引言

陽煤集團(tuán)為治理掘進(jìn)工作面瓦斯,消除突出危險(xiǎn)性,確保航道安全掘進(jìn),在高瓦斯、松軟、低透氣性工作面中采用底抽巷穿層鉆孔煤巷條帶瓦斯預(yù)抽技術(shù)。在距煤巷底板一定距離的巖層內(nèi),先掘出一條巖石巷道,利用巖巷超前掩護(hù)保護(hù)煤巷順槽做鉆孔布置,在巖巷內(nèi)向待掘煤層巷道位置及其周邊規(guī)定區(qū)域施工鉆孔預(yù)抽瓦斯。

1施工現(xiàn)場(chǎng)條件

1.1礦井概況

陽煤集團(tuán)平舒煤礦溫家莊井田位于壽陽縣北部的溫家莊鄉(xiāng),行政區(qū)劃屬山西省晉中市壽陽縣。溫家莊井田東西最長9.87km,南北最寬5.57km,面積27.8439km2。礦井采用斜井開拓方式,設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力3.0Mt/a,采煤方法為走向長壁綜采,劃分兩個(gè)水平煤層組分別開采,第1水平設(shè)在8#煤層底板中,標(biāo)高＋787m:第2水平設(shè)在15#煤層底板中,標(biāo)高＋700m。初期開采8#和15#煤層。礦井現(xiàn)采用中央分列式通風(fēng)方式,通風(fēng)方法為抽出式。根據(jù)相關(guān)資料,平舒煤礦8#和15#煤層均為突出煤層,礦井屬于煤與瓦斯突出礦井。

1.2地質(zhì)條件

81115工作面總體形態(tài)簡(jiǎn)單,為北高南低的單斜構(gòu)造,81#煤層傾角界于29+109之間,平均為~9。直接頂為砂質(zhì)泥巖,厚度為5.25m:直接底為泥巖、82#,厚度為3.38m:老頂為細(xì)粒砂巖,厚度為2.315m:老底為砂質(zhì)泥巖,厚度為1.~4m,具體如圖1所示。

1.3施工場(chǎng)地

試驗(yàn)場(chǎng)地布設(shè)在81115工作面底抽巷內(nèi):81115工作面回風(fēng)底抽巷位于平舒礦中央盤區(qū),從81115底抽巷第八橫貫開口,開口后先水平施工30m,再沿89下山施工97.7m后沿61砂巖底板隨層掘進(jìn),南北向布置,巷道設(shè)計(jì)長度18~7m,巷道斷面為矩型,巷道規(guī)格為3.2m高、4.~m寬。該底抽巷施工穿層鉆孔用于抽采81#煤層瓦斯 , 該區(qū)域81#煤層平均厚度為2 .2~ m, 煤層平均傾角為~9 ,平均瓦斯含量12.89 m3/t。礦井瓦斯地質(zhì)圖顯示該區(qū)域內(nèi)81#煤層瓦斯壓力最大值為2 .0 MKa , 最小值為1 .0 MKa ,屬于突出煤層危險(xiǎn)區(qū)。

2 鉆場(chǎng)布置和鉆孔設(shè)計(jì)

2. 1 鉆場(chǎng)布置

81115底抽巷道設(shè)計(jì)長度為1 8~7 m ,巷道斷面為矩型 ,巷道規(guī)格為3.2 m(P) ×4.~ m(H) , 穿層孔鉆場(chǎng)布設(shè)如圖2所示 ,鉆機(jī)安放在巷道中央。1號(hào)鉆場(chǎng)在距離回風(fēng)巷迎頭約150 m處, 向 前每間隔10m做布置一個(gè)鉆場(chǎng) ,該底抽巷共設(shè)置了150個(gè)鉆場(chǎng)。

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)

底抽巷瓦斯抽采鉆孔布置基本參數(shù)如下:

(1)81115工作面底抽巷"以巖保煤"穿層鉆孔按照5m×~ m(傾向×走向)布置 ,在81115工作面底抽巷內(nèi)施工。

(2)81115工作面回風(fēng)底抽巷設(shè)計(jì)施工150組穿層鉆孔 ,每組有13個(gè)鉆孔 ,終孔點(diǎn)間距設(shè)置為5 m ,每組穿層孔設(shè)計(jì)鉆進(jìn)工程量為270 m ,共計(jì)40 500 m鉆進(jìn)工程量:鉆孔控制煤巷及其兩幫輪廓線外15 m范圍內(nèi)煤層瓦斯抽采。

(3)原始煤層瓦斯壓力測(cè)定孔 、含量測(cè)定孔每個(gè)評(píng)價(jià)單元布置兩組 ,效檢孔每隔100 m一組(每組3個(gè)) 。

81115工作面底抽巷單個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)穿層鉆孔在剖面上的設(shè)計(jì)參數(shù)如圖3所示。

3 施工配套裝備及工藝

3. 1 鉆機(jī)

施工鉆機(jī)為wZY35001O型全液壓動(dòng)力頭式履帶鉆機(jī)(圖4) ,該款鉆機(jī)是一種多種用途的履帶自行式坑道鉆機(jī) , 能夠滿足井下瓦斯抽放孔、地質(zhì)異?？碧娇?、探放水孔、卸壓孔及煤體注水孔等多種類型工程孔的施工 ,也可在地面勘探作業(yè)中使用。ZDy350010型煤礦用履帶式全液壓坑道鉆機(jī)具有低轉(zhuǎn)速、大扭矩的參數(shù)特點(diǎn) ,適于采用PDC復(fù)合片鉆頭配合螺旋鉆具施工大直徑鉆孔 ,可在煤礦井下頂?shù)装宸€(wěn)定中硬巖煤層中施工深度350 m以內(nèi)的鉆孔及直徑小于200 mm的近水平瓦斯抽放鉆孔。

與其他常規(guī)分體鉆機(jī)、履帶鉆機(jī)相比 ,ZDy350010型鉆機(jī)在以下幾方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)(表1) :

(1)鉆機(jī)開孔傾角調(diào)節(jié)方便且范圍大 ,可在±90o范圍內(nèi)機(jī)械化調(diào)整 ,一次穩(wěn)固即能滿足全斷面鉆孔施工要求。

(2)鉆機(jī)外形尺寸小 ,最大寬度小于1.3 m、不可拆卸高度不大于1.6 m ,結(jié)構(gòu)緊湊 ,對(duì)狹窄巷道適應(yīng)能力更強(qiáng)。

(3)開孔方位調(diào)節(jié)方便 ,方位角可在0o~360o內(nèi)自動(dòng)調(diào)整 ,能滿足巷道兩側(cè)幫及迎頭各種角度鉆孔施工需求。

(4)開孔高度調(diào)整范圍大 ,鉆機(jī)開孔高度調(diào)整范圍為1.45~2.55 m ,可滿足頂板、迎頭排孔、跨皮帶施工鉆孔等要求。

(5)液壓系統(tǒng)保護(hù)裝置完備 ,鉆機(jī)工作的可靠性更高 ,液壓元件采用進(jìn) 口 、國產(chǎn)先進(jìn)定型產(chǎn)品 , 性能穩(wěn)定可靠 , 通用性強(qiáng)。

3.2 鉆頭與鉆桿

配套用鉆頭為小113mm三翼弧角拋物線PDC胎體式鉆頭 ,鉆桿為小73mm摩擦焊接式外平鉆桿 ,實(shí)物如圖5、圖6所示。

小113 mm三翼弧角拋物線PDC胎體式鉆頭是針對(duì)目前常規(guī)PDC鉆頭施工頂?shù)装逵矌r層時(shí)存在鉆進(jìn)效率低 、使用壽命短的問題而研制的 。三翼弧角拋物線PDC胎體式鉆頭在吸收 PDC石油鉆頭設(shè)計(jì)和加工理念的基礎(chǔ)上 ,利用錯(cuò)峰布齒原理 ,采用等磨損原則 ,使鉆頭上PDC片均勻磨損 , 防止鉆頭因單個(gè) PDC片過早損壞而報(bào)廢 ,從而延長PDC鉆頭使用壽命:采用分層錯(cuò)峰布齒技術(shù) ,實(shí)現(xiàn)了多軌道、分層等體積切削巖石 ,鉆進(jìn)阻力小 ,重復(fù)破碎少 ,從而明顯提高了鉆進(jìn)效率。

小73 mm摩擦焊接式外平鉆桿 ,長度1 m/根 。該鉆桿由公 接頭、母接頭和桿體三部分組成 ,其中公、母接頭體通過摩擦焊接方式與中間桿體構(gòu)成一個(gè)整體 ,具有強(qiáng)度高、連接可靠、擰卸方便等特點(diǎn)。外平鉆桿與鉆渣和孔壁之間的摩擦阻力小 ,利于處理卡、埋鉆等孔內(nèi)事故 。使用清水作為排渣介質(zhì)時(shí) ,鉆桿外表面對(duì)排渣形成的阻力相對(duì)較小 ,有利于孔內(nèi)清潔。使用結(jié)果表明:小73mm摩擦焊接式外平鉆桿具有良好的綜合機(jī)械性能 ,鉆桿接頭螺紋經(jīng)過表面硬化處理 ,具有良好的抗粘扣性能 ,施工過程中未出現(xiàn)變形、斷裂、粘扣等損壞現(xiàn)象。

3.3 鉆進(jìn)工藝參數(shù)及鉆具組合

鉆進(jìn)工藝參數(shù)包括鉆壓、轉(zhuǎn)速和泵量 ,三者在一定條件下相互影響 ,須調(diào)整相應(yīng)的鉆進(jìn)工藝參數(shù) , 即選用合適的鉆壓 、轉(zhuǎn)速和泵量才能取得良好的鉆進(jìn)效果 。此次鉆孔施工設(shè)計(jì)最大深孔為33.07 m ,實(shí)際施工鉆孔最深為37 m ,屬淺孔。

鉆具組合分別為:小113mm三翼弧角拋物線PDC胎體式鉆頭＋小73 mm摩擦焊接式外平鉆桿＋小73mm水便。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4. 1 施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

抽取底抽巷瓦斯抽采穿層孔工程在81115底抽巷完成的穿層孔9組共102個(gè) ,累計(jì)進(jìn)尺2 194 m ,進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和效率分析。其中 ,單班平均成孔3.5個(gè) ,最高成孔4.5個(gè):單班平均進(jìn)尺62.2 m ,最大進(jìn)尺92 m:最高機(jī)械鉆速1.5 m/m+i 。鉆孔實(shí)鉆完成參數(shù)如表2所示。

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

由實(shí)鉆數(shù)據(jù)(圖7)可知:單個(gè)扇面最高進(jìn)尺283 m、最多鉆孔13個(gè) : 單班最高進(jìn)尺92 m 、平均進(jìn)尺62 . 2 m : 最高時(shí)效19 . 2 m/h ,平均時(shí)效14.35m/h。與常規(guī)鉆機(jī)(礦方原來使用ZDy-3200型鉆機(jī))相比 ,節(jié)省了大量的施工輔助時(shí)間 ,提高了成孔效率:且極大地降低了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 ,增加了鉆進(jìn)效率 , 同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

通過對(duì)履帶式全斷面鉆機(jī)在陽煤平舒礦底抽巷施工過程的跟蹤 ,進(jìn)行了實(shí)鉆數(shù)據(jù)分析 ,具體總結(jié)如下:

(1)全斷面鉆機(jī)外形尺寸小 , 結(jié)構(gòu)緊湊合理 ,調(diào)角快速方便 ,一 次穩(wěn)固后即可施工同一扇面內(nèi)不同開孔角度的多個(gè)鉆孔 ,適合在底抽巷施工穿層鉆孔。

(2)與常規(guī)鉆機(jī)相比 ,節(jié)省了大量的施工輔助時(shí)間 ,提高了成孔效率:且極大地降低了施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度 ,增加了鉆進(jìn)效率 ,確保了瓦斯抽采與煤巷掘進(jìn)及時(shí)銜接 , 同時(shí)提高了經(jīng)濟(jì)效益。

(3)通過引入履帶式全斷面鉆機(jī) , 陽煤集團(tuán)平舒礦很好地解決了81115底抽巷瓦斯抽采鉆孔施工過程中存在的鉆進(jìn)成孔難、效率低等技術(shù)難題 ,確保了煤巷安全掘進(jìn) ,為煤礦底抽巷瓦斯抽采鉆孔施工設(shè)備和配套工藝選擇提供了有力借鑒。