全斷面鉆機在陽煤平舒礦底抽巷穿層孔施工中的應用

時間：2022-08-24 02:10:38

關鍵字：底抽巷穿層鉆孔鉆機

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[導讀]摘要:針對陽煤集團平舒礦81115底抽巷瓦斯抽采鉆孔施工過程中存在的鉆進成孔難、效率低等技術難題,使用履帶式全斷面鉆機及配套鉆具,輔以合理的鉆探工藝施工,成功解決了上述難題,為煤礦底抽巷瓦斯抽采鉆孔施工設備和配套工藝選擇提供了有力的借鑒。

引言

陽煤集團為治理掘進工作面瓦斯,消除突出危險性,確保航道安全掘進,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抽技術。在距煤巷底板一定距離的巖層內(nèi),先掘出一條巖石巷道,利用巖巷超前掩護保護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)域施工鉆孔預抽瓦斯。

1施工現(xiàn)場條件

1.1礦井概況

陽煤集團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,設計生產(chǎn)能力3.0Mt/a,采煤方法為走向長壁綜采,劃分兩個水平煤層組分別開采,第1水平設在8#煤層底板中,標高＋787m:第2水平設在15#煤層底板中,標高＋700m。初期開采8#和15#煤層。礦井現(xiàn)采用中央分列式通風方式,通風方法為抽出式。根據(jù)相關資料,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地質條件

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

1.3施工場地

試驗場地布設在81115工作面底抽巷內(nèi):81115工作面回風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,南北向布置,巷道設計長度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 ,屬于突出煤層危險區(qū)。

2 鉆場布置和鉆孔設計

2. 1 鉆場布置

81115底抽巷道設計長度為1 8~7 m ,巷道斷面為矩型 ,巷道規(guī)格為3.2 m(P) ×4.~ m(H) , 穿層孔鉆場布設如圖2所示 ,鉆機安放在巷道中央。1號鉆場在距離回風巷迎頭約150 m處, 向前每間隔10m做布置一個鉆場 ,該底抽巷共設置了150個鉆場。

2.2 鉆孔設計

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工作面回風底抽巷設計施工150組穿層鉆孔 ,每組有13個鉆孔 ,終孔點間距設置為5 m ,每組穿層孔設計鉆進工程量為270 m ,共計40 500 m鉆進工程量: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定孔、含量測定孔每個評價單元布置兩組 ,效檢孔每隔100 m一組(每組3個) 。

81115工作面底抽巷單個鉆場內(nèi)穿層鉆孔在剖面上的設計參數(shù)如圖3所示。

3 施工配套裝備及工藝

3. 1 鉆機

施工鉆機為wZY35001O型全液壓動力頭式履帶鉆機(圖4) ,該款鉆機是一種多種用途的履帶自行式坑道鉆機 , 能夠滿足井下瓦斯抽放孔、地質異常勘探孔、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具有低轉速、大扭矩的參數(shù)特點 ,適于采用PDC復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、履帶鉆機相比 ,ZDy350010型鉆機在以下幾方面具有突出的技術優(yōu)勢(表1) :

(1)鉆機開孔傾角調(diào)節(jié)方便且范圍大 ,可在±90o范圍內(nèi)機械化調(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 ,結構緊湊 ,對狹窄巷道適應能力更強。

(3)開孔方位調(diào)節(jié)方便 ,方位角可在0o~360o內(nèi)自動調(diào)整 ,能滿足巷道兩側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)保護裝置完備 ,鉆機工作的可靠性更高 ,液壓元件采用進口、國產(chǎn)先進定型產(chǎn)品 , 性能穩(wěn)定可靠 , 通用性強。

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胎體式鉆頭是針對目前常規(guī)PDC鉆頭施工頂?shù)装逵矌r層時存在鉆進效率低、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石油鉆頭設計和加工理念的基礎上 ,利用錯峰布齒原理 ,采用等磨損原則 ,使鉆頭上PDC片均勻磨損 , 防止鉆頭因單個 PDC片過早損壞而報廢 ,從而延長PDC鉆頭使用壽命:采用分層錯峰布齒技術 ,實現(xiàn)了多軌道、分層等體積切削巖石 ,鉆進阻力小 ,重復破碎少 ,從而明顯提高了鉆進效率。

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成一個整體 ,具有強度高、連接可靠、擰卸方便等特點。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時 ,鉆桿外表面對排渣形成的阻力相對較小 ,有利于孔內(nèi)清潔。使用結果表明:小73mm摩擦焊接式外平鉆桿具有良好的綜合機械性能 ,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 鉆進工藝參數(shù)及鉆具組合

鉆進工藝參數(shù)包括鉆壓、轉速和泵量 ,三者在一定條件下相互影響 ,須調(diào)整相應的鉆進工藝參數(shù) , 即選用合適的鉆壓、轉速和泵量才能取得良好的鉆進效果。此次鉆孔施工設計最大深孔為33.07 m ,實際施工鉆孔最深為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)場試驗

4. 1 施工數(shù)據(jù)統(tǒng)計

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 ,累計進尺2 194 m ,進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計和效率分析。其中 ,單班平均成孔3.5個 ,最高成孔4.5個:單班平均進尺62.2 m ,最大進尺92 m:最高機械鉆速1.5 m/m+i 。鉆孔實鉆完成參數(shù)如表2所示。

4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

由實鉆數(shù)據(jù)(圖7)可知:單個扇面最高進尺283 m、最多鉆孔13個 : 單班最高進尺92 m 、平均進尺62 . 2 m : 最高時效19 . 2 m/h ,平均時效14.35m/h。與常規(guī)鉆機(礦方原來使用ZDy-3200型鉆機)相比 ,節(jié)省了大量的施工輔助時間 ,提高了成孔效率:且極大地降低了施工人員的勞動強度 ,增加了鉆進效率 , 同時提高了經(jīng)濟效益。