解志胜

(晋煤集团 胡底煤业公司，山西 晋城 048214)

胡底煤矿为突出矿井，煤层顶板和底板均存在软分层，软煤硬度系数在0.1～0.5之间，在工作面防突检测中经常造成钻屑量超标甚至造成突出的危险，影响煤巷安全高效掘进和采面回采。

采取的主要措施是底抽巷施工穿层钻孔及工作面顺层施工掏煤钻孔对软分层进行掏煤，但掏软煤措施效果不明显，未能彻底解决软分层问题，在工作面防突检测中钻屑量仍然经常超标。针对此情况，决定采用水力掏煤技术解决软分层问题。

1 水力掏煤理论技术

采用数值模拟、相似模拟、实验室测定等方式对掏软煤的煤量、布孔间距、应力分布及透气性变化规律等技术参数进行研究和分析， 通过在底抽巷穿层钻孔中使用旋转掏煤方式，顺层钻孔中采用定点水力掏煤方式，解决软分层问题。

软分层掏煤厚度应满足掏煤后煤层充分卸压膨胀。参考保护层开采技术规范，当保护层开采后，被保护层最大膨胀变形量大于3‰时，认为被保护层充分卸压增透。软分层开采的厚度与开采煤层的绝对膨胀变形量成一定的比例关系，因此，软分层水射流掏煤的最小厚度可通过掏煤煤层的临界膨胀变形量来确定，则软分层水射流掏煤的最小厚度可通过下式来计算：

式中：M0为软分层水射流掏煤的最小厚度，m；M为煤层厚度，m；ε为煤层达到充分卸压的临界相对膨胀变形量，取3‰；K为有效变形系数，根据现场试验的实际卸压效果考察确定。

1.1 水力射流参数

软分层水射流掏煤半径主要受煤体硬度系数、射流压力、射流流量及时间控制，其中煤体硬度系数和射流流量较为关键。当水射流掏煤半径、厚度、煤体硬度增大时，水射流水量、压力随之增大，时间增加。

水射流参数设计包括水射流流量、压力和时间等参数，应根据水射流掏煤半径、厚度和煤体硬度来设计，参数值仅为第一个水射流掏煤钻孔初次掏煤提供参考，其它钻孔水射流掏煤的具体参数根据实际掏煤情况进行调整，胡底煤矿突出煤层软分层水射流参数初步设计如表1所示。

表1 突出煤层软分层水射流掏煤初步设计参数

1.2 掏煤钻头喷头布置

高压水射流掏煤采用扇形扁平射流，水力掏煤喷嘴安装在水力掏煤钻头后方。水力掏煤钻头根据水力掏煤钻孔角度来安装不同角度的喷嘴，喷嘴的安装角度应根据钻孔与煤层的夹角设计，不同角度范围的水力掏煤钻孔对应一系列不同安装角度的水力掏煤钻头，以确保水力掏煤时钻头上安装的不同喷嘴的射流面与煤层面接近平行。

2 软分层掏煤技术实施

2.1 底抽巷掏煤钻孔

在胡底煤矿1305底抽巷前期施工的穿层钻孔之间施工掏煤钻孔，在原来每两排穿层孔之间施工一个掏煤孔，方位角90°和270°，倾角为46°，分别布置在13052/13053煤巷掘进轮廓线内(见图1)。

图1 水力掏煤钻孔布置

2.2 回采巷道掏煤钻孔

1305回采巷道施工完成顺层钻孔后,在钻孔软分层处每5 m施工一个掏煤孔，掏煤孔方位角90°和270°，倾角1～3°，孔深100 m。

2.3 设备选配

对水力掏软煤系统、供水系统和防超限装置等试验设施进行安装和调试。 水力掏软煤系统由水箱、高压泵、高压软管、高压旋转接头、钻机、高压密封钻杆、掏煤喷头及喷嘴等部分组成，沿巷道掏煤范围0～120 m， 掏煤影响半径3～6 m，掏煤压力0～30 MPa。

高压射流水泵：1备1用，BRW400/31.5型乳化液泵及其配套乳化液箱。额定压力31.5 MP，额定流量400 L/min，外形尺寸 2 460 mm×995 mm×1 265 mm， 将乳化液泵安装在1305底抽巷钻场内，采用直径51 mm高压胶管将高压水输送至水力掏煤地点。

高压管路：采用高压胶管连接乳化液泵和钻机，输送高压水进入高压钻杆和喷头。高压胶管为钢丝缠绕式，额定压力40 MPa，外径51 mm。

高压密封水便：额定旋转密封压力40 MPa。

高压密封钻杆：水力掏煤采用高压密封三棱钻杆，额定密封压力40 MPa，外径73 mm，接头采用内密封设计。

高压密封喷头：水力掏煤采用2种类型高压密封喷头，一种安装圆锥型射流喷嘴，另一种安装扁平扇形喷嘴。高压密封喷头一端与高压密封连接，另一端与钻头连接。

2.4 软分层掏煤工艺

2.4.1 穿层钻孔掏煤

底抽巷穿层钻孔施工完毕后对煤、岩情况进行记录分析，退出普通钻杆，再向孔内送入高压水力掏煤钻杆，将水力掏煤钻头送入煤岩交接面以下0.5 m，开始送入高压水进行冲孔，通过旋转并推进钻杆，当遇到软煤时一直冲孔，直至返出清水再向里送钻杆。重复以上工序直至整个孔冲完，通过水力掏煤，发现在煤层顶、底板处存在软煤较多，厚度在0.6～0.8 m，掏煤量及孔径变化见表2。

表2 穿层孔掏煤结果汇总

2.4.2 顺层钻孔掏煤

在顺层顶部软煤区域施工完成钻孔后，退出普通钻杆，再向孔内送入高压水力掏煤钻杆，从煤壁向里，每15 m定点冲一次孔，反复推拉钻杆，直至返出清水再向里送钻杆，重复以上工序直至整个孔冲完，掏煤量及孔径变化见表3。

表3 顺层孔掏煤结果汇总

3 软分层掏煤效果分析

3.1 提高掘进效率

未进行水力掏煤时，每次工作面突出危险性预测之前都要先在工作面迎头软分层中施工卸压孔，一般需要两至三天时间，生产效率低。水力掏煤之后，减少了工作面检测前施工卸压孔这道工序，提高了掘进效率。

与相同距离的煤巷掘进相比：水力掏煤前35 m区域防突预测共计用时219 h，水力掏煤后35 m区域检测时间仅需135 h(包括水力掏煤用时4 d)，节省了40%的时间。

采煤面产量比较：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%的产量。

3.2 节省人工成本

与施工卸压孔需要6人同时作业相比，水力掏煤时仅需3人同时作业，节省了人工，同时也降低了劳动强度。

3.3 降低工作面瓦斯涌出量

水力掏煤前，35 m区域割煤期间回风流瓦斯浓度最大值为0.49%～0.62%；水力掏煤后，回风流瓦斯浓度最大值为0.35%～0.49%，工作面瓦斯涌出量明显下降。

4 结 语

胡底煤矿2个煤巷掘进工作面及一个综采工作面均采用软分层水力掏煤措施，杜绝了在工作面防突检测中钻屑量超标，彻底解决了软分层问题，确保了矿井的安全生产。