魏 巍

(華陽(yáng)新材料科技集團(tuán)，山西 陽(yáng)泉 045000)

陽(yáng)泉礦區(qū)突出煤層一般具有煤體結(jié)構(gòu)松軟、透氣性差、瓦斯含量高、壓力大和抽采難度大的特點(diǎn)[1].對(duì)此，新景公司15#煤層采用底抽巷穿層水力造穴技術(shù)作為厚煤層區(qū)域消突的常規(guī)措施，需在煤層下部額外施工底抽巖石巷，增加了工程投入，且煤巷的掘進(jìn)效率受到了底抽巷施工進(jìn)度的限制。

為降低瓦斯治理成本，新景公司試驗(yàn)頂板低位抽采巷下向孔卸壓防突技術(shù)。通過(guò)鉆割、變徑造穴一體化裝備施工下向大直徑穿層鉆孔至煤層底板，在預(yù)抽采煤層上覆巖層掩護(hù)下利用機(jī)械變徑擴(kuò)孔切割鉆頭破碎煤體，同時(shí)排出一定量的破碎煤體及大量瓦斯，在孔洞周圍形成一定范圍的卸壓區(qū)，提高區(qū)域內(nèi)煤體透氣性，達(dá)到消突目的[2]，并提高了15#突出煤層的掘進(jìn)效率。

1 技術(shù)原理

頂板巖巷下向孔鉆擴(kuò)一體化卸壓防突技術(shù)原理為：煤層頂板巖巷以巖層為安全屏障，在巖巷內(nèi)施工下向穿層鉆孔，使用低速大扭矩鉆機(jī)在巖石段實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)，在煤體中實(shí)現(xiàn)變徑割煤造穴一體化，在松軟低透煤層中，人為地創(chuàng)造一個(gè)圓柱形孔洞，使用高效切削鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)下向孔快速鉆進(jìn)。在鉆孔周圍形成一個(gè)孔洞，孔洞周圍煤體發(fā)生膨脹變形，同時(shí)造成煤體頂?shù)装彘g的相向位移，實(shí)現(xiàn)在鉆孔影響范圍內(nèi)的應(yīng)力降低，使得煤層充分卸壓[3].

2 下向穿層鉆孔設(shè)計(jì)方案

施工地點(diǎn)為15124低位抽采巷掘進(jìn)工作面，位于15#煤佛洼采區(qū)北翼西部。工作面煤層賦存較穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，屬中灰、中硫的優(yōu)質(zhì)無(wú)煙煤，煤層平均厚度5.08 m，15#煤下部隔著平均厚度1.49 m的夾石層發(fā)育有15#下煤。工作面平面布置圖、煤層柱狀圖分別見(jiàn)圖1，2.

圖1 15124工作面平面布置圖

圖2 煤層綜合柱狀圖

15124低位抽采巷下向穿層鉆孔，單組設(shè)計(jì)7個(gè)鉆孔(2#、3#、4#、5#為造穴孔，其余為普通抽采鉆孔)，鉆孔組間距5 m，每組鉆孔工程量為172.2 m，設(shè)計(jì)鉆孔終孔保護(hù)順層條帶下輪廓線左右15 m范圍，共施工400組。鉆孔施工設(shè)計(jì)見(jiàn)圖3.鉆孔位置參數(shù)見(jiàn)表1.

圖3 鉆孔布置設(shè)計(jì)圖

表1 鉆孔位置參數(shù)表

3 裝備及工藝流程

3.1 試驗(yàn)裝備

采用ZDY7300LX型履帶鉆機(jī)配套BLY-800/2型礦用履帶泥漿泵車完成鉆孔、擴(kuò)孔作業(yè)；鉆具為d133 mm配套d89 mm高壓密封鉆桿；擴(kuò)孔裝置為d550 mm可變徑擴(kuò)孔裝置。

3.2 工藝流程

1)打鉆作業(yè)。a)正常打鉆時(shí)采用高低壓轉(zhuǎn)換接頭連接鉆頭和鉆桿，將清水泵站壓力調(diào)至慢1或慢2檔。b)依次啟動(dòng)泵站和鉆機(jī)，待孔口返水正常后開(kāi)始鉆進(jìn)，直至打完一根鉆桿[4].c)重復(fù)步驟a)和步驟b)，直至正常打鉆作業(yè)完畢。

2)造穴作業(yè)。見(jiàn)煤1 m后開(kāi)始擴(kuò)孔造穴，擴(kuò)孔至見(jiàn)巖后停止擴(kuò)孔及推進(jìn)，開(kāi)始退鉆。調(diào)到快2擋打開(kāi)刀臂進(jìn)行擴(kuò)孔。根據(jù)出煤量及旋轉(zhuǎn)壓力確定進(jìn)鉆速度，每接一根鉆桿鉆進(jìn)擴(kuò)孔完成后，沖孔直至無(wú)大量煤渣涌出，再繼續(xù)接鉆桿進(jìn)行鉆進(jìn)擴(kuò)孔。

3)鉆孔排渣除水作業(yè)。擴(kuò)孔完成后，利用排渣裝置進(jìn)行孔內(nèi)殘?jiān)旱那謇?，排出的煤水?jīng)過(guò)振動(dòng)篩篩分，煤水分離及循環(huán)水利用。使用空氣壓縮機(jī)排渣壓風(fēng)，清除孔內(nèi)殘液及煤渣。

4)封孔連接。采用“一堵一注”封孔工藝，同時(shí)綜合考慮單組鉆孔多、連接難易程度等因素，全部利用高壓管進(jìn)行連接。單組設(shè)置導(dǎo)流管，對(duì)下向孔鉆擴(kuò)一體化鉆孔抽放瓦斯量和抽放濃度觀測(cè)匯總。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果

4.1 工程進(jìn)展

在15124工作面低位抽放巷施工“下行孔造穴”鉆孔，從2020年8月24日4點(diǎn)班開(kāi)始施工，截止到2021年3月10日0點(diǎn)班，共計(jì)施工完成76組，鉆孔532個(gè)。并對(duì)鉆孔的增透及抽采效果進(jìn)行了總結(jié)分析。

4.2 造穴出煤量

為實(shí)現(xiàn)造穴煤粉計(jì)量，造穴鉆孔施工期間在污水流經(jīng)區(qū)域用編織袋裝滿煤粉制作3道壩，用于造穴煤粉沉淀；將沉淀的煤粉裝入規(guī)格為1.8 m×1.5 m×0.5 m的煤粉收集裝置，該裝置裝滿煤粉為2 t；該裝置每裝滿0.1 m煤量為0.4 t，由現(xiàn)場(chǎng)計(jì)量人員負(fù)責(zé)驗(yàn)收。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)可知，平均每米出煤量0.41 t.鉆孔造穴期間，孔壁坍塌不可避免，部分鉆孔造穴出煤量高于理論煤量。

4.3 抽采效果

對(duì)試驗(yàn)階段的76組共391個(gè)鉆孔的瓦斯抽采情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，累計(jì)抽采45 d后, 經(jīng)過(guò)分析統(tǒng)計(jì)得出，主管抽采濃度35.8%～48.2%，平均為42%，抽采純量為1.8～2.6 m3/min，平均為2.2 m3/min.較原上行穿層孔瓦斯抽采濃度由32%提高至42%，平均瓦斯抽放濃度提高了31%；瓦斯抽采純量由1.8 m3/min提高至2.2 m3/min，同比抽放效果提高了22%，抽采效果明顯。下向鉆孔抽采濃度及純量情況見(jiàn)圖4.

圖4 鉆孔抽采濃度及純量曲線圖

5 結(jié) 論

根據(jù)下向孔鉆擴(kuò)一體化卸壓防突技術(shù)原理和設(shè)備特點(diǎn)，結(jié)合新景公司15#煤層工程實(shí)際，總結(jié)出一套實(shí)用的施工工藝流程，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行考察，得出該技術(shù)具有良好的卸壓增透效果，有利于保障15#煤層的安全掘進(jìn)。