張軍義 王 露 朱水康

（1.河南能源集團(tuán)鶴壁煤電股份有限公司，河南 鶴壁 458000；2.河南能源集團(tuán)鶴壁中泰礦業(yè)有限公司，河南 鶴壁 458020；3.河南能源集團(tuán)鶴壁煤電股份有限公司第九煤礦，河南 鶴壁 458020）

鶴壁煤電股份有限公司第九煤礦（以下簡(jiǎn)稱“九礦”）由于煤層透氣性差，煤質(zhì)較硬，屬較難抽放煤層，瓦斯抽采濃度低和單孔沖煤量少一直以來(lái)是影響瓦斯治理效果提升的主要問(wèn)題。為了消除上述問(wèn)題，研究應(yīng)用機(jī)械水力一體化增透技術(shù)（以下簡(jiǎn)稱“機(jī)械造穴技術(shù)”），對(duì)于增大煤層透氣性，提高抽采瓦斯?jié)舛群图兞浚瑢?shí)現(xiàn)安全發(fā)展有非常重要的意義。

1 礦井概況

九礦隸屬于河南能源集團(tuán)鶴壁煤電股份有限公司，位于鶴壁礦區(qū)北部，核定生產(chǎn)能力0.6 Mt/a。九礦為煤與瓦斯突出礦井，主采二疊系山西組二1煤層，煤厚6.02 m，傾角8°～25°。最大瓦斯含量20.6 m3/t，最大煤層瓦斯壓力1.12 MPa，煤層透氣性系數(shù)0.188 m2/MPa·d，煤的堅(jiān)固性系數(shù)0.6～0.8，抽采半徑2.8 m。

2 實(shí)施地點(diǎn)概況

該項(xiàng)目實(shí)施地點(diǎn)在3103 上底抽巷，巷道全長(zhǎng)420 m，巷道頂板距二1 煤層底板平均15 m，巷道尺寸為4.0 m（寬）×3.6 m(高)，采用錨網(wǎng)噴＋壁后注漿聯(lián)合支護(hù)技術(shù)。該區(qū)域最大原始瓦斯含量16.26 m3/t，原始?jí)毫?.05 MPa。共設(shè)計(jì)鉆場(chǎng)27 個(gè)，736 個(gè)鉆孔，總工程量25 760 m，控制巷道輪廓線外不小于30 m。共分為3 個(gè)評(píng)價(jià)單元，每個(gè)單元140 m，每個(gè)單元安裝有自動(dòng)計(jì)量和人工計(jì)量裝置。

3 項(xiàng)目的應(yīng)用

3.1 技術(shù)原理

為解決煤體較硬、沖孔困難、耗時(shí)較長(zhǎng)等問(wèn)題，在2020 年2 月開(kāi)始試驗(yàn)了機(jī)械水力一體化增透技術(shù)。鉆孔開(kāi)孔及穿巖時(shí)，使用直徑為Φ133 mm 鉆頭施工，至見(jiàn)煤位置后，通過(guò)清水泵調(diào)整水壓，將鉆頭后方可變徑機(jī)械造穴裝置刀臂（閉合狀態(tài)直徑Φ110 mm，完全展開(kāi)后直徑Φ500 mm）展開(kāi)，對(duì)煤體進(jìn)行切割。該技術(shù)解決了較硬煤層水力沖孔時(shí)單靠高壓水射流不能有效切割煤體的問(wèn)題。

機(jī)械造穴裝置刀臂在鉆孔內(nèi)進(jìn)行切割煤體，最后形成了較大體積的孔洞，充分進(jìn)行煤體卸壓，增大了抽采范圍。同時(shí)，鉆孔周圍裂隙重新發(fā)育，增強(qiáng)了煤體的透氣性，促進(jìn)瓦斯解吸和釋放，從而有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)煤體的卸壓增透。如圖1、圖2、圖3。

圖1 機(jī)械造穴原理

圖2 機(jī)械造穴裝置模型圖

圖3 機(jī)械造穴裝置實(shí)物圖

3.2 主要裝備性能特點(diǎn)

3.2.1 履帶式全液壓鉆機(jī)

（1）外形寬度1.1 m，體積小，運(yùn)動(dòng)靈活，適用于煤礦狹窄巷道的鉆孔施工作業(yè)。

（2）可實(shí)現(xiàn)±180°方位角調(diào)整，-90°～+90°仰俯角調(diào)整，實(shí)現(xiàn)全方位布孔。

（3）主機(jī)導(dǎo)軌帶有隨動(dòng)角度儀，可簡(jiǎn)單準(zhǔn)確定位施鉆仰俯角。

（4）聯(lián)動(dòng)式的液壓控制，提高打鉆效率。

3.2.2 機(jī)械造穴液壓泵

（1）結(jié)構(gòu)緊湊，移動(dòng)方便，效率高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。

（2）輸出壓力高，流量大。

（3）可用作各采掘機(jī)械的噴霧防塵和電機(jī)水冷的泵站設(shè)備，也可做各類機(jī)械的清洗用泵。

3.2.3 振動(dòng)篩式固液分離機(jī)

（1）高效分離煤水混合物中的煤水，分離效果好，處理能力強(qiáng)。

（2）采用履帶行走，提高對(duì)井下巷道的適應(yīng)性，提高移動(dòng)效率。

（3）結(jié)構(gòu)合理，堅(jiān)固耐用，噪音小，便于維護(hù)。

3.3 作業(yè)流程

（1）施工前，調(diào)整清水泵站的使用壓力，觀察刀臂開(kāi)始打開(kāi)時(shí)的壓力以及完全打開(kāi)時(shí)清水泵站水壓力表的壓力大小。

（2）打鉆時(shí)，清水泵站水壓力控制在4 MPa ，鉆孔正常施工，記錄鉆孔見(jiàn)煤及穿煤位置，穿透煤層見(jiàn)頂板不少于0.5 m 后，停止推進(jìn)。

（3）退鉆至核算造穴起始位置，保持動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)，調(diào)整清水泵站的水壓力，逐漸往上調(diào)壓。待清水泵站壓力調(diào)到 6～7 MPa 時(shí)，隨著齒條活塞下移，推動(dòng)齒輪刀臂，可變徑機(jī)械造穴裝置刀臂開(kāi)始打開(kāi)，隨著壓力升高，待刀臂完全打開(kāi)時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)切割煤體，造穴直徑擴(kuò)大為Φ500 mm，同時(shí)進(jìn)行水力沖孔。

（4）待鉆孔施工至核算造穴結(jié)束位置，保持動(dòng)力頭旋轉(zhuǎn)，緩慢降低清水泵站的壓力至4 MPa 以下，刀臂收合。

（5）鉆孔擴(kuò)孔完畢時(shí)，退出機(jī)械擴(kuò)孔裝置。完全退出后，調(diào)整清水泵站的壓力，打開(kāi)刀臂，清洗機(jī)械擴(kuò)孔鉆頭齒輪部位及刀臂槽部位。

（6）當(dāng)班施工完畢，退鉆拆卸擴(kuò)孔鉆頭后，用清水對(duì)鉆頭內(nèi)外反復(fù)沖洗，對(duì)造穴裝置進(jìn)行保養(yǎng)，防止擴(kuò)孔鉆頭內(nèi)部銹蝕損壞。

3.4 應(yīng)用效果

（1）單孔沖出煤量提高

使用機(jī)械造穴技術(shù)后，單孔沖孔煤量得到了較大提高。3103 上底抽巷原使用普通履帶鉆機(jī)施工水力沖孔，孔徑94 mm，單孔每米煤量在0.26 t/m 左右，平均單孔4.13 t。使用機(jī)械造穴技術(shù)共施工66 個(gè)鉆孔，累計(jì)穿煤長(zhǎng)度1357 m，通過(guò)計(jì)量裝置驗(yàn)收的煤量共計(jì)690.2 t，平均單孔10.46 t，提高153%；平均每米造穴沖孔煤量在0.6 t/m 左右，提高130%。如圖4、圖5。

圖4 單孔沖孔煤量對(duì)照?qǐng)D

圖5 每米沖出煤量對(duì)照?qǐng)D

可變徑機(jī)械造穴裝置直徑500 mm，計(jì)算成孔煤粉在0.27 t 左右，實(shí)際鉆孔每米造穴沖孔煤量在0.6 t/m 左右。通過(guò)計(jì)算，機(jī)械造穴后，實(shí)際形成的鉆孔孔洞直徑738 mm，較原使用的94 mm 鉆頭施工鉆孔，孔徑提升7.85 倍，每米鉆孔帶抽煤體體積由原來(lái)的0.006 9 m3提升為0.427 m3，增大62 倍，抽采效果十分顯著。

（2）鉆孔初始濃度提高

實(shí)施機(jī)械造穴工藝后，新施工鉆孔初始濃度80%以上鉆孔占比從16.13%上升到90.91%，小于30% 鉆孔占比從3.23%降低到0。

（3）鉆孔衰減速率減緩

由于鉆孔施工標(biāo)準(zhǔn)化提升、單孔沖孔煤量提高、封孔工藝改進(jìn)，鉆孔衰減速率也得到了較大改善。

（4）抽采純量提升

3103 上底抽巷原抽采評(píng)價(jià)單元支管純量大約為2 m3/min，平均單孔純量0.003 4 m3/min，核算百米鉆孔流量0.02 m3/min·100 m 左右。66 個(gè)造穴鉆孔全部正式帶抽后，抽采純量增加了1.65 m3/min，計(jì)算造穴鉆孔平均單孔純量在0.025 m3/min，百米鉆孔流量0.043 m3/min·100 m，提升到原來(lái)的215%。

（5）鉆孔施工效率提高

原該地區(qū)施工的水力沖孔，鉆孔見(jiàn)煤后單孔沖孔時(shí)間在3 h 左右，加上穿巖等時(shí)間，每班只能施工一個(gè)鉆孔。在使用機(jī)械造穴后，鉆孔沖煤效率得到較大提高，鉆孔施工造穴時(shí)間在2 h 以內(nèi)，提高了鉆孔施工效率。

（6）減少了治理工程量

通過(guò)施工機(jī)械造穴工藝，抽采鉆孔表面積和體積都有了較大提高。為進(jìn)一步驗(yàn)證鉆孔抽采效果，與科研院校合作，對(duì)造穴鉆孔有效影響半徑進(jìn)行了井下考察，確定鉆孔有效影響半徑在6.1 m 左右，較現(xiàn)使用的2.8 m 抽采有效半徑，提升至2.18 倍，為優(yōu)化區(qū)域治理鉆孔設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。初步核算，由原來(lái)的每米巖巷2個(gè)鉆孔，優(yōu)化至每米巖巷0.9個(gè)鉆孔。按治理煤巷條帶鉆孔平均30 m 進(jìn)尺計(jì)算，每500 m 評(píng)價(jià)單元節(jié)約鉆孔275 個(gè)，鉆孔工程量10 500 m，節(jié)約成本99.75 萬(wàn)元，在確保抽采效果的基礎(chǔ)上，節(jié)約了成本。

（7）預(yù)抽采地區(qū)提前達(dá)標(biāo)

以500 m 長(zhǎng)煤巷為例，煤厚8 m，控制巷道兩側(cè)30 m 以及巷道5 m 共計(jì)65 m 范圍，煤層儲(chǔ)量36.4 萬(wàn)t，煤層原始瓦斯含量10 m3/t。按原設(shè)計(jì)鉆孔工程量為30 000 m，調(diào)整后設(shè)計(jì)鉆孔工程量19 500 m。按原百米流量為0.02 m3/min·100 m 計(jì)算，殘余瓦斯含量達(dá)到6 m3/t 以下，需要5.6 個(gè)月預(yù)抽期。根據(jù)造穴工藝鉆孔測(cè)定的0.045 m3/min·100 m 百米流量，殘余瓦斯含量達(dá)到6 m3/t 以下，需要預(yù)抽約4 個(gè)月，預(yù)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)煤巷條帶提前1.6 個(gè)月抽采達(dá)標(biāo)。

4 結(jié)論

通過(guò)實(shí)施機(jī)械造穴工藝，與科研院校合作對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行考察后，得出單孔百米鉆孔流量單孔純量由0.02 m3/min·100 m 提升至0.043 m3/min·100 m，單孔每米沖出煤量由0.26 t/m 提高到了0.6 t/m，鉆孔抽采半徑由2.8 m 擴(kuò)大至6.5 m，從而為優(yōu)化鉆孔布局提供了依據(jù)，為提高抽采效果奠定了基礎(chǔ)。