宏巖煤礦瓦斯抽采合理負(fù)壓及影響因素分析

張志榮

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

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宏巖煤礦瓦斯抽采合理負(fù)壓及影響因素分析

張志榮1，2

(1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司安全分院，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013； 2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京市朝陽(yáng)區(qū)，100013)

分析了鉆孔封孔質(zhì)量、瓦斯涌出量、煤層中水分等與瓦斯抽采效果的關(guān)系。通過(guò)對(duì)比分析宏巖煤礦9#+10#煤層不同孔口負(fù)壓的本煤層鉆孔瓦斯流量及濃度，確定宏巖煤礦抽采負(fù)壓在42～46 kPa最為合理。

瓦斯抽采 合理負(fù)壓 封孔質(zhì)量 瓦斯涌出量 水分 抽采效果 抽采濃度

對(duì)于高瓦斯及突出礦井，國(guó)家強(qiáng)制要求必須建立瓦斯抽采系統(tǒng)，一些產(chǎn)煤大省明確要求建立瓦斯抽采全覆蓋，這些都突出了國(guó)家對(duì)瓦斯抽采的重視。對(duì)于井下瓦斯抽采，《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》及《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》(2011年)等都明確規(guī)定預(yù)抽煤層瓦斯鉆孔孔口抽采負(fù)壓不得低于13 kPa，然而，在鉆孔具體的抽采過(guò)程中，要克服由于封孔不當(dāng)或者封孔深度過(guò)淺引起的漏氣帶來(lái)的負(fù)壓損失、鉆孔內(nèi)瓦斯涌出所產(chǎn)生的阻力帶來(lái)的損失以及鉆孔內(nèi)水、煤渣的阻力所帶來(lái)的損失。

一般來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，隨著負(fù)壓的升高，瓦斯抽采的效率會(huì)得到提高。但同時(shí)，對(duì)封孔質(zhì)量、封孔深度、連孔質(zhì)量、管路連接、現(xiàn)場(chǎng)管理都有更高的要求。而當(dāng)負(fù)壓提高到某一值時(shí)，瓦斯抽采純量便不再提高，瓦斯?jié)舛乳_始下降。因此，確定合理抽采負(fù)壓對(duì)礦井瓦斯抽采有著現(xiàn)實(shí)的意義。

1 宏巖煤礦抽采系統(tǒng)概況

宏巖煤礦位于山西省呂梁市中陽(yáng)縣，為改擴(kuò)建礦井，上組4#煤層已開采完畢，目前進(jìn)入下組9#+10#煤層的開拓，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a，為高瓦斯礦井。經(jīng)實(shí)測(cè)，礦井瓦斯含量達(dá)12.51 m3/t，瓦斯壓力達(dá)0.59 MPa，透氣性系數(shù)0.23～0.512 m2/MPa2·d，9#+10#煤層瓦斯含量高是制約礦井生產(chǎn)建設(shè)的主要因素。

礦井2015年1月份完成了地面瓦斯抽放泵站的安裝及試運(yùn)轉(zhuǎn)，地面抽放泵站配備4臺(tái)2BEC80水環(huán)式真空泵，其中兩臺(tái)高負(fù)壓真空泵最大抽氣量為630 m3/min，兩臺(tái)低負(fù)壓真空泵最大抽氣量為700 m3/min。

2 孔口負(fù)壓影響因素分析

負(fù)壓簡(jiǎn)單地說(shuō)是低于一個(gè)大氣壓力的氣體狀態(tài)，負(fù)壓越大，真空度越高，絕對(duì)壓力越小。對(duì)于瓦斯抽采鉆孔孔口負(fù)壓的大小，即孔口管路中的真空度，可以分析影響孔口負(fù)壓的相關(guān)因素。

2.1 地面瓦斯抽采泵站的調(diào)節(jié)

真空泵的抽采能力是影響孔口負(fù)壓的最基本指標(biāo)。如果井下抽采地點(diǎn)多，抽采鉆孔多，抽采量接近真空泵的最大抽氣極限，則很難再通過(guò)真空泵來(lái)增大鉆孔的孔口負(fù)壓。在真空泵抽采能力足夠大的情況下，通過(guò)調(diào)節(jié)地面瓦斯抽采泵站進(jìn)、回氣主管路安裝的循環(huán)閥門或進(jìn)氣主管路上的配風(fēng)閥門來(lái)調(diào)節(jié)主管路的負(fù)壓，在各干管、支管及孔口安裝閥門以調(diào)節(jié)各個(gè)抽采地點(diǎn)的負(fù)壓，地面抽采系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 地面瓦斯抽采系統(tǒng)示意圖

2.2 管路及其氣密性的影響

井下管路的長(zhǎng)度以及往各個(gè)抽采地點(diǎn)安裝管路時(shí)的彎頭、三通等造成的阻力增大，導(dǎo)致負(fù)壓的損失影響終端鉆孔的抽采負(fù)壓。此外，管路的氣密性至關(guān)重要，管路出現(xiàn)漏氣，將直接影響管路的真空度而降低負(fù)壓。

2.3 封連孔的質(zhì)量及鉆孔情況

鉆孔的封孔質(zhì)量直接影響瓦斯抽采效果，封孔的質(zhì)量主要包括封孔工藝、封孔強(qiáng)度、封孔深度等，封孔強(qiáng)度、深度不夠容易導(dǎo)致鉆孔漏氣，即將巷道中的空氣抽入抽采管路系統(tǒng)中，影響抽采效果。此外，正常抽采時(shí)，鉆孔孔徑、深度、水、煤渣、瓦斯含量、吸附解析速度等都影響鉆孔的孔口負(fù)壓，而其中尤以水、煤渣影響大，煤渣沒有清理干凈，在抽采過(guò)程當(dāng)中，容易聚集到孔口，造成孔口堵塞，鉆孔中水增大，阻力進(jìn)一步增大。

3 合理負(fù)壓確定

巷道沿煤層掘成后，被巷道揭露的煤體由外向里依次形成卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶?？卓谪?fù)壓合理值的確定，首先要保證鉆孔的封孔深度必須超過(guò)卸壓帶，否則，可能由于封孔深度不夠，造成卸壓帶的漏氣。

根據(jù)相關(guān)研究，在吸附平衡壓力和解吸時(shí)間相同的情況下，解吸負(fù)壓越高，累積瓦斯解吸量越大，負(fù)壓條件對(duì)瓦斯解吸起著促進(jìn)作用。隨著負(fù)壓的升高，累計(jì)瓦斯解吸量的增幅逐漸減小，當(dāng)負(fù)壓升高到一定值時(shí)，瓦斯解吸量不再隨著負(fù)壓的升高而增大，即負(fù)壓對(duì)瓦斯解吸的影響存在臨界值，合理的負(fù)壓對(duì)瓦斯抽采有現(xiàn)實(shí)意義。

孔口負(fù)壓的合理大小既要保證鉆孔中解吸的瓦斯要及時(shí)、快速抽出來(lái)，同時(shí)要保證鉆孔中水、煤渣的阻力造成的負(fù)壓損失。

3.1 宏巖煤礦首采面抽采概況

宏巖煤礦為改擴(kuò)建礦井，煤層平均厚度7 m，目前在抽地點(diǎn)主要為首采工作面運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道以及停采線端，在抽鉆孔達(dá)420個(gè)，皆為沿本煤層施工鉆孔，其中運(yùn)輸巷道、回風(fēng)巷道按三花眼布置抽采孔，鉆孔采用聚氨脂材料封孔，封孔深度8 m。

3.2 抽采負(fù)壓的合理值研究

宏巖煤礦瓦斯抽放管路目前井下采用3種管徑，?720 mm、?529 mm焊縫鋼管以及?325 mm不銹鋼管，由于井下抽采地點(diǎn)少、管徑大，管路損失的負(fù)壓小，通過(guò)實(shí)測(cè)，孔口負(fù)壓比泵站主管負(fù)壓平均低5 kPa，因此通過(guò)調(diào)整地面泵站負(fù)壓直接改變鉆孔的孔口負(fù)壓，通過(guò)調(diào)整，不同負(fù)壓下的瓦斯抽采純量及抽采濃度見表1，表中統(tǒng)計(jì)的各數(shù)據(jù)為每一天平均數(shù)據(jù)。

由表1可以得出抽采純量、抽采濃度分別與抽采負(fù)壓的相關(guān)關(guān)系如圖2和圖3所示。

由表1和圖2可知，抽采純瓦斯量在一定范圍內(nèi)隨著抽采負(fù)壓的增加而增大，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，增大負(fù)壓可以加快抽采鉆孔內(nèi)解吸的瓦斯，但當(dāng)抽采負(fù)壓超過(guò)42 kPa時(shí)，抽采純瓦斯量基本不再有明顯變化。

表1 不同抽采負(fù)壓下的抽采純量及濃度

圖2 抽采純量與抽采負(fù)壓的相關(guān)關(guān)系

圖3 抽采濃度與抽采負(fù)壓的相關(guān)關(guān)系

由表1和圖3可知，抽采瓦斯?jié)舛扰c抽采負(fù)壓并無(wú)明顯關(guān)系，隨著負(fù)壓的增加，瓦斯抽采濃度基本保持不變，當(dāng)負(fù)壓超過(guò)46 kPa時(shí)，抽采瓦斯?jié)舛乳_始下降。

4 結(jié)論

(1)宏巖煤礦本煤層瓦斯抽采鉆孔，在一定范圍內(nèi)，隨著負(fù)壓的升高，瓦斯抽采純量有較明顯的增加，在負(fù)壓超過(guò)42 kPa時(shí)，瓦斯抽采純量基本不再變化。

(2)宏巖煤礦瓦斯抽采濃度與抽采負(fù)壓并無(wú)明顯關(guān)系，隨著抽采負(fù)壓的升高，瓦斯?jié)舛然颈３植蛔?，?dāng)抽采負(fù)壓超過(guò)46 kPa時(shí)，抽采瓦斯?jié)舛乳_始下降。

(3)綜合以上兩點(diǎn)，宏巖煤礦抽采負(fù)壓在42～46 kPa是最合理范圍值。

(4)負(fù)壓狀態(tài)下的瓦斯、水解吸、封孔深度與負(fù)壓大小的關(guān)系有待進(jìn)一步的研究。

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[11] 周凱軍．煤與瓦斯突出煤層合理抽采負(fù)壓數(shù)值模擬研究[J].煤，2014(2)

[12] 王振剛,白志鵬. 綜放面走向高抽巷瓦斯抽采技術(shù)研究[J].中國(guó)煤炭,2016(2)

[13] 李志華,涂敏,姚向榮. 深部瓦斯抽采鉆孔穩(wěn)定性與成孔控制數(shù)值分析[J].中國(guó)煤炭,2011(3)

(責(zé)任編輯 張艷華)

Analysis of gas drainage reasonable negative pressure and influential factors at Hongyan Mine

Zhang Zhirong1,2

(1. Mine Safety Technology Branch of China Coal Research Institute, Chaoyang, Beijing 100013, China; 2. State Key Laboratory of Coal Resource High Efficiency and Clean Utilization (China Coal Research Institute), Chaoyang, Beijing 100013, China)

Hole sealing quality, gas emission amount and the relation between gas drainage effect and water content in coal seam were analyzed. By comparing the amount of gas inflow and concentration of different negative pressures of borehole entrance at 9#and 10#of Hongyan Mine, it was determined that 42～46 kPa was the most reasonable negative pressure range.

gas drainage, reasonable negative pressure, hole sealing quality, gas emission amount, water content, drainage effect, drainage concentration

張志榮.宏巖煤礦瓦斯抽采合理負(fù)壓及影響因素分析[J].中國(guó)煤炭，2017,43(3)：113-115. Zhang Zhirong. Analysis of gas drainage reasonable negative pressure and influential factors at Hongyan Mine[J].China Coal ,43(3)：113-115.

TD712.6

A

張志榮(1985-)，男，江西臨川人，助理研究員，碩士，2010年畢業(yè)于河南理工大學(xué)，研究方向?yàn)橥咚沟刭|(zhì)及瓦斯治理。