底抽巷穿層鉆孔陣列式水力造穴技術研究與工程應用

趙錦剛，劉 壘

（1.潞安化工集團 能源事業部，山西 長治 046204；2.潞安化工集團 李村煤礦，山西 長治 046600）

目前，煤炭在我國能源消費的比重之中占比接近60%，遠高于世界的平均水平。我國的煤炭工業發展十分迅速，但煤炭在安全生產上存在著隱患，我國的煤礦災害仍然十分嚴重，其中瓦斯災害尤為嚴重。瓦斯是危害煤礦安全高效生產的重要影響因素之一，防治瓦斯災害、保障煤礦安全生產，是我國煤炭生產面臨的首要和迫切的任務。對于瓦斯礦井，需要對瓦斯進行抽采之后才能進行采掘工作。高瓦斯應力、低滲透率、高地應力、高瓦斯含量是我國煤層的主要特征，由于復雜的地質運動影響，我國煤層的透氣性普遍低于世界其他產煤國家，屬于低透氣性煤層。在高瓦斯、低透氣煤層中，使用常規鉆孔抽采瓦斯綜合施工成本高、抽采達標時間長，不能有效保障生產的合理銜接，因此提高煤層的透氣性是解決高瓦斯低透氣煤層瓦斯災害防治的根本措施[1-2]。對于沒有保護層開采條件的煤層，增透方式主要包括氣相和液相兩類，相比來說，液相更優。其中，“穿層鉆孔+水力造穴增透”是一種較為有效的增透方法[3-5]。水力造穴技術實際以高壓水作為破煤介質，通過鉆孔對孔周煤層進行分段沖孔、破碎煤體、擴大孔徑，進而在鉆孔上形成若干以鉆孔為中心的隔段洞穴，從而釋放鉆孔周圍應力及瓦斯壓力，提高煤層透氣性、促進瓦斯抽采效率[6-8]。

1 工程技術研發背景

李村煤礦開采的三采區3 號煤層，具有透氣性差（0.000 206 m3/(MPa2·d））、堅固性系數小（0.3～0.6）、瓦斯含量高（6～14 m3/t）、吸附性強等特點。常規未卸壓瓦斯抽采，存在鉆孔抽采流量低、衰減快、綜合施工成本高、區域抽采達標時間長等難題。為確保三采區的掘進安全，優化改進后實施“以巖保煤”方案，開拓西翼2 號回風大巷及西翼進風大巷2 條底板巖巷，采用“穿層鉆孔+水力造穴”模式治理待掘煤巷區域瓦斯。現場工程實踐顯示，傳統水力造穴技術難以實現安全、經濟、高效造穴。為了解決這一問題，研發了陣列式水力造穴技術和裝置，并開展了工程應用。

2 傳統水力造穴技術的局限性分析

2.1 “一打一造”工藝的局限性分析

“一打一造”工藝包括2 臺鉆機和1 套水力造穴設備，每組穿層預抽鉆孔分兩步施工：第一步由一臺鉆機按設計施工穿層鉆孔；第二步由另一臺水力造穴鉆機按照設計對已施工完畢的穿層鉆孔進行水力造穴。為確保抽掘平衡，需每天完成1 組穿層鉆孔工程施工、并網帶抽，如圖1 所示。

李村煤礦工程實踐顯示，第一步鉆孔施工工程可以按時完成，但第二步水力造穴只能完成計劃的50%～70%（以西翼進風大巷穿層鉆孔為例，共施工鉆孔54 組486 個，僅封孔并網46 組414 個鉆孔，剩余8組72 個鉆孔因未能完成水力造穴無法實現及時帶抽）。因此，傳統“一打一造”水力造穴工藝效率低下，嚴重制約區域瓦斯抽采，不能高效造穴。

2.2 “一打兩造”工藝的局限性分析

“一打兩造”工藝包括3 臺鉆機和2 套水力造穴設備，與“一打一造”相比，造穴速度可銜接上打鉆速度；但由于巷道空間小、設備多，造成巷道內設備過于擁擠，嚴重影響通風及行人，且區域施工人員過多，風、水、電等使用過于集中，系統安全得不到保障。因此，“一打兩造”水力造穴工藝的安全性和經濟性有待提升。

3 陣列式水力造穴技術研發

3.1 工作原理

陣列式水力造穴方法是在傳統“一打一造”水力造穴工藝基礎上，增加造穴射流孔個數，將傳統“一孔多穴多次造”優化為“一孔多穴同時造”，減少中間環節，縮短造穴時間，提高造穴效率。

3.2 設備配套改造

為保障陣列式水力造穴工藝的實施，需要對設備進行改進。

（1）造穴設備改進。

在試驗初期，設計使用造穴水刀短接，該水刀短接設計長度150 mm，每個造穴短接對應設計1個造穴射流孔。但造穴水刀短接硬度不夠，且單個設備長度較短，在鉆孔內受鉆進扭力影響，反復使用后水刀短接磨損變形嚴重。

后期，試驗使用三棱高壓鉆桿加工水刀，鉆桿水刀各部分受力均勻不易磨損變形，并且具有加工成本低、成型快、工藝簡單的特點，如圖2 所示。

圖2 陣列式水力造穴鉆桿Fig.2 Array hydraulic cavitation drill pipe

（2）履帶式高壓清水泵改進。

為適應多射流孔的水量要求，對履帶式高壓清水泵進行了改進。一是增加1 個進水口，將水箱進水口由原來的1 個φ25 mm 進水口增加為2 個；二是增大水箱容量，將水箱容量由原先的800 L 增加為1 200 L；三是提高密封效果，對泵內部高壓密封結構進行優化，全部使用耐高壓精度密封圈，保證大流量條件下清水泵壓力大于18 MPa。

（3）集煤斗改進。

原有的集煤斗利用接換鉆桿的時間進行清煤，為適應陣列式水力造穴要求，在原有集煤斗的基礎上增加了臨時儲煤倉，實現了不停機清煤。

3.3 施工流程

（1）造穴設備安裝。鉆孔施工完畢并退鉆后，安裝造穴設備；鉆孔內煤孔長度小于7 m 時，安裝1 個高低壓轉換水刀和1 根水力造穴鉆桿，射流孔間距為3 m；鉆孔內煤孔長度大于7 m 時，安裝1個高低壓轉換水刀和2 根水力造穴鉆桿，分別安裝在煤孔2、5、7 m 處。

（2）高壓造穴。根據煤孔長度調整鉆桿射流孔位置，履帶式高壓水泵站水壓提升至12～ 18 MPa，利用高低壓轉換水刀切換至造穴狀態進行水力造穴作業，在造穴時不斷的來回進退鉆桿，保證射流孔對全煤段進行水力造穴。

（3）煤水分離。利用振動篩固液分離裝置對煤水進行分離，煤進入儲煤斗進行儲煤計量，滿1 t后進行清煤作業，清煤期間由臨時儲煤倉進行儲煤。

4 工程應用

在李村煤礦西翼進風大巷采用陣列式水力造穴技術，開展了水力造穴與瓦斯抽采工程應用，效果分析如下。

4.1 造穴效率分析

陣列式水力造穴工藝將造穴環節由15 個減少至4 個，全天完成水力造穴鉆孔數量由6～9 個提升至15～22 個，水力造穴施工效率提升了約1.5 倍。

4.2 抽采效果分析

（1）瓦斯抽采濃度分析。使用傳統“一打一造”水力造穴工藝單孔抽采濃度，平均濃度為36.8%，濃度為50%以上的鉆孔占31%；陣列式水力造穴工藝的單孔濃度平均為68.2%，濃度50%以上的占比79%，對比如圖3 所示。

圖3 單孔瓦斯抽采濃度分布區間對比Fig.3 Comparison diagram of concentration distribution interval of single hole gas drainage

隨著高濃度鉆孔的持續帶抽，西翼進風大巷和西翼2 號回風大巷支管濃度逐步提升。西翼進風大巷支管瓦斯濃度由17.2%增長為36.2%，西翼2號回風大巷支管瓦斯濃度由27%增長為46.8%（圖4）。

圖4 抽采支管濃度走勢圖Fig.4 Trend diagram of extraction branch pipe concentration

（2）瓦斯抽采量分析。傳統“一打一造”水力造穴工藝施工的鉆孔，平均單組抽采純量為0.02 m3/min，萬米抽采量為9.47 m3/min；采用陣列式水力造穴工藝施工后，單組抽采純量提升至0.05 m3/min，萬米抽采量提升至18.42 m3/min（圖5）。

圖5 瓦斯純量及萬米抽采量走勢Fig.5 Gas pure quantity and ten thousand meters extraction quantity trend

（3）抽采達標時間分析。西翼進風大巷根據造穴工藝劃分2 個單元進行計量，第一單元傳統“一打一造”水力造穴46 組平均抽采時間115 d，在線計量裝置顯示抽采瓦斯總量為17.43 萬m3，單組鉆孔抽采范圍煤體瓦斯含量下降1 m3/t 所需時間39.06 d；第二單元陣列式水力造穴40 組平均抽采時間29 d，在線計量裝置顯示抽采總量為8.88 萬m3，單組鉆孔抽采范圍煤體瓦斯含量下降1 m3/t 所需時間16.8 d，瓦斯抽采達標時間較原來縮短56.99%（表1）。

表1 西翼進風大巷單組抽采參數對比Table 1 Comparison table of single group extraction parameters of west wing intake roadway

4.3 安全性與經濟性分析

與傳統“一打兩造”工藝相比，在相同施工量和施工時間下，陣列式水力造穴工藝可減少1 臺鉆機、1 臺履帶式高壓水泵站及相關配套設備，并且每班可減少施工人員5 人，不僅成本低，更經濟，而且系統相對簡單，安全作業更有保障。

5 結 論

（1）與傳統“一打一造”水力造穴工藝相比，陣列式水力造穴工藝提高了造穴效率，緩解了工程銜接壓力。

（2）與傳統水力造穴工藝相比，陣列式水力造穴工藝提高了瓦斯抽采效果。

（3）與傳統“一打兩造”水力造穴工藝相比，陣列式水力造穴工藝既安全又經濟。