大直徑 長鉆孔瓦斯抽放技術與裝備的應用
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制約著煤礦的生產。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。
用鉆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，鉆場布置機動靈活等特點，但由于鉆孔直徑小，孔壁產生的裂隙小，抽放效果不如巷道抽放好。通過加大鉆孔的直徑和數量，提高孔口抽放負壓，可以彌補后者的不足，但必須有一整套適合我國煤礦鉆孔抽放瓦斯的裝備，才能達到理想的抽放效果。煤科總院西安分院經多年研究，相繼開發研制出一系列能夠施工大直徑鉆孔的鉆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大直徑瓦斯抽放鉆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，回采工作面瓦斯涌出量高且大部分來源于上鄰層及圍巖。上個世紀80年代，陽泉礦務局為解決制約煤礦安全生產的瓦斯問題，采取鉆進密集的小直徑頂板穿層鉆孔結合掘進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面銜接不上，影響生產進度。為此，陽泉礦務局提出了通過鉆進大直徑瓦斯抽放孔代替傾斜高抽巷，并減少小直徑瓦斯鉆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制開發了MKD-5型鉆機。該鉆機為全液壓動力頭式鉆機，由主機、泵站、操縱臺三部分組成，解體性好，搬遷運輸方便，可根據鉆場情況靈活布置。為防止鉆進傾斜孔時跑鉆并減輕鉆工的勞動強度，該鉆機設計了夾轉聯動、自動擰卸鉆桿和液壓缸調整角度等功能。MKD-5型鉆機的技術參數如下：
鉆孔深度：100m
鉆桿直徑：73mm
開孔直徑：250mm
終孔直徑：200mm
鉆孔傾角：±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
該鉆機1992年在陽泉三礦進行了工業性度驗，配直徑215mm的牙輪鉆頭，一徑到底，施工40°仰角的鉆孔100m.陽泉礦務局同時進行了大直徑鉆孔、密集小直徑鉆孔和巖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
鉆孔或巷道間距/m
工作面瓦斯量/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
巖巷
200
3.50
6.47
17.54
230
72.24
巖巷
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：傾斜頂板巖巷鄰近層抽出率最高，有效抽放距離最遠；大直徑鉆孔的抽放率接近傾斜頂板巖巷水平，只要鉆孔間距合適，抽放技術指標可達到或超過頂板巖巷水平；當工作面鄰近層瓦斯涌出量在303/min以上時，大直徑鉆孔抽放效果明顯優于兩者。
抽放成本的經濟指標對比分析如表2所示。從表2可以看出，采用大直徑鉆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鉆機的功能，我們對MKD-5型鉆機進行了改制，研制出了MKD-5S全液壓鉆機，其技術參數如下：
鉆孔深度：100/350m
鉆桿直徑：73/63.5mm
開孔直徑：300mm
終孔直徑200/94mm
鉆孔傾角：±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鉆機與MKD-5鉆機相比，能力相當，主要是增加了一些聯動功能，使鉆機操作起來更加簡便。該鉆機曾在撫順礦務局老虎臺礦配Ф94mm的PDC金剛石復合片鉆頭，一徑到底，施工了400m的穿層瓦斯抽放孔。由于該鉆機施工簡單易行，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。隨后在淮南礦務局、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。為配合鉆機施工大直徑鉆孔，我們還研制出了一系列鉆具和鉆頭，其中包括金剛石復合片鉆頭、磨擦焊接的鉆桿、扶正器等。
表2各抽放方式100m走向范圍內的抽放成本對比
鄰近層瓦斯涌出量/m3·min-1
項目
大直徑
鉆孔
小直徑
鉆孔
傾斜高
抽巷
小于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
大于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大直徑長鉆孔機在頂板巖石中的應用
MK-6型全液村壓鉆機繼承了大直徑鉆機的優點，采用分體式結構。與前面鉆機不同的是MK-6鉆機主機采用二步平臺，在處理孔內事故時可將給進機身直接頂在孔壁上，可化解大起拔力造成鉆機失穩的矛盾，增加了鉆機的穩定性，其具體技術參數如下：
鉆孔深度：600/800m
鉆桿直徑：89/73mm
開孔直徑：300mm
終孔直徑：150/94mm
鉆孔傾角：±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鉆機相比，MK-6型鉆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，從鉆機能力來說，具備了施工大直徑深孔的條件。在鉆機工藝上，先利用定向保直鉆進施工先導孔，達到設計深度后，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工作面12#煤層頂板灰白色中砂巖中進行了現場試驗，完成了直徑為Ф153~Ф193mm，深度分別為603.5m和508.2m的2個深鉆孔。覆蓋了整個工作面。通過定向保直鉆進工藝控制先導孔，使終孔位置的偏差小于孔深的1%，創下當時國內煤礦井下近水平定向鉆孔施工的最高記錄。在走向超過1000m的綜采工作面，只要在工作面頂板的中間作一個鉆場，沿工作面走向兩邊各施工幾個覆蓋工作面的大直徑深孔，就能解決綜采工作面瓦斯問題。此種方法簡單易行，既節約生產成本，又縮短了工作面的準備時間，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鉆孔在1999年7月工作面開采時，瓦斯濃度高達到90%，瓦斯量23.92m3/min，平均瓦斯濃度60%，瓦斯量22.3 m3/min。2000年4月測量時，2#孔在1900Pa的負壓下，混合量為28.4 m3/min，瓦斯量12.62 m3/min2003年7月測量時，混合量13.82 m3/min，濃度49%，瓦斯量6.82 m3/min，至今仍在抽放。該鉆孔的抽放效果足以說明大直徑長鉆孔完全可以取代走向巷道抽放瓦斯。
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td="14319">bsp; 3大直徑長鉆孔鉆機在煤層中的應用
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。在瓦斯治理方面，公司要求盡快對采煤工作面瓦斯進行預抽，并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“煤層長鉆孔定向鉆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型鉆機進行了試驗。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。鉆機配Ф94mm的金剛石復合片鉆頭，按照制定的保直鉆進鉆結合下造斜鉆進工藝施工，到28日完成1#孔，純鉆進時間21h，鉆孔深度509.3m，平均鉆進時效24.4m，3#孔采用保直組合鉆具一直鉆到519.5m，鉆孔在煤層夾矸中延伸。施工完畢后立即封孔抽放，當時的瓦斯濃度達97%，瓦斯量2 ~2.5 m3/min。試驗時的兩個鉆孔創造了當年國內純煤層鉆孔深度紀錄，面且達到了預期的抽放效果。
MK-6型全液壓鉆機及施工工藝經受了在巖層和純煤層施工的考驗，進一步證明了其在鉆進大直徑鉆孔方面的能力。良好的抽放效果同時說明大直徑長鉆孔完全可以取代巷道抽放瓦斯。
4沿煤層定向長鉆孔鉆機及其應用
為了進一步將大直徑長鉆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型鉆機的基礎上，開發研制了MK-7型鉆機。用該鉆機可以在千米走向的采煤工作面施工覆蓋整個工作面長度的鉆孔。
MK-7鉆機的技術參數如下：
鉆孔深度：800/1000m
鉆桿直徑：89mm
開孔直徑：300mm
終孔直徑：200/150mm
鉆孔傾確：±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型鉆機是目前我國內開發的能力最大的全液壓坑道鉆機，為了便于井下移動。鉆機采用了步履自動行走機構和轉向機構。該鉆機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鉆進技術，沿煤層起伏制鉆孔軌跡，使整個鉆孔繞過背斜在煤層延伸。整個試驗歷時11d，完成2年鉆孔，純鉆進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m3。通過1#、2#孔的預抽，解決了煤層巷道掘進過程中瓦斯涌出量大的問題。通過這次試驗證明，MK-7型鉆機能夠滿足沿煤層起伏進行受控定向鉆進的需要，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 大直徑長鉆孔施工藝及應用
在鉆進大直徑鉆孔時，為解決大直徑鉆孔方向難以控制的難題，首先利用鉆孔自然彎曲規律，通過人工方法，采取定向鉆進技術，控制鉆孔方向，使小直徑鉆孔盡可能沿設計軌跡運行，作為先導孔；后在先導孔的基礎上，進行二次擴孔，使擴孔鉆頭一直沿先導孔鉆進，直到設計孔深。通過這種方法可以提高大直徑長鉆孔的施工質量，保證鉆孔的終孔位置偏差小于整個孔深的1%。
這種施工大直徑長鉆孔的鉆進工藝用于施工頂板瓦斯抽放傾斜孔時，可以人為增加鉆孔冒落帶之間的距離，延長鉆孔在卸壓帶內的長度，增加鉆孔的有效抽放長度，從而提高鉆孔內的瓦斯抽放量和抽出率，解決鄰近層瓦斯抽放問題；用于施工煤層順層瓦斯抽放孔時，可以根據煤層起伏變化情況，通過人工方法控制鉆孔使其沿煤層走向鉆進，增加鉆孔在煤層中的長度，提高鉆孔瓦斯的抽出率；用于施工頂板瓦斯鉆孔時，定向鉆進技術結合人工架橋等手段，可人為控制鉆孔偏斜，在煤層頂板鉆出一些羽狀分支孔，擴大鉆孔在煤層上頂板的覆蓋面，增加瓦斯抽放范圍，解決煤層頂板瓦斯抽放問題。
6結論
大直徑長鉆孔鉆機在陽泉礦務局、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鉆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。大直徑長鉆孔的施工有裝備和施工工藝的保證，為大直徑長鉆機的推廣提供了技術保障，應用前景十分樂觀。
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