煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用_柴锡军.pdf

第42卷第02期2023年02月煤炭技术Coal TechnologyVol.42 No.02Feb.2023doi:10.13301/ki.ct.2023.02.0380前言矿井瓦斯抽采一直是我国区域性瓦斯治理和实现煤与瓦斯共采的关键技术。随着煤矿井下开采深度的增加，应力的增高，煤层渗透率进一步降低，进而导致钻孔抽采的有效影响范围更小，预抽钻孔工程量将更大，抽采效率更低。由于地质条件复杂，具有保护层开采的突出矿井越来越少，现有的瓦斯抽采技术无法有效解决低透气性煤层高效抽采的难题，近年来相关专家和学者研究出了一系列强化增透技术，如高压水射流割缝、水力冲孔、水力压裂、深孔预裂爆破等。这些技术都是通过对煤体扰动，形成裂隙，扩大抽放孔的内表面积，从而增加煤层的透气性。但是都有一定的局限性，像设备成本高、工艺复杂、效率低等，难以推广应用。因此，研究一种方便快捷且适用范围更广的卸压增透技术具有重要的现实意义。1机械造穴装置研制钻孔瓦斯抽采浓度主要与钻孔直径、煤层渗透率、瓦斯压力等因素有关。机械造穴是利用旋转的机械刀臂来切割煤体，增大钻孔直径，扩大煤体自身的自由面，利用煤岩应力场进一步延展裂隙，增加煤层透气性，降低原始煤层瓦斯含量和瓦斯压力，从而提煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用柴锡军1，2，熊俊杰1，2，杨程涛1，2（1.河南能源化工集团研究总院有限公司，郑州450046；2.河南省低渗突出煤层煤与瓦斯共采工程技术研究中心，郑州450046）摘要：为解决现有增透技术的局限性，研发一种新型机械造穴卸压增透装置，集打钻、造穴于一体，操作使用方便快捷，适用于各种硬度的煤层。通过对装置机构模型进行受力分析，得到驱动水压与刀臂展开角之间的关系。经过煤矿井下现场试验后，结果表明：机械造穴后钻孔瓦斯抽采浓度是普通水力冲孔钻孔瓦斯浓度的2.1倍，机械造穴钻孔平均瓦斯抽采浓度最高是普通水冲孔钻孔的2.4倍。实践应用表明，机械造穴措施使煤层卸压更充分，极大地增加了煤层的透气性，有效提高了煤层瓦斯抽采浓度，可以更好地消除煤层的突出危险性。关键词：机械造穴；动力学分析；现场试验；卸压增透；瓦斯抽采中图分类号：TD713文献标志码：B文章编号：1008 8725（2023）02 163 04Research and Application of Pressure Releasing and PermeabilityImprovement Equipment for Mechanical Cavitations in UndergroundCoal MineCHAI Xijun1，2，XIONG Junjie1，2，YANG Chengtao1，2（1.Henan Energy and Chemical Industry Research Institute Group Co.,Ltd.,Zhengzhou450046,China；2.HenanEngineering Research Center of Simultaneous Extraction of Coal and Gas with Low Permeability and Outburst Coal Seam,Zhengzhou 450046,China）Abstract：To solve the limitations of existing permeability improvement technology,developed a newtype of pressure releasing and permeability improvement equipment for mechanical cavitation.It setsdrilling,cavitation in one,and easy to operate and use.It is suitable for all kinds of hardness of coalseam.Through the dynamics analysis of the equipment,we get the relation between the driving waterpressure and the spreading angle of cutter arm.After the field test,the results show that the gasdrainage concentration of mechanical cavitation is 2.1 times of the ordinary hydraulic punchingborehole,and the average gas concentration of mechanical cavitation is 2.4 times of the ordinaryhydraulic punching borehole.The mechanical cavitation makes the pressure relief of coal seam moresufficient,and greatly increased the permeability of the coal seam.The concentration of coal seam gasextraction is effectively increased,and better eliminate the outburst risk of coal seam.Key words：mechanical cavitations；dynamics analysis；field test；pressure releasing and permeabilityimprovement；gas extraction163第42卷第02期煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用柴锡军，等Vol.42 No.02高瓦斯抽采量。机械造穴技术所需设备体积小，现场操作简单，可控性较好，并且相对于水力压裂、水力割缝、深孔爆破等技术措施，机械造穴技术是一种对煤层的扰动相对较小而效果比较好的一种增透措施，有着广阔的应用前景。为提高抽采效率，河南省逐步推广大直径机械造穴卸压增透技术，根据造穴方式，可分为机械造穴和水力造穴。但是水力造穴存在一定局限性，对设备密封性、压力等要求较高，并且难以满足不同硬度煤层的需求。为解决上述问题，研制一种可变径机械造穴装置，通过调节供水水压，利用机械方式触发，不仅可以实现打钻、造穴一体化，而且适用于各种硬度的煤层，应用范围更广。1.1造穴装置的结构原理造穴装置整体结构如图1所示。图1造穴装置结构示意图1.钻头2.扩孔齿3.刀臂4.支撑杆5.定位块6.支撑底座7.后卡簧8.钻杆9.卡簧调整杆10.弹簧11.前卡簧12.钻具主体末端通过钻杆与钻机连接，在钻机扭矩和推力作用下不断旋转前进。到达造穴位置后，通过提高供水压力，在压力作用下，装置内部支撑底座克服弹簧压力移动，支撑杆推动刀臂展开，切割煤体进行造穴。造穴结束后，降低供水压力，支撑底座在弹簧作用下恢复原位，支撑杆带动刀臂恢复初始位置，继续进行常规钻进。1.2造穴装置的力学分析根据装置的结构以及工作原理，在造穴过程中装置受力模型可简化为偏置曲柄滑块机构，如图2所示。图2装置受力模型示意图L1.曲柄长度，mm L2.连杆长度，mm e.偏心距.转速v.滑块横向速度其中曲柄AB为刀臂，滑块C为支撑底座，支撑杆BC为连杆。根据达朗贝尔原理，质点系中每一个质点在外力、内力、惯性力作用下处于平衡状态。由静力学平衡理论可知，空间任意力系平衡的充要条件是力系的主矢量对任意一点的主矩均为0，即：FiFFn=0M（Fi）+M（F）+M（Fn）=0（1）式中Fi质点系所有主动力，N；F质点系所有约束力，N；Fn质点系所有惯性力，N；M（Fi）主动力矩，Nm；M（F）约束力矩，Nm；M（Fn）惯性力矩，Nm。针对上述偏置曲柄滑块机构，分别对曲柄AB、连杆BC以及滑块C进行受力分析，忽略铰链处摩擦力，则其受力分析如图3所示。（a）曲柄AB受力分析（b）连杆BC受力分析（c）滑块C受力分析图3机构受力分析图FAx与FAy，F1x与F1y，FBx与FBy，F2x与F2y，FCx与FCy.FA，F1，FB，F2，FC沿x轴和y轴向分量Fa1，Fa2.曲柄AB和连杆BC旋转所受离心力根据图3，将铰接处作用力FA，FB，FC以及曲柄和连杆所受惯性力F1，F2沿x轴和y轴分解，根据达朗贝尔原理，分别得到：（2）（3）水压驱动力F03FCcos=3FCx（4）式中FN煤层阻力，N；G1，G2曲柄和连杆自身重力，N；，曲柄和连杆分别与x轴夹角，（）；L10，L20铰链A和C距各自主距点的距离，mm；J1，J2曲柄和连杆转动惯量，kgm2；1，2曲柄和连杆角加速度，rad/s2。FAxFBxF1x+FNsin=0FAy+FByF1y+Fa1-G1-FNcos=0FAxL10sin FAyL10cos FBx（L1-L10）sin+FBy（L1-L10）cos=J1111111111-FBxFCxF2x=0-FBy-FCyF2y-Fa2+G2=0-FBx（L2-L20）sin+FBy（L1-L10）cos+FCxL20sin-FCyL20cos=J2211111111123456789101112ABL1CevL2AFa1BFByF1yFBxF1xG1FAyFNFAxL10-FByFa2F2xB-FBxG2CFCxFCyL20CFCF0F0FCFCFCF2y1642.2造穴施工工艺机械造穴技术施工工艺如图6所示。图6机械造穴施工工艺（1）设备准备与连接阶段主要包括井下供排水系统、电路系统、监控系统、封孔抽采系统等。（2）检查阶段主要包括施工环境、风量、供水、供电的检查；技术措施是否落实到位；人员培训，持证上岗以及设备管路等连接是否安全可靠等。（3）实施阶段为减少造穴工艺对钻孔成孔率的影响，采用钻杆施工钻孔至设计深度后，退钻至设计造穴位置进行“前推式”造穴。作业前检查装置，安装送入钻孔进行常规打钻，到达设计造穴位置后，调整钻机供水水压，机械刀臂打开，进行造穴作业。达到设计要求造穴长度后，恢复供水水压，机械刀臂回收，一次造穴作业完成。3效果考察采用机械造穴工艺和普通水力冲孔工艺卸压增透后，以钻场为单位对1#6#钻场180个钻孔瓦斯抽采浓度进行监测考察。不同施工工艺钻孔初始浓度对比图如图7所示。钻孔孔号图7不同施工工艺钻孔初始浓度对比图瓦斯初始浓度/%通过选取现场使用装置参数代入式（2）式（4）可得，滑块位置曲线、速度曲线和加速度曲线如图4所示。图4滑块运动分析图2现场试验2.1试验区概况试验矿井为煤与瓦斯突出矿井，主采二叠系山西组二1煤层，煤层平均厚度6.02 m，倾角825。试验工作面原始瓦斯 含 量11.87 m3/t，原 始 压 力0.79 MPa，煤层透气性系数1.491.75 m2/（MPa2d），煤的坚固性系数0.40.6。试验区共设计6个钻场180个钻孔，其中1#3#钻场每个钻场5组钻孔，1组2列6个钻孔，列间距3.5 m，90个钻孔均采用机械造穴工艺；4#6#钻场每个钻场6组钻孔，1组2列5个钻孔，列间距3.5 m，90个钻孔采用普通水力冲孔工艺，具体如图5所示。第42卷第02期Vol.42 No.02煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用柴锡军，等xy位置曲线速度曲线加速度曲线3600图5钻孔布置图2625191381251813712518137120148227211593272115932721159326148220262014822721159327211593272115932822164102822164102822164102923175112923175112923175113024186123024186123024186121钻场机械造穴钻场-42011#-4202钻场3钻场4钻场5钻场6钻场3103中底抽巷普通水力冲孔钻场1#62#7#3#8#4#9#16#21#26#12#17#22#27#13#18#23#28#11#1#616#21#26#11#1#616#21#26#2#7#12#17#22#27#2#7#12#17#22#27#-4303#8#13#18#23#28#3#8#13#18#23#28#4#9#14#19#24#29#4#9#14#19#24#29#14#19#24#28#20#25#30#15#10#5#20#25#30#15#10#5#20#25#30#15#10#5#F1-1 H=35 m走向15703103上底抽巷3103中底抽联络巷设备准备与连接施工前检查造穴施工瓦斯抽采监测井下供、排水系统供电系统视频监控系统封孔、抽采系统等施工环境、风量、供水、排水、供电等技术措施落实到位人员培训、持证上岗设备管路连接安全、可靠检查造穴装置安装三防装置、施工常规钻孔按照设计要求进行造穴退出装置、清洗回收瓦斯抽采流量、浓度出煤量1#钻场机械造穴工艺6#钻场普通水力冲孔151012010080604020015202530165从图7可以看出，采用机械造穴工艺后，1#钻场新施工钻孔初始浓度均高于80%，通过对比计算，是普通水力冲孔的2.1倍。1#6#钻场钻孔平均浓度图如图8所示。联轴天数/d图81#6#钻场钻孔平均浓度图经过对360 d内所测的数据进行分析得出：机械造穴钻场的钻孔平均抽采浓度在前100 d始终优于普通水力冲孔钻场的钻孔平均抽采浓度，机械造穴钻场的钻孔平均抽采浓度最高达到81%，是普通水力冲孔钻场的2.4倍。在100270 d，机械造穴钻场的钻孔平均抽采浓度快速下降并逐渐趋于平稳，但钻孔平均抽采浓度始终保持在12%以上，是普通水力冲孔钻场钻孔的1.5倍。270 d后，由于钻孔内可抽采瓦斯已达到最大值，机械造穴钻场和普通水力冲孔钻场的钻孔平均抽采浓度趋于相等，均保持在6%10%。4结语与普通水力冲孔相对比，机械造穴能够增大瓦斯抽采浓度，提高抽采效率，缩短抽采达标时间。通过理论分析与现场试验，在以下方面取得了一些结论：（1）研制的可变径机械造穴装置兼顾打钻、造穴于一体，结构简单，现场操作简单。与井下常规钻机配套使用，安装方便快捷，可大幅度提高有效钻孔数量，减少钻孔轨迹测量以及补钻等措施，降低施工成本，节省作业时间并提高作业效率。（2）机械造穴后全煤段地应力得到一定程度的卸载，裂隙增加，使煤层透气性大幅度提高。与普通水力冲孔钻场对比，机械造穴后瓦斯抽采浓度更高，钻孔有效使用寿命更长，有效提高了钻孔的抽采效率，更好地消除煤层的突出危险性。参考文献：1程远平，俞启香.中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展J.采矿与安全工程学报，2007,24(4):383-390.2袁亮，薛俊华，张农，等.煤层气抽采和煤与瓦斯共采关键技术现状与展望J.煤炭科学技术，2013,41(9):6-11，17.3林柏泉，崔恒信.矿井瓦斯防治理论与技术M.徐州：中国矿业大学出版社,1998.4于不凡，王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册M.北京：煤炭工业出版社，2000.5杨浩.低透气性高突出煤层轻放工作面瓦斯抽放研究J.煤炭工程，2004,23(4):46-48，45.6童碧，余陶，何善龙，等.穿层钻孔煤层段变孔径掏穴卸压增透强化抽采瓦斯技术J.煤炭工程，2011(11):60-62，66.7倪廉钦，王佰顺.穿层钻孔煤层掏穴扩孔强化增透技术研究J.安徽理工大学学报(自然科学版)，2015,35(3):77-82.8叶方琪，毛龙，雷云.机械式扩孔技术在低透气性煤层煤巷掘进的应用J.能源技术与管理，2013,38(2):27-29.9袁胜春，袁晨舒.曲柄滑块机构的运动分析J.河南科技，2014(6):203.10耿其东，方志国.偏置式曲柄滑块机构仿真与运动分析J.机械工程与自动化，2011(3):49-51，54.11于鹏飞，张坤，解宵，等.曲柄滑块机构的优化设计及运动仿真J.运城学院学报，2015,33(6):47-49.12靳岚，谢黎明，沈浩.基于Matlab的偏置曲柄滑块机构的运动特性仿真研究J.中国制造业信息化，2008，37(23):33-34，37.13董超，刘光利，孙成丽，等.曲柄滑块机构的运动轨迹绘制J.锻压装备与制造技术，2021，56(3):10-12.14袁亮.高瓦斯矿区复杂地质条件安全高效开采关键技术J.煤炭学报，2006(2):174-178.15张朋，高晓亮，张献振.随钻掏穴增透技术在瓦斯抽采穿层钻孔中的应用J.煤矿机械，2019，40(9):148-150.16周红星，程远平，刘洪永，等.突出煤层穿层钻孔孔群增透技术及应用J.煤炭学报，2011，36(9):1515-1518.17王念红，陈祖国.穿层水力冲孔增透技术在严重突出煤层中的应用J.煤炭科学技术，2011,39(5):61-63，82.作者简介：柴锡军（1990-），河南商丘人，工程师，硕士，研究方向：瓦斯防治及装备研发，电子信箱：.责任编辑：李富文收稿日期：20220316钻孔平均浓度/%第42卷第02期煤矿井下机械造穴卸压增透装置研究与应用柴锡军，等Vol.42 No.020909080706050403020101801#钻场2#钻场3#钻场4#钻场5#钻场6#钻场270360166