井下瓦斯抽采钻孔机械造穴技术研究

井下瓦斯抽采钻孔机械造穴技术研究
葛路军
【摘要】以井下瓦斯抽采钻孔机械造穴技术为研究对象,首先介绍了钻孔造穴技术的基本原理,然后从钻孔内破岩造穴和工具的结构两方面介绍了钻孔造穴设备的制作,并以国内某煤矿的工作面为研究对象,对瓦斯抽采技术进行了抽采效果分析.试验数据显示,所制定的瓦斯抽采设备和抽采工艺对瓦斯的抽采效率提升非常显著.【期刊名称】《机械管理开发》
【年(卷),期】2019(034)001
【总页数】3页(P72-74)
【关键词】瓦斯抽采;造穴;钻孔
【作者】葛路军
【作者单位】潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西长治046100
【正文语种】中文
【中图分类】TD721
引言
煤层的渗透性是表示煤层内流体在压力的作用下，通过煤层的难易性，是对煤层渗透能力大小的衡量，其难易程度可以使用渗透率来表示。

相关数据显示我国煤层的渗透率在10-3～10-6μm2之间，因此渗透率比较低。

相关试验研究表明，煤层的渗透率和煤炭的开采深度呈现负相关的关系。

渗透率低下，使得煤层中瓦斯的抽
采变得更加困难。

基于以上原因，近年来相关专家和学者研究了一系列提升煤层渗透率的措施，如采用高压水射流割缝[1]、深孔爆破[2-3]等。

尽管以上措施在增强渗透率方面取得了一定的成绩，但是仍存在一定的局限性。

例如以上方法对于设备的配置要求比较高，在具体施工过程中对工艺参数的要求比较高，并且参数的控制难度较大，实际执行过程中安全隐患较大，因此需要寻找可操控性更强和安全性更高的抽采方法势在必行。

相关研究表明增大钻孔的直径可以提升瓦斯的抽采效率降低卸压消突，但是当采用大直径时，其实际实施复杂度和成本相对较高，自美国发明裸眼洞穴技术以来[4-5]，此种技术得到了国内外的广泛关注，现如今裸眼技术已经在国内许多地方得到应用，同时裸眼技术对于提升煤层产气速率方面也有着比较明显的效果。

因此本文在分析煤层的抽采和钻孔特性和裸眼洞穴技术的条件下，开展基于机械造穴技术的瓦斯抽采钻孔技术研究。

1 基本原理介绍
1.1 钻孔孔径对瓦斯抽采含量的影响
根据煤层瓦斯的流动的相关理论研究，气体在所钻孔的附近煤层是一个扩散渗透的过程，一般情况下，对煤层钻孔过程气体是属于径向流动，未转投的煤层中，气体是球向流动。

相关计算公式如式1和2所示。

式中：Q代表瓦斯气体的总流量，P0为煤层中瓦斯压力值，m为煤层的厚度，μ代表每层的透气指数，R1和R0分别代表瓦斯的源半径值。

式（1）中，瓦斯流量随着钻孔的直径增大而增大但是当直径增大到一定值时，便流量增大不明显，式（2）显示，煤层的瓦斯流量和钻孔的半径基本呈现正相关的关系，孔径增大，其流量也增大。

故孔径在一定范围内和瓦斯流量呈现正相关的关系。

1.2 钻孔造穴和卸压增透
从式（1）、式（2）中可以明显看出，Q 和μ 是呈正比的关系，因此增大煤层的
透气性可以增大瓦斯的涌出量。

对煤层实行卸压操作后，内部的孔隙扩展联通性能增强，其煤层的透气性会不断增加。

同时对煤层进行钻孔也可卸压增透，使用FLC 软件对钻孔的煤层进行应力仿真，以模拟造穴以后煤层的应力和变形具体情况。

详细的参数情况如表1所示。

表1 钻孔造穴卸压数值模拟参数特性切变模量/m 3抗拉强度/P a内摩擦角/（°）上覆岩层应力/N体积模量/m 3黏聚力/N 1.1 0.2 5 4 0 8 2.8 7 3
通过对应力和变形情况进行模拟仿真，显示造穴以后应力释放增强比较明显，空穴的上部和下部的煤层应力卸压范围增大比较明显，顶部的应力和未进行造穴的应力之比不到1∶30。

打孔和未打孔的煤层变形分别为0.001 8 m和0.012 m，相差近7倍，变形煤层的范围增大比较明显，详细情况如下页图1。

图中显示，钻孔8 cm，当施工孔径达到60 cm时，媒层的变形比较明显，并且钻孔卸压比较明显。

图1 打孔造穴前后煤层纵向位移（m）的模拟结果
2 钻孔和造穴工具的制备
2.1 钻孔内破岩造穴
根据受力分析可知，深部地层一般是受到2个方向的水平力和一个方向的垂直力共同作用，随着孔的不断成型，原有的岩石应力得到不断的破坏，并且会在所钻孔的岩石周围重新分布，并且在周围形成直径风向的弹性和塑性区域。

煤层力学的强度会不断降低，由于破碎圈的形成，煤层不断处于极限的平衡状态，只需要比较小的力即可使媒层破损。

综上所述，钻孔工具可以借助煤层的破坏特性，在煤层中保持一定的吃入量，这样可以使得破岩变得相对比较容易。

2.2 工具的结构设计
对造穴工具的结构设计如图2所示。

采用开合式的臂式结构设计，设备的动力来源于钻井的给进，钻井的给进可以对切割部件的张开进行实时的控制，使得造穴切割部分一直工作在塑型区域内部，对造穴的效率起到提升作用。

整体来看，设备主
要分为前、中、后三个部分。

其中前端部分主要起支撑和定位的功能，中段部分主要进行切割笔的张开闭合控制和旋转造穴功能，后端主要完成钻杆的链接，将钻杆的旋转和进给动力传递给传动轴，另外实现供水的导流作用，实现对切割设备的降温冷却和冲洗作用。

图2 造穴工具的机械原理图
3 试验分析
3.1 施工项目简介
以某大型煤矿的III101工作面作为试验对象，在其3号煤层地板的III101工作面内巷掘进端钻场，分两组进行实际钻孔试验，魅族分别进行穿层造穴2个和普通穿层钻孔试验1个，钻孔的详细参数信息如表2所示。

钻孔设备的详细信息如表3所示。

表2 钻孔的详细参数信息编号孔编号倾角/（°）方位角/（°）见煤深度/m煤层厚度/m造穴深度/m终孔深度/m备注1 Z X 1 6 5 0 1 5.5 1.0 1 6-1 6.5 2 1 造穴试验孔Z X 2 1 5 1 7 2 0.5 1.5 2 1.5-2 2 3 4 造穴试验孔C G 1 2 2 5 6 1 7.5 1.5 2 1 普通孔2 Z X 3 2 2 5 2 2.5 1.3 2 3.1-2 3.6 2 4 造穴试验孔Z X 4 2 4 3 2 2.8 1.0 2 3.3-2 3.8 2 4 造穴试验孔C G 2 3 1 1 3 4.5 1.5 5 0 普通孔
表3 钻孔设备的详细信息设备名称 Z D Y 3 2 0 0 S钻机进给能力/k N 1 1 2转速/（r·m i n-1）5 0～1 7 5最大转矩/（N·m）3 2 0 0
3.2 施工过程
首先施工钻取直径为130 mm的常规钻，对孔深等进行记录，随后进行冲孔、退钻和接桩造穴设备，并使用钻孔机将其送入孔内，直达设定位置，此时造穴切割臂借助支撑钻杆的反作用力开始逐渐张开。

在旋转进给的过程中，实行切削造穴，对进给速度进行控制。

在切割过程中空口的水流会由清澈逐渐变得浑浊，大约5～15 mm直径大小的煤块会随着水流出。

大约半小时后，自此设备的给进过程就此
结束，孔口的水流逐渐变得清澈并且没有颗粒流出。

经过实际现场测量，单次造穴过程中大约有300～400 kg煤颗粒从孔中排出。

3.3 抽采效果分析
使用CJZ型号的瓦斯测定仪对瓦斯情况进行持续时间为30 d的测定，从测定数据可以看出，单孔瓦斯的抽采浓度提高了2～4倍，纯瓦斯的抽采量提升了大约有
2.5～5.2倍，详细情况如下页图3所示。

由此可见，造穴技术的试验对瓦斯的抽
采效果具有比较明显的强化作用。

4 结论
借助相关方针软件，当造穴直径达到80 mm和600 mm时，煤层的最大变形增
大了近6倍，最小应力降低了近96%，并且煤层的变形卸压范围变化比较明显。

借助本文所涉及的机械臂式造穴工具，对煤层实施造穴，相关实验结果表明，对于瓦斯的抽采效果非常明显，纯瓦斯的抽采效率提升了2.5～5.2倍左右。

并且此种
技术所采用的造穴工具体积相对较小，工程施工的成本比较低，操作工艺比较简单，是一种安全合理有效的瓦斯抽采技术。

图3 瓦斯抽采效果分析
参考文献
【相关文献】
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[2]喻晓峰.松软突出煤层水力压裂试验与抽采效果分析[J].矿业安全与环保，2012，39（5）：75-76.
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