超大直徑鉆孔“以孔代巷”治理上隅角瓦斯技術(shù)

蔣 璋，楊保國(guó)

(山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030024)

上隅角瓦斯治理是大部分煤礦面臨的難題，國(guó)內(nèi)煤礦一般采用埋管抽采或使用措施巷抽采[1-4]，這兩種方法均存在一定的局限性。埋管抽放對(duì)上隅角瓦斯的控制能力不足，措施巷抽采工程投入較大。使用超大直徑鉆孔技術(shù)既可降低工程投入，又可保證對(duì)上隅角瓦斯的控制，實(shí)現(xiàn)安全開(kāi)采。

1 工作面概況

19201工作面位于西曲礦南二盤(pán)區(qū)南部，南鄰19202備用工作面。工作面上覆為8#煤18202、18201采空區(qū)，層間距10 m. 工作面地質(zhì)構(gòu)造條件中等，煤層整體傾向西南，平均傾角4°. 9#煤層厚度穩(wěn)定，平均2.2 m. 煤層瓦斯含量2.32 m3/t，殘存瓦斯含量0.69 m3/t. 自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層。

19201工作面采用走向長(zhǎng)臂式開(kāi)采，采長(zhǎng)220 m，可采走向長(zhǎng)690 m. 工作面采用U型通風(fēng)方式，配風(fēng)量1 200 m3/min. 回采期間工作面回風(fēng)最大瓦斯?jié)舛葹?.4%，最大風(fēng)排瓦斯量4.8 m3/min；受通風(fēng)方式及上覆采空區(qū)瓦斯影響，回采期間工作面上隅角瓦斯?jié)舛容^高，需要治理上隅角瓦斯。

2 采空區(qū)大直徑鉆孔抽采技術(shù)

2.1 技術(shù)原理及施工應(yīng)用

利用鄰近的瓦斯治理巷道向工作面回風(fēng)巷施工超大直徑鉆孔的方式代替專用的采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷密閉抽采的技術(shù)。使用專用的超大直徑鉆機(jī)施工鉆孔，打穿回風(fēng)巷后下入護(hù)壁套管，套管接入抽放系統(tǒng)，工作面回采至鉆孔位置后開(kāi)始大流量抽采，下一個(gè)鉆孔開(kāi)始抽采時(shí)結(jié)束。鉆孔參數(shù)見(jiàn)表1，鉆孔布置見(jiàn)圖1.

表1 鉆孔施工參數(shù)表

2.2 數(shù)據(jù)采集及應(yīng)用效果分析

工作面頂板垮落次日，鉆孔開(kāi)始抽采至回采結(jié)束?？紤]到防止采空區(qū)自燃的因素，工作面推過(guò)鉆孔60 m后不再抽采。鉆孔抽采負(fù)壓為10 kPa.

通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，鉆孔未抽放時(shí)上隅角瓦斯?jié)舛茸罡哌_(dá)到了0.94%，隨著鉆孔的抽采，上隅角瓦斯?jié)舛妊杆傧陆?。抽采量與上隅角瓦斯?jié)舛葘?duì)比曲線見(jiàn)圖2. 從圖2可以看出，鉆孔抽采量與上隅角瓦斯?jié)舛瘸拭黠@的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)抽采量達(dá)到2 m3/min時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛瓤梢钥刂频?.5%以下。抽采量和上隅角瓦斯?jié)舛确磸?fù)波動(dòng)，其原因是由抽采鉆孔與工作面的相對(duì)位置(即鉆孔進(jìn)入采空區(qū)深度)不斷變化引起的。

圖1 鉆孔布置示意圖

圖2 抽采量與上隅角瓦斯?jié)舛葘?duì)比曲線圖

為了研究抽采鉆孔相對(duì)工作面的的最佳抽采位置，對(duì)3#鉆孔的抽采量與工作面相對(duì)位置進(jìn)行了對(duì)比分析，見(jiàn)圖3. 由圖3可知，隨著鉆孔進(jìn)入采空區(qū)，抽采量不斷增大，進(jìn)入采空區(qū)25 m左右，抽采量達(dá)到最大值3 m3/min，隨后逐步衰減。鉆孔相對(duì)位置在10～45 m時(shí)，抽采量均高于2 m3/min，而當(dāng)抽采量達(dá)到2 m3/min時(shí)，即可將上隅角瓦斯?jié)舛然究刂频?.5%以下。因此，鉆孔最合理抽采位置為采空區(qū)10～45 m處。兼顧鉆孔抽采效果和經(jīng)濟(jì)性，鉆孔最佳設(shè)計(jì)間距應(yīng)為35 m，這樣能保證上一個(gè)鉆孔報(bào)廢停抽時(shí)，下一個(gè)鉆孔接替時(shí)能直接進(jìn)入采空區(qū)10 m進(jìn)行抽采。

圖3 鉆孔抽采量與工作面相對(duì)位置關(guān)系圖

3 與采空區(qū)密閉插管抽采方法對(duì)比分析

傳統(tǒng)的采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷密閉插管抽采技術(shù)在解決回采面上隅角瓦斯問(wèn)題上也具有較好的效果，因此在某些條件適合，具備瓦斯治理措施巷等施工條件的工作面也廣泛采用。對(duì)19201工作面上隅角瓦斯抽采分別采用超大直徑一次成孔抽采技術(shù)與聯(lián)絡(luò)巷密閉抽采技術(shù)，并進(jìn)行對(duì)比分析。

3.1 經(jīng)濟(jì)成本

以西曲礦9#煤層巷道綜合施工成本3 300元/m為參考,施工一個(gè)20.9 m(傾角取4°折算)的聯(lián)絡(luò)巷，費(fèi)用為6.9萬(wàn)元；施工聯(lián)絡(luò)巷后，還需施工兩道密閉墻，一般性密閉墻施工費(fèi)用約 6 500元，兩道密閉墻費(fèi)用約1.3萬(wàn)元。安裝瓦斯管路按目前dD426管路4.5 m/根，需要5根管路，加上安裝費(fèi)用約2.3萬(wàn)元，總費(fèi)用約10.5萬(wàn)元。

以礦井與大直徑鉆孔施工方簽訂的合同價(jià)為依據(jù)，大直徑鉆孔施工綜合費(fèi)用為2 150元/m(含下鋼制篩管費(fèi)用)，以此計(jì)算一個(gè)大直徑鉆孔費(fèi)用為4.52萬(wàn)元。兩者相比，前者比后者要多花費(fèi)5.98萬(wàn)元。以19201工作面一共施工12個(gè)鉆孔進(jìn)行計(jì)算，大直徑鉆孔一次成孔技術(shù)要節(jié)省71.76萬(wàn)元。

3.2 工時(shí)工效

以西曲礦9#煤層巷道綜合施工進(jìn)度為參考，施工20.9 m煤巷大約需要4個(gè)班32 h，兩道密閉墻需要2個(gè)班16 h，管路運(yùn)輸安裝，約需1個(gè)班8 h，總計(jì)用時(shí)56 h. 依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)用時(shí)測(cè)算，一個(gè)大孔徑鉆孔施工(21 m)大致需要3個(gè)班24 h. 兩者相比，1個(gè)大直徑鉆孔施工要節(jié)約32 h，按照西曲礦一天兩班生產(chǎn)、一班檢修的安排，實(shí)際可節(jié)省2天左右。按此計(jì)算，工作面12個(gè)鉆孔施工共能節(jié)省時(shí)間24天，這其中還未考慮掘進(jìn)機(jī)頻繁搬家的時(shí)間影響，實(shí)際節(jié)約時(shí)間應(yīng)在30天以上。

3.3 抽采效果

兩種方法所利用的抽采原理相同，在管路直徑、抽采間距以及抽采系統(tǒng)能力等參數(shù)一致的情況下，理論上兩者抽采效果應(yīng)該相同。但實(shí)際生產(chǎn)中，傳統(tǒng)方法需要施工的密閉墻及閉墻插管周圍存在密封不嚴(yán)的情況，同時(shí)后期密閉墻受工作面采動(dòng)壓力造成的漏風(fēng)影響，會(huì)在一定程度上使抽采能力消耗在無(wú)用抽采上，影響抽采效果。

3.4 其 他

新技術(shù)工藝的應(yīng)用，不僅節(jié)約了經(jīng)濟(jì)成本，提高了工作效率，同時(shí)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少了物料的頻繁運(yùn)輸和人工作業(yè)環(huán)節(jié)，降低了安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的安全效益。

4 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)超大直徑鉆孔抽采上隅角瓦斯的應(yīng)用研究表明，該技術(shù)不僅解決了工作面上隅角瓦斯超限的問(wèn)題，并且在經(jīng)濟(jì)性和時(shí)效性等方面均優(yōu)于采空區(qū)聯(lián)絡(luò)巷密閉插管抽采技術(shù)，可應(yīng)用于各工作面上隅角瓦斯容易超限的礦井。但該技術(shù)還有一定的局限性，必須具有相鄰且平行的瓦斯治理措施巷以供使用，同時(shí)需要礦井有充足的抽采能力作為保障。