王 鹏
（潞安化工集团古城煤矿，山西 长治 046000）
由于进风在采空区上隅角形成涡流等原因，矿井内的瓦斯再次汇聚难以排出，这大大影响了工作人员在综采工作面的作业和安全。传统治理是透过岩层进行来插管或埋管在上隅角进行抽采工作，不但插管操作麻烦，而且岩层移动也会导致管道位置产生误差，达不到理想的瓦斯抽采流量。在采空区与回风巷的上隅角以大直径钻孔来进行瓦斯抽采是近年来避免矿井瓦斯超越限度的新技术，操作方法成本相对传统治理成本具有明显优势，利用得当可充分提高矿井开采效率，增强瓦斯治理的灵活性。
本文根据潞安集团下属某矿井为研究目标，针对于U 型通风方式下“以孔代川”技术，在技术层面进行研究，对其技术结果进行论证，根据需要研制了大直径钻护一体的矿用设备，进一步丰富了矿井下瓦斯治理设备，保障了井下生产的安全性。
潞安集团下属某矿为3 号煤层，煤层的厚度达到4.1～6.7 m，厚度平均为5.76 m。其中煤层中含有2 层及以下的矸，其厚度为0.02～0.9 m，其主要含有碳灰质岩。
对煤层开采所产生的3310 工作面瓦斯抽取不充分难题进行研究后，决定使用新型大直径钻护一体设备来对U 型工作面上隅角进行作业。该设备的一次成孔施工可以大大改善瓦斯积聚情况。
2.1 机械结构
大直径钻护一体设备可以在与地下开采面、回风巷靠近的上隅角采用一次成孔工艺“以孔代川”来进行钻孔，从而抽取瓦斯。该设备具有强劲动力破碎岩石，钻孔和外护管同步，排渣干燥及导向好等优点。设备主要分为两大部分，一部分为主机，另一部分为泵车，两部分相互分离[1]，如图1 所示。
图1 总体结构示意图
1）主机装备有回转器和双液压马达。在工作过程中，在回转器的作用下螺旋钻杆可以大角度转动进行工作，并通过减速器提供必要的能量，液压马达对可伸缩钻头施加所需作用力进行旋转破碎作业。为了有足够的扭矩来往前破碎，采用了外护管同步技术。在钻进破碎时，外护管和钻头协同向前，两者前端顶部位置的排渣距离要相等，避免煤岩因排屑间隙不相等而不能顺利排出。
2）后一部分的泵车主要作用是为主机的钻杆等设备提供破碎岩层所需的动力，泵车电机与联轴器相连，传递运动和扭矩，最终在控制与调节下通过对油进行加压或卸压来控制主机运行。为了提高装卸钻杆类装备的作业效率和准确性，减轻工人的劳动强度，一些如机械吊臂、夹持器之类的辅助设备应该提前配备。在往前钻进过程中，为了降低卡钻、埋钻等发生的可能性，泵车的油缸选用双出头形式，以提供更加强悍的动力[2]。
2.2 性能参数及特点
动力回转器带动螺旋钻杆旋转钻进，钻头旋转钻进煤层的同时外护管顶推也随之推进，两者保持一致，外护管支撑住煤层防止由钻头破碎的孔洞导致煤层崩塌，同时螺旋钻杆也一直旋转，钻头破碎的煤渣就可以顺着螺旋钻杆的通道排出。外护管在起到支撑作用的同时，也能防止钻头因受力不均等问题产生的螺旋钻杆发生偏移的问题。钻护一体化设备也可以适用于煤层质地较软的矿井，装备技术参数如下页表1所示。
表1 装备技术参数
2.3 施工工艺流程
液压马达提供动力到动力头，动力头和螺旋钻杆一起运动，可伸缩钻头往前推进破碎煤层，同时螺旋钻杆外的外护管由于动力头顶推装置的作用与螺旋钻杆具有相同的轨迹，推进过程中煤渣螺旋排出。在达到特定深度后，液压马达提供撤回的动力，动力头和螺旋钻杆反转运动，可伸缩钻头由于外护管端卡止缩小截齿直径，从煤层中抽出后撤。随之进行封孔，连接上抽采管路。
选取潞安化工集团某矿3 号煤层3310 工作面作为实地研究对象，抽采巷和回风巷高度差平均为+1.5°，预留煤柱30 m。钻孔主要参数包括钻孔仰角+7°，钻孔直径550 mm，采用抽采巷开孔，回风巷接收的方式，回风巷透孔和顶板间的距离为1.5 m，施工剖面如图2 所示。
图2 施工剖面图（单位：mm）
钻孔中心和底板间的距离为1.5 m，相邻钻孔间的距离为15 m，钻孔立面布置如图3 所示。钻孔过程中螺旋钻杆和套管同钻孔协调进行，首先由钻头进行开孔作业，开孔完毕后将螺旋钻杆和钻头相连接并钻孔至指定位置，最后退钻并将套管安装至钻头上，完成整个钻孔过程[3]。
图3 钻孔立面布置图
本次实验单次钻孔数量为37 个，钻孔完毕后直接进行封孔处理，并对钻孔区域进行瓦斯预抽采处理，抽采过程中对瓦斯浓度的数据进行实时记录并绘制瓦斯浓度和抽采时间的曲线图。
4.1 钻孔瓦斯浓度测量
选取已完成的6 个超大直径钻孔测量其钻孔瓦斯浓度，分析可知，工作面与钻孔距离递增时，钻孔的瓦斯浓度先随之上升后又呈下降趋势。钻孔瓦斯浓度在中工作面与钻孔距离为25 m 时几乎达到最大值。新钻孔往前继续打开，后方瓦斯浓度相应降低，并且两者浓度差别不大，钻孔瓦斯浓度在5%～8.5%之间。
4.2 上隅角瓦斯浓度监测
抽采位置的变化会有规律的影响上隅角瓦斯浓度的变化，当抽采位置靠近采空区时，上隅角瓦斯浓度会上升。当工作面推进距离由20 m 向前推进时，上隅角瓦斯浓度最大，然后打开新钻孔，瓦斯浓度开始下降，直到推进到30 m，随后又逐渐升高，整体的上隅角瓦斯浓度在0.6%以下。
4.3 抽采纯量变化分析
根据实际检测数据可知，抽采时间达到半年时，瓦斯浓度相较抽采前显著降低，抽采干管流量达到180 m3/min 时，瓦斯浓度约为5%，抽采纯量为9.25 m3/min。抽采效率和钻孔连接个数间为正比关系，避免了矿井工作面回采过程中瓦斯浓度过高等问题。
1）采用煤柱内超大直径钻孔施工代替传统埋管的上隅角瓦斯浓度降低方式，避免了回采工作面以及采空区域瓦斯浓度过高等问题；
2）本次设计的钻孔设备成孔直径在400～800 mm范围内，回转扭矩为15 000 N·m，通过钻孔、螺旋钻杆和套筒协调配合的方式，实现了成孔和钻护的同步进行，整个钻孔过程一次完成，能够很好地避免传统钻孔方式存在的钻护分离、排渣困难以及钻护位置偏差较大等缺点，使得松软煤层钻孔的效率和质量显著提升；
3）选取潞安化工集团某矿3310 工作面作为实际实验对象，单次钻孔数量为37 个，钻孔后立刻进行瓦斯抽采。实验数据表明，抽采时间半年后，抽采干管流量增至180 m3/min，瓦斯浓度约为5%，抽采纯量为9.25 m3/min，抽采效率和钻孔连接个数间为正比关系。
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