瓦斯治理机械扩孔快速卸压增透技术及应用

杨计南 李传光

（永城煤电控股集团有限公司，河南 永城 476600）

在瓦斯灾害治理方面，施工抽采钻孔为其主要方法，卸压增透预抽瓦斯为其主要措施。顺和煤矿2404 工作面采用穿层钻孔+水力冲孔工艺进行瓦斯治理时，由于自身煤层条件限制，导致其冲孔效率较低，加长了其工程施工的工期，对实际生产工作产生了影响。在瓦斯抽采方面，针对钻孔卸压增透影响的范围[1-5]，需要根据瓦斯地质情况进一步采取技术措施提高其增透效果。

1 原瓦斯抽采钻孔存在的问题

顺和煤矿位于永城市，该矿原始瓦斯压力0～0.58 MPa，残存瓦斯压力0～0.2 MPa，原始瓦斯含量1.22～11.21 m³/t，残存瓦斯含量2.64～4.668 8 m³/t，瓦斯浓度0～0.1%，相对瓦斯涌出量0～0.11 m3/t，绝对瓦斯涌出量0～0.13 m3/min，瓦斯放散初速度20.7～22.6，煤坚固系数0.82～3.00，目前矿井主采二2 煤。2404 工作面平均埋深665 m，煤层平均厚度1.97 m，煤层硬度系数f=1～3，相对较大。煤尘无爆炸危险性，为Ⅲ类不易自燃煤层。2404 工作面对瓦斯问题进行治理时，所采用的的工艺是水力冲孔增透+穿层钻孔技术。此工艺技术对水力冲孔具体流程的一些参数有硬性要求，一般该过程的水压不能低于18 MPa，且需要花费40 min 才能冲孔1 m 距离。这表明其拥有较低的冲孔效率，这种状态下冲出煤粉非常困难。

2 现改进卸压技术

2.1 现改进卸压原理

现改进的卸压技术，其原理如图1。此技术是使存在于煤体中的原始应力状态发生改变，进而卸载煤体所承受的压力。为了实现这个效果，就要增大煤体的暴露面积，一般会将大块完整煤层分割以达到此效果。在进行机械切割时会使用高压水等方法，卸载煤体的承受压力，同时也有利于煤层中瓦斯的抽取采集。煤层中能量、应力、瓦斯释放自由空间的增大，煤层透气性的增强，瓦斯释放能力的提高，都是由于煤层空隙的增加。

图1 改进卸压技术原理

2.2 改进卸压技术所使用的扩孔设备

改进卸压技术所使用的扩孔设备由高压密封钻杆总成、可变径机械扩孔装置、固液分离机、高压清水泵站、全液压坑道钻机等主要部分组成。其中，固液分离机型号为KFS-50/11 矿用振动筛式，高压清水泵站型号为BQWL315/16-XQ315/12，全液压坑道钻机型号为ZDY7300LX 履带式。

（1）可变径机械扩孔装置。该装置可以自动进行低压正常打钻、高压刀臂打开进行扩孔等过程。可以完成大孔径卸压作业，因为其刀体的扩孔直径较大，为500 mm，在扩孔装置进行正常作业打钻时，对清水泵站的水压力有所限制，一般要求其不超过4 MPa，否则可能会导致无法正常进行钻孔。在扩孔装置进行正常作业扩孔时，当清水泵站的水压力处于6～8 MPa 区间状态时，进行齿轮刀壁推动过程。此过程齿条活塞向下移动的过程同步进行，而齿轮刀壁的推动也会使其开始打开，刀壁的打开程度最终会随着压力的升高达到最大，直至完全打开，此时再进行扩孔工艺。

（2）高压清水泵站。作为机械扩孔工艺中的专用设备，一方面，该设备具有很多结构上的优点，比如劳动强度低、效率高、各装置排布紧凑、方便转移等等；另一方面，也有一些功能上的优点，水泵站可以抑制粉尘，降低粉尘危害。

（3）全液压坑道钻机。该钻机特点为体积小、大扭矩、功能性强、一体化设计、结构紧凑、全液压操作等等，属于大直径机械旋转切割应用的钻机。

2.3 机械扩孔技术工艺

（1）将钻杆、钻头、高压旋转接头进行连接，并对高压清水泵及扩孔设备进行调试。

（2）钻孔打开的过程要保持持续缓慢地进行推进。此过程的目的是为了纠正钻孔的孔位，防止其偏移。

（3）在钻孔打开过程结束后开始进行钻孔，依次连接钻孔使用的钻杆。在此过程中，孔内会出现反水现象，此时应注意观察具体情况，并进行合理供水，一般多选用静压水或者345 水泵。注意此过程水泵压力小于3 MPa。在打钻过程中，着重观察注意钻机主泵的压力表，如果出现顶钻，或者出现排粉不畅，则可能是由于主泵压力过高。如果出现了不能顺畅地排出粉尘的情况，往前推进钻孔之前应及时排粉，进行前后推拉，最终到达扩孔位置后，推进打孔过程结束。

（4）315 清水泵站压力待退扩孔位置时开始缓慢调整，此时要保持钻机动力头原地低速旋转。机械扩孔钻头装置刚开始启动时，应设置其压力为4～6 MPa，具体初始压力确定过程应缓慢调试进行，机械扩孔的钻头在此过程逐渐打开。待其完全打开后，清水泵站的压力开始缓慢调整，使其压力缓慢增大控制在6～8 MPa。在扩孔阶段完成之前，钻头都将保持现状缓慢推进。

（5）扩孔阶段结束后，即扩孔完成后，水泵压力开始发生变化，其压力值开始缓慢下降。此阶段先将装置后退一段距离，为0.5 m 左右。在调整水泵压力过程中进行刀柄的冲洗，是为了防止机械扩孔钻头刀柄内夹杂煤粉等异物。等到水泵压力的压力值消失后收合机械扩孔钻头，此过程进行前应先后退1 m 左右距离，是为了防止机械扩孔钻头未能完全收合。

（6）待一个扩孔段工艺流程结束后，可根据施工计划和步骤，依次继续施工下一个扩孔段。

3 工程实践及应用效果

位于顺和煤矿24 采区的轨道顺槽底抽巷编号为2404，拥有892 m 的设计总工程量，在-702 m 水平建设为其开口位置。施工过程为先水平掘进3 m，再上山掘进，上山掘进过程中控制角度为13°。西翼回风巷道考虑实际地质环境及开采情况采用支护形式为“锚网+锚索”。矿井西翼二2 煤层具体参数见表1，2404 轨道顺槽底抽巷巷道布置图如图2。

表1 矿井西翼二2 煤层具体参数

图2 2404 轨道顺槽底抽巷巷道布置图（m）

对表2 的数据进行分析，数据结果表明，机械扩孔的冲孔煤量会随着钻孔倾角的增大而增大，随着其减小而减小；倾角较小时，其平均每米的冲煤量可低至0.2～0.3 m³；一些孔的扩孔时间相对较长，其出煤量较多，如7-a#孔、8-a#孔和10-a#孔，煤量达到了0.6～0.8 m³/m，7-a#孔作为初始实验孔，初次实验冲出来的煤量相对较多，这是为了尽可能地多冲出煤量为后续实验提供参数参考。数据统计的结果表明，整个实验记录数据为3338 min 的钻孔时间，130.6 m 的扩孔段长度，74.99 m³的出煤量，共测试了19 个机械扩孔钻孔。计算可得出其平均每米的煤孔扩张时间和扩出煤量，分别为25 min 和0.57 m³。相比于水力冲孔，使用该方法进行扩孔其时间减少了17 min/m，煤量增加了0.3～0.4 m³/m。

表2 机械扩孔钻孔参数表

统计分析机械扩孔的抽采浓度，可得出以下结论：80%的机械扩孔钻孔拥有较高始抽浓度，此部分钻孔浓度均在80%～100%之间，这说明始抽时其浓度的效果较佳；持续监测浓度较好的钻孔瓦斯浓度数据，发现在7～10 d 这段时间，其浓度会缓慢衰减；在此监测范围内的钻孔存在个别浓度值较低情况，分析其原因为出水或负压等其他原因影响，重复监测异常现象会消失。

4 结论

以顺和煤矿2404 工作面区域瓦斯钻孔治理为背景，详细介绍了2404 轨道顺槽底抽巷实施的机械扩孔快速卸压增透技术原理、工艺及效果。相比于水力冲孔，在扩孔煤量方面，0.3～0.4 m³/m 为机械扩孔增加量，同时长钻孔及近水平钻孔冲孔技术方面，该技术解决了一些问题，比如煤量、不易冲孔等等；另一方面，与水力冲孔相比，机械扩孔在施工效率上可节约15 min/m，减少40%。工程实践表明，机械扩孔快速卸压增透技术提高了工作面区域瓦斯治理效果，保证了工作面的正常回采。