解志勝

(晉煤集團(tuán) 胡底煤業(yè)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(shù)在0.1～0.5之間，在工作面防突檢測中經(jīng)常造成鉆屑量超標(biāo)甚至造成突出的危險(xiǎn)，影響煤巷安全高效掘進(jìn)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(duì)軟分層進(jìn)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(jīng)常超標(biāo)。針對(duì)此情況，決定采用水力掏煤技術(shù)解決軟分層問題。

1 水力掏煤理論技術(shù)

采用數(shù)值模擬、相似模擬、實(shí)驗(yàn)室測定等方式對(duì)掏軟煤的煤量、布孔間距、應(yīng)力分布及透氣性變化規(guī)律等技術(shù)參數(shù)進(jìn)行研究和分析， 通過在底抽巷穿層鉆孔中使用旋轉(zhuǎn)掏煤方式，順層鉆孔中采用定點(diǎn)水力掏煤方式，解決軟分層問題。

軟分層掏煤厚度應(yīng)滿足掏煤后煤層充分卸壓膨脹。參考保護(hù)層開采技術(shù)規(guī)范，當(dāng)保護(hù)層開采后，被保護(hù)層最大膨脹變形量大于3‰時(shí)，認(rèn)為被保護(hù)層充分卸壓增透。軟分層開采的厚度與開采煤層的絕對(duì)膨脹變形量成一定的比例關(guān)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(jì)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(dá)到充分卸壓的臨界相對(duì)膨脹變形量，取3‰；K為有效變形系數(shù)，根據(jù)現(xiàn)場試驗(yàn)的實(shí)際卸壓效果考察確定。

1.1 水力射流參數(shù)

軟分層水射流掏煤半徑主要受煤體硬度系數(shù)、射流壓力、射流流量及時(shí)間控制，其中煤體硬度系數(shù)和射流流量較為關(guān)鍵。當(dāng)水射流掏煤半徑、厚度、煤體硬度增大時(shí)，水射流水量、壓力隨之增大，時(shí)間增加。

水射流參數(shù)設(shè)計(jì)包括水射流流量、壓力和時(shí)間等參數(shù)，應(yīng)根據(jù)水射流掏煤半徑、厚度和煤體硬度來設(shè)計(jì)，參數(shù)值僅為第一個(gè)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(shù)根據(jù)實(shí)際掏煤情況進(jìn)行調(diào)整，胡底煤礦突出煤層軟分層水射流參數(shù)初步設(shè)計(jì)如表1所示。

表1 突出煤層軟分層水射流掏煤初步設(shè)計(jì)參數(shù)

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(jù)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(yīng)根據(jù)鉆孔與煤層的夾角設(shè)計(jì)，不同角度范圍的水力掏煤鉆孔對(duì)應(yīng)一系列不同安裝角度的水力掏煤鉆頭，以確保水力掏煤時(shí)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(shù)實(shí)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(gè)掏煤孔，方位角90°和270°，傾角為46°，分別布置在13052/13053煤巷掘進(jìn)輪廓線內(nèi)(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(gè)掏煤孔，掏煤孔方位角90°和270°，傾角1～3°，孔深100 m。

2.3 設(shè)備選配

對(duì)水力掏軟煤系統(tǒng)、供水系統(tǒng)和防超限裝置等試驗(yàn)設(shè)施進(jìn)行安裝和調(diào)試。 水力掏軟煤系統(tǒng)由水箱、高壓泵、高壓軟管、高壓旋轉(zhuǎn)接頭、鉆機(jī)、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(nèi)，采用直徑51 mm高壓膠管將高壓水輸送至水力掏煤地點(diǎn)。

高壓管路：采用高壓膠管連接乳化液泵和鉆機(jī)，輸送高壓水進(jìn)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(zhuǎn)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(nèi)密封設(shè)計(jì)。

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(duì)煤、巖情況進(jìn)行記錄分析，退出普通鉆桿，再向孔內(nèi)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(jìn)行沖孔，通過旋轉(zhuǎn)并推進(jìn)鉆桿，當(dāng)遇到軟煤時(shí)一直沖孔，直至返出清水再向里送鉆桿。重復(fù)以上工序直至整個(gè)孔沖完，通過水力掏煤，發(fā)現(xiàn)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(jié)果匯總

2.4.2 順層鉆孔掏煤

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

表3 順層孔掏煤結(jié)果匯總

3 軟分層掏煤效果分析

3.1 提高掘進(jìn)效率

未進(jìn)行水力掏煤時(shí)，每次工作面突出危險(xiǎn)性預(yù)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(shí)間，生產(chǎn)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(jìn)效率。

與相同距離的煤巷掘進(jìn)相比：水力掏煤前35 m區(qū)域防突預(yù)測共計(jì)用時(shí)219 h，水力掏煤后35 m區(qū)域檢測時(shí)間僅需135 h(包括水力掏煤用時(shí)4 d)，節(jié)省了40%的時(shí)間。

采煤面產(chǎn)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(chǎn)量。

3.2 節(jié)省人工成本

與施工卸壓孔需要6人同時(shí)作業(yè)相比，水力掏煤時(shí)僅需3人同時(shí)作業(yè)，節(jié)省了人工，同時(shí)也降低了勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.3 降低工作面瓦斯涌出量

水力掏煤前，35 m區(qū)域割煤期間回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.49%～0.62%；水力掏煤后，回風(fēng)流瓦斯?jié)舛茸畲笾禐?.35%～0.49%，工作面瓦斯涌出量明顯下降。

4 結(jié) 語

胡底煤礦2個(gè)煤巷掘進(jìn)工作面及一個(gè)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(biāo)，徹底解決了軟分層問題，確保了礦井的安全生產(chǎn)。