钻孔水力采煤新技术.pdf

钻孔水力采煤新技术钻孔水力采煤新技术 一、钻孔水采的发展及提出的必要性一、钻孔水采的发展及提出的必要性 1、钻孔水采的发展 随着世界各国经济的飞速发展， 普遍面临地下浅部富矿的日趋枯竭， 开采深部矿产和浅 部贫矿势必造成开采成本增加。开采劳动生产率低，开采成本高以及环境保护等问题，都对 传统的地下坑道和露天开采提出挑战。所以，人类迫切需要技术含量高、低耗、高效的采矿 方法来缓解这一危机。新一代的开采方法就是利用热传递、质量交换及化学和水力学过程， 把固体矿物在地下转化为液态或气态， 然后再经过钻孔抽出地表， 经过分选处理之后加以应 用。 钻孔水力开采技术就是这类最有前景的开采技术之一， 它是基于钻孔技术和水力学原理 之上的一种矿产开采新方法。 11 12 7 10 13 21 20 18 16 17 14 15 196 8 5 19 1 8 9 19 20 10 11 17 18 21 16 15 14 13 12 2 3 4 5 6 7 图 1 钻孔水力开采原理示意 1高压；2矿浆；3吊钩；4矿浆管道；5 回转装置；6压盖；7套管；8输水管道； 9,10管道接箍；11密封圈；12水枪；13 水枪调节阀；14水枪整流罩；15矿层；16 混合室；17喷嘴；18钻具开关；19硐室； 20矿浆进入孔；21钻头 钻孔水力开采固体有用矿物的基本原理 分别于1932年由美国埃 克拉伊托尔和1936 年由前苏联普姆图皮岑提出，后因战争 没有进行研究和试验。到 50 年代末，德国、 前苏联、日本和美国等国对钻孔水力采煤进 行了研究、 试验和工业性应用， 如 1964 年苏 联国立矿山化学原料科学研究所进行了钻孔 水力采矿的初步试验，从 20 世纪 60 年代以 来，除苏联以外，美国、匈牙利、波兰、印 度、澳大利亚、南斯拉夫等国家先后应用钻 孔水力开采技术进行开采低强度的磷矿石、 煤、建筑砂砾、铝、铀、砂金、锡砂等矿的 试验。但在煤矿中，由于工作面单产较低， 到 70 年代末这些国家在煤矿基本停止了使 用。然而，到 20 世纪 80 年代以来，随着技 术的发展，美国和苏联两国在孔内采矿工具 和采矿工艺以及地面设备等的研究方面又 取得了显著的进展， 苏联发表了许多钻孔水 力采矿工具和工艺方面的专利， 人们开始又 重视起这种开采方法。 20世纪90年代以来， 由于俄罗斯的一些稀有矿物原料需要大量 进口， 所以， 俄罗斯投入了大量的人力和资 金进行了这方面的试验， 取得了很好的技术 经济效果，解决了钻进、回采、选矿、压力 控制等方面诸多设备、工具、工艺等技术 难题。 2、钻孔水力采煤必要性 近几年这些发达国家对钻孔水力采 煤重视的主要原因是近百年的煤炭开 采， 特别是近几十年的机械化开采大部分 是在地质条件较好的厚及中厚煤层中进 行。对于薄煤层、不规则煤层、有突出危 1 险煤层，除缺少煤炭资源的个别国家或个别地区外，基本没有开采。而且在开采煤层群时这 些煤层往往被丢掉， 浪费了资源。 如苏联水力采煤联合体所属煤田的薄煤层储量占地质储量 的 46，由于这些煤层用常规旱采或水采，开采成本高，被视为没有开采价值的储量。目 前如何充分利用地球煤炭资源， 延长煤炭资源为人类服务年限， 己逐渐引起越来越多的采煤 国家重视，把有限的煤炭资源尽量开采出来，是几代人的责任。俄罗斯、乌克兰等国家己投 入资金，研究薄煤层的开采工艺与设备。钻孔水力采煤即是解决开采薄煤层，近地表煤层和 有突出危险煤层的技术途径之一。 3、钻孔水力开采技术工作原理 钻孔水力开采技术首先是钻进成孔，然后将水力冲采器水枪放入孔内，通入高压水冲 切破碎矿体， 破碎为小块的矿石与循环水拌合形成矿浆， 通过设置在钻孔中的喷射泵或升液 器的作用将矿浆输送到地表， 矿浆经沉淀分选即可得到有用矿石， 水继续作为循环介质进行 下一步开采，如图 1 所示。 1钻孔。钻孔可以采用常规方法，但最好采用系统中的设备进行高压水射流辅助钻进来 提高效率，降低钻孔成本，常用的水力开采孔的直径为 219～370ｍｍ，孔深由矿层的埋深 而定。到目前为止，此项技术的实际孔深已超过 800ｍ，理论深度可达 1500ｍ，但最适合的 开采深度为 100～350ｍ。 2水力冲采。当开采孔钻穿矿层后，将钻孔水力冲采器水枪下入钻孔最下部的矿区， 然后通入高压水破碎矿体，破碎的矿石和水混合后变成流动状态，经提升设备抽出地表。当 采空下部区域后，水力冲采器上提进行上部矿体的开采，同时回转，使采空区体积增大。由 于开采先由下部开始，上部的矿体在水力破碎的同时，松散矿体也产生崩落，这样一来，可 以提高劳动生产率。 4、钻孔水力采煤的类型 目前钻孔水力采煤方法大体可分为三种类型 井工钻孔采煤、 地面钻孔采煤和气液脉冲 采煤。 二、井工钻孔水力采煤方法二、井工钻孔水力采煤方法 1、基本过程 图 2 钻孔沿煤层倾斜布置的上行钻孔下行采煤过程 井工钻孔水力采煤方法系 50 年代末由原西德煤矿协会、埃森煤炭公司和鲁尔煤炭公司 在短壁无支护采煤法基础上发展起来的， 即将回采巷道改为大孔径钻孔， 通过钻杆内的通道 将高压水输入到钻头， 经旋转钻头的喷嘴， 进 行水力钻孔和水力扩 孔落煤。 2、适用条件 该采煤法适用条 件 煤层沿倾斜方向比 较规则， 煤层顶、 底板 稳定俄罗斯视顶板暴 露面积大于 100 m2不 冒落为稳定顶板；煤 质在中硬以下且节理 比较发育的煤层；厚 0.3 m以上的倾斜、急 倾斜煤层或煤层群。 3、回采工艺 2 图 3 钻孔沿煤层倾斜布置的下行钻孔上行采煤过程 按钻孔布置方式可分为两种工艺系统一种是钻孔按煤层倾斜布置，曾在德国、前苏联 和日本进行了 工业开采和试 验， 图 2、 图 3 所示为这两种 布置方式的示 意图，一般所 说的钻孔水力 采煤就是指这 种布置方式； 另一种是钻孔 按煤层走向布 置，是前苏联 提出的一种布 置方式。见图 4。 图 4 钻孔沿煤层走向布置的后退式钻孔采煤过程 1） 、按煤层倾向布置的钻孔水力采煤方法 按阶段高 50m～150m 开上回风、下运输煤层巷道，煤层巷道断面要有一定安装设备 和操作设备的空间，前苏联规定断面不能小于 5.4 m，日本规定巷道宽度必须在 3m 以上。 该采煤方法也有两种布置方式上行钻孔下行采煤和下行钻孔上行采煤。 上行钻孔下行采煤方式的钻机等设备均安放在溜煤巷道，参见图 8。首先用钻削钻头沿 煤层上行钻透到上部回风巷道，在上部回风巷道更换为破煤钻头，然后下行扩孔落煤。采落 的煤沿钻孔流至溜煤巷道。 该方式的优点是当开采下一水平时，该水平的溜煤巷道可作为下水平的回风巷道，巷 道布置比较简单； 回采时可通过煤流了解水射流工作情况。 其缺点是 如果顶板不十分稳定， 顶板岩石可能冒落，产生堵孔事故。 根据顶板情况，可采取两种措施 （1）回采煤柱内自上而下每回采 5～12m，留 0.6～1.0 m 的挡矸煤柱； （2）采用单面开采，煤柱开采宽度为双面开采的一半。 下行钻孔上行开采方式的钻机等设备安装在回风煤巷，参见图 9。首先用钻削钻头沿煤 层下行钻透到下部溜煤巷道，然后将钻削钻头更换为破煤钻头，进行上行扩孔落煤，采落的 煤沿采空区底板自溜至溜煤巷道。 该采煤方式没有堵孔和淹没回采面的问题，回采速度高。但当顶板不十分稳定时，原煤 3 含矸量高。该方式每个采区要有各自的回风巷道、溜煤巷道。为了回风巷道内的安全作业， 在孔口处应用 3m 长的钢管加固。 回采时， 根据射流打击煤体、 岩体和穿透邻近采空区的声音不同以及从钻孔流出的煤水 比的不同来判断射流工作情况，控制钻头回撤速度。 以上两种布置方式均在德国进行过试验， 试验结果上行钻孔下行回采比下行钻孔上行回 采效果好。因此后来在前苏联和日本均采用了上行钻孔下行回采方式。 无论采取什么方式开采，要保证有一个钻孔连通回风、溜煤巷道，以保持上下煤层巷道 的通风畅通。 2） 、按煤层走向布置的钻孔水力采煤方法 这种采煤方法是俄罗斯根据走向短壁水力采煤法提出的一种后退式钻孔水力采煤方法， 参见图 10，可适用于煤层顶板不稳定的急倾斜煤层。这种采煤方法目前尚未见使用实例的 报道。 4、主要参数的选定 钻孔水力采煤法的主要参数是钻孔直径和开采煤柱的宽度。 1） 、钻孔直径 只在上行钻孔下行回采时钻孔直径才影响回采效率。前苏联曾提出钻孔直径公式 ≥Dd max αδ α不卡管系数，一般取 3～4； max δ煤的最大粒径（mm） ； d钻杆最大外径； 该公式仅考虑到最大固体颗粒不卡孔的最小孔径，而没考虑由于射流流量、单位产量、 煤层倾角等因素而造成的煤水流能否畅通经钻孔流至溜煤巷道， 以保证孔内液位水平低于喷 嘴射流水平。即煤水临界面钻孔孔口面至煤水实际液面不能超过钻孔直径的 1/3～1/2，以 保证射流有效长度和水力破煤强度。 否则射流被淹没， 在煤水中破煤， 其结果破煤效率下降、 冲采距离减小、煤炭损失加大、吨煤电耗大幅度增加。根据这一情况，前苏联又提出，当射 流流量为 72～175 m3/h时，急倾斜煤层最小钻孔直径不得小于 400mm，缓倾斜煤层最小钻 孔直径不得小干 500mm 。德国、前苏联、日本等国曾使用过的钻孔直径为 300～800 mm。 例如， 前苏联奥尔忠尼启则煤炭生产联合企业4号水采矿井开采倾角为640～720的煤层， 经计算钻孔直径为 300mm，射流流量采用 119 m3/h。开采第一个煤柱时，从上回采巷道回 采最初段水位就上升，煤水沿上回采巷道下流，在扩孔落煤过程中，煤水淹没采垛，射流在 半淹没或全淹没的煤水中进行落煤，射流在很短距离扩散，有效射程仅 2～2.5 m，仅是空气 中射流有效射程的 20左右，落煤效率急剧下降。根据这一情况，钻孔直径在经修正到 500 m m，射流流量调至 90 m3/h，有效射程增加到 5.5～6 m，落煤效率提高 1.0～1.5 倍，采垛 的轴向夹角变大，采出率提高，回采进入正常状态。可见，该公式用于生产还应修正，要考 虑到射流流量、单位产量、煤层倾角等因素。因此，经验数为 Q72～175m3/h，≥400 mm； （急倾斜） D ≥500 mm； （缓倾斜） D 2） 、开采煤柱宽度 S 35. 0 8 . 1 sin9 Q m k β⋅ − m煤层厚度； 4 k落煤条件系数， k n nα⋅− 2 n回采巷道内已开采的煤垛数； α影响采垛横断面和钻孔直径系数，一般取 0.32～0.55； β煤层倾角； Q射流流量（m3/s） 单面开采时，开采煤柱的宽度为双面开采煤柱的一半稍多。 为了防止毗邻条带采空区冒落的研石窜入工作面， 条带间要留有很窄的隔离煤柱， 隔离 煤柱的宽度视煤层厚度，采空区宽度、顶板岩性而定。一般在开采薄煤层时，隔离煤柱不大 且顶板较易控制。 钻孔间距为开采煤柱宽与隔离煤柱之和，德国、前苏联、日本等国曾采用过的钻孔间距 离为 16～25 m 不等。单面时为双面的一半稍多。 5、钻孔水力采煤优缺点 1） 、优点 （1） 、基建投资少，矿山建设期限短，基建投资回收快，适应性强，可以开采 0.3 m 以 上的薄煤层和中厚下限偏薄的煤层。 其开采成本比同等条件的短壁无支护水采方法低。 也可 开采埋藏在河滩、 工业区和建筑物密集区的矿床以及储量小、 埋藏深的矿床。 当然矿层越厚， 其产量、效率越高，开采成本越低。据俄罗斯统计，短壁无支护水采落煤成本的加权平均值 为 8 卢布/ t，而钻孔水力采煤为 4 卢布/ t 1991 年价格。 （2）矿石经水射流破碎和水流的洗选，到达地表之后几乎已达到研磨粒径，矿石质量 好，适合就地选矿，而且很少需要建设传统的选矿厂。 （3）采矿过程机械化、自动化程度高，采矿场工作人员少，劳动生产率高。据俄罗斯 统计，短壁无支护水采加权平均值为 200 t/月工，而钻孔水力采煤则为 1000 t/月工。 （4）对周围环境的影响小，不需要征用大量土地，尾矿可送入孔内采空区。 （5）工作人员在地面操作，生产安全并避免采矿作业时与粉尘和有害物直接接触，保 护了人体健康。 （6）采掘比小。据俄罗斯统计，每开采 1kt 煤的加权平均值，短壁无支护水采方法为 27 m，而钻孔水力采煤法则为 5 m。 （7）采出率高。据俄罗斯统计，短壁无支护水采加权平均值为 65，而钻孔水力采煤 则为 75。 （8）对高瓦斯煤层群，可作为解放层预先进行开采的工艺选择。 2） 、缺点 （1）由于在回采巷道内操作钻机回撤速度，很难准确掌握工作面采煤情况，射流的冲 采宽度不易控制。 （2）需留的隔离挡矸煤柱很难控制。 （3）不十分稳定的顶板难于控制，顶板岩石冒落后掺入煤流中，增加了原煤的含矸率， 同时也容易堵流煤孔。 （4）由于过流管段的稳流部分很短，影响射流质量，将使吨煤电耗增高。 5 3） 、除了以上的开采优缺点以外，此项技术还有以下制约因素 （1）此技术适合矿石强 度低的松软矿体。目前，最适合开采的固体矿物为强度低于 6MPa 的含金、金刚石、铬、钛、 锆、锡、琥珀等的砂矿床以及建筑用的砂砾石、氧化锰矿、磷矿岩、煤、松散的铁矿石等。 （2）矿床顶板的强度具有很大的影响。当矿床顶板为粘土或石灰相的岩石覆盖时，易开采； 当矿床顶板为砂或在水平及垂直方向上岩性有变化时，则会降低开采量。 （3）矿床中的水是 有利的， 矿床中的高含水量会减轻碎岩工作并加速矿浆的水力输送速度。 但含水矿层和上覆 岩层间存在水力联系时，会使开采过程变得复杂，因此要求建立昂贵的隔离系统。 6、各国钻孔水力采煤法试验应用的基本情况 1） 、德国 德国是首先使用钻孔水力采煤的国家，曾在卡尔丰克和汉萨进行了试采。 1卡尔丰克矿 60 年代初卡尔丰克 矿首先试验了钻孔水力采 煤。 为了进行比较， 上行钻 孔下行采煤和下行钻孔上 行采煤两种采煤方式均进 行了试验。 试验区煤层厚度 0.7 m 左右，倾角 60左右。 上下巷距 100～120m， 垛宽 15 ～ 20m ， 主 要 设 备 为 HBMZS 钻机，机钻杆外径 146mm，内径高压水通 道82mm，长 2000mm 钻 杆， 钻杆与钻杆， 钻杆与钻 头用螺纹联接， 钻孔钻头装 有与钻杆轴线成 图 5 钻头和钻杆结构图 钻杆 回采钻头 钻孔钻头 9～13的φ10mm三个喷 嘴， 落煤钻头有与钻杆轴线 成 45四个对称布置的 φ14mm喷嘴，为了保护喷 嘴，在工作中不受硬物损 伤， 在钻头上装有抛物线形 切割刮刀， 钻孔钻头为三翼 刮刀，落煤钻头为四翼刮刀，刮刀的最大外径为 200 mm。图 5 所示为钻头和钻杆的结构图。 钻头上安装地音探测器，掌握射流工作情况，射流压力 10Mpa，Q170～180m3/，钻孔和 回采速度 0.3～1.0m/min，落煤宽度 6～15m。两种采煤方式的采区开采效率相差不多，均为 11t/工商品煤，而同矿的短壁水采和旱采的采区效率分别为 9t/工和 6.7 t/工。 h 2汉萨矿 汉萨矿为开采近百年的老矿，1981 年后因适应旱采储量己采完而改为水采矿井。其中 对急倾斜、厚 0.6～1.2m 煤层群进行了钻孔水力采煤。主要设备钻机是利用高压水作动力 推动钻杆前进、后退；钻杆与卡尔.丰克相同；钻孔钻头装 5 个 9～14对称布置的φ7mm 喷 6 嘴，落煤钻头上装有 4 个对称布置的φ10mm 喷嘴，安装角度为 50～60；钻头的机械切割 刀均为φ200mm。上下回采巷道阶段高 100 m 左右，回采巷道坡度均为 9折合 5，用小 型半煤岩掘进机掘进。 采用上行钻孔下行落煤和下行钻孔上行落煤两种采煤方式， 回采条带 宽 20m，在条带中间位置用水力钻孔机打φ300mm 沿层钻孔，穿透上下回采巷道，钻孔速 度为 2～2.5m/min。然后从煤层的上回采巷道或下回采巷道开始扩孔落煤，落煤速度大体等 于钻孔速度。扩孔落煤范围 6～15m，剩余的煤体作为隔离挡矸煤柱。水与破碎的煤经钻孔 或采空区自流至铺设在下回采巷道的溜槽中流出工作面， 汇入矿井的水力运输系统中。 每对 钻孔钻孔和扩孔落煤产量 100～200 t/，采区效率 25 t/工，采区采出率 70- 75。 h 经两个矿井试验，德国认为上行钻孔下行落煤的效果比下行钻孔上行落煤效果好。 2） 、苏联 苏联钻孔水力采煤是由全苏水力采煤科学院和乌克兰水力采煤科学研究院研究和组织 实施的，曾在 50 周年、红军、少先队员、阿列克桑德罗夫斯克、马凯耶夫等 10 座矿井进行 了试验和工业回采。开采煤层厚度为 0.36～1.7m，最厚为 2.0m ，煤层倾角 5～90，这些 矿井均采用上行钻孔下行回采的工艺系统。上下回采巷道间距 100～150m，最大不超过 150 m，采区走向长 200 m 左右。上下回采巷道机掘水运、坡度均为 129左右。条带宽度 8～ 20 m，视煤层硬度和节理发育程度而定。在条带中心沿煤层钻孔，孔径 100～ 800 mm，视 煤层厚度而定，大部分用 300 mm 的直径，但最大直径不能超过煤层厚度的 75。 钻机机组有两种型式，АГС 型钻机机组和 ГВД 机组。 （1）АГС 机组 由乌克兰水力采煤科学研究院研制，适用于煤层厚度 0. 3～0.9 m，倾角大于 60，煤 的硬度系数f1.5 的煤层。钻孔和落煤用钻头分别对称安装三个及二个喷嘴，喷嘴直径分别 为 10 mm及 20 mm，落煤喷嘴与钻杆垂直安装。喷嘴出口压力 15 MPa，流量 60～300 m3/h， 最大钻孔速度 15 m/h，最大落煤速度 8 m/h。 2 ГВД 型钻机机组 该机组由全苏水力采煤科学研究院研制，其特点是机械钻孔，水力落煤，在钻头上有一 托架。 落煤钻头装有三个与钻杆垂直的喷嘴， 喷嘴直径 15 mm， 出口压力 15 MPa， 流量 150～ 250 m3/h，钻孔及回采速度 15 m/h左右，落煤范围Φ15～20 m.。 例如，阿列克桑德罗夫斯克矿 4 号水采井的钻孔水力采煤在-230 m 至-370 m 水平的 9 号煤层进行的。该煤层厚度 0.38～0. 42 m，倾角 66˚～72˚。采用上行钻孔，下行落煤工艺方 式，阶段高 130～150 m。煤柱宽 15 m。每个采区有三套 ΑΓС 钻孔机组，其中一套机组上行 钻孔，两套机组下行落煤，每个采区每班由 5～6 人组成。钻孔直径 0. 4 m，平均每班上行 钻孔速度 18～20 m，下行落煤速度为 9～10 m。在回采时为了隔挡上部采空区窜矸，每下行 回采 15～20 m， 留有 0.5～1. 5m 煤柱。 每套回采机组班产量 30～50 t， 采区日产量 180～300 t，采区生产工效 12～18 t/工。 3） 、日本 1996 年日本煤炭技术研究所在德国和前苏联钻孔水力采煤试验成功的基础上开始研究 水力钻孔采煤工艺与设备。 该所研制的 WBH1 型水力钻机为油压驱动，功率 30 kW，最大推力 3t；钻杆规格为 φ89.11000mm。该钻机的特点为机械水力钻孔、水力落煤。即钻孔时以两个φ3.5 mm 的射流为先导，辅以机械切割，钻孔直径为 300，450，500，600 mm。 7 1970 年在山阳无烟水采矿井进行了试验。试验区煤层厚 1.2m、倾角 60。采用上行钻 孔下行落煤的工艺方法，上下回采巷道垂高 50 m，采带宽度 20 m，钻孔直径 300 mm，水 压 30 MPa，流量 250 L/min，平均钻孔速度为 0. 6～0.7 m/min，最高钻孔速度比平均钻孔速 度高二倍。平均生产效率为 16.3t/工，煤水比 1 0.4体积，采出率 50左右。 1971 年又在砂川矿一井-560 m 水平 0 号采区 9 号工作面的急倾斜煤层进行了试验，试 验设备与山阳矿相同、压力降到 10MPa，流量 100 L/min，煤水比 10.65。钻孔效率 43 m/ 班，采煤效率 7. 2 t/工。 三、地面钻孔水力采煤方法三、地面钻孔水力采煤方法 地面钻孔水力采煤是用钻孔开拓煤层，操作人员在地面操作钻孔内的高压射流进行落 煤，采落的煤利用射流泵或气压提升至地面。该采煤方法也称之无井口非常规采煤方法。按 钻孔布置状态，该采煤方法基本可分为三种方式1穿层钻孔采煤法；2沿层钻孔采煤法； 3穿层和沿层钻孔结合的采煤法。 1、穿层钻孔水力采煤法 1） 、技术经济分析 地面穿层钻孔水力采煤法是在美国矿山局和美国能源部根据井工钻孔水采法和石油钻 井开采法的基础上提出的，并进行了研究和工业试验。而后，苏联、印度、匈牙利、波兰也 进行了研究与试验。这些国家主要用于松散矿层的开采，例如磷酸盐、油矿砂、金矿砂等， 因为这些矿物具有流砂特性， 便于采落和运提， 其单孔产量、 开采效率和经济效果均比较好。 而对于煤层，属于结块性矿层，又有一定的硬度，其经济技术效果没有松散矿层好，只有美 国和俄罗斯对煤层进行了试采，由于单产较低，及一些工艺、设备等问题，目前仍处于试验 阶段。 在开采前首先进行地质勘探，查明开采区域的煤层分布，煤的物理特性，埋藏深度，顶 底板岩性等。根据这些情况选择开采工艺和采运参数，并可推测出吨煤开采成本。美国认为 只要吨煤开采成本不高于 20 美元，就有开采价值。 2） 、适用条件 地面穿层钻孔适用条件 1埋藏较浅一般在 100m 以内，美国最深达 400m的近水平薄及中厚煤层； 2顶板稳定且较厚，在采垛开采结束后才垮落，以保证有较高的单孔产量和采出率； 3煤较软，节理比较发育煤层，以保证有较高的效率和较低的开采成本； 4上履岩层无较大的含水层，无大量的水涌向开采区，以保证射流在空气中落煤和减 少水的提升量。采厚与采深有一定的关系，当煤层较厚，采深可适当加大，主要保证开采成 本能在市场上可以接受的范围。 该采煤方法曾在美国的卡邦河、帕洛威彻、马位卡等煤矿进行了工业性试验。 3）工艺系统 图 6 为地面穿层钻孔水力采煤方法的示意图。在开采区域按 2020m 网格在地面布置 钻孔位置， 每个钻孔位置按开采顺序钻直径 300～500mm 的垂直钻孔至煤层， 并在孔口处和 过松散层处加封口套管和加固套管， 套管与孔壁间用混凝土灌浆。 钻头装有垂直钻杆的喷嘴， 开采顺序由下而上开采，在喷嘴回转1～2r/min的同时，缓慢上下移动，破碎的煤最大粒径 不能超过管径的 1/3。为了能在地面检查落煤情况，在钻头试装了电视摄像装置美国和声 纳探测器苏联。每个钻孔的开采范围为 15～20m，并留有煤柱。每个孔回采结束后，用洗 选后的矸石等废岩石由钻孔自流至采空区，控制开采段的矿压，并且也可以控制地表变形。 每个采段回采结束后封孔，进行复垦造田或植树造林。 根据苏联的试验结果绘制出的开采效率与钻孔直径的关系曲线， 钻孔费用与钻孔直径的 关系曲线表明，如果钻孔直径提高一倍，开采效率将增长 4～5 倍，钻孔费用则提高 3 倍。 8 图 6 地面穿层钻孔水力采煤示意图 1煤层；2压缩机；3输气管；4钻机；5开采综合机组；6采区；7布管 机；8推土机；9高压供水管；10泵站；11抽吸管；12溢流沉淀池；13煤 水仓；14封孔塞；15煤层顶板；16煤柱；17 煤层底板；18钻孔；19射流 发生装置；20气动提升机 由此可见， 适当增大钻孔直径是提高生产效率的有效措施之一。 美国在开采较硬煤层时， 为了提高单孔产量和采出率，采用两种方法促使煤体破碎 1采用化学软化煤层的方法。即通过钻孔把氧化剂压入到煤层至采区边界，使煤体沿 裂隙表面发生氧化，随后再压入碱性药剂，使氧化的表面溶解，松散。 2采用物理方法破碎煤体。即通过钻孔向煤层裂隙注入液体炸药，松散煤体。 两种方法均进行了试验， 试验结果前种方法比后种方法好。 用化学或物理方式松散煤体 后，即可用较低的射流冲采煤体。 2、沿层钻孔水力采煤 该采煤方法首先是俄罗斯提出并进行了工业性试验。 其适用条件与穿层钻孔水力采煤方 法不同之处是适用于倾斜、急倾斜的露头煤层，其它条件与之基本相同。 工艺过程 图 7 为该采煤方法的示意图。首先在地面按煤层走向每间隔 20m 左右为一个开采条带， 每个条带的中间部位由地面沿煤层底板打Φ350mm钻孔， 当打到6～8m处放置直径325mm、 长 6～8m 套管，套管与钻壁灌浆，并在孔口安装密封装置，以防漏气。钻杆直径 273mm， 并作为供水管，供水管的下部为开采部。开采部安装两个喷嘴，其中一个喷嘴平行于钻杆， 其作用是钻孔和在这个钻窝产生涡流， 使被破碎的煤水浓度保持均匀地进入排煤管内； 另一 个喷咀垂直于钻杆，其作用是扩孔落煤，该喷嘴距钻孔喷嘴有一定距离，以保证射流在空气 中落煤。这两个喷嘴可旋转 180以上。采用下行采煤方式，即边钻孔边回采，倾向条带开 9 图 7 沿层钻孔水力采煤方法示意 1开采煤层；2孔口固定套管；3水泥砂浆； 4密封器；5供水管；6喷嘴；7煤浆提升管 16 57 4 2 3 采距离 100～150m。供水管中安装一个Φ219mm 的排煤管，一直延深至排煤钻窝。压缩空 气经套管和钻杆间进入采煤空峒，形成一定的压力，该压力作用于液面上，使煤浆沿排煤管 到地面。 3、穿层钻孔和沿层钻孔结合的水力采煤方法 该采煤方法是俄罗斯提出并进行了试验， 适用条件同沿层钻孔水力采煤方法。 图 8 为该 采煤方法示意图。 沿煤层走向每 30～40m 为一个开采条带，每个条带从煤层中部打两个对称的微伪倾斜 沿层钻孔见图 8，大体交合于开采条带的底部。每个钻孔只有回转钻杆内为高压水通道， 钻杆底部安装垂直于钻杆的落煤喷嘴。孔口加 5～6m 的孔口固定套和密封装置。在开采条 带中间位置打一垂直穿层钻孔至开采条带最下端的沿层钻孔交合处， 该孔有三个通道， 即气 管、 水管和煤浆管， 分别起到提升用压气， 水射流搅拌和提升煤浆作用。 由于没有旋转部件， 孔口仅用灌浆密封。 采用上向采煤方式，即沿层钻杆缓慢上提，喷嘴回转扩孔落煤。采落的煤和水沿煤层底 板流至垂直穿层钻孔的底部钻窝内，在水射流作用下，使钻窝内的煤浆产生涡流，并在压气 作用下，将煤浆均匀地提升至地面。每个条带回采结束后，用矸石回填，控制矿压和起到环 保作用。 4、地面钻孔水力采煤的优点及存在问题 1） 、优点 1、在地面操作设备进行开采，安全性好；没有通风等问题。 2、基建费用低。在基本相同地质条件下，是井工和露天开采基建费用的 5～10和 20～34其波动范围与开采深度有关。建设周期短，出煤快。 3、适应性较强，布置灵活，可依靠钻孔的布局和数量调节生产系统和生产能力。 4、调节钻窝内产生涡流射流压力和抽吸口的水平位置，可控制提升浓度和煤浆含矸 量。 5、使用循环水，减少对生态环境的破坏，可实现清洁生产。 10 图 8 穿层钻孔和沿层钻孔结合的水力采煤方法示意 1开采煤层；2穿层排煤钻孔；3套管；4导向管；5灌浆；6气动提升管；7涡流 喷嘴；8涡流；9沿层落煤钻孔；10供水管；11导向管；12灌浆；13密封器 2） 、存在的问题 1由于煤层地质条件的变化及射流参数的波动，地面操作人员很难掌握地下开采情况， 虽然有的矿井在开采部安装了电视显示器和声纳传感器， 也只能局部掌握开采情况， 并且出 现故障也难以排除。 2对于垂直穿层钻孔和倾斜沿层钻孔采煤方法，开采段的喷嘴与煤浆吸入口的距离是 固定不变的，当钻杆上下移动时，常产生矛盾，这时只能照顾一头。例如为了射流在最佳 落煤位置而煤浆入口偏离最佳吸入位置； 为了吸入口在最佳位置而射流浸在液体中或射向 采空区。这些无疑会降低平均开采效率。 美国落基山能源公司已经研究一种喷嘴可以独立上下移动的开采装置， 这种方法增加了 系统的复杂性，该系统目前仅在美国用于开采铀砂矿。 3采出率低。目前普遍采用开采范围为 20m20m，而实际开采范围只能达到Φ15m， 若按此计算，采出率为 61.7，除去实际开采范围内的煤损，实际只有 45。采用脉冲射流 代替连续射流或者缩小钻孔距离可以提高采出率； 美国尼贝克等已研究出适用于钻孔内的脉 冲射流发生器，并获专利，但一直没有投入使用，可能因为系统过于复杂。 4由于落煤效率变化大，且块煤流向无法控制，容易在破碎机入口或钻窝内积聚大量 块煤矸，致使煤浆浓度控制失调。 四、钻孔气液脉动采煤方法四、钻孔气液脉动采煤方法 属工业性试验阶段，上世纪 90 年代初苏联乌克兰科学院地质工程力学研究所根据井下 钻孔水力采煤和煤与瓦斯突出现象，提出一种非常规的采煤方法钻孔气液脉动采煤方 法。 1、落煤原理 钻孔气液脉动采煤是利用有突出危险煤层中存在瓦斯压力一般情况下压力为 2～ 5MPa，当石门等揭煤或将要揭煤时，煤层内的瓦斯压力大于煤岩的应力时产生煤沿巷道 突出的现象进行采煤。为了人为的增加突出量，达到某一开采范围，利用穿层钻孔向煤层压 11 入气液混合体，促使煤体裂隙内的压力达 16～20MPa但该压力不得超过上履岩层的静压 力，当压力平衡后瞬间0.5～2.0s骤然释放压力，在煤层中形成一压力应力梯度，该压力应 力梯度使煤层裂隙表面产生压力，当该压力大于煤的应力时，产生扩展面的分离破碎，并在 膨胀气体和液体作用下使破碎煤体迅速移动， 这种破碎和煤体移动扩展至气液压力与煤体应 力平衡为止。破碎的煤体在气液和水流的作用下，经钻孔以固、液、气三相流的形式排至巷 道。当孔内压力不足 0.5MPa 时，再次压入气液混合体，反复以上动作直至钻孔的可采范围 全部采出为止。 煤炭开采量通过改变和调节脉冲释放时气液压力和单一循环的持续时间来控制。 采区与 采区之间留有煤柱或充填固体物质如粘土，保证下个采区正常回采。 2、适用条件 钻孔气液脉动采煤的效果很大程度上取决于煤层地质条件， 经工业试验证明该采煤方法 适用条件 煤层节理发育中硬或中硬以下，围岩比较稳定 f≥6、高瓦斯含量压力大于 2MPa、开采 深度大于 500m 厚 0.3m 以上煤层。 该采煤方法最适用有强烈的煤和瓦斯突出危险的煤层，而且瓦斯含量越高，压力越大， 落煤成本和落煤电耗就越低。 对煤层厚度及厚度变化， 煤层倾角及倾角的变化， 有严格要求， 但煤层越厚，单产就越高，开采成本越低。 3、试验例子 该采煤方法经试验室试验后，在苏联的伏罗希洛夫矿、龙尼雅加矿、扎波利亚矿进 行了工业性试验。 下面介绍伏罗希洛夫矿的工业性试验情况。试验是在该矿的-940m水平东翼 3 号层进行 的，试验开采面积 9090m。煤层厚度 1.45m；煤层倾角 50～54；瓦斯含量 30m3/t，钻孔 内煤层瓦斯自然压力 2Mpa；肥煤，灰分 20.6，水分为 3.9；顶、底板均有厚 0.2～0.3m 的不稳定泥质页岩和碳质页岩，随着开采，这些页岩也不同程度地破碎并与煤混合一块，老 顶为厚 12m的中等稳定泥质页岩，底板为厚 4.5m较稳定的层状泥质页岩。 图 9 钻孔气液脉动采煤方法示意 1底板巷道；2开采钻孔；3采落的煤炭；4煤柱；5煤浆入口 图 9 所示为该矿钻孔气液脉动采煤方法示意图。 首先在试验区底板开掘距煤层 24～27m 的岩石平巷，平巷内均匀布置 3 个钻窝，钻窝间距 30m。每个钻窝用Б68 型钻机向煤层 打 3 个垂直于巷道的放射性穿层钻孔，钻孔直径 100mm 或 300mm，长 24～70m。这 9 个钻 孔在 9090m 的可采煤层上均匀分布，孔距均为 30m，每个孔的可采面积为 30m30m。 12 每个孔口处插入Φ80 或Φ219mm，长度不等的拉制无缝钢管，钢管与孔壁灌浆固定。孔口 设置自动液压闸阀和压力表，并通过管道与УГН2M 或НВУ30 型高压泵相连。关闭 闸阀后瓦斯充满钻孔，当钻孔内的压力达到煤层内瓦斯压力值 2MPa 时，打开闸阀，注入 18～20MPa 含有空气的高压水，直到形成恒定压力后关闭闸阀。应注意该压力值不能超过 煤层上覆岩石压力值的 90。当压力稳定后，瞬时0.5～1.0s自动打开闸阀，煤层内形成压 力梯度，压力呈脉动释放在释放过程中破碎煤体。破碎的煤体形成固、液、气三相流由钻孔 喷出。当孔内压力降至 0.5MPa 后，再次注入液体，反复上述动作，至该采区域内的煤炭基 本采出为止。 试验过程中共采煤 760t，其中连续试验 6h，共采煤 260t。从钻孔喷出煤炭粒度基本在 3mm 以下，其中 0.5～1.0mm 级占 85左右，固液比约为 1∶1。开采成本为 9.6 卢布/t，比 同等条件下旱采掩护支架采煤法低 2.6 卢布/t。据报导，试验是比较成功的，但一直没有推 广使用，其主要原因估计除工艺系统仍不完善外，某些设备，如闸阀、闸阀的控制设备还有 问题，要达到工业性生产仍需进行研究和试验。 4、几点经验 1、加大钻孔钢管直径可提高生产效率。例如Φ300mm 钻孔的生产效率比Φ100mm 钻孔高 5 倍，而Φ100mm 钻孔有时因煤流中夹有直接顶和底板被破碎的块矸，容易产生堵 孔现象。实践证明，Φ300mm 钻孔对开采薄煤层是适宜的。 2、为了提高采出率，在一定的煤层开采范围内应采用多孔同时加压，多孔同时开采的 方式。孔距，即每孔的开采范围是主要的工艺参数之一，该距离应一方面保证最小的煤损， 另一方面又要保证可采面积周边钻孔不漏气， 如若漏气则会大大降低采煤效果。 孔距的选择 要依据煤层结构性质、煤层内瓦斯压力与含量、钻孔注入压力、钻孔直径等进行综合考虑确 定。 3、钻孔长度孔口至煤层距离对生产效率影响不大，即作用到煤层气液压力大小与达 到煤层的距离关系不大。 但根据试验结果所获得的煤通过钻孔的能力， 钻孔最大允许长度为 70m。 4、气液脉动作用的效果与钻孔的结构有关，即在穿层钻孔全长加套管可提高工作效率 和生产的可靠性。 5、该采煤方法应连续生产，否则间断生产时固体物下降至下部采空区，给下次生产 造成困难，同时也容易产生排煤管堵塞事故。 6回采巷道要有一定的断面，以保证瞬时落煤时稀释瓦斯。留出出煤和安装钻机、放置 钻杆、气泵等工具设备的空间。 五、对钻孔水力采煤法的评价与总结五、对钻孔水力采煤法的评价与总结 1、钻孔水力采煤目前有井工采煤法、地面采煤法和气液脉动采煤法，这些采煤方法可 分别开采 0.3m 以上薄煤层、近地表煤层和有突出危险煤层。用钻孔水力采煤方法，可以把 认为不属于开采储量的煤炭资源开采出来，延长煤炭为人类服务的时间。 2、三种钻孔水力采煤方法，其中沿煤层倾斜布置的井工钻孔水力采煤方法曾在德国、 苏联、日本等国进行了试采或工业开采，实践证明是可行的，必要时可进行研究和试验。对 于地面钻孔水力采煤， 钻孔气液脉动采煤以及沿煤层走向布置的井工钻孔水力采煤方法国外 仅进行研究和试验，在某种程度上可以开拓研究思路。 3、钻孔水力采煤是否能取得较好的经济技术效果主要取决于煤层的物理特性和围岩的 物理特性，选择适宜的煤层地质条件可以取得开采利润。 4、煤层厚度在很大程度上可确定单孔产量和生产效率，也影响开采的经济效益。但对 于开采薄煤层特别是极薄煤层， 由于可以有效地开采那些本不属开采储量的煤炭资源， 应当 说这是一种可行的开采方法。 对于开采中厚下限煤层在某些条件下偏薄也不失为