1、安全技術(shù)大直徑 長鉆孔瓦斯抽放技術(shù)與裝備的應(yīng)用 長期以來，瓦斯災(zāi)難始終影響著煤礦的平安生產(chǎn)。尤其在高瓦斯礦井，瓦斯治理不僅成本高，而且經(jīng)常因不能準(zhǔn)時(shí)與原煤生產(chǎn)工作相連接制約著煤礦的生產(chǎn)。因此高瓦斯礦井力求通過高效的抽放技術(shù)和先進(jìn)的裝備緩和生產(chǎn)和瓦斯防治工作之間的沖突，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。 用鉆孔抽放煤層瓦斯是目前國內(nèi)常用而用效的方法，具有施工速度快，鉆場布置機(jī)動(dòng)敏捷等特點(diǎn)，但由于鉆孔直徑小，孔壁產(chǎn)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(shù)量，提高孔口抽放負(fù)壓，可以彌補(bǔ)后者的不足，但必需有一整套適合我國煤礦鉆孔抽放瓦斯的裝備，才能達(dá)到抱負(fù)的抽放效果。煤科總院西安分院經(jīng)多年討論，相

2、繼開發(fā)研制出一系列能夠施工大直徑鉆孔的鉆機(jī)及其配套的施工工藝，投入到高產(chǎn)高效的煤礦生產(chǎn)中，在高瓦斯礦井瓦斯防治中發(fā)揮了重要作用。 1大直徑瓦斯抽放鉆機(jī)的開發(fā)與應(yīng)用效果 陽泉礦務(wù)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(gè)世紀(jì)80年月，陽泉礦務(wù)局為解決制約煤礦平安生產(chǎn)的瓦斯問題，實(shí)行鉆進(jìn)密集的小直徑頂板穿層鉆孔結(jié)合掘進(jìn)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(fèi)時(shí)，生產(chǎn)成本高，在時(shí)間上往往與工作面連接不上，影響生產(chǎn)進(jìn)度。為此，陽泉礦務(wù)局提出了通過鉆進(jìn)大直徑瓦斯抽放孔代替傾斜高抽巷，并

3、削減小直徑瓦斯鉆孔密集度和數(shù)量的設(shè)想，此設(shè)想得到了原中國統(tǒng)配煤礦總公司平安局的大力支持，在此前提下西安分院與陽泉礦務(wù)局合作研制開發(fā)了MKD-5型鉆機(jī)。該鉆機(jī)為全液壓動(dòng)力頭式鉆機(jī)，由主機(jī)、泵站、操縱臺(tái)三部分組成，解體性好，搬遷運(yùn)輸便利，可依據(jù)鉆場狀況敏捷布置。為防止鉆進(jìn)傾斜孔時(shí)跑鉆并減輕鉆工的勞動(dòng)強(qiáng)度，該鉆機(jī)設(shè)計(jì)了夾轉(zhuǎn)聯(lián)動(dòng)、自動(dòng)擰卸鉆桿和液壓缸調(diào)整角度等功能。MKD-5型鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)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(zhuǎn)速度：10320r/min 最大扭矩：1850Nm 給進(jìn)力量：105kN 起拔力量：73kN 給進(jìn)行程

4、：600mm 電機(jī)功率：30kW 該鉆機(jī)1992年在陽泉三礦進(jìn)行了工業(yè)性度驗(yàn)，配直徑215mm的牙輪鉆頭，一徑究竟，施工40仰角的鉆孔100m.陽泉礦務(wù)局同時(shí)進(jìn)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(duì)比試驗(yàn)。抽放技術(shù)指標(biāo)對(duì)比如表1所示。 表1 幾種抽放技術(shù)指標(biāo)對(duì)比 抽放 方式 鉆孔或巷道間距/m 工作面瓦斯量/m3min-1 有效抽 放距離/m 鄰近層 抽放率/% 回風(fēng) 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

5、 2.91 8.62 27.73 205 76.28 大孔 140 6.26 11.16 28.29 128 71.71 大孔 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(yuǎn);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(shù)指標(biāo)可達(dá)到或超過頂板巖巷水平;當(dāng)工作面鄰近層瓦斯涌出量在303/min以上時(shí)，大直徑鉆孔抽放效果明顯優(yōu)于兩者。 抽放成本的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比分析如表2所示。從表2可以看出，采納大直徑鉆孔抽放比其它任何兩種方式的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都要優(yōu)越得多。 為完善大直徑瓦斯抽放鉆機(jī)的功能，我們對(duì)MKD-5型鉆機(jī)進(jìn)行了

6、改制，研制出了MKD-5S全液壓鉆機(jī)，其技術(shù)參數(shù)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(zhuǎn)速度：10320r/min 最大扭矩：1850N.m 給進(jìn)力量：105kN 起拔力量：73kN 給進(jìn)行程：600mm 電機(jī)功率：37kW MKD-5S鉆機(jī)與MKD-5鉆機(jī)相比，力量相當(dāng)，主要是增加了一些聯(lián)動(dòng)功能，使鉆機(jī)操作起來更加簡便。該鉆機(jī)曾在撫順礦務(wù)局老虎臺(tái)礦配94mm的PDC金剛石復(fù)合片鉆頭，一徑究竟，施工了400m的穿層瓦斯抽放孔。由于該鉆機(jī)施工簡潔易行，生產(chǎn)成本低，瓦斯抽放效果顯著，快速在陽泉礦務(wù)局得到了

7、推廣。隨后在淮南礦務(wù)局、淮北礦務(wù)局、平頂山礦務(wù)局、晉城煤業(yè)公司等高瓦斯礦區(qū)得到了推廣。為協(xié)作鉆機(jī)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(fù)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(nèi)的抽放成本對(duì)比 鄰近層瓦斯涌出量/m3min-1 項(xiàng)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(shù)量/個(gè) 0.5 10 工程量/m 30 600 總成本/元 4383.9 15930 比 -11546.1 0 較% -72.48 0 2030 距離/m 200 7 230 數(shù)量/個(gè) 0.5 14.3 0.43 工程量/ m 30 8

8、58 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(shù)量/個(gè) 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(jī)在頂板巖石中的應(yīng)用 MK-6型全液村壓鉆機(jī)繼承了大直徑鉆機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采納分體式結(jié)構(gòu)。與前面鉆機(jī)不同的是MK-6鉆機(jī)主機(jī)采納二步平臺(tái)，在處理孔內(nèi)事故時(shí)可將給進(jìn)機(jī)身直接頂在孔壁上，可化解大起拔力

9、造成鉆機(jī)失穩(wěn)的沖突，增加了鉆機(jī)的穩(wěn)定性，其詳細(xì)技術(shù)參數(shù)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(zhuǎn)速度：10200r/min 最大扭矩：6000N.m 給進(jìn)力量：210kN 起拔力量：210kN 給進(jìn)行程：1000mm 電機(jī)功率：75kW 與MKD-5S鉆機(jī)相比，MK-6型鉆機(jī)的力量擴(kuò)大了許多。其中，扭矩增大了3倍多，給進(jìn)力增大了2倍，電動(dòng)機(jī)功率也幾乎增大了2倍，從鉆機(jī)力量來說，具備了施工大直徑深孔的條件。在鉆機(jī)工藝上，先利用定向保直鉆進(jìn)施工先導(dǎo)孔，達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，實(shí)行二次擴(kuò)孔，擴(kuò)到滿意瓦斯抽放要求的直徑。

10、我們與陽泉礦務(wù)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(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，完成了直徑為153193mm，深度分別為603.5m和508.2m的2個(gè)深鉆孔。掩蓋了整個(gè)工作面。通過定向保直鉆進(jìn)工藝掌握先導(dǎo)孔，使終孔位置的偏差小于孔深的1%，創(chuàng)下當(dāng)時(shí)國內(nèi)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(gè)鉆場，沿工作面走向兩邊各施工幾個(gè)掩蓋工作面的大直徑深孔，就能解決綜采工作面瓦斯問題。此種方法簡潔易行，既節(jié)省生產(chǎn)成本，又縮短了工作面的預(yù)備時(shí)間，為煤礦高產(chǎn)高效制造了條件。 在陽泉一礦試驗(yàn)時(shí)施工的兩個(gè)大直徑長鉆孔在1999年7月工作面

11、開采時(shí)，瓦斯?jié)舛雀哌_(dá)到90%，瓦斯量23.92m3/min，平均瓦斯?jié)舛?0%，瓦斯量22.3 m3/min。2000年4月測量時(shí)，2#孔在1900Pa的負(fù)壓下，混合量為28.4 m3/min，瓦斯量12.62 m3/min2021年7月測量時(shí)，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。 3大直徑長鉆孔鉆機(jī)在煤層中的應(yīng)用 晉城煤業(yè)集團(tuán)公司寺河礦是一個(gè)綜采機(jī)械化程度較高的現(xiàn)代化高瓦斯礦井。在瓦斯治理方面，公司要求盡快對(duì)采煤工作面瓦斯進(jìn)行預(yù)抽，并將抽出的瓦斯壓送到坑口電站。為了提高瓦斯的

12、抽放率和抽放效果，我院與晉城煤業(yè)集團(tuán)合作開展了"煤層長鉆孔定向鉆進(jìn)工藝技術(shù)開發(fā)討論'。2021年9月25日在寺河?xùn)|二盤區(qū)102021s巷道3#煤層中用我院生產(chǎn)的MK-6型鉆機(jī)進(jìn)行了試驗(yàn)。3#煤層厚度6.5m，煤質(zhì)堅(jiān)硬，普氏硬度2左右，煤層下部裂隙發(fā)育，瓦斯含量較大。鉆機(jī)配94mm的金剛石復(fù)合片鉆頭，根據(jù)制定的保直鉆進(jìn)鉆結(jié)合下造斜鉆進(jìn)工藝施工，到28日完成1#孔，純鉆進(jìn)時(shí)間21h，鉆孔深度509.3m，平均鉆進(jìn)時(shí)效24.4m，3#孔采納保直組合鉆具始終鉆到519.5m，鉆孔在煤層夾矸中延長。施工完畢后馬上封孔抽放，當(dāng)時(shí)的瓦斯?jié)舛冗_(dá)97%，瓦斯量2 2.5 m3/min。試驗(yàn)時(shí)的

13、兩個(gè)鉆孔制造了當(dāng)年國內(nèi)純煤層鉆孔深度紀(jì)錄，面且達(dá)到了預(yù)期的抽放效果。 MK-6型全液壓鉆機(jī)及施工工藝經(jīng)受了在巖層和純煤層施工的考驗(yàn)，進(jìn)一步證明白其在鉆進(jìn)大直徑鉆孔方面的力量。良好的抽放效果同時(shí)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(jī)及其應(yīng)用 為了進(jìn)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(shù)討論開發(fā)專項(xiàng)資金在MK-6型鉆機(jī)的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了MK-7型鉆機(jī)。用該鉆機(jī)可以在千米走向的采煤工作面施工掩蓋整個(gè)工作面長度的鉆孔。 MK-7鉆機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下： 鉆孔深度：800/1000m 鉆桿直徑：89mm 開孔直徑：300m

14、m 終孔直徑：200/150mm 鉆孔傾確：10 回轉(zhuǎn)速度：5200/160r/min 最大扭矩：8000/10000N.m 給進(jìn)力量：250kN 起拔力量：250kN 給進(jìn)行程：1000mm 電機(jī)功率：90kW MK-7型鉆機(jī)是目前我國內(nèi)開發(fā)的力量最大的全液壓坑道鉆機(jī)，為了便于井下移動(dòng)。鉆機(jī)采納了步履自動(dòng)行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)。該鉆機(jī)2021年11月在銅川礦務(wù)局陳家山煤礦415區(qū)段完成了現(xiàn)場試驗(yàn)。此次試驗(yàn)實(shí)行受控定向鉆進(jìn)技術(shù)，沿煤層起伏制鉆孔軌跡，使整個(gè)鉆孔繞過背斜在煤層延長。整個(gè)試驗(yàn)歷時(shí)11d，完成2年鉆孔，純鉆進(jìn)137h，累計(jì)進(jìn)尺1667.5m，平均時(shí)效為12.13m/h。從2021年12月

15、3日至2021年2月13日，兩孔共抽出瓦斯110萬m3。通過1#、2#孔的預(yù)抽，解決了煤層巷道掘進(jìn)過程中瓦斯涌出量大的問題。通過這次試驗(yàn)證明，MK-7型鉆機(jī)能夠滿意沿煤層起伏進(jìn)行受控定向鉆進(jìn)的需要，對(duì)煤層瓦斯預(yù)抽有著重大現(xiàn)實(shí)意義，為同類型礦井煤層瓦斯抽放供應(yīng)新的裝備和技術(shù)。 5 大直徑長鉆孔施工藝及應(yīng)用 在鉆進(jìn)大直徑鉆孔時(shí)，為解決大直徑鉆孔方向難以掌握的難題，首先利用鉆孔自然彎曲規(guī)律，通過人工方法，實(shí)行定向鉆進(jìn)技術(shù)，掌握鉆孔方向，使小直徑鉆孔盡可能沿設(shè)計(jì)軌跡運(yùn)行，作為先導(dǎo)孔;后在先導(dǎo)孔的基礎(chǔ)上，進(jìn)行二次擴(kuò)孔，使擴(kuò)孔鉆頭始終沿先導(dǎo)孔鉆進(jìn)，直到設(shè)計(jì)孔深。通過這種方法可以提高大直徑長鉆孔的施工質(zhì)量，保證鉆孔的終孔位置偏差小于整個(gè)孔深的1%。 這種施工大直徑長鉆孔的鉆進(jìn)工藝用于施工頂板瓦斯抽放傾斜孔時(shí)，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(nèi)的長度，增加鉆孔的有效抽放長度，從而提高鉆孔內(nèi)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(shí)，可以依據(jù)煤層起伏變化狀況，通過人工方法掌握鉆孔使其沿煤層走向鉆進(jìn)，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(shí)，定向鉆進(jìn)技術(shù)結(jié)合人工架橋等手段，可人為掌握鉆孔偏斜，在煤層頂板鉆出一些羽狀分支孔，擴(kuò)大鉆孔在煤層上頂板的掩蓋面，增加瓦斯抽放范圍，解決