武亚男

(山西潞安化工集团 余吾煤业公司,山西 长治 046103)

余吾煤业为山西潞安化工集团的一座高瓦斯矿井,设计生产能力750万吨/年,平均煤厚6.0 m,瓦斯含量为3.06～23.69 m3/t,煤层透气性系数范围区间是0.524 0～1.741 5 m2/(MPa2·d)。

1 技术原理

机械造穴工艺通过形成孔洞释放煤层中瓦斯积聚势能,提高煤层透气性,从而实现增透的目的。机械造穴工艺集水力打钻、机械造穴为一体,在常规打钻过程采用1～2 MPa的低压水,起到排粉降尘、冷却钻头的作用。机械造穴时使清水泵站压力达到10 MPa的高压状态,机械刀臂完全打开,进行煤体切割产生孔洞,通过高低泵压的转换实现打钻造穴一体化,见图1.机械造穴工艺受煤层情况及参数影响不大,出煤量、增透卸压效果相对稳定[1-2]。

图1 造穴增透瓦斯流动示意

2 技术工艺

2.1 设备介绍

机械造穴成套设备由煤矿用履带式全液压坑道钻机、清水泵、振动筛、高压密封钻杆、高压旋转接头、钻头、钻杆、自动开合式机械扩孔装置等组成。钻杆为外径89 mm的三棱高压密封钻杆,钻头直径为120 mm.

1) 钻机:钻机扭矩为7 300 N·m,动力强劲,能满足深孔打钻要求;钻机宽度为1.1 m,导轨可实现水平±180°旋转,俯仰-90°～+90°调角,垂直650 mm升降距离,可以在任意需要位置打孔。

2) 机械刀:能够实现低压正常打钻,高压刀臂打开扩孔造穴。刀臂转换压力为4 MPa,正常钻进时,利用清水泵提供压力为2 MPa的水快速钻进,造穴时,调高压力至4 MPa打开刀臂,再将压力调至10 MPa进行造穴。刀体最大直径110 mm,刀体扩孔直径500 mm.由定向扶正器、连接转换器、变径扩孔器、复位器、逆向防堵器组成。机械刀构成见图2,实物见图3.

图2 机械刀构成

3) 清水泵:清水泵型号为BQWL315/16-XQ315/12,泵站能够提供315 L/min、16 MPa的高压水输出。水力造穴清水泵型号为BQWL200/31.5-XQ200/12,能够提供200 L/min、20 MPa的高压水输出。即机械造穴配套清水泵站具有流量大的特点,一方面用于机械刀臂开闭,一方面提供315 L/min的大流量水,提高排渣效率,防止夹钻。同时机械造穴配套清水泵额定压力较低,在满足现场施工的前提下,间接提高了作业安全性。

图3 机械刀实物图

2.2 造穴参数

N2106回风巷机械造穴采用“后退式”先成孔后造穴的施工工艺。首先钻孔施工至设计深度,开始造穴时,先保持钻机动力头原地低速旋转,待孔口返水后,开始缓慢调整高压泵压力至4 MPa,通过钻机压力及返渣情况确认机械刀臂打开后,再逐步将压力调至8～10 MPa开始造穴。造穴间距为8 m,造穴长度为2 m,单穴出煤量为0.6 t,单穴造穴时间为20 min左右,最大造穴深度为176 m.N2106回风巷后退式机械造穴参数见表1.

表1 N2106回风巷后退式机械造穴参数

图4 机械造穴钻孔穴洞布置图

2.3 工程概况

N2106工作面位于东翼采区,沿南北方向布置,N2106回风巷巷道沿3号煤层底板布置,断面宽为5.4 m,高为3.8 m,切眼长为300 m,可采长度为1 024 m.机械造穴钻孔设计深度为180 m,钻孔间距为4 m.

表2 不同巷道机械造穴、水力造穴、普通钻孔抽采纯量数据

3 应用效果

3.1 万米抽采量对比

为考察机械造穴、水力造穴钻孔、普通孔抽采效果,选择N2106回风巷10个机械造穴孔、N2106回风巷3个普通孔、N1105回风巷10个水力造穴孔万米抽采量进行对比,钻孔带抽时间均为4个月。

1) 机械造穴孔流量优于普通钻孔。钻孔经过机械造穴后,孔内煤体暴露面积增大,煤体瓦斯解吸量变大,抽采纯量较高。与普通孔相比,机械造穴孔在第1个月、第2个月、第3个月、第4个月的万米抽采纯量分别为普通孔的3.78倍、3.65倍、2.78倍、3.03倍[3-5]。

2) 水力造穴钻孔抽采纯量优于机械造穴钻孔。水力造穴、机械造穴都是通过高压设备增加钻孔孔径,按照孔深150 m计算,水力造穴孔单孔出煤量为12 t,机械造穴孔单孔出煤量为9 t,即水力造穴孔比机械造穴孔为3 t.同时水力造穴半径为0.48 m,机械造穴半径为0.26 m,水力造穴煤穴面积大于机械造穴,另外N1105工作面煤体瓦斯含量高于N2106回顺,这也是水力造穴抽采纯量优于机械造穴钻孔的一个原因。

与机械造穴钻孔相比,水力造穴钻孔在第1个月、第2个月、第3个月、第4个月的万米抽采纯量为机械造穴的1.76倍、1.86倍、1.86倍、1.88倍。

图5 不同巷道机械造穴、水力造穴、普通钻孔万米抽采纯量对比

3.2 纯量衰减系数对比

在不受采动影响的条件下,煤层内钻孔的瓦斯流量随时间呈衰减变化的特性系数称为钻孔瓦斯流量衰减系数。它可以作为评价煤层预抽瓦斯难易程度的一个指标,其计算公式如下:

式中:α为钻孔瓦斯抽采量随时间变化规律特征参数,α越小钻孔瓦斯抽放效果就越好;反之,则钻孔瓦斯抽采效果就越差。qt为经过t时间后的钻孔瓦斯流量,m3/min;q0钻孔初始瓦斯流量,m3/min;t为时间,d;α为钻孔瓦斯流量衰减系数,d-1.

图6 不同巷道机械造穴、水力造穴钻孔万米抽采纯量对比

由图6可知,水力造穴、机械造穴、普通钻孔流量衰减趋势均符合负指数变化曲线,其中水力造穴孔拟合公式为y=8.789e-0.29x,机械造穴孔拟合公式为y=5.037e-0.31x,普通孔拟合公式为y=1.213e-0.21x.即水力造穴孔流量衰减系数为0.29 d-1,机械造穴孔流量衰减系数为0.31 d-1,普通孔流量衰减系数为0.21 d-1.

显然,机械造穴孔流量衰减系数最大,水力造穴孔次之,普通孔最小。

3.3 吨煤瓦斯含量下降对比

通过整理数据,得出水力造穴、机械造穴、普通孔随着带抽时间(x)对应的吨煤瓦斯含量下降(y)公式,其中水力造穴公式为y=0.679e-0.07x,机械造穴公式为y= 0.981e-0.22x,普通孔公式为y=0.412e-0.11x.表3为水力造穴、机械造穴、普通孔不同时间时吨煤瓦斯含量下降情况[6]。

表3 水力造穴、机械造穴、普通孔不同带抽时间对应吨煤瓦斯含量

1) 首月吨煤瓦斯含量下降量。水力造穴钻孔在带抽第1个月时吨煤瓦斯含量下降0.63 m3/t,机械造穴钻孔在带抽第1个月时吨煤瓦斯含量下降0.79 m3/t,普通孔在带抽第1个月时吨煤瓦斯含量下降0.37 m3/t.

2) 1年吨煤瓦斯含量累计下降量。水力造穴钻孔在带抽第12个月时吨煤瓦斯含量累计下降5.32 m3/t,机械造穴钻孔在带抽第12个月时吨煤瓦斯含量累计下降3.7 m3/t,普通孔在带抽第12个月时吨煤瓦斯含量累计下降2.6 m3/t.

3.4 施工效率对比

机械造穴孔单月能够完成25个,造穴孔打钻时间为16 h,造穴用时6 h;水力造穴孔单月能够完成18个,造穴孔打钻时间为20 h,造穴用时10 h;普通孔单月能够完成25个,打钻时间为24 h.

N2106回顺可采长度为1 024 m,则巷道均按照同一种类型钻孔,两台钻机同时施工计算,机械造穴孔、水力造穴孔间距4 m,普通孔2.5 m的情况下,机械造穴孔用时154 d,水力造穴孔用时218 d,普通孔用时246 d.即机械造穴用时最少,分别比水力造穴、普通孔用时减少64 d、92 d.

表4 水力造穴、机械造穴、普通孔施工用时

3.5 施工条件对比

机械造穴工艺与水力造穴工艺原理基本相同,都是通过形成孔洞释放煤层中瓦斯积聚势能,提高煤层透气性,从而实现增透的目的。

1) 煤体硬度。对于煤体硬度偏大的区域,水力破煤效果不好,返渣量较小,并且出煤时间长。而机械刀能够利用刀齿快速破煤,出煤效率较高。

2) 用水量。水力造穴配备清水泵流量为200 L/min,机械造穴配备清水泵流量为315 L/min.施工机械造穴使用清水泵对流量要求较高,较低压力即可完成造穴作业,施工安全方面机械造穴优于水力造穴。

3) 俯孔造穴。目前关于俯孔造穴过程中出现煤渣堵塞问题的解决办法是使用大流量泵将孔内煤渣排出孔外,机械造穴工艺具有流量大的特点,适用于俯孔造穴。

4) 预抽时间。水力造穴孔单月能够完成18个,机械造穴孔单月能够完成25个,因此对于预抽时间较短的工作面,建议使用机械造穴提高施工效率,增加预抽时间。

综上所述,机械造穴适用于煤体偏硬、水量充足、深孔钻进、预抽紧张、俯孔造穴等条件。

4 结 语

1) 机械造穴孔流量优于普通钻孔,钻孔经过机械造穴后,孔内煤体暴露面积增大,抽采纯量较高。在带抽第1个月至第4个月,机械造穴孔万米抽采量为普通孔的3倍左右。

2) 水力造穴钻孔抽采纯量优于机械造穴钻孔。水力造穴、机械造穴都是通过高压设备增加钻孔孔径,水力造穴半径为0.48 m,机械造穴半径为0.26 m,水力造穴孔出煤量比机械造穴孔为3 t.在带抽第1个月至第4个月,水力造穴孔万米抽采量为机械造穴孔的1.8倍左右。

3) 机械造穴孔流量衰减系数最大,系数为0.31 d-1;水力造穴孔次之,最大系数为0.28 d-1;普通孔最小,系数为0.21 d-1.

4) 在带抽时间相同的情况下,机械造穴钻孔首月吨煤瓦斯含量下降量最大,达到0.79 m3/t,水力造穴为0.63 m3/t,普通孔为0.37 m3/t.水力造穴孔带抽12个月吨煤瓦斯含量累计下降5.32 m3/t,机械造穴钻孔累计下降3.7 m3/t,普通钻孔累计下降2.6 m3/t.

5) 机械造穴相较于水力造穴、机械造穴、适用于煤体偏硬、预抽紧张、俯孔造穴等条件。