時間的變化進行統計，如圖7所示。

圖7 沖孔后鉆孔流量隨時間的變化圖

從圖7可知，沖孔后鉆孔的初始瓦斯純流量為0.03～0.065 m3/min，平均純流量為0.049 m3/min；抽采10 d時鉆孔瓦斯純流量為0.02～0.05 m3/min，平均純流量為0.038 m3/min;抽采 30 d 時鉆孔的瓦斯純流量為0.006～0.02 m3/min，平均純流量為0.012 m3/min。通過與普通穿層鉆孔對比，沖孔鉆孔流量衰減周期提高了2～4倍。

4 結論

1)自動化鉆沖造穴裝備平均每米的鉆進速度、沖孔速度、退鉆速度分別是普通打鉆沖孔裝備的1.59、1.36、0.72倍。

2)自動化鉆沖造穴裝備的單機綜合作業效率和人均作業效率分別是普通打鉆沖孔設備單機綜合作業效率的1.3、3.9倍。

3)水射流在鉆孔煤段破沖出了直徑約為0.8～1 m的孔洞，為煤體形變提供了空間。沖孔期間孔內沖出的瓦斯需要采用放噴裝置進行引排。較普通鉆孔，沖孔鉆孔流量衰減周期提高了2～4倍。