綜放采空區(qū)千米鉆孔與高位鉆孔抽采方法對比分析及優(yōu)化?

陳 亮許小凱尚榮亞段本杰王吉生葛路軍

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 3.潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西市長治市,046103)

★煤礦安全★

綜放采空區(qū)千米鉆孔與高位鉆孔抽采方法對比分析及優(yōu)化?

陳 亮1許小凱2尚榮亞1段本杰1王吉生3葛路軍3

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)資源與安全工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院,北京市海淀區(qū),100083; 3.潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西市長治市,046103)

以余吾煤業(yè)N1102綜放面為例,通過考察高位鉆場與千米鉆場兩種抽采方法下瓦斯純流量、瓦斯?jié)舛?、抽采總純量與工作面累積日進(jìn)尺的關(guān)系,得出千米鉆場抽采純量僅為高位鉆場的一半,分析其原因,并提出了改進(jìn)打鉆設(shè)備及封孔工藝、采用注水法結(jié)合UDEC數(shù)值模擬法準(zhǔn)確確定裂隙帶高度、在單個千米鉆孔內(nèi)開出多條分支、提高抽采負(fù)壓等優(yōu)化方法。

采空區(qū) 瓦斯抽采 高位鉆場 千米鉆場 裂隙帶 抽采效果

根據(jù)調(diào)查統(tǒng)計,我國近一半的礦井中采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的35%～45%,少數(shù)礦井高達(dá)80%。采空區(qū)瓦斯的大量涌出會導(dǎo)致工作面瓦斯超限,影響正常生產(chǎn)。國內(nèi)相關(guān)研究指出當(dāng)前綜采采空區(qū)瓦斯抽采方法主要有高位鉆場法、千米鉆場法、采空區(qū)埋管、插管法、高抽巷法和地面鉆井法。

為了研究綜放工作面采空區(qū)瓦斯鉆孔抽采方法存在的問題,并對其進(jìn)行優(yōu)化。本文以余吾煤業(yè)N1102工作面為例,闡述該工作面采空區(qū)高位鉆場和千米鉆場兩種具體抽采方法,并考察了兩種方法下各項抽采參數(shù)的變化情況,分析原因并提出改進(jìn)措施。

1 采空區(qū)瓦斯鉆孔抽采方法的評價

1.1 高位鉆孔抽采

高位鉆孔抽采的優(yōu)點(diǎn):高位鉆孔的終孔位置位于采空區(qū)頂板裂隙帶,能高效抽采采空區(qū)瓦斯;防止上隅角瓦斯超限;由于高位鉆場位于工作面的回風(fēng)側(cè),抽采系統(tǒng)發(fā)生故障時,不影響工作面正?；夭?。

高位鉆孔抽采的缺點(diǎn):高位鉆孔的有效抽采時間短,隨著工作面推進(jìn),鉆孔逐漸落入冒落帶,抽采效果不穩(wěn)定;打鉆時遇到軟質(zhì)煤(巖)層,易發(fā)生塌孔,嚴(yán)重影響抽采效果;遇到堅硬巖層時,鉆進(jìn)速度較慢,無法達(dá)到設(shè)計的孔深要求。

1.2 千米鉆孔抽采

千米鉆孔抽采的優(yōu)點(diǎn):千米鉆孔的大部分孔身都處于裂隙帶,鉆孔有效長度長,瓦斯抽采濃度高,鉆孔數(shù)少;利用千米鉆機(jī)可視功能,實現(xiàn)精確布孔,可避免出現(xiàn)穿孔和抽采盲區(qū)。

千米鉆孔抽采的缺點(diǎn):在軟煤中鉆進(jìn)易發(fā)生塌孔和掉鉆頭等鉆孔事故,成孔率低,導(dǎo)致瓦斯抽采總量下降;若千米鉆孔設(shè)計高度偏出裂隙帶(偏低進(jìn)入冒落帶,偏高進(jìn)入未受采動影響區(qū)),則整個鉆孔失效;單孔造價較高。

2 工程實踐

余吾煤業(yè)設(shè)計產(chǎn)量為6.0 Mt/a,主采二疊系山西組3＃煤層,厚度6.2 m,傾角8°～10°,3＃煤層主要為中灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量的貧煤,礦井相對瓦斯涌出量為34.06 m3/t,屬高瓦斯礦井。

2.1 試驗工作面概況

余吾煤業(yè)N1102工作面位于北風(fēng)井東翼采區(qū),工作面標(biāo)高為＋427～＋456 m,工作面埋藏深度為534～629 m。工作面回采長度1022 m,切眼寬度為300 m,可采儲量約247萬t。工作面施行雙U型通風(fēng)方式,采用綜采放頂煤法,割煤高度為3.2 m,放頂3 m。

N1102工作面地質(zhì)構(gòu)造為單斜構(gòu)造,煤層直接頂板為砂質(zhì)泥巖,底板為粉砂巖。該工作面原始瓦斯含量為9.48 m3/t,煤層瓦斯壓力為0.87 MPa。

2.2 采空區(qū)瓦斯抽采

N1102工作面采空區(qū)采用千米鉆孔瓦斯抽采和高位鉆孔抽采相結(jié)合的方法進(jìn)行瓦斯抽采,其中千米鉆場布置在距回風(fēng)巷6 m外的瓦排巷內(nèi),高位鉆孔鉆場布置在運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)。

2.2.1 高位鉆孔

在N1102工作面回風(fēng)巷向煤層實施33個梯形鉆場,其內(nèi)寬4 m、外寬6 m、深4 m、高3.6 m,鉆場間距為50 m,鉆孔在平面圖上呈扇形布置,孔徑為94 mm,鉆孔深度為72～134 m。回風(fēng)巷高位鉆孔布置如圖1所示。

圖1 N1102回風(fēng)巷高位鉆孔布置示意圖

N1102回風(fēng)巷鉆場正面布置兩排高位鉆孔,呈三花眼布置,共12個鉆孔,高位鉆孔的終孔位置落在采空區(qū)上方的裂隙帶發(fā)育區(qū)(控制范圍為距煤層頂板之上20～40 m)。鉆孔開口位置距底板分別為1.7 m、2.2 m,裂隙孔間距0.5 m,裂隙孔終孔點(diǎn)間距20 m,裂隙孔控制工作面距回風(fēng)巷道100 m。鉆場高位鉆孔設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 N1102回風(fēng)巷鉆場高位鉆孔設(shè)計參數(shù)

鉆孔施工完成后,在鉆桿末端接上井下高壓水管對成孔進(jìn)行清水沖洗,保持孔內(nèi)清潔;封孔時,封孔管采用直徑50 mm的PVC管,PVC管路前段的花管長度為2 m,封孔深度不低于12 m,相鄰兩段管采用螺紋連接,使用氣囊法封孔,即在花管末端套上充氣膠囊,并在封孔管路接近尾端處(距離管路尾端約1 m)裝上注漿管和充氣膠囊,然后充氣使之與孔壁接觸緊密,前后氣囊之間采用注漿泵注入水泥砂漿,以保證封孔的氣密性良好。

2.2.2 千米鉆機(jī)裂隙孔

在N1102工作面的瓦排巷共布置3個千米鉆機(jī)鉆場,1＃鉆場位于N1102瓦排巷距工作面切巷501 m,鉆場呈單邊梯形,里寬9.5 m,外寬13.5 m,鉆場深度4.5 m,高度3 m。相鄰鉆場間距為350 m,千米鉆孔的終孔位置落在采空區(qū)上方的裂隙帶內(nèi)。千米鉆孔布置如圖2所示。

圖2 N1102工作面千米鉆孔布置示意圖

每個千米鉆場內(nèi)實施9個裂隙帶鉆孔,鉆孔在鉆場正面和側(cè)面呈單排布置,開孔間距為1 m,開孔高度2 m,直徑為96 mm,各鉆孔設(shè)計參數(shù)如表2所示。

表2 瓦排巷3＃千米鉆場的鉆孔設(shè)計參數(shù)

成孔層位位于3＃煤層頂板上方25～30 m的中粒砂巖層,終孔水平間距為18～21 m,距回風(fēng)巷水平距離14～182 m。鉆孔施工完成后,需要用水沖洗,保持孔內(nèi)清潔;由于開孔時前15 m孔徑為120 mm,此段鉆孔下放108 mm的套管,并在管外壁注入水泥砂漿進(jìn)行加固,后面的孔徑采取96 mm的小鉆頭,由于千米鉆孔孔身較長,為防止塌孔,需要全程下40 mm花管(PVC材質(zhì)),并在孔口段采用水泥石膏漿封孔,保證封孔效果。

3 兩種裂隙帶鉆孔抽采效果考察及優(yōu)化

3.1 兩種裂隙帶鉆孔的效果分析

本次考察對象選擇3＃千米鉆場與相同控制范圍內(nèi)高位鉆場的抽采參數(shù),通過統(tǒng)計N1102工作面回采首月期間3＃千米鉆場與高位鉆場的裂隙帶鉆孔的平均瓦斯抽采純量、平均瓦斯?jié)舛?、抽采?fù)壓、回風(fēng)巷上隅角瓦斯超限情況以及工作面累積日進(jìn)尺等數(shù)據(jù),建立起工作面累積日進(jìn)尺與不同抽采方法下各項瓦斯抽采參數(shù)之間的關(guān)系。高位鉆場與千米鉆場抽采瓦斯純量、抽采瓦斯?jié)舛取⒊椴赏咚辜兞恐团c日產(chǎn)量關(guān)系分別如圖3、圖4和圖5所示。

圖3 兩種鉆孔瓦斯抽采純量對比圖

圖4 兩種鉆孔瓦斯抽采濃度對比圖

圖5 兩種鉆孔抽采總量與日產(chǎn)量關(guān)系圖

由圖3、圖4和圖5可以得出:

(1)在回采工作面開始回采的初期,采空區(qū)上方的頂板沒有完全垮落,導(dǎo)致此段裂隙帶發(fā)育不充分,瓦斯向上運(yùn)移的裂隙通道未完全形成,高位鉆孔和千米鉆孔的瓦斯?jié)舛群屯咚钩槌隽烤^低。

(2)隨著工作面的推進(jìn),經(jīng)過初次老頂來壓,采空區(qū)頂板塌冒完全,頂板裂隙通道充分發(fā)育,采空區(qū)瓦斯抽采量明顯增加,逐步超過工作面風(fēng)排瓦斯量,降低了工作面風(fēng)排瓦斯壓力。

(3)回采工作面日進(jìn)尺越大,日產(chǎn)量越高,采空區(qū)遺煤越多,對應(yīng)的采空區(qū)瓦斯涌出量越大,使得瓦斯抽采量也越大。當(dāng)其他條件一定時,工作面回采速度與采空區(qū)瓦斯涌出量呈正比關(guān)系。

(4)由圖4可知,高位鉆場的抽采濃度總體上忽高忽低,沒有千米鉆場穩(wěn)定。千米鉆場控制區(qū)域較大,而高位鉆場則需要多次抽采銜接,在其抽采銜接過程中,靠近工作面的鉆場鉆孔高度已經(jīng)位于采空區(qū)上方的冒落帶,易與工作面形成串風(fēng),致使高位鉆場整體抽采濃度不穩(wěn)定。

(5)千米鉆孔單孔瓦斯抽采純量高于高位鉆孔,但是千米鉆場瓦斯抽采總純量還不到高位鉆場的一半。其原因為千米鉆孔的數(shù)量少,孔身長,鉆進(jìn)過程中遇到軟煤或軟質(zhì)巖層時,容易塌孔,直接影響整體抽采效果;由于千米鉆孔大部分孔身位于采空區(qū)裂隙帶,故裂隙帶高度的確定很關(guān)鍵;千米鉆場的抽采負(fù)壓偏低,平均為9 kPa,不能抽出大量瓦斯。

3.2 兩種裂隙帶鉆孔的優(yōu)化措施

針對兩種裂隙帶鉆孔的軟煤成孔難、終孔位置難確定和孔口抽采負(fù)壓低的問題提出相應(yīng)優(yōu)化措施:在軟煤鉆進(jìn)時采用三棱鉆桿,并在鉆進(jìn)過程采用下套管技術(shù)防止塌孔,同時改進(jìn)封孔工藝提高封孔的氣密性;采用注水法、鉆孔電視法和UDEC軟件數(shù)值模擬法相結(jié)合來確定本礦綜放面裂隙帶高度,保證鉆孔終孔高度的準(zhǔn)確性;改進(jìn)抽采系統(tǒng)以提高鉆孔抽采負(fù)壓,同時,加強(qiáng)鉆孔日常管理,發(fā)現(xiàn)有漏氣、積水及時處理,保證抽采效果的穩(wěn)定性;針對千米鉆孔,可在單個千米鉆孔內(nèi)施工多個分支,增加鉆孔與煤體的接觸面積,提高瓦斯抽采量。

4 結(jié)論

(1)通過抽采參數(shù)的對比分析可知,高位鉆場的瓦斯抽采濃度穩(wěn)定性低于千米鉆場,但千米鉆場抽采純量總和僅為高位鉆場抽采純量的一半。

(2)綜放面采空區(qū)瓦斯抽采存在的問題為軟煤成孔難、抽采負(fù)壓低和裂隙帶高度難確定,提出了改進(jìn)打鉆設(shè)備及封孔工藝、采用注水法結(jié)合UDEC數(shù)值模擬法準(zhǔn)確確定裂隙帶高度、在千米鉆孔單孔內(nèi)施工多條分支、提高鉆孔抽采負(fù)壓等優(yōu)化措施。

(3)可以嘗試地面鉆井和頂板高抽巷的新方法,并與傳統(tǒng)的鉆孔抽采方法相結(jié)合,制定出適合本礦井綜放面的一整套綜合瓦斯抽采技術(shù)。

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Differences between gas drainage from goaf by thousand-meter scale borehotes and high-level boreholes and their improvement

Chen Liang1,Xu Xiaokai2,Shang Rongya1,Duan Benjie1,Wang Jisheng3,Ge Lujun3
(1．Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2．College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 3．Yuwu Coal Mining Co．,Ltd．,Lu＇an Group Co．,Ltd．,Changzhi,Shanxi 046103,China)

At N1102 working face in Yuwu Coal Mining Company,the different parameters for gas drainage by high-level boreholes and 1000 m long boreholes,including the gas flow rate, the gas concentration,the relationship between total gas flow and advancing speed of working face,were contrasted．The results showed that the total gas flow for thousand-meter scale borehotes is a half of that for high-level boreholes．The causes were analyzed and the relevant improvements were proposed,covering the improvement of drilling equipments and sealing techniques,the accurate determination of height of fissure zone by water injection and UDEC numerical simulation,branch-drilling along each thousand-meter scale borehotes,and the enhancement of negative drainage pressure．

goaf,gas drainage,high-level boreholes,thousand-meter scale borehotes,fissure zone,gas drainage effect

TD712.6

A

陳亮(1987－),男,河南信陽人,中國礦業(yè)大學(xué)(北京)博士研究生,研究方向為瓦斯災(zāi)害防治。

(責(zé)任編輯 張艷華)

國家自然科學(xué)基金項目(51274205)