低瓦斯煤層工作面高位瓦斯鉆孔抽采技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

孫學(xué)篤，秦廣鵬

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，新疆 烏魯木齊 830027；2.山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東 泰安 271019)

低瓦斯煤層工作面高位瓦斯鉆孔抽采技術(shù)應(yīng)用實(shí)踐

孫學(xué)篤1，秦廣鵬2

(1.神華新疆能源有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，新疆 烏魯木齊 830027；2.山東科技大學(xué)資源與土木工程系，山東 泰安 271019)

上隅角瓦斯超限或瓦斯異常涌出多發(fā)生于高瓦斯煤層工作面，屯寶煤礦M5煤層相對(duì)瓦斯涌出量只有2.93 m3/t，但受鄰近層開采及采空區(qū)遺煤影響，工作面在回采過程中多次發(fā)生上隅角瓦斯超限事故，給生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。為徹底解決工作面瓦斯災(zāi)害隱患，結(jié)合礦井生產(chǎn)實(shí)際，對(duì)1153綜放工作面煤層瓦斯抽采難易程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，明確了對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采的必要性和可行性，提出了高位鉆孔法與采空區(qū)埋管法兩種采空區(qū)瓦斯抽采方法。通過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)比較，確定對(duì)采空區(qū)瓦斯實(shí)施高位鉆孔抽采技術(shù)方案。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛确€(wěn)定，上隅角未再發(fā)生瓦斯超限事故，說明該地質(zhì)條件下抽采鉆孔參數(shù)科學(xué)、合理，利用高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯是治理礦井瓦斯的有效技術(shù)措施。

低瓦斯煤層；瓦斯抽采；高位鉆孔

低瓦斯礦井處于正常通風(fēng)狀態(tài)時(shí)，井下瓦斯?jié)舛韧ǔ２粫?huì)達(dá)到爆炸下限[1]，但受多種因素影響，部分煤層瓦斯含量較低的礦井，仍然多次發(fā)生瓦斯超限，甚至發(fā)生瓦斯爆炸事故[2]。神華新疆能源有限責(zé)任公司屯寶煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力120萬t/a，為瓦斯礦井，但工作面在回采過程中經(jīng)常出現(xiàn)瓦斯超限，上隅角瓦斯?jié)舛瘸Ｔ?.5%～1.5%之間波動(dòng)，有時(shí)甚至瞬間達(dá)到3%，給礦井生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。

在已有研究及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上[3-8]，研究屯寶煤礦瓦斯采空區(qū)瓦斯來源，分析采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采的必要性和可行性，確定合理的抽采技術(shù)方案，對(duì)工作面上隅角瓦斯超限事故進(jìn)行根本治理、消滅礦井瓦斯事故危險(xiǎn)源、實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)具有重要意義。

1 試驗(yàn)工作面地質(zhì)概況

1153工作面位于屯寶煤礦+850 m開采水平西翼開采區(qū)域，開采M4煤層、M5煤層，采用綜合機(jī)械化放頂煤采煤工藝，M4煤層平均厚度1 m，M5煤層平均厚度4.2 m，層間含平均厚度2.27 m的硬厚夾矸層。工作面沿M5煤層底板布置，走向長(zhǎng)度2 330 m，中對(duì)中斜長(zhǎng)143 m，煤層平均傾角13°，割煤高度2.0 m，放煤厚度2.2 m，工作面工業(yè)儲(chǔ)量196萬t，可采煤量182萬t。生產(chǎn)過程中，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量10.35 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量2.93 m3/t，屬低瓦斯煤層。煤層綜合柱狀見圖1。

圖1 煤層綜合柱狀圖

2 瓦斯抽采必要性

受層間硬厚夾矸層影響，開采過程中M4煤層基本無法被放出而遺留在采空區(qū)，因此本工作面M4煤層遺留在采空區(qū)瓦斯總量約為97萬m3；M5煤層回采率按80%計(jì)算，未采出的M5煤層遺留在采空區(qū)瓦斯約為45萬m3，工作面遺留于采空區(qū)中的瓦斯總量不低于142萬m3，該部分瓦斯極易因頂煤與頂板的運(yùn)動(dòng)而被壓入工作面；同時(shí)，M4煤層、M5煤層上方有M3煤層，M5煤層開采時(shí)，M3煤層賦存的瓦斯將會(huì)通過采動(dòng)裂隙涌入M5采空區(qū)。因此，雖然M3煤層、M4煤層、M5煤層內(nèi)瓦斯含量不高，但如果不對(duì)上覆M3煤層及本層采空區(qū)內(nèi)瓦斯進(jìn)行有效抽采回收，該部分瓦斯將成為工作面重要的瓦斯來源，極易引發(fā)工作面瓦斯超限。

另外，M4煤層、M5煤層其下近距離鄰近層有M7煤層、M9煤層、M10煤層、M14煤層、M15煤層等，煤層間下行式開采，且下伏的M14煤層、M15煤層厚度巨大，當(dāng)M7煤層、M9煤層、M10煤層、M14煤層、M15煤層開采時(shí)，其上為M4煤層、M5煤層采空區(qū)，下伏煤層群開采過程中垮落帶及裂隙帶必將波及至M4煤層、M5煤層采空區(qū)及M3煤層。因此，若不對(duì)M4煤層、M5煤層開采過程遺留瓦斯進(jìn)行治理，這些瓦斯將成為下部煤層工作面重要瓦斯來源，給下部工作面開采帶來極大的安全隱患。

因此，對(duì)M4煤層、M5煤層采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，既可以抽采本層工作面覆巖裂隙帶內(nèi)瓦斯，也可以抽采通風(fēng)負(fù)壓作用下鄰近M3煤層向本層采空區(qū)涌入的卸壓瓦斯，從而可以根本上有效防治本煤層工作瓦斯超限事故，也為下部煤層的瓦斯治理打下良好的基礎(chǔ)。

3 瓦斯抽采技術(shù)方案選擇

通過現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，M4煤層、M5煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.013 1～0.030 2，煤層透氣性系數(shù)為5.61～17.18，M4煤層、M5煤層屬于可以抽采煤層。

根據(jù)1153工作面的煤層賦存情況、臨近層的開采現(xiàn)狀、上部煤巖層采動(dòng)影響及開采范圍等，可采用回風(fēng)巷高位鉆孔與上隅角采空區(qū)埋管兩種技術(shù)上比較成熟、花費(fèi)較低的方案。

3.1 高位鉆孔抽采瓦斯方案

在工作面回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)置鉆場(chǎng)，鉆場(chǎng)內(nèi)向采空區(qū)方向施工長(zhǎng)鉆孔與覆巖裂隙帶溝通，對(duì)采動(dòng)影響下因M3煤層卸壓而釋放出的瓦斯進(jìn)行抽采。為提高抽采效率，增加鉆孔在斷裂帶的有效長(zhǎng)度，可適當(dāng)提高鉆孔開孔標(biāo)高?；痉桨甘荚诠ぷ髅婊仫L(fēng)巷內(nèi)沿走向每80 m開掘一個(gè)寬3 m，高2.5 m的硐室作為抽采鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)向采空區(qū)方向布置8個(gè)扇形鉆孔，鉆孔長(zhǎng)度不小于100 m，抽采采空區(qū)及上覆巖層裂隙帶內(nèi)瓦斯，如圖2所示。

3.2 上隅角采空區(qū)埋管抽采瓦斯方案

在工作面回風(fēng)巷內(nèi)設(shè)置移動(dòng)瓦斯抽放泵站，泵站采用雙泵雙管路配置，抽放管路埋入采空區(qū)進(jìn)行抽采。其中，1號(hào)管路每2.5 m串接一套三通管件，2號(hào)管路每30 m串接一套三通管件，上述三通管件利用木垛進(jìn)行支護(hù)。隨著工作面的不斷推采，上述管路接口將逐漸被埋入采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)內(nèi)瓦斯的抽采，如圖3所示。

圖2 采空區(qū)高位鉆孔抽采

圖3 采空區(qū)雙管路埋管瓦斯抽采

3.3 方案對(duì)比分析

3.3.1 費(fèi)用分析

高位鉆孔抽采方案需布置鉆場(chǎng)28個(gè)，鉆場(chǎng)施工單價(jià)25 000元/鉆場(chǎng)，共70萬元；按單孔長(zhǎng)度150 m計(jì)算，鉆孔量為33 600 m，施工及安裝費(fèi)130元/m，共436.8萬元，總投入費(fèi)用506.8萬元。采空區(qū)抽放管路使用Φ250 mmPE管，為一次性耗材，無法回收復(fù)用。埋管抽放共需管路4 600 m，管路單價(jià)1 100元/m，材料費(fèi)用506萬元；邁步段管路安裝費(fèi)單價(jià)379元/m，管路長(zhǎng)度300 m，安裝費(fèi)用11.37萬元，總費(fèi)用517.37萬元。采空區(qū)埋管抽采瓦斯方案比高位鉆孔抽采瓦斯方案多花費(fèi)資金約10.57萬元。

3.3.2 技術(shù)分析

采用埋管抽采時(shí)，抽采管路位于采空區(qū)內(nèi)部10～16 m區(qū)間內(nèi)，若管路端頭被冒落矸石或采空區(qū)水砂等堵塞，則需要將管路在支架尾梁下截?cái)啵匦伦龊媒財(cái)喙茴^并埋入進(jìn)采空區(qū)內(nèi)達(dá)到規(guī)定長(zhǎng)度后，才能再次實(shí)施瓦斯抽采。在此期間，無法開展抽采工作，必須人工調(diào)節(jié)風(fēng)流來稀釋上隅角瓦斯，確保上隅角瓦斯?jié)舛炔怀蕖?/p>

采用高位鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采，面臨的主要問題為抽采鉆孔塌孔?？刹捎孟绿坠艿确椒ǚ乐广@孔塌孔，一旦抽采鉆孔在深部出現(xiàn)塌孔，也可通過在鉆場(chǎng)內(nèi)對(duì)鉆孔方位角、仰角、鉆孔長(zhǎng)度等進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)瓦斯連續(xù)抽采。

埋管抽采需要在工作面上端頭施工，受端頭支架、輸送機(jī)機(jī)尾、超前支護(hù)等影響，該區(qū)域作業(yè)空間狹小，作業(yè)條件較差，存在發(fā)生機(jī)械、頂板事故的危險(xiǎn)。而高位抽采鉆孔鉆場(chǎng)在超前工作面80 m區(qū)域以外布置，作業(yè)、施工條件好，安全系數(shù)高。

與采空區(qū)埋管抽采相比，高位鉆孔抽采瓦斯工程費(fèi)用低、管理難度小，安全可靠性高，選擇高位鉆孔抽采瓦斯技術(shù)方案進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)。

4 現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)與抽采效果分析

4.1 鉆孔布置

高位抽采鉆孔布置方案見圖2，鉆孔技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 高位抽采鉆孔技術(shù)參數(shù)

4.2 封孔工藝與抽采管路管理

4.2.1 封孔工藝

鉆孔施工完畢后，需要在第一時(shí)間進(jìn)行封堵。封孔時(shí)，將抽放孔端部進(jìn)行擴(kuò)孔，擴(kuò)孔段長(zhǎng)度不小于5 m，擴(kuò)孔后下套管，套管長(zhǎng)度不小于2.5 m，用馬麗散進(jìn)行封孔，孔口用不短于0.3 m的黃泥堵嚴(yán)。

4.2.2 抽采管路管理

隨著工作面的推進(jìn)，第一組鉆孔將逐漸進(jìn)入卸壓區(qū)，實(shí)現(xiàn)卸壓瓦斯抽采。隨著工作面繼續(xù)推進(jìn)，第一組抽采鉆孔將逐步報(bào)廢，需要將靠近切眼最里段管路逐段拆卸，將端頭用法蘭片密封。工作面推采過程中，需要至少提前拆除面前20 m內(nèi)管路，給瓦斯管路管理和工作面生產(chǎn)造成一定困難。為最大程度降低上述工作對(duì)正常生產(chǎn)影響，距工作面切眼30 m以內(nèi)鉆孔用軟膠管與抽采管末端相連，抽采管末端特制一段2～3 m長(zhǎng)的短管，短管設(shè)置3～5個(gè)變徑三通，與靠近工作面的鉆孔用軟管相連，鉆孔報(bào)廢后向前移動(dòng)短管，保持短管始終在抽采管路的末端。

4.3 抽采效果分析

工作面推采前100 m高位鉆孔瓦斯抽采數(shù)據(jù)如圖4、圖5所示。

圖4 抽采及風(fēng)排瓦斯流量

圖5 抽采、風(fēng)排及上隅角瓦斯?jié)舛?/p>

1)如圖4所示，在工作面初始回采階段，即工作面推進(jìn)0～10 m時(shí)，抽采瓦斯量從0.458 m3/min急劇上升到4.571 m3/min；隨工作面進(jìn)尺增加，純瓦斯抽采流量呈現(xiàn)階段性波動(dòng)特征，工作面進(jìn)尺在20～60 m時(shí)，瓦斯抽采流量在2.74～3.06 m3/min之間震蕩；工作面進(jìn)尺在70～100 m時(shí)，純瓦斯抽采流量緩慢降低。

2)如圖5所示，隨工作面進(jìn)尺增加，瓦斯抽采濃度由12%穩(wěn)步下降至2.8%，上隅角瓦斯?jié)舛扔?.22%緩慢下降至0.12%，瓦斯抽采濃度與上隅角瓦斯?jié)舛入S工作面推進(jìn)呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，充分體現(xiàn)了采空區(qū)瓦斯高位抽放的效果。而風(fēng)排瓦斯主要是工作面采煤機(jī)割煤時(shí)所釋放出瓦斯，與采空區(qū)瓦斯高位鉆孔抽放并無關(guān)聯(lián)，因而濃度變化不大。

3)圖4及圖5表明，在工作面初采期間，覆巖運(yùn)動(dòng)不充分，高位區(qū)域鉆孔孔身段巖層尚未被拉裂，只能抽采原始煤層吸附態(tài)及少量游離態(tài)瓦斯，雖然抽采濃度稍高，但抽采流量過低，因而抽采效果并不好。隨著工作面的推進(jìn)，采空區(qū)上部煤巖體不斷進(jìn)入裂隙帶，煤巖體內(nèi)裂隙迅速增加，瓦斯抽采效果快速提升；鉆孔孔身高度低于孔口上方6 m區(qū)域時(shí)，一部分新鮮空氣將沿煤巖體裂隙進(jìn)入瓦斯抽采管路，瓦斯抽采濃度略微下降。

5 小 結(jié)

針對(duì)于屯寶煤礦1153工作面及對(duì)M4煤層、M5煤層開采實(shí)際狀況進(jìn)行分析，明確煤層群開采時(shí)對(duì)低瓦斯煤層采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采的必要性，通過屯寶煤礦現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了本礦井采空區(qū)高位鉆孔抽采瓦斯可行性及其效果，得到了合理的瓦斯抽采技術(shù)方案與技術(shù)參數(shù)，對(duì)采空區(qū)瓦斯實(shí)施高位鉆孔抽采，是治理工作面瓦斯超限等事故、保證礦井安全生產(chǎn)的有效技術(shù)措施。

[1] 王德明．礦井通風(fēng)與安全[M]．徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2012．

[2] 袁野．低瓦斯礦井瓦斯爆炸機(jī)理研究[J]．煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39(5)：67-69．

[3] 程遠(yuǎn)平，付建華，俞啟香．中國(guó)煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J]．采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26(2)：127-139．

[4] 聶百勝，何學(xué)秋，王恩元．瓦斯氣體在煤層中的擴(kuò)散機(jī)理及模式[J]．中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2000，10(12)：24-28．

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Application and practice of high level gas drainage technology in low gas coal seam working face

SUN Xuedu1，QIN Guangpeng2
(1.Production Technology Department，Shenhua Xinjiang Energy Co.，Ltd.，Urumqi 830027，China；2.Department of Resource and Civil Engineering，Shandong University of Science and Technology，Taian 271019，China)

Disallowed gas concentration or abnormal emission at top corner often occurred in high gas working face.The relative gas emission was only 2.93 m3/t of TunBao coal mine M5 coal seam，because of the affection of adjacent coal seams and left coal in the gob，the disallowed gas concentration accident occurred several times during the coal production at the working face top corner and result in serious consequences.In order to completely solute the gas hazards problems，and considered the actual situation of the coal mine，the feasibility of gas extraction of 1153 fully mechanized top coal caving working face was evaluated，the necessity and feasibility of gas drainage of the gob were determined.Two technical methods (high-level borehole method and underground pipe method of gob gas suction) were proposed，after technical and economic comparison，high-level borehole gas suction was determined.According to field practices，the gas concentration in the pipeline was stable，disallowed gas concentration accidents no longer happened.The parameters of the gas drainage in the gob under such kinds of the geological conditions were scientific and reasonable，it’s effective technical measures to control the mine gas by high level drilling gas drainage.

low gas coal seam；gas suction；high drilling

2016-11-06

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“堅(jiān)硬砂巖頂板失穩(wěn)摩擦效應(yīng)與采空區(qū)瓦斯爆燃機(jī)理”資助(編號(hào)：51504145)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“斷層影響區(qū)采動(dòng)作用效應(yīng)及其致災(zāi)規(guī)律研究”資助(編號(hào)：51574155)；山東科技大學(xué)人才引進(jìn)基金項(xiàng)目“錨固節(jié)理巖體局部化變形及分岔機(jī)理”資助(編號(hào)：2014RCJJ035)

孫學(xué)篤(1966-)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事礦山壓力與頂板管理、采煤方法與采煤工藝等方面的技術(shù)與管理工作。

秦廣鵬(1980-)，男，黑龍江省嫩江縣人，博士，講師，從事礦山壓力與巖層控制、礦山工程力學(xué)方面的研究，E-mail：friendqgp@163.com。

TD353

A

1004-4051(2017)04-0110-04