大直徑 長鑽孔瓦斯抽放技術與裝備的應用

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長期以來，瓦斯災害一直影響著煤礦的安全生產。尤其在高瓦斯礦井，瓦斯治理不僅成本高，而且常常因不能及時與原煤生產工作相銜接製約著煤礦的生產。因此高瓦斯礦井力求通過高效的抽放技術和先進的裝備緩和生產和瓦斯防治工作之間的矛盾，提高煤礦的經濟效益。

用鑽孔抽放煤層瓦斯是目前國內常用而用效的方法，具有施工速度快，鑽場布置機動靈活等特點，但由於鑽孔直徑小，孔壁產生的裂隙小，抽放效果不如巷道抽放好。通過加大鑽孔的直徑和數量，提高孔口抽放負壓，可以彌補後者的不足，但必須有一整套適合我國煤礦鑽孔抽放瓦斯的裝備，才能達到理想的抽放效果。煤科總院西安分院經多年研究，相繼開發研製出一係列能夠施工大直徑鑽孔的鑽機及其配套的施工工藝，投入到高產高效的煤礦生產中，在高瓦斯礦井瓦斯防治中發揮了重要作用。

1大直徑瓦斯抽放鑽機的開發與應用效果

陽泉礦務局屬典型的高瓦斯礦井，煤層透氣性差，回采工作麵瓦斯湧出量高且大部分來源於上鄰層及圍岩。上個世紀80年代，陽泉礦務局為解決製約煤礦安全生產的瓦斯問題，采取鑽進密集的小直徑頂板穿層鑽孔結合掘進50m長的上斜巷道（高抽巷）抽放瓦斯，來解決上鄰層瓦斯問題。這種抽放方式不僅需要消耗大量的人力、物力，而且施工費時，生產成本高，在時間上往往與工作麵銜接不上，影響生產進度。為此，陽泉礦務局提出了通過鑽進大直徑瓦斯抽放孔代替傾斜高抽巷，並減少小直徑瓦斯鑽孔密集度和數量的設想，此設想得到了原中國統配煤礦總公司安全局的大力支持，在此前提下西安分院與陽泉礦務局合作研製開發了MKD-5型鑽機。該鑽機為全液壓動力頭式鑽機，由主機、泵站、操縱台三部分組成，解體性好，搬遷運輸方便，可根據鑽場情況靈活布置。為防止鑽進傾斜孔時跑鑽並減輕鑽工的勞動強度，該鑽機設計了夾轉聯動、自動擰卸鑽杆和液壓缸調整角度等功能。MKD-5型鑽機的技術參數如下：

鑽孔深度：100m

鑽杆直徑：73mm

開孔直徑：250mm

終孔直徑：200mm

鑽孔傾角：±90°

回轉速度：10～320r/min

最大扭矩：1850N·m

給進能力：105kN

起拔能力：73kN

給進行程：600mm

電機功率：30kW

該鑽機1992年在陽泉三礦進行了工業性度驗，配直徑215mm的牙輪鑽頭，一徑到底，施工40°仰角的鑽孔100m.陽泉礦務局同時進行了大直徑鑽孔、密集小直徑鑽孔和岩石走向巷道的瓦斯抽放對比試驗。抽放技術指標對比如表1所示。

表1 幾種抽放技術指標對比

抽放

方式

鑽孔或巷道間距/m

工作麵瓦斯量/m³·min^-1

有效抽

放距離/m

鄰近層

抽放率/%

回風

尾巷

抽放

小孔

10

3.14

20.67

10.06

7

32.73

小孔

7

4.18

9.51

14.52

7

60.42

岩巷

200

3.50

6.47

17.54

230

72.24

岩巷

200

2.91

8.62

27.73

205

76.28

大孔

140

6.26

11.16

28.29

128

71.71

大孔

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td="14319">70

3.65

4.78

11.98

210

71.09

由表1可知：傾斜頂板岩巷鄰近層抽出率最高，有效抽放距離最遠；大直徑鑽孔的抽放率接近傾斜頂板岩巷水平，隻要鑽孔間距合適，抽放技術指標可達到或超過頂板岩巷水平；當工作麵鄰近層瓦斯湧出量在30 ³/min以上時，大直徑鑽孔抽放效果明顯優於兩者。

抽放成本的經濟指標對比 03manbetx 如表2所示。從表2可以看出，采用大直徑鑽孔抽放比其它任何兩種方式的經濟指標都要優越得多。

為完善大直徑瓦斯抽放鑽機的功能，我們對MKD-5型鑽機進行了改製，研製出了MKD-5S全液壓鑽機，其技術參數如下：

鑽孔深度：100/350m

鑽杆直徑：73/63.5mm

開孔直徑：300mm

終孔直徑200/94mm

鑽孔傾角：±90°

回轉速度：10～320r/min

最大扭矩：1850N.m

給進能力：105kN

起拔能力：73kN

給進行程：600mm

電機功率：37kW

MKD-5S鑽機與MKD-5鑽機相比，能力相當，主要是增加了一些聯動功能，使鑽機操作起來更加簡便。該鑽機曾在撫順礦務局老虎台礦配Ф94mm的PDC金剛石複合片鑽頭，一徑到底，施工了400m的穿層瓦斯抽放孔。由於該鑽機施工簡單易行，生產成本低，瓦斯抽放效果顯著，迅速在陽泉礦務局得到了推廣。隨後在淮南礦務局、淮北礦務局、平頂山礦務局、晉城煤業公司等高瓦斯礦區得到了推廣。為配合鑽機施工大直徑鑽孔，我們還研製出了一係列鑽具和鑽頭，其中包括金剛石複合片鑽頭、磨擦焊接的鑽杆、扶正器等。

表2各抽放方式100m走向範圍內的抽放成本對比

鄰近層瓦斯湧出量/m³·min^-1

項目

大直徑

鑽孔

小直徑

鑽孔

傾斜高

抽巷

小於20

間距/m

200

10

數量/個

0.5

10

工程量/m

30

600

總成本/元

4383.9

15930

比±

-11546.1

0

較±%

-72.48

0

20~30

距離/m

200

7

230

數量/個

0.5

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td="14319">14.3

0.43

工程量/ m

30

858

25.8

總成本/元

4383.9

22779.9

20665.8

比±

-18390

0

-2114.1

較±/%

-80.76

0

-9.28

大於30

間距/m

130

7

200

數量/個

0.77

14.3

0.5

工程量/m

46.2

858

30

總成本/元

6751.2

22779.9

24030

比±

-16028.7

0

-1250.1

較±%

-70.36

0

-5.48

2大直徑長鑽孔機在頂板岩石中的應用

MK-6型全液村壓鑽機繼承了大直徑鑽機的優點，采用分體式結構。與前麵鑽機不同的是MK-6鑽機主機采用二步平台，在處理孔內 02manbetx.com 時可將給進機身直接頂在孔壁上，可化解大起拔力造成鑽機失穩的矛盾，增加了鑽機的穩定性，其具體技術參數如下：

鑽孔深度：600/800m

鑽杆直徑：89/73mm

開孔直徑：300mm

終孔直徑：150/94mm

鑽孔傾角：±10°

回轉速度：10～200r/min

最大扭矩：6000N.m

給進能力：210kN

起拔能力：210kN

給進行程：1000mm

電機功率：75kW

與MKD-5S鑽機相比，MK-6型鑽機的能力擴大了很多。其中，扭矩增大了3倍多，給進力增大了2倍，電動機功率也幾乎增大了2倍，從鑽機能力來說，具備了施工大直徑深孔的條件。在鑽機工藝上，先利用定向保直鑽進施工先導孔，達到 設計深度後，采取二次擴孔，擴到滿足瓦斯抽放要求的直徑。我們與陽泉礦務局通力合作，在陽泉一礦4108工作麵12 ^#煤層頂板灰白色中砂岩中進行了現場試驗，完成了直徑為Ф153~Ф193mm，深度分別為603.5m和508.2m的2個深鑽孔。覆蓋了整個工作麵。通過定向保直鑽進工藝控製先導孔，使終孔位置的偏差小於孔深的1%，創下當時國內煤礦井下近水平定向鑽孔施工的最高記錄。在走向超過1000m的綜采工作麵，隻要在工作麵頂板的中間作一個鑽場，沿工作麵走向兩邊各施工幾個覆蓋工作麵的大直徑深孔，就能解決綜采工作麵瓦斯問題。此種方法簡單易行，既節約生產成本，又縮短了工作麵的準備時間，為煤礦高產高效創造了條件。

在陽泉一礦試驗時施工的兩個大直徑長鑽孔在1999年7月工作麵開采時，瓦斯濃度高達到90%，瓦斯量23.92m ³/min，平均瓦斯濃度60%，瓦斯量22.3 m ³/min。2000年4月測量時，2 ^#孔在1900Pa的負壓下，混合量為28.4 m ³/min，瓦斯量12.62 m ³/min2003年7月測量時，混合量13.82 m ³/min，濃度49%，瓦斯量6.82 m ³/min，至今仍在抽放。該鑽孔的抽放效果足以說明大直徑長鑽孔完全可以取代走向巷道抽放瓦斯。

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td="14319">bsp; 3大直徑長鑽孔鑽機在煤層中的應用

晉城煤業集團公司寺河礦是一個綜采機械化程度較高的現代化高瓦斯礦井。在瓦斯治理方麵，公司要求盡快對采煤工作麵瓦斯進行預抽，並將抽出的瓦斯壓送到坑口電站。為了提高瓦斯的抽放率和抽放效果，我院與晉城煤業集團合作開展了“煤層長鑽孔定向鑽進工藝技術開發研究”。2001年9月25日在寺河東二盤區102017s巷道3 ^#煤層中用我院生產的MK-6型鑽機進行了試驗。3 ^#煤層厚度6.5m，煤質堅硬，普氏硬度2左右，煤層下部裂隙發育，瓦斯含量較大。鑽機配Ф94mm的金剛石複合片鑽頭，按照製定的保直鑽進鑽結合下造斜鑽進工藝施工，到28日完成1 ^#孔，純鑽進時間21h，鑽孔深度509.3m，平均鑽進時效24.4m，3 ^#孔采用保直組合鑽具一直鑽到519.5m，鑽孔在煤層夾矸中延伸。施工完畢後立即封孔抽放，當時的瓦斯濃度達97%，瓦斯量2 ~2.5 m ³/min。試驗時的兩個鑽孔創造了當年國內純煤層鑽孔深度紀錄，麵且達到了預期的抽放效果。

MK-6型全液壓鑽機及施工工藝經受了在岩層和純煤層施工的考驗，進一步證明了其在鑽進大直徑鑽孔方麵的能力。良好的抽放效果同時說明大直徑長鑽孔完全可以取代巷道抽放瓦斯。

4沿煤層定向長鑽孔鑽機及其應用

為了進一步將大直徑長鑽孔取代巷道抽放瓦斯的工作開展下去，我院在1999年底利用國家 科技部科研院所技術研究開發專項資金在MK-6型鑽機的基礎上，開發研製了MK-7型鑽機。用該鑽機可以在千米走向的采煤工作麵施工覆蓋整個工作麵長度的鑽孔。

MK-7鑽機的技術參數如下：

鑽孔深度：800/1000m

鑽杆直徑：89mm

開孔直徑：300mm

終孔直徑：200/150mm

鑽孔傾確：±10°

回轉速度：5～200/160r/min

最大扭矩：8000/10000N.m

給進能力：250kN

起拔能力：250kN

給進行程：1000mm

電機功率：90kW

MK-7型鑽機是目前我國內開發的能力最大的全液壓坑道鑽機，為了便於井下移動。鑽機采用了步履自動行走機構和轉向機構。該鑽機2002年11月在銅川礦務局陳家山煤礦415區段完成了現場試驗。此次試驗采取受控定向鑽進技術，沿煤層起伏製鑽孔軌跡，使整個鑽孔繞過背斜在煤層延伸。整個試驗曆時11d，完成2年鑽孔，純鑽進137h，累計進尺1667.5m，平均時效為12.13m/h。從2002年12月3日至2003年2月13日，兩孔共抽出瓦斯110萬m ³。通過1 ^#、2 ^#孔的預抽，解決了煤層巷道掘進過程中瓦斯湧出量大的問題。通過這次試驗證明，MK-7型鑽機能夠滿足沿煤層起伏進行受控定向鑽進的需要，對煤層瓦斯預抽有著重大現實意義，為同類型礦井煤層瓦斯抽放提供新的裝備和技術。

5 大直徑長鑽孔施工藝及應用

在鑽進大直徑鑽孔時，為解決大直徑鑽孔方向難以控製的難題，首先利用鑽孔自然彎曲規律，通過人工方法，采取定向鑽進技術，控製鑽孔方向，使小直徑鑽孔盡可能沿 設計軌跡運行，作為先導孔；後在先導孔的基礎上，進行二次擴孔，使擴孔鑽頭一直沿先導孔鑽進，直到 設計孔深。通過這種方法可以提高大直徑長鑽孔的施工質量，保證鑽孔的終孔位置偏差小於整個孔深的1%。

這種施工大直徑長鑽孔的鑽進工藝用於施工頂板瓦斯抽放傾斜孔時，可以人為增加鑽孔冒落帶之間的距離，延長鑽孔在卸壓帶內的長度，增加鑽孔的有效抽放長度，從而提高鑽孔內的瓦斯抽放量和抽出率，解決鄰近層瓦斯抽放問題；用於施工煤層順層瓦斯抽放孔時，可以根據煤層起伏變化情況，通過人工方法控製鑽孔使其沿煤層走向鑽進，增加鑽孔在煤層中的長度，提高鑽孔瓦斯的抽出率；用於施工頂板瓦斯鑽孔時，定向鑽進技術結合人工架橋等手段，可人為控製鑽孔偏斜，在煤層頂板鑽出一些羽狀分支孔，擴大鑽孔在煤層上頂板的覆蓋麵，增加瓦斯抽放範圍，解決煤層頂板瓦斯抽放問題。

6結論

大直徑長鑽孔鑽機在陽泉礦務局、晉城煤業集團、銅川礦務局現場試驗的成功，說明了高瓦斯礦井利用大直徑長鑽孔取代巷道抽放瓦斯是完全可行的。此方法可有效地節省掘進巷道的時間和降低工人的勞動強度，降低煤炭的生產成本，提高煤礦的經濟效益。同時可以保證礦井的瓦斯抽放量，使煤礦瓦斯變廢為寶，為進行瓦斯綜合利用創造了條件。大直徑長鑽孔的施工有裝備和施工工藝的保證，為大直徑長鑽機的推廣提供了技術保障，應用前景十分樂觀。

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