机械水力一体化扩孔技术的应用研究

白 杰

(华阳新材料科技集团有限公司 通风部，山西 阳泉 045000)

据统计，我国高瓦斯和突出煤层中有95%以上的开采煤层属于低渗透性，其渗透率只有10-3～10-4mD。随着煤炭开采逐渐向深部发展，地应力增加，煤层的渗透率进一步降低。目前，对坚硬低透气性煤层瓦斯治理效果较好的措施有水力冲孔造穴增透、CO2深孔预裂爆破、开采保护层、大直径卸压钻孔等，这些技术在矿井瓦斯治理中都产生了一定的效果，但也都存在不同局限性[1]。水力冲孔造穴技术是利用高压水射流对钻孔周围煤体进行破碎，在射流冲刷作用下形成空洞，使水力冲孔周围煤体发生变形、卸压，增加钻孔周围煤体的新生孔隙，提高煤体渗透率，改善煤层抽采条件[2-5]。阳泉煤业和铁福来公司为了解决低渗透性煤层瓦斯抽采难题，通过理论分析提高钻孔瓦斯抽采效率的主要途径，借鉴水力造穴的工艺技术，研制了以钻机给进和旋转为动力的自动开合式“机械水力一体化扩孔”技术装置。

1 机械水力一体扩孔技术原理

水力冲孔系统主要由水力冲孔钻机、钻杆、钻头、水力冲孔接头、气渣分离器、高压注水泵、水箱、高压管路等组成[6]，如图 1 所示。

图1 水力冲孔系统示意

煤层水力冲孔卸压增透技术：煤层通过水力冲孔，冲出一定量的煤体，在钻孔周围形成孔洞(见图2)，为煤体膨胀变形提供了充分的空间。钻孔周围煤体在地应力的作用下发生膨胀变形，使地应力向四周移动；同时钻孔周围煤体向孔道方向发生大幅度的移动，造成煤体顶底板间的相向位移，引起在钻孔影响范围内地应力降低、煤层充分卸压、裂隙增加，使煤层透气性大幅度增高，促进瓦斯解吸和排放，大幅度释放煤层和围岩中的弹性潜能和瓦斯膨胀能，从而大幅提高抽采效果[7-8]。

图2 水力造穴增透瓦斯流动模型

机械水力一体扩孔技术与水力造穴的卸压增透原理基本相同，都是通过形成孔洞释放突出煤层中积聚的势能，提高煤层透气性，从而实现增透消突的目的。不同之处在于，水力造穴是通过高压水射流冲击钻孔内煤体产生孔洞，造穴效果受煤层赋存情况及煤体硬度等因素影响较大，一般而言，煤体越硬，出煤量越少，造穴效果越差。机械扩孔工艺集机械打钻造穴、水力洗孔为一体，在常规打钻过程中采用2～4 MPa的低压水，起到排粉降尘、冷却钻头的作用，机械扩孔时使注水泵站处于12 MPa高压状态，机械刀臂打开，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，机械扩孔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。

2 机械水力一体化扩孔设备

2.1 施工流程及工艺

2.1.1 施工流程

预先根据设计位置，指定钻孔施工位置—移钻机、清水泵至指定位置—稳钻、调整角度—移“一钻一视频”至指定位置—试验机械刀—与视频通话开钻—开始施工钻孔—施工至造穴位置后调整清水泵压力，开始造穴—循环施工、清理钻场、排水—施工完毕退杆—封孔—24 h后连抽。

2.1.2 施工工艺

1) 正常打钻时泵站压力在3 MPa以内，准备扩孔时将注水泵站压力提高至4 MPa，扩孔钻头臂开始打开并慢速旋转，观察钻机旋转压力表变化情况，看指针是否出现大幅度摆动，出现大幅摆动时，保持泵站压力不变，待钻机旋转压力表示数不变时，逐渐调高泵站压力，以此方式使钻头慢慢张开，达到12 MPa时机械扩孔钻头完全张开。钻头张开全程，钻杆保持原地不动。

2) 待注水泵站压力达到12 MPa时，完全张开后的钻头从扩孔位置慢慢推进，扩孔过程中观察钻机旋转压力表示数，正常扩孔时钻机旋转压力一般为4～8 MPa，保证旋转压力不超过10 MPa，当发现示数超过10 MPa时，钻机立刻停止推进，通过降低转速的方式原地旋转，待旋转压力降至10 MPa以下时再慢速扩孔。

3) 扩孔结束，将注水泵站压力完全卸载，刀臂自动回收，进行正常打钻至下一扩孔位置，再进行第二次扩孔，以此实现循环扩孔。

2.1.3 施工设备参数

钻机型号ZDY4500LX、ZDY7300LX；钻杆直径89 mm的三翼钻杆；钻头直径113 mm(扩孔直径500 mm)的自动开合式扩孔钻头。

2.2 机械扩孔装备改进

研制过程中对机械扩孔装备性能参数进行多次改进和优化，努力实现装备“三高三强”，即高效加接钻杆、高智能操作、高效大直径扩孔钻头，强动力系统、强力扩孔钻杆、强排渣系统，设备故障率大幅下降，同时不断优化设计方案，提高施工效率，机械扩孔工艺正逐渐走向成熟。

机械水力一体化扩孔成套装备在水力造穴装备成功应用的基础上，在注水泵站、扩孔钻杆和钻头等核心部件研制方面均实现了较大提升。

1) 注水泵站由过去的200 L/min常规流量泵提高到315 L/min的大流量泵，提高钻孔降尘排渣效果，增加出煤量；

2) 扩孔钻杆由过去直径63.5 mm的三棱钻杆改进为直径89 mm的高强度三翼钻杆，扩孔钻杆以优质高强度合金管为基材，辅以特种钢板制成的三翼，将三棱钻杆的排渣效果和圆钻杆的高强度效果融为一体，能承受更高转矩，更加坚固耐用；

3) 扩孔钻头是整套装备最核心的部件，先后试验了直径400 mm、500 mm的扩孔钻头，前期钻头故障率较高，经常出现扩孔钻头开合不正常现象，对此，先后6次对扩孔钻头内部构造进行改进，主要对两项重要部件重新设计改造：一是改变过去活塞与缸体“钢对钢”式直接接触摩擦工作，研制了活塞与缸体间配套连接专用防污环，采用特殊材质合金钢，提升抗污能力，避免缸体内壁损坏造成刀臂卡滞；二是针对扩孔钻头刀槽易被煤渣堵塞影响刀臂开合的问题，在刀槽两侧设计刀臂排渣孔，研究分析最佳的排渣孔数量和孔径，基本杜绝了煤渣堵塞刀槽的现象。通过这两项改进，机械扩孔钻头稳定使用周期不断提高，故障率大幅下降，并最终定型为500 mm的大直径扩孔钻头。

3 工程试验

3.1 新景煤矿试验方案

新景煤矿3号煤坚固性系数f为0.5～0.7，煤层透气性系数为0.018 8～0.137 7(m2/MPa2·d)，钻孔百米流量衰减系数为0.068 7～1.594 2(d-1)，属于较难抽放煤层。在掘进工作面设计施工10个钻孔(见图3)，主孔深度为80 m，造穴间距为5 m，造穴长度为2 m，扩孔直径为500 mm。单循环设计95个扩孔位置，工程量670 m。

图3 钻孔布置设计

设计中，5号、6号钻孔开孔间距为1.4 m，其余为0.45 m，钻孔保护范围为距离巷道煤壁15 m，开孔高度为1.4 m，钻孔位置、偏角(左偏为“-”,右偏为“+”)钻孔参数见表1。

表1 钻孔施工参数

3.2 新元煤矿试验方案

新元煤矿在31002辅助进风巷、回风巷掘进工作面试验机械水力一体化扩孔技术，每循环施工5个造穴钻孔(见图4)，造穴间距为5 m，扩孔长度为1 m，最大扩孔直径为500 mm，进风巷和回风巷各3个循环，钻孔参数见表2。钻孔施工时间为2019年6月至9月，共造穴30个孔，造穴630 m，冲出煤泥340.2 t，平均每米0.54 t。

图4 钻孔布置设计

表2 31002辅助进风巷、回风巷钻孔施工参数

4 试验结果分析

4.1 新景煤矿试验结果分析

试验共完成122个循环，累计进尺完成8.2万m，单循环平均出煤量为60 t，单循环累计抽采瓦斯总量最大为3.6万m3，平均为1.5万m3；单孔抽采瓦斯浓度最大为92%，平均为55.8%；单孔抽采纯量最大为0.775 m3/min，平均为0.088 m3/min；单日平均瓦斯抽采纯量为2 204.8 m3，平均为1 267.2 m3。

1) 出煤量方面。采用机械水力一体扩孔工艺完成一个循环，平均出煤量约为60 t，较原水力造穴工艺减少10 t左右。

2) 钻孔施工时间方面。机械水力一体扩孔1 m，平均用时5 min，最快能达到每穴3 min，较水力造穴工艺每造穴一次用时30 min，单穴施工速度提高了5倍；机械水力一体扩孔工艺施工一个循环完钻用时5 d，仅为水力造穴钻孔施工周期的一半，钻孔施工效率显著提高。

3) 抽采效果方面。机械水力一体扩孔工艺单孔抽采浓度平均为55.8%，是水力造穴单孔浓度的1.38倍；单孔抽采纯量平均为0.088 m3/min，是水力造穴钻孔的1.6倍；单循环日平均抽采纯量为1 267.2 m3，是水力造穴钻孔的1.7倍。

4) 单循环掘进时间方面。机械水力一体扩孔：正常钻抽时间17 d，掘进时间8 d，共计25 d；水力造穴：正常钻抽时间23 d，掘进时间8 d，共计33 d；掘进工作面单进效果提高1.3倍。

4.2 新元煤矿试验结果分析

通过对试验结果汇总分析，与水力造穴工艺进行对比，各技术指标为：

1) 出煤量对比。机械扩孔工艺每循环出煤量平均为64.7 t，是水力造穴工艺的1.13倍。

2) 机械扩孔与水力造穴时间对比。机械扩孔1 m平均用时5 min，最快能达到3 min，较水力造穴工艺每穴用时30 min，单穴施工速度提高6倍。

3) 钻孔抽放纯量对比。机械扩孔抽采纯量平均为0.55 m3/min,水力造穴钻孔抽采纯量平均为0.34 m3/min，约为水力造穴钻孔的1.62倍。

4) 施工周期。单循环施工时间由8 d缩短到5 d，提高了1.6倍。

通过对新景煤矿和新元煤矿机械水力一体扩孔试验数据的汇总分析，与水力造穴工艺进行对比(见表3)。

5 结 语

1) 在新景煤矿和新元煤矿使用机械水力一体化扩孔技术，机械造穴效率较原有的水力造穴提升4倍以上，单孔瓦斯抽采效果明显提高，取得了良好的应用效果。

2) 此研究成果具有适应煤层硬度大、工艺参数可控性强、造穴卸压效果好等优点，能有效提高瓦斯抽采效率，为矿井安全生产提供技术支持，具有较高的实用性。

表3 机械水力一体扩孔与水力造穴数据统计对比