机械水力一体化增透技术研究与应用

张军义 王 露 朱水康

（1.河南能源集团鹤壁煤电股份有限公司，河南 鹤壁 458000；2.河南能源集团鹤壁中泰矿业有限公司，河南 鹤壁 458020；3.河南能源集团鹤壁煤电股份有限公司第九煤矿，河南 鹤壁 458020）

鹤壁煤电股份有限公司第九煤矿（以下简称“九矿”）由于煤层透气性差，煤质较硬，属较难抽放煤层，瓦斯抽采浓度低和单孔冲煤量少一直以来是影响瓦斯治理效果提升的主要问题。为了消除上述问题，研究应用机械水力一体化增透技术（以下简称“机械造穴技术”），对于增大煤层透气性，提高抽采瓦斯浓度和纯量，实现安全发展有非常重要的意义。

1 矿井概况

九矿隶属于河南能源集团鹤壁煤电股份有限公司，位于鹤壁矿区北部，核定生产能力0.6 Mt/a。九矿为煤与瓦斯突出矿井，主采二叠系山西组二1煤层，煤厚6.02 m，倾角8°～25°。最大瓦斯含量20.6 m3/t，最大煤层瓦斯压力1.12 MPa，煤层透气性系数0.188 m2/MPa·d，煤的坚固性系数0.6～0.8，抽采半径2.8 m。

2 实施地点概况

该项目实施地点在3103 上底抽巷，巷道全长420 m，巷道顶板距二1 煤层底板平均15 m，巷道尺寸为4.0 m（宽）×3.6 m(高)，采用锚网喷＋壁后注浆联合支护技术。该区域最大原始瓦斯含量16.26 m3/t，原始压力1.05 MPa。共设计钻场27 个，736 个钻孔，总工程量25 760 m，控制巷道轮廓线外不小于30 m。共分为3 个评价单元，每个单元140 m，每个单元安装有自动计量和人工计量装置。

3 项目的应用

3.1 技术原理

为解决煤体较硬、冲孔困难、耗时较长等问题，在2020 年2 月开始试验了机械水力一体化增透技术。钻孔开孔及穿岩时，使用直径为Φ133 mm 钻头施工，至见煤位置后，通过清水泵调整水压，将钻头后方可变径机械造穴装置刀臂（闭合状态直径Φ110 mm，完全展开后直径Φ500 mm）展开，对煤体进行切割。该技术解决了较硬煤层水力冲孔时单靠高压水射流不能有效切割煤体的问题。

机械造穴装置刀臂在钻孔内进行切割煤体，最后形成了较大体积的孔洞，充分进行煤体卸压，增大了抽采范围。同时，钻孔周围裂隙重新发育，增强了煤体的透气性，促进瓦斯解吸和释放，从而有效地实现对煤体的卸压增透。如图1、图2、图3。

图1 机械造穴原理

图2 机械造穴装置模型图

图3 机械造穴装置实物图

3.2 主要装备性能特点

3.2.1 履带式全液压钻机

（1）外形宽度1.1 m，体积小，运动灵活，适用于煤矿狭窄巷道的钻孔施工作业。

（2）可实现±180°方位角调整，-90°～+90°仰俯角调整，实现全方位布孔。

（3）主机导轨带有随动角度仪，可简单准确定位施钻仰俯角。

（4）联动式的液压控制，提高打钻效率。

3.2.2 机械造穴液压泵

（1）结构紧凑，移动方便，效率高，劳动强度低。

（2）输出压力高，流量大。

（3）可用作各采掘机械的喷雾防尘和电机水冷的泵站设备，也可做各类机械的清洗用泵。

3.2.3 振动筛式固液分离机

（1）高效分离煤水混合物中的煤水，分离效果好，处理能力强。

（2）采用履带行走，提高对井下巷道的适应性，提高移动效率。

（3）结构合理，坚固耐用，噪音小，便于维护。

3.3 作业流程

（1）施工前，调整清水泵站的使用压力，观察刀臂开始打开时的压力以及完全打开时清水泵站水压力表的压力大小。

（2）打钻时，清水泵站水压力控制在4 MPa ，钻孔正常施工，记录钻孔见煤及穿煤位置，穿透煤层见顶板不少于0.5 m 后，停止推进。

（3）退钻至核算造穴起始位置，保持动力头旋转，调整清水泵站的水压力，逐渐往上调压。待清水泵站压力调到 6～7 MPa 时，随着齿条活塞下移，推动齿轮刀臂，可变径机械造穴装置刀臂开始打开，随着压力升高，待刀臂完全打开时进行旋转切割煤体，造穴直径扩大为Φ500 mm，同时进行水力冲孔。

（4）待钻孔施工至核算造穴结束位置，保持动力头旋转，缓慢降低清水泵站的压力至4 MPa 以下，刀臂收合。

（5）钻孔扩孔完毕时，退出机械扩孔装置。完全退出后，调整清水泵站的压力，打开刀臂，清洗机械扩孔钻头齿轮部位及刀臂槽部位。

（6）当班施工完毕，退钻拆卸扩孔钻头后，用清水对钻头内外反复冲洗，对造穴装置进行保养，防止扩孔钻头内部锈蚀损坏。

3.4 应用效果

（1）单孔冲出煤量提高

使用机械造穴技术后，单孔冲孔煤量得到了较大提高。3103 上底抽巷原使用普通履带钻机施工水力冲孔，孔径94 mm，单孔每米煤量在0.26 t/m 左右，平均单孔4.13 t。使用机械造穴技术共施工66 个钻孔，累计穿煤长度1357 m，通过计量装置验收的煤量共计690.2 t，平均单孔10.46 t，提高153%；平均每米造穴冲孔煤量在0.6 t/m 左右，提高130%。如图4、图5。

图4 单孔冲孔煤量对照图

图5 每米冲出煤量对照图

可变径机械造穴装置直径500 mm，计算成孔煤粉在0.27 t 左右，实际钻孔每米造穴冲孔煤量在0.6 t/m 左右。通过计算，机械造穴后，实际形成的钻孔孔洞直径738 mm，较原使用的94 mm 钻头施工钻孔，孔径提升7.85 倍，每米钻孔带抽煤体体积由原来的0.006 9 m3提升为0.427 m3，增大62 倍，抽采效果十分显著。

（2）钻孔初始浓度提高

实施机械造穴工艺后，新施工钻孔初始浓度80%以上钻孔占比从16.13%上升到90.91%，小于30% 钻孔占比从3.23%降低到0。

（3）钻孔衰减速率减缓

由于钻孔施工标准化提升、单孔冲孔煤量提高、封孔工艺改进，钻孔衰减速率也得到了较大改善。

（4）抽采纯量提升

3103 上底抽巷原抽采评价单元支管纯量大约为2 m3/min，平均单孔纯量0.003 4 m3/min，核算百米钻孔流量0.02 m3/min·100 m 左右。66 个造穴钻孔全部正式带抽后，抽采纯量增加了1.65 m3/min，计算造穴钻孔平均单孔纯量在0.025 m3/min，百米钻孔流量0.043 m3/min·100 m，提升到原来的215%。

（5）钻孔施工效率提高

原该地区施工的水力冲孔，钻孔见煤后单孔冲孔时间在3 h 左右，加上穿岩等时间，每班只能施工一个钻孔。在使用机械造穴后，钻孔冲煤效率得到较大提高，钻孔施工造穴时间在2 h 以内，提高了钻孔施工效率。

（6）减少了治理工程量

通过施工机械造穴工艺，抽采钻孔表面积和体积都有了较大提高。为进一步验证钻孔抽采效果，与科研院校合作，对造穴钻孔有效影响半径进行了井下考察，确定钻孔有效影响半径在6.1 m 左右，较现使用的2.8 m 抽采有效半径，提升至2.18 倍，为优化区域治理钻孔设计提供了理论依据。初步核算，由原来的每米岩巷2个钻孔，优化至每米岩巷0.9个钻孔。按治理煤巷条带钻孔平均30 m 进尺计算，每500 m 评价单元节约钻孔275 个，钻孔工程量10 500 m，节约成本99.75 万元，在确保抽采效果的基础上，节约了成本。

（7）预抽采地区提前达标

以500 m 长煤巷为例，煤厚8 m，控制巷道两侧30 m 以及巷道5 m 共计65 m 范围，煤层储量36.4 万t，煤层原始瓦斯含量10 m3/t。按原设计钻孔工程量为30 000 m，调整后设计钻孔工程量19 500 m。按原百米流量为0.02 m3/min·100 m 计算，残余瓦斯含量达到6 m3/t 以下，需要5.6 个月预抽期。根据造穴工艺钻孔测定的0.045 m3/min·100 m 百米流量，残余瓦斯含量达到6 m3/t 以下，需要预抽约4 个月，预计能够实现煤巷条带提前1.6 个月抽采达标。

4 结论

通过实施机械造穴工艺，与科研院校合作对项目进行考察后，得出单孔百米钻孔流量单孔纯量由0.02 m3/min·100 m 提升至0.043 m3/min·100 m，单孔每米冲出煤量由0.26 t/m 提高到了0.6 t/m，钻孔抽采半径由2.8 m 扩大至6.5 m，从而为优化钻孔布局提供了依据，为提高抽采效果奠定了基础。