CN110985111A - 钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于煤矿开采领域，特别是指钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法。高压水力冲孔泵站的优化；履带式液压钻机的优化；水力冲孔器的优化；防喷孔与煤水收集装置的优化；履带式煤水分离装置的优化。在推行新工序后，彻底解决了冲出的煤水乱流及煤水难分离的困扰，更重要的是能实现单孔计量，工人一个班一个孔冲出多少煤，结算多少工资一目了然，大大提高了工人水力冲孔的积极性；而且减少了人员清煤、装煤、运煤等环节，冲出的煤水经煤水分离装置直接装入矿车，当班的煤粉可直接运走，既降低成本投入，又提高了现场质量标准化水平。
Description
技术领域
本发明属于煤矿开采领域，特别是指钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法。
背景技术
煤炭是我国经济发展和人民生活所依赖的主要能源，在未来相当长的时期内,煤炭作为我国主体能源的地位不会改变；为满足我国的煤炭需求，我国未来还将有序开发一些煤炭基地，建设一批现代化矿井。但从我国以往大量的矿井项目建设实践中，不难发现达不到预期目标的项目屡见不鲜，并且产生一些不良的社会和环境影响，这与我国矿井建设项目的前期决策和设计有很大关系。要使煤矿生产达到最佳的经济效益并尽量减少对社会和环境的影响，首先需要科学合理的决策和方案设计，设计工作完成之后还需要对设计方案进行科学的评价，及时发现问题并不断完善，使矿井设计方案实现最优化，这样才能保障我国能更好地建设一批现代化矿井，实现煤炭资源的合理开采和利用。然而截至目前为止尚未出现对矿井项目设计方案进行评估的系统方法，没有统一的评价指标和评价体系，因此非常有必要提出一套适合对矿井设计方案进行全面准确评估的综合评价方法及系统，以便及时发现设计中存在的问题和不足，进一步完善和改进方案，实现煤矿项目的科学投资建设生产。
近年来，随着矿井开采强度增大，井工深度的延伸，煤与瓦斯突出现象在我国煤矿矿井建设和煤炭开采中频繁发生，严重制约着我国煤矿安全生产。煤与瓦斯突出能够瞬间向巷道抛出大量的煤和有毒有害气体，对井巷造成严重破坏，摧毁各种矿用设备，造成大规模人员伤亡，正是由于煤与瓦斯突出的特殊性质，往往这类事故会造成群死群伤的恶性事故，给国家和人民的生命和财产造成了极大的损失，严重影响社会的稳定和和谐社会的建立。因此，我们必须加速推进防治煤与瓦斯突出技术的应用研究和装备改造。
目前，国内学者提出的煤层增透和卸压的技术方法，主要包括炸药深孔预裂爆破、水力压裂、水力冲孔、水力掏槽、水力割缝等。由于部分增透技术和工艺方法有缺陷，很多技术措施的效果并不理想。专利CN201610263144.5公开了一种基于二氧化碳爆破的弱化坚硬煤层放顶煤的方法，其采用二氧化碳爆破对坚硬顶煤进行弱化，使顶煤放出率比顶板致裂之前提高了20％-30％，但是其在两液压支架顶梁之间靠近煤壁的顶板处钻孔对工作面的生产影响较大。而本申请遇到的矿井严重突出矿井，煤层属于煤水难分离煤层，矿井瓦斯鉴定结果为：绝对瓦斯涌出量31.94m3／min，相对瓦斯涌出量21.38m3／t。煤层瓦斯含量5.5-18.36m3/t，瓦斯压力0.5-1.7Mpa结合矿井地质条件摸索出一套有针对性的瓦斯治理工序与方法。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法。
本发明的技术方案是这样实现的：
钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，步骤如下：
（1）高压水力冲孔泵站的优化：在冲孔地点安装两套高压水力冲孔泵，并在高压水力冲孔泵出水口处安装水表，钻孔施工见煤后开启高压水力冲孔泵；
（2）履带式液压钻机的优化：采用履带式液压钻机配套高压密封钻杆、高压水辫，将抽采钻孔布置为双排孔；
（3）水力冲孔器的优化：在水力冲孔系统中的冲孔器为可调式高压水力冲孔器，其上安装有喷嘴，喷嘴实现穿岩段采用静压供水排渣冲孔器处于静止状态，钻孔穿岩见煤后更换为高压供水排渣；
（4）防喷孔与煤水收集装置的优化：从孔口密封装置、固定连接装置和煤水气收集设备三个方面进行三级优化；
（5）履带式煤水分离装置的优化：将振动筛固液分离机的出煤口与运输机相连，将排出的煤粉经输送机直接装入矿车内，完成采矿。
所述步骤（1）中高压水力冲孔泵为高压水力冲孔提供压力31.5MPa和流量200L/min的水源，高压供水管路φ32mm，水力冲孔压力为8-10Mpa。
所述步骤（2）中履带式液压钻机型号为CMS1-6000/55，满足-90°到+90°的仰俯角施工；双排孔孔口间距为500mm；高压密封钻杆与高压水辫相连保证冲孔压力达到8-10MPa。
所述步骤（3）中喷嘴的直接为φ1.5mm，喷嘴角度20°，当供水压力低于8MPa以下喷嘴关闭。
所述步骤（4）中孔口密封装置安装位于钻机前方，钻孔施工首先用φ133mm钻头扩孔500mm深，将孔口密封装置前端放入孔内，后端固定至履带式液压钻机上，使履带式液压钻机在施工过程中的煤水、瓦斯进入孔口密封装置内；固定连接装置选用4吋钢丝软管，一端固定在孔口密封装置上，另一端固定至煤水气收集设备，钻孔施工过程中排出的煤水由孔口密封装置经连接装置全部流入煤水气收集设备内；煤水气收集设备固定在振动筛固液分离机上，共分为三个出口，一是连接4吋钢丝软管，二是与辅助抽采管相连，并安装有闸门，三是与振动筛固液分离机相连，可确保在打钻期间实现煤水收集流入固液分离机上，同时在打钻期间遇到喷孔现象时，可以及时将喷出的瓦斯抽走，防止瓦斯预警和超限。
所述步骤（5）中振动筛固液分离机的处理量50m³/h、网孔尺寸0.5mm、筛分效率70-85％、振次920次/min；运输机为风动运输机，其风动马达上还安装有消音装置。
所述消音装置为海绵罩、聚氨酯罩或泡沫板盒。
瓦斯治理方法还包括全程安装验煤摄像头和使用电动运输车。
具体流程：瓦斯治理技术施工前履带式液压钻机、高压水力冲孔泵和防喷孔与煤水收集装置及履带式煤水分离装置联合试运转正常，钻孔开孔前安装水力冲孔钻头和可调式高压水力冲孔器，施工钻进岩石时采用静压水排渣，施工见煤后暂停连接防喷孔与煤水收集装置，从孔口密封装置、固定连接装置和煤水气收集设备三级优化配套使用，钻孔穿煤过程中开启高压水力冲孔泵，孔口压力达到8-10MPa时，高压水力冲孔器喷嘴打开，开始高压水力冲刷煤体排渣，水煤混合物经钻孔排出进入孔口密封装置经连接装置全部流入煤、气、水收集设备内。然后瓦斯经4吋钢丝软管与辅助抽采管相连进入抽放主管，剩余的煤水混合物实现煤水收集流入固液分离机上。经过履带式煤水分离装置使筛箱内煤水做直线运动，煤水混合物经煤气水收集装置后进入振动筛箱体后，煤随着筛网的震动从出煤口排出，水透过筛网，汇聚在箱体下部，从出水管排出，达到煤水分离，自动出渣的目的，排出的煤粉经自主研发的风动输送机，将排出的煤粉经输送机直接装入矿车内。上述所有流程全程摄像头监控，实现实时传输。
本发明具有以下有益效果：
1、底抽巷应用此工序后，钻场抽采浓度大幅提高，通过对钻场抽采浓度进行统计，单孔抽采浓度最高可达100％，钻场平均浓度71％以上，钻场汇总纯流量最高可达0.55m³/min，钻场汇总平均纯流量0.39m³/min。
2、新工序与老工序施工后的技术参数对比，初步分析并掌握了一些特征和优势：
（1）冲煤时间缩减50％：常规水力冲孔有效冲孔时间为150分钟效果最佳；高压水力钻冲筛运一体化采用高压钻杆、高压水辫、可调式高压水力冲孔器配合使用冲孔时间80分钟可达到理想效果。
（2）更加安全的冲孔水压：常规水力冲孔泵站输出压力17Mpa,且冲孔期间水辫连接处、钻杆、钻头连接处均泄压漏水，到达孔口水压稳定在12MPa，才能达到较好的冲孔效果；高压水力钻冲筛运一体化减少漏水卸压环节，泵站输出压力控制在12MPa,到达孔口压力可到达8-10MPa冲孔效果理想，达到更加安全的冲孔水压。
（3）冲出煤粉中含煤量提高：常规水力冲孔采用经过改造5×Φ5mm的喷嘴冲孔，冲孔时间较长，冲出煤粉中含煤量在25％-35％，且煤粒细较难分离，造成现场文明生产极差；通过采用高压水力钻冲筛运一体化可调节高压水力冲孔器，安装有1只喷嘴，喷嘴φ1.5mm，喷嘴角度20°，冲孔时间缩短，且冲出煤水混合物中含煤量可达到50％，配合振动筛固液分离机，煤水分离效果较好，现场文明生产标准化有较大提高。
（4）钻场抽采浓度衰减速度减缓：常规水力冲孔钻孔带抽后浓度最高可达到95％，经过一段时间观察发现钻孔易堵，分析原因为钻孔经过长时间冲孔，穿煤段易塌孔，带抽钻孔浓度衰减快，需二次处理；采用高压水力钻冲筛运一体化钻孔带抽后浓度最高可达100％，且钻孔不易发生塌孔堵孔，杜绝了二次处理投入的成本。
（5）减环节、降成本、提工效、高标准：常规的水力冲孔技术执行过程中当班冲孔的煤水无法分离，需要自然沉淀1-3天后，再集中人员进行清理，造成水力冲孔无法连续进行，制约生产力，工作效率低，同时增加了区域治理投入成本，现场煤水乱流文明生产极差，而且当班冲孔的煤量无法进行单孔计量，不利于提高工人水力冲孔的积极性；在推行新工序后，彻底解决了冲出的煤水乱流及煤水难分离的困扰，更重要的是能实现单孔计量，工人一个班一个孔冲出多少煤，结算多少工资一目了然，大大提高了工人水力冲孔的积极性；而且减少了人员清煤、装煤、运煤等环节，冲出的煤水经煤水分离装置直接装入矿车，当班的煤粉可直接运走，既降低成本投入，又提高了现场质量标准化水平。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为钻冲筛运一体化流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
依据自身条件，通过底抽巷不断实践总结，摸索出一套底抽巷高压水力钻冲筛运一体化（7+1模式）流程，如图1所示：
1、高压水力冲孔泵站：3205底抽巷水力冲孔地点安装两套高压水力冲孔泵，一用一备，能够为高压水力冲孔提供压力31.5MPa和流量200L/min的水源，高压供水管路φ32mm；并在泵站出水口安装有水表，可记录每个钻孔冲煤所需水量。钻孔施工见煤后开启水力冲孔泵，水力冲孔保持在8-10Mpa之间，根据煤的软硬程度调整冲孔压力，满足冲孔需要。
2、履带式液压钻机配套高压密封钻杆、高压水辫：使用钻机型号为CMS1-6000/55；该设备将动力泵站和钻进主机布置在履带上，实现了紧凑一体化的设计，具有运动灵活的功能，减少人力移动钻机.采用大扭矩行走，马达和钢制履带配套，满足井下特殊恶劣环境作业;采用旋转结构、履带底盘不动，可满足-90°到+90°的仰俯角施工。根据现场巷道情况，结合履带式液压钻机结构，将抽采钻孔布置由单排孔布置优化为双排孔布置，孔口间距500mm，可减少钻机移动频率，提高工作效率;高压钻杆配合高压水辫可保证冲孔压力达到8-10MPa，达到理想抽采效果。
3、可调式高压水力冲孔器：不锈钢结构φ68mm，可调式高压水力冲孔器，具备高耐磨性能，安装有1只喷嘴，喷嘴φ1.5mm，喷嘴角度20°，可实现高压低压的自动转换，供水压力低于8MPa以下喷嘴处于关闭状态，穿岩段采用静压供水排渣冲孔器处于静止状态，钻孔穿岩见煤后更换为高压供水排渣，压力在8-10MPa之间。可实现静压供水穿岩，高压供水穿煤，使用该设施后排出的煤水混合物中含煤量高达50％，冲煤效果极佳。
4、三级配套式防喷孔与煤水收集装置的研发与应用：该装置共分为三级（孔口密封装置，固定连接装置，煤水气收集设备）；一是孔口密封装置安装位于钻机前方，钻孔施工首先用φ133mm钻头扩孔500mm深，将孔口密封装置前端放入孔内，后端固定至钻机上，使钻孔在施工过程中的煤水、瓦斯进入孔口密封装置内。二是连接装置选用4吋钢丝软管，一端固定在孔口密封装置上，另一端固定至煤水气收集设备，钻孔施工过程中排出的煤水由孔口密封装置经连接装置全部流入煤、气、水收集设备内。三是煤气水收集装置固定在振动筛固液分离机上，共分为三个出口，一是连接4吋钢丝软管，二是与辅助抽采管相连，并安装有闸门，三是与固液分离机相连，可确保在打钻期间实现煤水收集流入固液分离机上，同时在打钻期间遇到喷孔现象时，可以及时将喷出的瓦斯抽走，防止瓦斯预警和超限。
5、履带式煤水分离装置（振动筛固液分离机配合自主研发风动输送机KFS-50/11振动筛固液分离机（处理量50m³/h、网孔尺寸0.5mm、筛分效率70-85％、振次920次/min）；振动筛固液分离机主要由履带行走底盘、筛箱、液压振动源、防爆电机、液压泵、油箱、冷却器总成及液压管路组成。设备行走时由防爆电机驱动液压泵，通过泵流量的输出带动液压马达，驱动履带行走。该机工作时通过柱塞马达驱动两侧振动器作同步反向运转，两组偏心质量产生的离心力沿振动方向的分力叠加，反向离心抵消，从而形成单一的沿振动方向的高频振动，使筛箱内煤水做直线运动，煤水混合物经煤气水收集装置后进入振动筛箱体后，煤随着筛网的震动从出煤口排出，水透过筛网，汇聚在箱体下部，从出水管排出，达到煤水分离，自动出渣的目的。由于振动筛固液分离机出煤口距地面高度仅为0.8m，排出的煤粉无法直接进入矿车，我矿根据现场实际情况将废旧风动钻机自主研发了风动输送机，可将排出的煤粉经输送机直接装入矿车内。同时，为解决风动转载皮带的噪音，针对风动马达的实际情况研制出配套的消音装置，取得了良好的效果。
6、全程摄像头验煤装置
为了便于验收，采用了三摄像头联合验收，实现打钻、清煤、卸车全程监控；即一个摄像头用来验收打钻，监督打钻深度达到设计要求，第二个摄像头用来验收装煤，打钻煤粉经过振动分离装入矿车内，第三个摄像头用来验收卸车，月底由调度室、安检科、通防科联合抽查监控过程，杜绝弄虚作假现象。
7、专用电机车运输装置
底抽巷水力冲孔清煤供车问题受轨道提升运输困扰，一直是水力冲孔推行过程的瓶颈所在，冲出的煤无法及时清理，造成现场文明卫生差，严重影响职工冲孔积极性，针对这一问题配套专用电机车、专用矿车、皮带运输线路，解决了水力冲孔清煤问题，并且解决了清煤推车距离远，减轻了职工体力，提高工效。
8、业务科室联合考核兑现
为确保水力冲孔管理工作顺利推行，严格考核兑现是关键，矿井特成立水力冲孔管理领导小组，由矿长任组长，总工程师、防突矿长为副组长，并成立水力冲孔管理办公室，每月召开一次水力冲孔专题会，协调推进各项工作。要求水力冲孔工程单独考核和结算，水力冲孔进尺不再结算工资，只考核冲出煤量，按照冲出煤量结算工资。为确保冲出煤量真实可靠，月底由通防科、安检科、调度室联合抽查视频验收煤量，并共同签字认可交人力资源科兑现工资。
实施效果例
1、底抽巷应用此工序后，钻场抽采浓度大幅提高，通过对钻场抽采浓度进行统计，单孔抽采浓度最高可达100％，钻场平均浓度71％以上，钻场汇总纯流量最高可达0.55m³/min，钻场汇总平均纯流量0.39m³/min。
2、新工序与老工序施工后的技术参数对比，初步分析并掌握了一些特征和优势：
（1）冲煤时间缩减50％：常规水力冲孔有效冲孔时间为150分钟效果最佳；高压水力钻冲筛运一体化采用高压钻杆、高压水辫、可调式高压水力冲孔器配合使用冲孔时间80分钟可达到理想效果。
（2）更加安全的冲孔水压：常规水力冲孔泵站输出压力17Mpa,且冲孔期间水辫连接处、钻杆、钻头连接处均泄压漏水，到达孔口水压稳定在12MPa，才能达到较好的冲孔效果；高压水力钻冲筛运一体化减少漏水卸压环节，泵站输出压力控制在12MPa,到达孔口压力可到达8-10MPa冲孔效果理想，达到更加安全的冲孔水压。
（3）冲出煤粉中含煤量提高：常规水力冲孔采用经过改造5×Φ5mm的喷嘴冲孔，冲孔时间较长，冲出煤粉中含煤量在25％-35％，且煤粒细较难分离，造成现场文明生产极差；通过采用高压水力钻冲筛运一体化可调节高压水力冲孔器，安装有1只喷嘴，喷嘴φ1.5mm，喷嘴角度20°，冲孔时间缩短，且冲出煤水混合物中含煤量可达到50％，配合振动筛固液分离机，煤水分离效果较好，现场文明生产标准化有较大提高。
（4）钻场抽采浓度衰减速度减缓：常规水力冲孔钻孔带抽后浓度最高可达到95％，经过一段时间观察发现钻孔易堵，分析原因为钻孔经过长时间冲孔，穿煤段易塌孔，带抽钻孔浓度衰减快，需二次处理；采用高压水力钻冲筛运一体化钻孔带抽后浓度最高可达100％，且钻孔不易发生塌孔堵孔，杜绝了二次处理投入的成本。
（5）减环节、降成本、提工效、高标准：常规的水力冲孔技术执行过程中当班冲孔的煤水无法分离，需要自然沉淀1-3天后，再集中人员进行清理，造成水力冲孔无法连续进行，制约生产力，工作效率低，同时增加了区域治理投入成本，现场煤水乱流文明生产极差，而且当班冲孔的煤量无法进行单孔计量，不利于提高工人水力冲孔的积极性；在推行新工序后，彻底解决了冲出的煤水乱流及煤水难分离的困扰，更重要的是能实现单孔计量，工人一个班一个孔冲出多少煤，结算多少工资一目了然，大大提高了工人水力冲孔的积极性；而且减少了人员清煤、装煤、运煤等环节，冲出的煤水经煤水分离装置直接装入矿车，当班的煤粉可直接运走，即降低成本投入，又提高了现场质量标准化水平。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，其特征在于，步骤如下：
（1）高压水力冲孔泵站的优化：在冲孔地点安装两套高压水力冲孔泵，并在高压水力冲孔泵出水口处安装水表，钻孔施工见煤后开启高压水力冲孔泵；
（2）履带式液压钻机的优化：采用履带式液压钻机配套高压密封钻杆、高压水辫，将抽采钻孔布置为双排孔；
（3）水力冲孔器的优化：在水力冲孔系统中的冲孔器为可调式高压水力冲孔器，其上安装有喷嘴，喷嘴实现穿岩段采用静压供水排渣冲孔器处于静止状态，钻孔穿岩见煤后更换为高压供水排渣；
（4）防喷孔与煤水收集装置的优化：从孔口密封装置、固定连接装置和煤水气收集设备三个方面进行三级优化；
（5）履带式煤水分离装置的优化：将振动筛固液分离机的出煤口与运输机相连，将排出的煤粉经输送机直接装入矿车内，完成采矿。
2.根据权利要求1所述的钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，其特征在于：所述步骤（1）中高压水力冲孔泵为高压水力冲孔提供压力31.5MPa和流量200L/min的水源，高压供水管路φ32mm，水力冲孔压力为8-10Mpa。
3.根据权利要求1所述的钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，其特征在于：所述步骤（2）中履带式液压钻机型号为CMS1-6000/55，满足-90°到+90°的仰俯角施工；双排孔孔口间距为500mm；高压密封钻杆与高压水辫相连保证冲孔压力达到8-10MPa。
4.根据权利要求1所述的钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，其特征在于：所述步骤（3）中喷嘴的直接为φ1.5mm，喷嘴角度20°，当供水压力低于8MPa以下喷嘴关闭。
5.根据权利要求1所述的钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，其特征在于：所述步骤（4）中孔口密封装置安装位于钻机前方，钻孔施工首先用φ133mm钻头扩孔500mm深，将孔口密封装置前端放入孔内，后端固定至履带式液压钻机上，使履带式液压钻机在施工过程中的煤水、瓦斯进入孔口密封装置内；固定连接装置选用4吋钢丝软管，一端固定在孔口密封装置上，另一端固定至煤水气收集设备，钻孔施工过程中排出的煤水由孔口密封装置经连接装置全部流入煤水气收集设备内；煤水气收集设备固定在振动筛固液分离机上，共分为三个出口，一是连接4吋钢丝软管，二是与辅助抽采管相连，并安装有闸门，三是与振动筛固液分离机相连，可确保在打钻期间实现煤水收集流入固液分离机上，同时在打钻期间遇到喷孔现象时，可以及时将喷出的瓦斯抽走，防止瓦斯预警和超限。
6.根据权利要求1所述的钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，其特征在于：所述步骤（5）中振动筛固液分离机的处理量50m³/h、网孔尺寸0.5mm、筛分效率70-85％、振次920次/min；运输机为风动运输机，其风动马达上还安装有消音装置。
7.根据权利要求5所述的钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，其特征在于：所述消音装置为海绵罩、聚氨酯罩或泡沫板盒。
8.根据权利要求1-6任一项所述的钻冲筛运一体化的瓦斯治理方法，其特征在于：瓦斯治理方法还包括全程安装验煤摄像头和使用电动运输车。
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