底抽巷穿层钻孔阵列式水力造穴技术研究与工程应用.pdf

第4 6 卷第9 期2023年9 月煤矿安全环保与煤炭加工底抽巷穿层钻孔阵列式水力造穴技术研究与工程应用煤炭与化工Coal and Chemical IndustryVol.46 No.9Sep.2023赵锦刚1，刘垒2（1.潞安化工集团能源事业部，山西长治0 4 6 2 0 4；2.潞安化工集团李村煤矿，山西长治0 4 6 6 0 0）摘要：水力造穴工艺是改善煤体透气性、提高抽采效率、缩短达标时间、实现降本增效的有效方法，传统的水力造穴工艺难以实现高效性、安全性与经济性的高度统一。因此，为进一步提高水力造穴技术的实用价值，提出了阵列式水力造穴方法，该方法通过增加造穴射流孔个数，将传统“一孔多穴多次造”改良为“一孔多穴同时造”，并开展了工程应用。结果表明，阵列式水力造穴技术不仅可以提高瓦斯抽采效果，而且在造穴方面兼有高效、安全和经济等特征。关键词：穿层钻孔；阵列式；水力造穴；瓦斯抽采；煤层增透；低透气性煤层中图分类号：TD712文献标识码：B文章编号：2 0 9 5-5 9 7 9（2 0 2 3）0 9-0 10 8-0 4Research and application of array hydrauliccavitation technology for cross-layer drilling inbottom drainage roadwayZhao Jingang,Liu Lei?(1.Ventilation Department of Energy Division of Lu an Chemical Group,Changzhi 046204,China;2.Licun Coal Mine,Luan Chemical Industry Group,Changzhi 046600,China)Abstract:Hydraulic cavitation technology is an effective method to improve the permeability of coal,improve the extractionefficiency,shorten the time to reach the standard,and achieve cost reduction and efficiency increase.The traditionalhydraulic cavitation technology is difficult to achieve a high degree of unity of efficiency,safety and economy.Therefore,inorder to further improve the practical value of hydraulic cavitation technology,an innovative array hydraulic cavitationmethod is proposed.By increasing the number of jet holes for cavitation,the traditional multi-hole multi-holes isimproved to multi-holes at the same time,and the engineering application is carried out.The results show that the arrayhydraulic cavitation technology can not only improve the effect of gas drainage,but also has the characteristics of highefficiency,safety and economy in cavitation.Key words:cross-layer drlling;array type;hydraulic cavitation;gas extraction;coal seam permeability;low permeabilitycoal seam目前，煤炭在我国能源消费的比重之中占比接近6 0%，远高于世界的平均水平。我国的煤炭工业发展十分迅速，但煤炭在安全生产上存在着隐患，我国的煤矿灾害仍然十分严重，其中瓦斯灾害尤为严重。瓦斯是危害煤矿安全高效生产的重要影响因素之一，防治瓦斯灾害、保障煤矿安全生产，是我国煤炭生产面临的首要和迫切的任务。对于瓦斯矿井，需要对瓦斯进行抽采之后才能进行采掘工作。高瓦斯应力、低渗透率、高地应力、高瓦斯含量是我国煤层的主要特征，由于复杂的地质运动影响，我国煤层的透气性普遍低于世界其他产煤国家，属于低透气性煤层。在高瓦斯、低透气煤层中，使用常规钻孔抽采瓦斯综合施工成本高、抽采达标时间长，不能有效保障生产的合理衔接，因此责任编辑：高小青ID0I:10.19286/ki.cci.2023.09.028作者简介：赵锦刚（19 7 8 一），男，山西襄垣人，高级工程师。引用格式：赵锦刚，刘垒.底抽巷穿层钻孔阵列式水力造穴技术研究与工程应用 J.煤炭与化工，2 0 2 3，4 6（9）：10 8-111.108赵锦刚等：底抽巷穿层钻孔阵列式水力造穴技术研究与工程应用提高煤层的透气性是解决高瓦斯低透气煤层瓦斯灾害防治的根本措施-2。对于没有保护层开采条件的煤层，增透方式主要包括气相和液相两类，相比来说，液相更优。其中，“穿层钻孔+水力造穴增透”是一种较为有效的增透方法 3-。水力造穴技术实际以高压水作为破煤介质，通过钻孔对孔周煤层进行分段冲孔、破碎煤体、扩大孔径，进而在钻孔上形成若干以钻孔为中心的隔段洞穴，从而释放钻孔周围应力及瓦斯压力，提高煤层透气性、促进瓦斯抽采效率 6-8 。1工程技术研发背景李村煤矿开采的三采区3 号煤层，具有透气性差（0.0 0 0 2 0 6 m/(MPad)）、坚固性系数小（0.30.6)、瓦斯含量高（6 14 m/t)、吸附性强等特点。常规未卸压瓦斯抽采，存在钻孔抽采流量低、衰减快、综合施工成本高、区域抽采达标时间长等难题。为确保三采区的掘进安全，优化改进后实施“以岩保煤”方案，开拓西翼2 号回风大巷及西翼进风大巷2 条底板岩巷，采用“穿层钻孔+水力造穴”模式治理待掘煤巷区域瓦斯。现场工程实践显示，传统水力造穴技术难以实现安全、经济、高效造穴。为了解决这一问题，研发了阵列式水力造穴技术和装置，并开展了工程应用。2传统水力造穴技术的局限性分析2.1“一打一造”工艺的局限性分析“一打一造”工艺包括2 台钻机和1套水力造穴设备，每组穿层预抽钻孔分两步施工：第一步由一台钻机按设计施工穿层钻孔；第二步由另一台水力造穴钻机按照设计对已施工完毕的穿层钻孔进行水力造穴。为确保抽掘平衡，需每天完成1组穿层钻孔工程施工、并网带抽，如图1所示。按照设计完钻孔成整组钻孔施工一施工机移一礼位真并动施工下二固定钻机组钻孔调整钻杆干倾角造穴写设计造穴钻孔倾角重叠钻孔煤段小于钻孔煤段大于7m造2 个穴7m造3 个穴钻孔煤段2 m钻孔煤段5 煤钻孔煤段7 m处造第一个穴处造第二个穴整组钻孔造穴完成，封孔并网图1底抽巷穿层钻孔施工流程Fig.1 Bottom pumping roadway through layer drillingconstruction process2023年第9 期李村煤矿工程实践显示，第一步钻孔施工工程可以按时完成，但第二步水力造穴只能完成计划的5 0%7 0%（以西翼进风大巷穿层钻孔为例，共施工钻孔54组4 8 6 个，仅封孔并网4 6 组4 14 个钻孔，剩余8组7 2 个钻孔因未能完成水力造穴无法实现及时带抽)。因此，传统“一打一造”水力造穴工艺效率低下，严重制约区域瓦斯抽采，不能高效造穴。2.2“一打两造”工艺的局限性分析“一打两造”工艺包括3 台钻机和2 套水力造穴设备，与“一打一造”相比，造穴速度可衔接上打钻速度；但由于巷道空间小、设备多，造成巷道内设备过于拥挤，严重影响通风及行人，且区域施工人员过多，风、水、电等使用过于集中，系统安全得不到保障。因此，“一打两造”水力造穴工艺的安全性和经济性有待提升。3阵列式水力造穴技术研发3.1工作原理阵列式水力造穴方法是在传统“一打一造”水力造穴工艺基础上，增加造穴射流孔个数，将传统“一孔多穴多次造”优化为“一孔多穴同时造”，减少中间环节，缩短造穴时间，提高造穴效率。3.2设备配套改造为保障阵列式水力造穴工艺的实施，需要对设备进行改进。（1）造穴设备改进。在试验初期，设计使用造穴水刀短接，该水刀短接设计长度15 0 mm，每个造穴短接对应设计1个造穴射流孔。但造穴水刀短接硬度不够，且单个设备长度较短，在钻孔内受钻进扭力影响，反复使用后水刀短接磨损变形严重。后期，试验使用三棱高压钻杆加工水刀，钻杆水刀各部分受力均匀不易磨损变形，并且具有加工移动造穴钻机到造穴钻安装钻杆、水分高压水尾处造3 个穴成本低、成型快、工艺简单的特点，如图2 所示。水力造穴钻杆射流孔图2 阵列式水力造穴钻杆Fig.2Array hydraulic cavitation drll pipe（2）履带式高压清水泵改进。为适应多射流孔的水量要求，对履带式高压清水泵进行了改进。一是增加1个进水口，将水箱进1092023年第9 期水口由原来的1个25mm进水口增加为2 个；二是增大水箱容量，将水箱容量由原先的8 0 0 L增加为12 0 0 L；三是提高密封效果，对泵内部高压密封结构进行优化，全部使用耐高压精度密封圈，保证大流量条件下清水泵压力大于18 MPa。（3）集煤斗改进。原有的集煤斗利用接换钻杆的时间进行清煤，为适应阵列式水力造穴要求，在原有集煤斗的基础上增加了临时储煤仓，实现了不停机清煤。3.3施工流程（1）造穴设备安装。钻孔施工完毕并退钻后，安装造穴设备；钻孔内煤孔长度小于7 m时，安装1个高低压转换水刀和1根水力造穴钻杆，射流孔间距为3 m；钻孔内煤孔长度大于7 m时，安装1个高低压转换水刀和2 根水力造穴钻杆，分别安装在煤孔2、5、7 m处。（2）高压造穴。根据煤孔长度调整钻杆射流孔位置，履带式高压水泵站水压提升至12 18MPa，利用高低压转换水刀切换至造穴状态进行水力造穴作业，在造穴时不断的来回进退钻杆，保证射流孔对全煤段进行水力造穴。（3）煤水分离。利用振动筛固液分离装置对煤水进行分离，煤进入储煤斗进行储煤计量，满1t后进行清煤作业，清煤期间由临时储煤仓进行储煤。4工程应用在李村煤矿西翼进风大巷采用阵列式水力造穴技术，开展了水力造穴与瓦斯抽采工程应用，效果分析如下。4.1造穴效率分析阵列式水力造穴工艺将造穴环节由15 个减少至4 个，全天完成水力造穴钻孔数量由6 9 个提升至15 2 2 个，水力造穴施工效率提升了约1.5 倍。4.2抽采效果分析（1）瓦斯抽采浓度分析。使用传统“一打一造”水力造穴工艺单孔抽采浓度，平均浓度为36.8%，浓度为5 0%以上的钻孔占3 1%；阵列式水力造穴工艺的单孔浓度平均为6 8.2%，浓度5 0%以上的占比7 9%，对比如图3 所示。随着高浓度钻孔的持续带抽，西翼进风大巷和西翼2 号回风大巷支管浓度逐步提升。西翼进风大巷支管瓦斯浓度由17.2%增长为3 6.2%，西翼2号回风大巷支管瓦斯浓度由2 7%增长为4 6.8%(图4)。110煤炭与化工50349382520151050低于3 0%3 0%5 0%5 0%8 0%高于8 0%统造穴钻孔陈列式水力造穴图3 单孔瓦斯抽采浓度分布区间对比Fig.3 Comparison diagram of concentration distributioninterval of single hole gas drainage5045403530462027.0026.202520:4Q5.609.8020.202049.601517.2016.10.2014.801014.8015.0015.4010.409.6012.00505/105/175/245/31 6/76/146/216/28 7/57/127/19 7/26图4 抽采支管浓度走势图Fig.4 Trend diagram of extraction branch pipe concentration（2）瓦斯抽采量分析。传统“一打一造”水力造穴工艺施工的钻孔，平均单组抽采纯量为0.02m/min，万米抽采量为9.4 7 m/min；采用阵列式水力造穴工艺施工后，单组抽采纯量提升至0.0 5m/min，万米抽采量提升至18.4 2 m/min（图5）。1412109.058656422.635/105/175/245/316/7_6/146/216/287/57/12图5 瓦斯纯量及万米抽采量走势Fig.5 Gas pure quantity and ten thousand metersextraction quantity trend（3）抽采达标时间分析。西翼进风大巷根据造穴工艺划分2 个单元进行计量，第一单元传统“一打一造”水力造穴4 6 组平均抽采时间115 d，在线计量装置显示抽采瓦斯总量为17.4 3 万m，单组钻孔抽采范围煤体瓦斯含量下降1m/t所需时间3 9.0 6 d；第二单元阵列式水力造穴4 0 组平均抽采时间2 9 d，在线计量装置显示抽采总量为8.88万m，单组钻孔抽采范围煤体瓦斯含量下降第4 6 卷4643272317435.94.37.20.37.6031.2087.M29.4022.68:40815.4045.00西翼进风大巷一西翼2 号回风大巷18.2318.1417.6718.077,18.4018.27 18.4218.3617.1812.9713.4612.0710.8710.969.029.479.348.56.953.663.844.264.663.852.222.77纯瓦斯量万米抽采量3646.8042.6043.0043.8040.0040.6087.440.8034.4036.2034.8030.4029.6628.0027.2011.7710.8720.0010.374.836.5639.8433.3817.2514.3913.9614.08赵锦刚等：底抽巷穿层钻孔阵列式水力造穴技术研究与工程应用1m/t所需时间16.8 d，瓦斯抽采达标时间较原来Table 1 Comparison table of single group extraction parameters of west wing intake roadway造穴工艺时长/d并网数量/组抽采总量/万m单组均量/(mt)传统造穴115阵列造穴294.3安全性与经济性分析与传统“一打两造”工艺相比，在相同施工量和施工时间下，阵列式水力造穴工艺可减少1台钻机、1台履带式高压水泵站及相关配套设备，并且每班可减少施工人员5 人，不仅成本低，更经济，而且系统相对简单，安全作业更有保障。5结 论（1）与传统“一打一造”水力造穴工艺相比，阵列式水力造穴工艺提高了造穴效率，缓解了工程衔接压力。（2）与传统水力造穴工艺相比，阵列式水力造穴工艺提高了瓦斯抽采效果。（3）与传统“一打两造”水力造穴工艺相比，阵列式水力造穴工艺既安全又经济。2023年第9 期缩短 5 6.9 9%(表 1)。表1西翼进风大巷单组抽采参数对比4617.43408.88参考文献：1 许太山.高瓦斯矿井综合瓦斯抽采技术实践J.煤炭科学技术,2 0 12 (12):8 5-9 1.2宋宜波.高瓦斯综采工作面瓦斯综合治理实践 J.煤炭技术，2 0 0 6（11)：2 0-2 3.3 何富连，赵勇强，武精科.深井高瓦斯碎裂软岩底抽巷围岩控制技术 J.煤矿安全，2 0 18，4 9（9）：118-12 1.4于涛.煤层瓦斯治理底抽巷位置优化研究 J.科技创新与应用，2 0 19（2 2）：5 5-5 6.5 张俊生.底抽巷穿层钻孔卸压增透技术研究 J.煤炭科技，2017(2):28-30.6秦贵成，李阳，舒龙勇.本煤层分段水力造穴钻孔抽采半径考察试验研究 J.煤炭科学技术，2 0 2 0，4 8（8）：10 6-113.7郝从猛，刘洪勇，程远平.穿层水力造穴钻孔瓦斯抽采效果数值模拟研究 J.煤矿安全，2 0 17，4 8（5）：1-4下降 1 m/时间/d0.0239.060.0516.8(上接第 10 7 页)现瓦斯放散能力均较差，如果坚持参考P指标进2 结 论行突出危险性鉴定，会导致鉴定结论误判现象的发（1）低阶煤中褐煤、气煤、焦煤、长焰煤和生，因为也有极个别P数值小的矿井发生了煤与肥煤的放散能力有依次增大的趋势，长焰煤和肥煤瓦斯突出事故。可以看出气煤和焦煤（除贵州盘县的放散能力明显高于褐煤、气煤和焦煤。贵州盘县和威宁矿区焦煤产区）的P数值较小，放散能力和威宁县焦煤产区的瓦斯放散能力要明显高于山西较差，进行煤与瓦斯突出危险性预测时敏感性较焦煤产区。差，建议对这两个煤种进行煤与瓦斯突出危险性鉴（2）贫瘦煤、无烟煤等高阶煤的瓦斯放散能定时忽略P指标。力明显高于低阶煤，高阶煤的瓦斯放散量最大值与参考文献：最小值相差15 倍，瓦斯放散能力差异性大。（3）通过实验对挥发分与瓦斯放散能力的关联性进行了验证，可以发现挥发分与瓦斯放散能力之间并无单值联系，但总体有一个趋势，即保证吸附压力一定的前提下，煤的瓦斯放散量随煤的变质程度提高（挥发分减少）而增大。（4）通过对气煤和焦煤（除贵州盘县和威宁矿区焦煤产区）的瓦斯放散数据进行分析，可以发1 常未斌.煤的瓦斯放散性实验研究 D北京：煤炭科学研究总院，2 0 13.2韩德馨.煤岩学 M.徐州：中国矿业大学出版社，19 9 5.3朱银惠，郝临山.煤化学 M.北京，化学工业出版社，2 0 11.4常未斌，马丕梁，樊少武，等.煤体瓦斯放散指标修正研究J.煤矿开采，2 0 13（1)：11-13.5徐乐华，蒋承林.煤的挥发分与瓦斯放散初速度的关系研究 J.煤矿安全，2 0 11（7)：2 1-2 3.111