機械水力一體化擴孔技術(shù)的應(yīng)用研究

白 杰

(華陽新材料科技集團有限公司 通風(fēng)部，山西 陽泉 045000)

據(jù)統(tǒng)計，我國高瓦斯和突出煤層中有95%以上的開采煤層屬于低滲透性，其滲透率只有10-3～10-4mD。隨著煤炭開采逐漸向深部發(fā)展，地應(yīng)力增加，煤層的滲透率進一步降低。目前，對堅硬低透氣性煤層瓦斯治理效果較好的措施有水力沖孔造穴增透、CO2深孔預(yù)裂爆破、開采保護層、大直徑卸壓鉆孔等，這些技術(shù)在礦井瓦斯治理中都產(chǎn)生了一定的效果，但也都存在不同局限性[1]。水力沖孔造穴技術(shù)是利用高壓水射流對鉆孔周圍煤體進行破碎，在射流沖刷作用下形成空洞，使水力沖孔周圍煤體發(fā)生變形、卸壓，增加鉆孔周圍煤體的新生孔隙，提高煤體滲透率，改善煤層抽采條件[2-5]。陽泉煤業(yè)和鐵福來公司為了解決低滲透性煤層瓦斯抽采難題，通過理論分析提高鉆孔瓦斯抽采效率的主要途徑，借鑒水力造穴的工藝技術(shù)，研制了以鉆機給進和旋轉(zhuǎn)為動力的自動開合式“機械水力一體化擴孔”技術(shù)裝置。

1 機械水力一體擴孔技術(shù)原理

水力沖孔系統(tǒng)主要由水力沖孔鉆機、鉆桿、鉆頭、水力沖孔接頭、氣渣分離器、高壓注水泵、水箱、高壓管路等組成[6]，如圖 1 所示。

圖1 水力沖孔系統(tǒng)示意

煤層水力沖孔卸壓增透技術(shù)：煤層通過水力沖孔，沖出一定量的煤體，在鉆孔周圍形成孔洞(見圖2)，為煤體膨脹變形提供了充分的空間。鉆孔周圍煤體在地應(yīng)力的作用下發(fā)生膨脹變形，使地應(yīng)力向四周移動；同時鉆孔周圍煤體向孔道方向發(fā)生大幅度的移動，造成煤體頂?shù)装彘g的相向位移，引起在鉆孔影響范圍內(nèi)地應(yīng)力降低、煤層充分卸壓、裂隙增加，使煤層透氣性大幅度增高，促進瓦斯解吸和排放，大幅度釋放煤層和圍巖中的彈性潛能和瓦斯膨脹能，從而大幅提高抽采效果[7-8]。

圖2 水力造穴增透瓦斯流動模型

機械水力一體擴孔技術(shù)與水力造穴的卸壓增透原理基本相同，都是通過形成孔洞釋放突出煤層中積聚的勢能，提高煤層透氣性，從而實現(xiàn)增透消突的目的。不同之處在于，水力造穴是通過高壓水射流沖擊鉆孔內(nèi)煤體產(chǎn)生孔洞，造穴效果受煤層賦存情況及煤體硬度等因素影響較大，一般而言，煤體越硬，出煤量越少，造穴效果越差。機械擴孔工藝集機械打鉆造穴、水力洗孔為一體，在常規(guī)打鉆過程中采用2～4 MPa的低壓水，起到排粉降塵、冷卻鉆頭的作用，機械擴孔時使注水泵站處于12 MPa高壓狀態(tài)，機械刀臂打開，進行煤體切割產(chǎn)生孔洞，通過高低泵壓的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)打鉆造穴一體化，機械擴孔工藝受煤層情況及參數(shù)影響不大，出煤量、增透卸壓效果相對穩(wěn)定。

2 機械水力一體化擴孔設(shè)備

2.1 施工流程及工藝

2.1.1 施工流程

預(yù)先根據(jù)設(shè)計位置，指定鉆孔施工位置—移鉆機、清水泵至指定位置—穩(wěn)鉆、調(diào)整角度—移“一鉆一視頻”至指定位置—試驗機械刀—與視頻通話開鉆—開始施工鉆孔—施工至造穴位置后調(diào)整清水泵壓力，開始造穴—循環(huán)施工、清理鉆場、排水—施工完畢退桿—封孔—24 h后連抽。

2.1.2 施工工藝

1) 正常打鉆時泵站壓力在3 MPa以內(nèi)，準(zhǔn)備擴孔時將注水泵站壓力提高至4 MPa，擴孔鉆頭臂開始打開并慢速旋轉(zhuǎn)，觀察鉆機旋轉(zhuǎn)壓力表變化情況，看指針是否出現(xiàn)大幅度擺動，出現(xiàn)大幅擺動時，保持泵站壓力不變，待鉆機旋轉(zhuǎn)壓力表示數(shù)不變時，逐漸調(diào)高泵站壓力，以此方式使鉆頭慢慢張開，達到12 MPa時機械擴孔鉆頭完全張開。鉆頭張開全程，鉆桿保持原地不動。

2) 待注水泵站壓力達到12 MPa時，完全張開后的鉆頭從擴孔位置慢慢推進，擴孔過程中觀察鉆機旋轉(zhuǎn)壓力表示數(shù)，正常擴孔時鉆機旋轉(zhuǎn)壓力一般為4～8 MPa，保證旋轉(zhuǎn)壓力不超過10 MPa，當(dāng)發(fā)現(xiàn)示數(shù)超過10 MPa時，鉆機立刻停止推進，通過降低轉(zhuǎn)速的方式原地旋轉(zhuǎn)，待旋轉(zhuǎn)壓力降至10 MPa以下時再慢速擴孔。

3) 擴孔結(jié)束，將注水泵站壓力完全卸載，刀臂自動回收，進行正常打鉆至下一擴孔位置，再進行第二次擴孔，以此實現(xiàn)循環(huán)擴孔。

2.1.3 施工設(shè)備參數(shù)

鉆機型號ZDY4500LX、ZDY7300LX；鉆桿直徑89 mm的三翼鉆桿；鉆頭直徑113 mm(擴孔直徑500 mm)的自動開合式擴孔鉆頭。

2.2 機械擴孔裝備改進

研制過程中對機械擴孔裝備性能參數(shù)進行多次改進和優(yōu)化，努力實現(xiàn)裝備“三高三強”，即高效加接鉆桿、高智能操作、高效大直徑擴孔鉆頭，強動力系統(tǒng)、強力擴孔鉆桿、強排渣系統(tǒng)，設(shè)備故障率大幅下降，同時不斷優(yōu)化設(shè)計方案，提高施工效率，機械擴孔工藝正逐漸走向成熟。

機械水力一體化擴孔成套裝備在水力造穴裝備成功應(yīng)用的基礎(chǔ)上，在注水泵站、擴孔鉆桿和鉆頭等核心部件研制方面均實現(xiàn)了較大提升。

1) 注水泵站由過去的200 L/min常規(guī)流量泵提高到315 L/min的大流量泵，提高鉆孔降塵排渣效果，增加出煤量；

2) 擴孔鉆桿由過去直徑63.5 mm的三棱鉆桿改進為直徑89 mm的高強度三翼鉆桿，擴孔鉆桿以優(yōu)質(zhì)高強度合金管為基材，輔以特種鋼板制成的三翼，將三棱鉆桿的排渣效果和圓鉆桿的高強度效果融為一體，能承受更高轉(zhuǎn)矩，更加堅固耐用；

3) 擴孔鉆頭是整套裝備最核心的部件，先后試驗了直徑400 mm、500 mm的擴孔鉆頭，前期鉆頭故障率較高，經(jīng)常出現(xiàn)擴孔鉆頭開合不正常現(xiàn)象，對此，先后6次對擴孔鉆頭內(nèi)部構(gòu)造進行改進，主要對兩項重要部件重新設(shè)計改造：一是改變過去活塞與缸體“鋼對鋼”式直接接觸摩擦工作，研制了活塞與缸體間配套連接專用防污環(huán)，采用特殊材質(zhì)合金鋼，提升抗污能力，避免缸體內(nèi)壁損壞造成刀臂卡滯；二是針對擴孔鉆頭刀槽易被煤渣堵塞影響刀臂開合的問題，在刀槽兩側(cè)設(shè)計刀臂排渣孔，研究分析最佳的排渣孔數(shù)量和孔徑，基本杜絕了煤渣堵塞刀槽的現(xiàn)象。通過這兩項改進，機械擴孔鉆頭穩(wěn)定使用周期不斷提高，故障率大幅下降，并最終定型為500 mm的大直徑擴孔鉆頭。

3 工程試驗

3.1 新景煤礦試驗方案

新景煤礦3號煤堅固性系數(shù)f為0.5～0.7，煤層透氣性系數(shù)為0.018 8～0.137 7(m2/MPa2·d)，鉆孔百米流量衰減系數(shù)為0.068 7～1.594 2(d-1)，屬于較難抽放煤層。在掘進工作面設(shè)計施工10個鉆孔(見圖3)，主孔深度為80 m，造穴間距為5 m，造穴長度為2 m，擴孔直徑為500 mm。單循環(huán)設(shè)計95個擴孔位置，工程量670 m。

圖3 鉆孔布置設(shè)計

設(shè)計中，5號、6號鉆孔開孔間距為1.4 m，其余為0.45 m，鉆孔保護范圍為距離巷道煤壁15 m，開孔高度為1.4 m，鉆孔位置、偏角(左偏為“-”,右偏為“+”)鉆孔參數(shù)見表1。

表1 鉆孔施工參數(shù)

3.2 新元煤礦試驗方案

新元煤礦在31002輔助進風(fēng)巷、回風(fēng)巷掘進工作面試驗機械水力一體化擴孔技術(shù)，每循環(huán)施工5個造穴鉆孔(見圖4)，造穴間距為5 m，擴孔長度為1 m，最大擴孔直徑為500 mm，進風(fēng)巷和回風(fēng)巷各3個循環(huán)，鉆孔參數(shù)見表2。鉆孔施工時間為2019年6月至9月，共造穴30個孔，造穴630 m，沖出煤泥340.2 t，平均每米0.54 t。

圖4 鉆孔布置設(shè)計

表2 31002輔助進風(fēng)巷、回風(fēng)巷鉆孔施工參數(shù)

4 試驗結(jié)果分析

4.1 新景煤礦試驗結(jié)果分析

試驗共完成122個循環(huán)，累計進尺完成8.2萬m，單循環(huán)平均出煤量為60 t，單循環(huán)累計抽采瓦斯總量最大為3.6萬m3，平均為1.5萬m3；單孔抽采瓦斯?jié)舛茸畲鬄?2%，平均為55.8%；單孔抽采純量最大為0.775 m3/min，平均為0.088 m3/min；單日平均瓦斯抽采純量為2 204.8 m3，平均為1 267.2 m3。

1) 出煤量方面。采用機械水力一體擴孔工藝完成一個循環(huán)，平均出煤量約為60 t，較原水力造穴工藝減少10 t左右。

2) 鉆孔施工時間方面。機械水力一體擴孔1 m，平均用時5 min，最快能達到每穴3 min，較水力造穴工藝每造穴一次用時30 min，單穴施工速度提高了5倍；機械水力一體擴孔工藝施工一個循環(huán)完鉆用時5 d，僅為水力造穴鉆孔施工周期的一半，鉆孔施工效率顯著提高。

3) 抽采效果方面。機械水力一體擴孔工藝單孔抽采濃度平均為55.8%，是水力造穴單孔濃度的1.38倍；單孔抽采純量平均為0.088 m3/min，是水力造穴鉆孔的1.6倍；單循環(huán)日平均抽采純量為1 267.2 m3，是水力造穴鉆孔的1.7倍。

4) 單循環(huán)掘進時間方面。機械水力一體擴孔：正常鉆抽時間17 d，掘進時間8 d，共計25 d；水力造穴：正常鉆抽時間23 d，掘進時間8 d，共計33 d；掘進工作面單進效果提高1.3倍。

4.2 新元煤礦試驗結(jié)果分析

通過對試驗結(jié)果匯總分析，與水力造穴工藝進行對比，各技術(shù)指標(biāo)為：

1) 出煤量對比。機械擴孔工藝每循環(huán)出煤量平均為64.7 t，是水力造穴工藝的1.13倍。

2) 機械擴孔與水力造穴時間對比。機械擴孔1 m平均用時5 min，最快能達到3 min，較水力造穴工藝每穴用時30 min，單穴施工速度提高6倍。

3) 鉆孔抽放純量對比。機械擴孔抽采純量平均為0.55 m3/min,水力造穴鉆孔抽采純量平均為0.34 m3/min，約為水力造穴鉆孔的1.62倍。

4) 施工周期。單循環(huán)施工時間由8 d縮短到5 d，提高了1.6倍。

通過對新景煤礦和新元煤礦機械水力一體擴孔試驗數(shù)據(jù)的匯總分析，與水力造穴工藝進行對比(見表3)。

5 結(jié) 語

1) 在新景煤礦和新元煤礦使用機械水力一體化擴孔技術(shù)，機械造穴效率較原有的水力造穴提升4倍以上，單孔瓦斯抽采效果明顯提高，取得了良好的應(yīng)用效果。

2) 此研究成果具有適應(yīng)煤層硬度大、工藝參數(shù)可控性強、造穴卸壓效果好等優(yōu)點，能有效提高瓦斯抽采效率，為礦井安全生產(chǎn)提供技術(shù)支持，具有較高的實用性。

表3 機械水力一體擴孔與水力造穴數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比