三软突出煤层“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺研究及应用

孟 杰 党军超 王洪盘 蒋志刚 闫本正

(1. 河南能源化工集团研究院有限公司，河南省郑州市，450046；2. 义马煤业集团新义煤业有限公司，河南省洛阳市，471800)

1 概况

义煤公司新义矿是典型的三软突出煤层，主采二1煤层，无保护层可采。井田内大、中型断层不发育，水文地质条件简单-中等。受区域地质构造控制，二1煤层全层构造软煤发育，煤层厚度变化大、透气性差。

新义矿瓦斯治理的主要问题是现有水力冲孔技术施工工艺复杂、效率低。目前新义矿主要利用11090轨道和胶带巷底板巷施工穿层钻孔，采用水力冲孔技术措施进行瓦斯治理。现有的水力冲孔工艺流程为：ø89 mm钻头打钻→ø113 mm钻头全岩段扩孔、ø133 mm钻头扩孔口2 m→安装防喷孔装置→换冲孔钻头冲孔→冲出一定的煤量或者返清水时冲孔结束→封孔、连抽。此冲孔工艺相当复杂，以现有的工艺水平，冲孔效率为1.5 t/班。

针对上述情况，新义矿与河南能源研究院合作在11090工作面开展水力冲孔工艺优化试验，以期能够提高新义矿的水力冲孔效率，同时能提高煤层瓦斯抽采效率，缩短抽采达标时间，缓解煤矿抽、采、掘接替紧张局面。

2 新型水力冲孔工艺的提出

水力冲孔是在突出煤层中直接应用的一种防治突出措施，它是以岩柱或者煤柱作为安全屏障，利于高压水将煤、水、瓦斯经过孔道向孔外排出，孔道周围煤体剧烈向孔道方向移动，同时发生煤体的膨胀变形和顶底板的相向位移，引起在冲孔影响范围内地应力降低、煤层卸压、裂隙增加、煤层透气性增高，促进瓦斯的解吸和排放。

钻冲一体化水力冲孔工艺是目前广泛应用的一种水力冲孔工艺，该方法从水力冲孔的工艺流程入手改进水力冲孔工艺。该工艺减少了传统水力冲孔工艺中在钻孔完成之后退钻杆，然后更换水力冲孔钻头再进行水力冲孔这道工序，节省了工作时间，提高了冲孔效率。但该水力冲孔工艺也存在一定的弊端，对于钻孔长度在30～50 m的短钻孔不能充分发挥钻机的钻进效率，且冲孔效率提高的有限。新义矿属于三软煤层，其施工完成一个钻孔(钻孔长度30～50 m)需4 h左右，而冲孔要达到要求的出煤量(煤孔出煤量不低于1 t/m)需要2个班，冲孔占用了钻机大量的时间，极大地降低了钻机的施工效率。原因分析如下：

(1)三软煤层煤体松软，容易冲孔，但是三软煤层冲孔面临一个矛盾点，如果水力冲孔压力低，水射流冲击范围小，出煤量小，则冲孔效率低；如果冲孔压力高，水射流冲击范围大，出煤量大，容易堵孔。而且新义矿煤层中含有结核，更容易造成钻孔堵塞。

(2)钻冲一体化水力冲孔工艺冲孔时排渣通道狭小，钻头直径89 mm，成孔后钻孔直径90～95 mm，钻杆直径73.5 mm，那么冲孔时钻孔内的环空面积只有27.85 cm2，环空尺寸为8～10.5 mm，如有大颗粒煤渣极易堵孔甚至抱钻。

为此，从水力冲孔的基本原理出发，分析水力冲孔的关键影响因素，考虑改进适用于三软煤层短钻孔(钻孔长度30～50 m)的水力冲孔工艺。在水力冲孔过程中，水力压力、煤的坚固性系数、钻孔孔径、钻杆直径、环空大小(钻孔孔径与钻杆直径的差值除以2，环空越大，水力冲孔时，冲出煤粉或煤渣越顺畅，效率越高)、煤孔段的长度、冲出煤量等几个参数都很重要。其中冲孔水压的确定一般取煤体坚固性系数的12～20倍，压力越高冲煤速度越快；但相同冲孔压力下也要保证有足够的环空让煤粉(煤渣)从孔内排出，如果环空较小，就容易发生堵孔、埋钻等事故，因此冲孔效率与冲孔压力和钻孔的环空正相关，即冲孔压力一定的情况下，冲孔效率随着钻孔环空的增大而增加，当钻孔环空增大到一定数值时，冲孔效率不再增加，此时，钻孔的环空尺寸达到了最优值；同理，钻孔环空一定时，与冲孔效率相对应的也有一个最优的冲孔压力值。钻孔冲出煤量是考核瓦斯抽采钻孔冲孔效果的重要参数，一般以煤孔冲出1～1.5 t/m煤为标准，冲孔效率则以单位时间内冲出的煤量进行考核。为了提高水力冲孔效率，必须使环空大小与冲孔压力相互匹配，在冲孔压力和冲出煤量一定的情况下，尽量增加环空可以有效提高冲孔效率，根据这一思路提出了“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺。

3 “钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺

“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺技术原理是在不改变钻孔尺寸的前提下，利于瓦斯抽采孔水力作业机进行冲孔作业，作业机上的连续油管直径只有16 mm，相应地增大了冲孔时的环空，利于排渣，从而提高水力冲孔效率；同时还可以解放钻机及相应的钻工，钻工只负责打钻，冲孔作业人员利用瓦斯抽采孔水力作业机对已有瓦斯抽采钻孔进行水力冲孔增透作业，为了避免钻机和瓦斯抽采孔水力作业机相互影响，冲孔作业滞后于钻机1～2组钻孔。瓦斯抽采孔水力作业机体积小，能够通过履带行走，移动方便，同时在冲孔作业时对钻孔的孔径大小要求不高，ø89 mm钻孔完全可以满足水力冲孔对钻孔环空大小的要求，因为该作业机利用连续油管进行水力冲孔作业，连续油管直径16 mm，钻头直径89 mm，成孔后钻孔直径90～95 mm，冲孔时钻孔内的环空面积为68.8 cm2，是钻冲一体化冲孔工艺的2.5倍，环空尺寸为37～40 mm，是钻冲一体化冲孔工艺的4～5倍，能够通过该环空的煤渣颗粒尺寸也相应增大，能够有效地缩短冲孔时间。瓦斯抽采孔水力作业机照片如图1所示。在该水力冲孔工艺模式下，因为钻机只负责打钻，钻孔直径89 mm，不再进行扩孔作业，从而保证每班施工2～3个钻孔，提高了打钻效率。

图1 瓦斯抽采孔水力作业机

4 现场试验

通过理论分析可知“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺与钻冲一体化水力冲孔工艺相比，钻孔内的环空面积和环空尺寸明显提高，对应的冲孔效率也会明显提高。但是在钻孔内的环空面积和环空尺寸相对固定的情况下，水力冲孔压力与冲孔效率的关系以及水力冲孔压力与钻孔内的环空之间的关系仍需通过现场试验确定。本次现场试验选择新义矿11090工作面胶带巷底板巷，拟通过现场试验确定冲孔压力、钻孔环空以及冲孔效率三者之间的关系。

4.1 试验地点概况

新义矿11090工作面井下标高为-186.6 m～-298.53 m，对应地面标高为+390 m～+413 m,走向长度185 m，倾斜可采长度1030 m，可采储量137.6万t。该工作面所采二1煤层煤质松软，煤层厚度变化较大，且赋存不稳定，煤层厚度1.5～12 m，平均4.6 m，煤层倾角4°～16°，平均倾角5°，局部夹矸，煤层结构中等。煤的坚固性系数f值为0.22～0.65，瓦斯放散初速度ΔP值为15.0～28.0，从煤体结构参数分析可以看出，二1煤层普遍较软，具备发生煤与瓦斯突出的煤体结构条件。矿井实测二1煤层瓦斯压力为1.14 MPa，煤层瓦斯含量为9.69 m3/t,均具备发生煤与瓦斯突出的瓦斯含量和瓦斯压力条件。

4.2 现场试验方案

在11090工作面胶带巷底板巷内开展钻冲一体化和“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺，每种冲孔工艺选择6列钻孔进行试验，冲孔压力从4 MPa逐渐增加至20 MPa(根据经验，冲孔水压的确定一般取煤体坚固性系数的12～20倍，因此该矿的最小冲孔压力为3～4 MPa)，现场记录不同压力下单位时间内的冲出煤量。11090工作面胶带巷底板巷内的穿层钻孔的布置方式采用6 m×6 m布置，每列布置8个钻孔，上帮控制20 m，下帮控制15 m。每列选择4个钻孔，进行间隔冲孔。水力冲孔试验方案如图2所示。

4.3 现场试验情况分析

经过3个多月的现场试验，利用钻冲一体化水力冲孔工艺共完成水力冲孔钻孔56个，合计冲孔煤段323 m，合计冲孔煤量549 t，平均出煤量1.7 t/m，平均每班出煤量为2.95 t/班；利用“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺合计冲孔46个，合计冲孔煤段284 m，合计冲孔煤量406 t，平均冲孔效率为4.7 t/班。同时也分别统计分析了钻冲一体化水力冲孔工艺和“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺在不同冲孔压力下的冲孔效率，如图3和表1所示。

由图3和表1可以看出：

(1)相同冲孔压力下，环空增大，冲孔效率明显提高；环空越大，其冲孔效率随冲孔压力增加而增大的幅度越大。“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺随冲孔压力的增加其冲孔效率提高的幅度明显大于钻冲一体化水力冲孔工艺冲孔效率提高的幅度。

(2)相同钻孔环空条件下，随着冲孔压力的增大，冲孔效率逐渐提高，当压力增高到一定程度时冲孔效率不再有明显变化，此时达到了最佳冲孔压力。当冲孔压力在12 MPa作业时，钻冲一体化水力冲孔工艺冲孔效率最高，为4.3 t/班，当超过12 MPa时，其冲孔效率下降，为4 t/班，在现场试验中还出现堵孔和抱钻的情况，这是因为冲出煤量大于了钻孔环空的排渣能力，造成了堵孔和抱钻。而“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺则没有出现这种状况，其最佳冲孔压力为16～18 MPa，冲孔效率为5.6～5.8 t/班。

图2 水力冲孔试验图

图3 不同冲孔压力下两种冲孔工艺效率对比分析图

冲孔压力/MPa钻冲一体化/t·班-1钻机+瓦斯抽采孔水力作业机/t·班-142.212.562.783.2883.363.85103.84.5124.3251445.4165.67185.7205.8

5 结论

(1)相同冲孔压力下，环空增大，冲孔效率明显提高；环空越大，其冲孔效率随冲孔压力增加而增大的幅度越大。

(2)相同钻孔环空条件下，随着冲孔压力的增大，冲孔效率逐渐提高，当压力增高到一定程度时冲孔效率不再有明显变化，此时达到了最佳冲孔压力。

(3)钻孔环空的大小对冲孔效率起到了制约作用，随着钻孔环空的增大，其最佳冲孔压力和最佳冲孔效率明显增加，而且出现堵孔和抱钻的概率明显减少。“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺的最佳冲孔压力为16～18 MPa，冲孔效率为5.6～5.8 t/班，是钻冲一体化水力冲孔工艺的1.4倍，是原水力冲孔工艺的3.8倍。

(4)“钻机+瓦斯抽采孔水力作业机”协同冲孔工艺不再利用钻机进行冲孔作业，解放了钻机，不仅提高了冲孔效率，同时也提高了钻进效率。

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