SDQ－73型深孔取樣裝置在松軟高突煤層中的適用性研究?

晁建偉呂偉偉耿延輝

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市沙坪壩區(qū),400037; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶市沙坪壩區(qū),400037)

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SDQ－73型深孔取樣裝置在松軟高突煤層中的適用性研究?

晁建偉1,2呂偉偉1,2耿延輝1,2

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶市沙坪壩區(qū),400037; 2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶市沙坪壩區(qū),400037)

煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于所取煤樣的質(zhì)量。針對(duì)松軟高突煤層中取樣問題的現(xiàn)狀,展開了SDQ－73型深孔取樣裝置在松軟高突煤層的適用性研究。通過在首山一礦二1煤層12050、12061工作面的井下試驗(yàn),分別完成了SDQ－73取樣適用性試驗(yàn)及孔口接粉取樣試驗(yàn),并對(duì)兩種取樣方法的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,得出該深孔快速取樣裝置可實(shí)現(xiàn)在松軟高突煤層中的深孔、定點(diǎn)、快速取樣,且取樣質(zhì)量明顯高于傳統(tǒng)的孔口接粉取樣,完全符合GB/T23250《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》的取樣要求。

SDQ－73型深孔取樣裝置 松軟高突煤層 瓦斯含量測(cè)定 直接測(cè)定 適用性

目前煤層瓦斯含量測(cè)定工作大多以現(xiàn)場(chǎng)取樣測(cè)定為主,取樣的質(zhì)量將直接影響測(cè)定結(jié)果。但現(xiàn)有的取煤樣裝備及工藝普遍存在取樣速度較慢、所取煤樣定點(diǎn)性沒有保證的問題,很難實(shí)現(xiàn)《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》的要求(定點(diǎn)取樣且取樣時(shí)間不大于5 min)。

松軟高突煤層具有煤層松軟、透氣性差和瓦斯壓力大等特點(diǎn),為了更準(zhǔn)確把握工作面的突出危險(xiǎn)性,區(qū)域突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)指標(biāo)瓦斯含量的準(zhǔn)確測(cè)定就顯得尤其重要,而取樣工作是直接測(cè)定此類煤層瓦斯含量的關(guān)鍵。SDQ－73型深孔取樣裝置為實(shí)現(xiàn)深孔、定點(diǎn)、快速取樣而研發(fā),通過對(duì)其在松軟高突煤層中的適用性進(jìn)行研究,可為此類煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定工作提供相應(yīng)支持。

1 工程概況

1.1 試驗(yàn)工作面概況

結(jié)合首山一礦實(shí)際生產(chǎn)情況,SDQ－73型深孔取樣裝置適用性研究和傳統(tǒng)的孔口接粉取樣考察試驗(yàn)選擇在12050工作面運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和12061工作面運(yùn)輸巷進(jìn)行。12050工作面平均走向長度1546 m,平均傾斜長度212 m,12061工作面平均走向長度1294 m,平均傾斜長度239 m;兩個(gè)工作面同采二1煤層,煤層厚度1.80～4.71 m,平均3.5 m,傾角為5°～13°,平均8°,堅(jiān)固性系數(shù)0.1～0.4,煤層較為松軟、破碎,瓦斯含量3.6～19.5 m3/t,瓦斯壓力0.49～3.6 MPa。煤層中間有夾矸1～2層,夾矸厚度0.03～0.65 m,一般0.15～0.3 m,平均0.27 m,夾矸巖性為泥巖及炭質(zhì)泥巖。工作面采用爆破落煤,走向長壁式開采,全部垮落法管理頂板。

1.2 工作面區(qū)域預(yù)抽鉆孔施工概況

12050工作面采用在運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和中間底板巷施工順層和穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯。其中運(yùn)輸巷采用順層鉆孔預(yù)抽,鉆孔長度85 m,鉆孔間距2.4 m;回風(fēng)巷采用順層鉆孔預(yù)抽,鉆孔長度75 m,鉆孔間距2.4 m;中間底板巷采用穿層鉆孔預(yù)抽,預(yù)抽范圍80 m,鉆孔間距4.8 m×4.8 m。

12061工作面共布置3條煤巷,分別為運(yùn)輸巷、回風(fēng)巷和中間巷,采用順層鉆孔預(yù)抽工作面煤層瓦斯。其中運(yùn)輸巷順層預(yù)抽鉆孔長度65 m,鉆孔間距3.2 m;回風(fēng)巷順層預(yù)抽鉆孔長度75 m,鉆孔間距2.4 m;中間巷順層預(yù)抽鉆孔長度75 m,鉆孔間距2.4 m。

2 SDQ－73型取樣裝置

SDQ－73型深孔取樣裝置由中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司研發(fā),該裝置采用孔口和孔底兩級(jí)引射技術(shù),可有效提高取樣質(zhì)量。正常鉆進(jìn)時(shí),接上礦井壓風(fēng),待孔口返風(fēng)正常鉆進(jìn),正常鉆進(jìn)示意圖如圖1所示;取樣時(shí),卸下打鉆尾辮換上取樣尾辮,接上礦井壓風(fēng),待孔口返風(fēng)后正常后鉆進(jìn)取樣,取樣過程示意圖如圖2所示。

圖1 正常鉆進(jìn)示意圖

圖2 取樣過程示意圖

3 影響取樣效果因素分析

根據(jù)GB/T23250《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》要求,所取煤樣須為定點(diǎn)取樣且取樣時(shí)間不大于5 min。取樣工作面煤層特點(diǎn)、取樣裝備及取樣工藝技術(shù)都會(huì)對(duì)所取煤樣質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。

3.1 取樣工作面煤層特點(diǎn)

試驗(yàn)工作面為松軟高突煤層,鉆進(jìn)過程中容易發(fā)生塌孔、堵鉆現(xiàn)象,增加了取樣難度;工作面已采用較為密集的順層和穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯,煤體內(nèi)已產(chǎn)生大量的孔洞和空隙,取樣過程中易發(fā)生串孔,也增加了取煤樣的難度,影響取樣效果。

3.2 取樣裝置

取樣裝置對(duì)所取煤樣的質(zhì)量有直接影響。目前我國的取煤樣裝置主要有普通煤芯管取樣裝置、雙層取芯管取樣裝置、保壓取芯裝置及集氣式取芯裝置,普通煤芯管取樣裝置、雙層取芯管取樣裝置和保壓取芯裝置都用巖芯管取樣。而巖芯管取樣裝置較笨重,取樣過程中需要來回退鉆桿,不利于井下的快速取樣;集氣式取芯裝置取樣成功率低,現(xiàn)已很少使用。

SDQ－73型深孔取樣裝置采用先進(jìn)的航天噴射技術(shù)和多級(jí)引射技術(shù),可實(shí)現(xiàn)不撤鉆桿取樣,隨鉆隨取,能有效縮短取樣時(shí)間,實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)取樣,提高所取煤樣的質(zhì)量。

3.3 取樣工藝

礦井原采用孔口接粉進(jìn)行取樣,但所取煤樣定點(diǎn)性沒有保障。

SDQ－73型深孔取樣裝置的取樣工藝技術(shù)對(duì)取樣效果也有較大影響。由于試驗(yàn)工作面的特點(diǎn)及施工了大量順層鉆孔,鉆孔內(nèi)的鉆屑能否被正壓風(fēng)吹出,取決于孔內(nèi)的風(fēng)速及取樣過程中所使用礦井壓風(fēng)供給的進(jìn)風(fēng)量,操作不當(dāng)很容易發(fā)生堵鉆或取樣不足,因此,取樣過程中應(yīng)控制好鉆進(jìn)及旋轉(zhuǎn)速度,調(diào)整合適的礦井壓風(fēng),改進(jìn)取樣工藝,使煤樣順利排出。

4 井下現(xiàn)場(chǎng)取樣

由于煤層松軟,取樣過程中嚴(yán)格控制鉆頭鉆進(jìn)和旋轉(zhuǎn)的速度,保障順暢排渣,不發(fā)生堵鉆。

利用SDQ－73型深孔取樣裝置共施工取樣鉆孔23個(gè),取樣深度為30～73 m。其中在12050工作面回風(fēng)巷施工下向順層鉆孔11個(gè),鉆孔直徑95 mm,取樣風(fēng)壓0.5 MPa,取樣深度50～73 m;在12050工作面運(yùn)輸巷施工上向順層鉆孔4個(gè),鉆孔直徑95 mm,取樣風(fēng)壓0.5 MPa,取樣成功3個(gè),失敗1個(gè),取樣深度47～57 m。在12061運(yùn)輸巷施工上向順層鉆孔8個(gè),取樣9個(gè),鉆孔直徑95 mm,取樣風(fēng)壓0.5 MPa,取樣成功8個(gè),失敗1個(gè),取樣深度37～63 m。

在使用SDQ－73型深孔取樣裝置取樣緊鄰處,采用孔口接粉的方法進(jìn)行孔口取樣,以便對(duì)兩種取樣方式的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,具體取樣位置見圖3,取樣情況記錄見表1。

圖3 取樣位置平面示意圖

表1 取樣情況記錄表

注:鉆孔傾角“＋”為上向孔,“－”為下向孔;超差為深孔定點(diǎn)取樣所測(cè)瓦斯含量超出孔口接粉所測(cè)值的百分比;1＃鉆孔在30 m處遇到二1煤層頂板,5＃鉆孔由于密封墊破損,造成取樣量不足

5 取樣效果分析

兩種取樣方式所取煤樣均在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行相應(yīng)測(cè)試,根據(jù)測(cè)試結(jié)果繪制出相應(yīng)可解吸瓦斯含量對(duì)比圖,如圖4所示。

圖4 兩種取樣方式所測(cè)可解吸瓦斯含量結(jié)果對(duì)比

從表1和圖4可知:在現(xiàn)有進(jìn)風(fēng)管取樣風(fēng)壓不小于0.5 MPa時(shí),采用SDQ－73型井下深孔取樣裝置取樣共施工23個(gè)取樣鉆孔,取樣傾角－12°～12°,取樣次數(shù)24次,取樣成功22次,最大成功取樣深度73 m;取樣孔深度為30～73 m,取樣時(shí)間小于5 min,取樣成功率為91.7%;達(dá)到了GB/ T23250《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》的取樣要求。

通過SDQ－73型深孔取樣裝置取樣所測(cè)得的瓦斯含量普遍大于孔口接粉取樣所測(cè)數(shù)據(jù),且超出孔口接粉所測(cè)瓦斯含量值的3.8%～42%,平均21.2%。因此,通過SDQ－73型深孔取樣裝置的壓風(fēng)引射取樣所測(cè)瓦斯含量更加準(zhǔn)確,其取煤樣質(zhì)量明顯高于傳統(tǒng)的孔口接粉取樣。

綜上所述可知,SDQ－73型深孔取樣裝置在松軟高突煤層中的取樣效果較好,取樣成功率較高,能夠達(dá)到GB/T23250《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》的要求,且所取煤樣的質(zhì)量要遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)孔口接粉取樣方式,所測(cè)瓦斯含量更接近煤層瓦斯含量的真實(shí)情況。SDQ－73型深孔取樣裝置能夠滿足在松軟高突煤層中深孔定點(diǎn)取樣要求。

6 結(jié)論

(1)SDQ－73型深孔取樣裝置在風(fēng)壓不小于0.5 MPa時(shí),可實(shí)現(xiàn)在松軟高突煤層中定點(diǎn)取樣,且取樣時(shí)間小于5 min,取樣成功率達(dá)到91.7%。

(2)SDQ－73型深孔取樣裝置在松軟高突煤層中所取煤樣測(cè)定瓦斯含量值遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)的孔口接粉取樣方式,更接近真實(shí)值, 取樣質(zhì)量較高,達(dá)到了GB/ T23250《煤層瓦斯含量井下直接測(cè)定方法》的要求,可在類似條件礦井推廣使用。

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Research on adaptability of SDQ－73 type deep-hole sampling device in the soft and high outburst coal seam

Chao Jianwei1,2,Lv Weiwei1,2,Geng Yanhui1,2
(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Shapingba,Chongqing 400037,China; 2.China Coal Technology&Engineering Group Chongqing Institute Co.,Ltd., Shapingba,Chongqing 400037,China)

The accuracy of gas content determined directly in the coal seam of the underground mines depends largely on the quality of coal samples.For the soft and high outburst coal seam sampling problem,this paper did the research on the applicability of SDQ-73 type deep-hole sampling device in the soft and high outburst coal seam;the sampling tests were done respectively by the SDQ-73 type deep-hole sampling and the orifice powder sampling in 12050 and 12061 working faces of 21coal seam in Shoushan No.1 Coal Mine,and the test results by the two sampling methods were compared and analyzed.the SDQ-73 type deep-hole samplings device can sample fast in the deep hole and the targeted location of the soft and high outburst coal seam and the sample quality was significantly higher than that of the traditional orifice powder sampling, and was fully in line with the sampling requirements in GB/T23250＂the direct determination method of underground coal seam gas content＂.

SDQ-73 type deep-hole sampling device,soft and high outburst coal seam,gas content determined,direct determination,adaptability

TD712.3

A

晁建偉(1978－),男,河南臨潁縣人,助理研究員,碩士,從事巷道礦山壓力及其控制和煤礦瓦斯災(zāi)害防治技術(shù)的研究工作。

(責(zé)任編輯 張艷華)

“十二五”國家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAK04B01),重慶市自然科學(xué)基金項(xiàng)目(cstc2012jiA90002)