基于預(yù)置篩管護(hù)孔的松軟低透煤層高效抽采瓦斯技術(shù)研究

楊 健

(淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心，安徽淮北235000)

淮北礦區(qū)突出煤層數(shù)量多,瓦斯壓力大,瓦斯含量高,滲透性低,各礦井煤層與瓦斯賦存差異大,且隨著當(dāng)前礦區(qū)開采深度的增加,保護(hù)層開采技術(shù)的應(yīng)用逐步受限,如祁南煤礦原采用組合保護(hù)層開采,即在煤層平面上至少開采6 煤層(61、62、63)中的一層保護(hù)7 煤層;蘆嶺煤礦主要開采8、9、10 煤層,其中8、9 為強(qiáng)突出煤層,且煤層間距小,而下部的10 煤層斷層極度發(fā)育,迫不得已開采9 煤層和10 煤層間的泥巖來(lái)保護(hù)上部的8、9 煤層。 隨著開采深度的增加,可供開采的保護(hù)層越來(lái)越少,因此,研究適宜于淮北礦區(qū)煤層瓦斯地質(zhì)條件的高效瓦斯抽采技術(shù)已成為礦區(qū)當(dāng)前煤炭安全生產(chǎn)所亟須解決的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

預(yù)抽煤層瓦斯主要有兩種形式,即穿層鉆孔預(yù)抽和順層鉆孔預(yù)抽。 其中,順層鉆孔是在工作面巷道內(nèi)開孔,鉆孔均為煤孔,利用率高,因此順層鉆孔應(yīng)用最為廣泛,大部分的突出煤層均采用此類方法[1-2]。 近年來(lái),淮北礦業(yè)集團(tuán)突出礦井順層鉆孔工程量大,占總鉆孔工程量的40%以上。

為縮短工作面準(zhǔn)備時(shí)間,順層鉆孔通常布置密集,工程量大(鉆孔間距為2 ～3 m,直徑113 mm 以上)。 這些密集鉆孔雖然消除了煤層的突出危險(xiǎn),但是并沒(méi)有完全發(fā)揮抽采瓦斯的作用,后續(xù)煤炭開采過(guò)程中仍有瓦斯突出的危險(xiǎn),亟須開展提高順層鉆孔瓦斯抽采效率的研究[3]。 近年來(lái),淮北礦業(yè)集團(tuán)從自身煤層、瓦斯賦存與瓦斯抽采現(xiàn)狀入手,從導(dǎo)流通道的構(gòu)建、封孔深度、煤層有限增透3 個(gè)方面入手,顯著提高了突出煤層順層鉆孔抽采的數(shù)量和質(zhì)量。

1 試驗(yàn)工作面概況

淮北礦業(yè)集團(tuán)祁南煤礦位于宿州市南部,是一座年產(chǎn)240 萬(wàn)t 的大型礦井。 72煤層是礦井主采煤層,煤層平均厚度為2.64 m,平均傾角為10°;-550 m 水平實(shí)測(cè)煤層瓦斯壓力為3.5 MPa,煤層瓦斯含量12.29 ～15.38 m3/t,煤層原始透氣性系數(shù)為0.046 m2/(MPa2·d),是該礦煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性最嚴(yán)重的煤層,曾發(fā)生過(guò)底板巖石與瓦斯突出、煤與瓦斯突出和延期突出[4]。

此次預(yù)置篩管護(hù)孔的順層鉆孔抽采試驗(yàn)位于祁南礦715 工作面。 工作面位于81 采區(qū)左翼第三個(gè)區(qū)段,上鄰已回采的713 工作面,對(duì)應(yīng)地面標(biāo)高為+22 m,工作面標(biāo)高為-553 ～-600 m;工作面開采煤層為72煤,煤層傾角3° ～6°,平均5°;工作面走向長(zhǎng)800 m,傾斜長(zhǎng)150 m;采用輕型放頂煤采煤法,一次采全高,全部垮落法管理頂板,工作面布置圖如圖1 所示。

圖1 工作面布置圖

祁南煤礦81 采區(qū)和82 采區(qū)的瓦斯壓力為3.4 MPa,祁南煤礦7 煤層瓦斯壓力梯度為0.019 MPa/m,瓦斯含量為14.3 m3/t,工作面具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。 72煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0512/d,72煤層透氣性系數(shù)為0.0486 m/(MPa2·d),屬典型的低透煤層。

祁南煤礦前期采用傳統(tǒng)的順層鉆孔抽采煤層瓦斯工藝,但7 煤層松軟致使煤體的流變特性對(duì)鉆孔成孔的影響極為顯著。 結(jié)合祁南煤礦煤力學(xué)參數(shù)與煤層力學(xué)環(huán)境,采用數(shù)值仿真的方法獲得了順層鉆孔縮徑特征,如圖2 所示。

圖2 鉆孔孔壁位移隨時(shí)間變化關(guān)系

由圖2 可知:鉆孔形成后,孔壁移動(dòng)變形將明顯侵占鉆孔空間,致使孔徑減小,在25 ～30 d 鉆孔基本被周圍煤體的移動(dòng)變形所完全填充。 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)際分析,在鉆孔并網(wǎng)接抽的20 d 以內(nèi),瓦斯抽采效果基本能維持在相對(duì)較高的水平,但在30 d 后,鉆孔抽采瓦斯量與濃度均呈現(xiàn)極為明顯的衰減特征,90 d 后,多數(shù)鉆孔抽采瓦斯量已趨近于0。

2 基于預(yù)置篩管護(hù)孔的松軟低透煤層高效抽采瓦斯技術(shù)

綜合分析,筆者提出了基于預(yù)置篩管護(hù)孔的松軟低透煤層高效抽采瓦斯技術(shù),該技術(shù)是通過(guò)在鉆孔內(nèi)預(yù)置壁面開孔的中空管路,且管路具有一定的強(qiáng)度,在孔壁煤體位移至管路時(shí),管路支撐煤體,管路內(nèi)部空間是瓦斯匯集的通道,起到持續(xù)抽采瓦斯的作用。 預(yù)置篩管不但能夠應(yīng)對(duì)孔壁煤體位移對(duì)鉆孔空間的侵占,還能有效避免塌孔造成的費(fèi)孔。

預(yù)置篩管的方式可以是隨鉆下篩管,也可以是成孔后下篩管。 淮北礦區(qū)普遍采用成孔后下篩管的方式,即在順層鉆孔施工完成后立即向鉆孔內(nèi)部以人工形式推送篩管。 篩管的管材選用適合煤礦井下使用的聚乙烯管,簡(jiǎn)稱PVC 管。 篩管外徑29.8 ～35.0 mm,內(nèi)徑26 mm,具有抗靜電阻燃性。管壁上布有篩孔,篩孔直徑10 mm,間距100 mm,篩管具體尺寸如圖3 所示。

圖3 篩管尺寸

鉆孔內(nèi)預(yù)置篩管可使瓦斯導(dǎo)流通道暢通,帶來(lái)源源不斷的瓦斯產(chǎn)出,裸孔和篩管孔的瓦斯抽采量對(duì)比如圖4 所示。 由圖4 可看出,裸孔抽采瓦斯量是持續(xù)走低的,而篩管孔抽采瓦斯量則能穩(wěn)定長(zhǎng)達(dá)5 個(gè)月,到抽采的第9 個(gè)月仍有瓦斯產(chǎn)出。 篩管連通了鉆孔深處煤體和抽采系統(tǒng),使瓦斯流動(dòng)通道保持暢通,有效地延長(zhǎng)了瓦斯抽采時(shí)間。

圖4 裸孔和篩管孔的瓦斯抽采量對(duì)比

3 合理的封孔深度

圍巖松動(dòng)圈外依次是塑性區(qū)、黏彈性區(qū)。 從裂隙發(fā)育和滲透率特征分析,黏彈性區(qū)是瓦斯向巷道流動(dòng)以及外部大氣進(jìn)入鉆孔密封空間的天然屏障,合理的抽采鉆孔使封孔深度進(jìn)入黏彈性區(qū),而不是大力封堵巷道松動(dòng)圈裂隙[5]。

鉆孔施工初期鉆頭旋轉(zhuǎn)破巖所需要的壓力低,鉆進(jìn)速度快,煤體具有破碎區(qū)圍巖的特征;而后鉆進(jìn)速度基本穩(wěn)定情況下,鉆進(jìn)壓力顯著增加,并在15 ～20 m 達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定高值,表明鉆進(jìn)15 ～20 m間存在應(yīng)力峰值;20 m 左右后鉆進(jìn)速度斷崖式下降,具有彈性區(qū)外緣和原始應(yīng)力區(qū)特征。 黏彈性區(qū)可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔施工情況來(lái)判斷:淮北礦區(qū)順層鉆孔施工過(guò)程普遍在鉆進(jìn)15 m 后阻力顯著增加,維持距離5 ～8 m。 鉆孔施工完成后放置篩管,篩管進(jìn)入鉆孔15 ～20 m 時(shí)阻力明顯增大,而后篩管的推進(jìn)卻相對(duì)容易。

結(jié)合鉆孔施工反饋和預(yù)置篩管分析情況,綜合判斷,集中應(yīng)力峰值在15 ～20 m 之間。 巷道周圍存在瓦斯排放帶,是最大的封孔深度[6]。 淮北礦區(qū)賦存有氣煤、肥煤,巷道瓦斯排放帶為20 m 左右,綜合確定淮北礦區(qū)順層鉆孔封孔深度不宜超過(guò)20 m。現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了3 種不同封孔深度的抽采效果試驗(yàn),具體數(shù)據(jù)如圖5 所示。 由圖5 可知,3 種情況下瓦斯抽采濃度初期均可保持在80%以上,而后逐漸下降,但下降速率分化嚴(yán)重。 封孔深度為15 m 的瓦斯?jié)舛认陆底羁烨曳茸畲?封孔深度為20 m 的次之,而封孔深度25 m 的下降最慢且幅度最小。20 m 的封孔深度和25 m 的封孔深度,抽采效果區(qū)別不大,因此,20 m 的封孔深度能夠滿足瓦斯抽采需求。

圖5 不同封孔深度下的瓦斯抽采瓦斯?jié)舛?/p>

綜合各礦井順層鉆孔施工情況,考慮可接受的瓦斯抽采效果,確定淮北礦區(qū)順層鉆孔的封孔深度為17 ～20 m。 同時(shí),結(jié)合預(yù)置篩管和“兩堵兩注”封孔工藝,鉆孔抽采的有效服務(wù)時(shí)間達(dá)6 個(gè)月以上,瓦斯?jié)舛乳L(zhǎng)時(shí)間保持在30%以上。

4 順層鉆孔高效抽采技術(shù)的瓦斯抽采試驗(yàn)效果

瓦斯抽采是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,單方面改進(jìn)瓦斯抽采效果不明顯。 因此,淮北礦區(qū)系統(tǒng)結(jié)合了上述人造導(dǎo)流通道、合理封孔深度等技術(shù)因素,形成了適合松軟突出煤層特點(diǎn)的順層鉆孔護(hù)孔-封孔技術(shù)體系。 試驗(yàn)過(guò)程中,統(tǒng)計(jì)了7 個(gè)鉆孔的瓦斯抽采濃度變化情況,如圖6 和表1 所示。 其中71#、185#孔為傳統(tǒng)工藝,即不下篩管護(hù)孔;其余5 個(gè)鉆孔采用新工藝即下篩管護(hù)孔,封孔深度20 m。 從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看,71#、185#孔封孔后的瓦斯?jié)舛鹊?兩個(gè)月后瓦斯?jié)舛冉抵?0%以下。 其他5 個(gè)測(cè)試鉆孔瓦斯?jié)舛容^高,3 個(gè)月內(nèi)的瓦斯?jié)舛染S持在45%以上,考察時(shí)間較長(zhǎng)的3 個(gè)鉆孔的瓦斯?jié)舛仍诘? 個(gè)月也能達(dá)55%以上。 這表明封孔深度20 m是可靠的。

圖6 7 個(gè)鉆孔的瓦斯抽采濃度變化

圖7 和表1 為考察鉆孔抽采有效期、抽采活躍期和對(duì)應(yīng)的流量。 原工藝下的71#孔,抽采活躍期60 d,每米鉆孔的平均流量為0.51 L/min;新工藝下的185#鉆孔封孔質(zhì)量不佳,其抽采瓦斯的活躍期和對(duì)應(yīng)的每米鉆孔平均流量相當(dāng)。 新工藝下,考察較為完整的233#、235#和46#鉆孔其活躍期達(dá)200 d以上,233#鉆孔甚至可達(dá)250 d;在抽采活躍期,233#、235#和46#鉆孔的每米煤孔平均流量分別為0.50、0.47、0.82 L/min,略等于或超過(guò)71#鉆孔在活躍期的流量。 新工藝下的補(bǔ)53#孔和補(bǔ)208#孔,考察時(shí)間短,但結(jié)果顯示抽采活躍期至少在90 ～110 d,也超過(guò)71#鉆孔;同時(shí),其每米煤孔平均流量達(dá)0.8 L/min左右,遠(yuǎn)超過(guò)71#鉆孔。 抽采活躍期后,鉆孔的抽采仍然是有效的。 原工藝下的71#鉆孔在活躍期后的60 d 仍能抽出瓦斯來(lái),每米煤孔的平均流量達(dá)0.18 L/min。 新工藝下,總瓦斯抽采時(shí)間可達(dá)280 d,每米鉆孔的平均流量達(dá)0.17 L/min 以上。

圖7 抽采有效期、抽采活躍期及對(duì)應(yīng)流量

表1 抽采有效期、抽采活躍期及對(duì)應(yīng)流量

可見(jiàn),采用順層鉆孔高效抽采技術(shù)后,鉆孔瓦斯抽采活躍期達(dá)200 d 以上,是原抽采鉆孔的3 倍以上,甚至在280 d 還有瓦斯產(chǎn)出,且瓦斯流量與原鉆孔60 ～120 d 的瓦斯流量相當(dāng)。 原抽采條件下即使是封孔效果較好的鉆孔在60 d 的瓦斯?jié)舛纫呀抵?0%甚至更低,而新技術(shù)下抽采6 個(gè)月后瓦斯?jié)舛热阅鼙３衷?0%以上。

4 結(jié)論

1)淮北礦區(qū)突出煤層順層鉆孔在20 ～25 m 位置容易塌孔,通過(guò)孔內(nèi)下篩管維持鉆孔空間,可保障瓦斯流動(dòng)通道暢通,延長(zhǎng)鉆孔有效抽采瓦斯的時(shí)間。

2)巷道側(cè)煤體應(yīng)力重新分布,處于彈性范圍的集中應(yīng)力區(qū)滲透性降低,是阻礙外部空氣進(jìn)入的天然屏障,通過(guò)“兩堵兩注”封堵孔邊裂隙和巷道裂隙,配合自然屏障,可實(shí)現(xiàn)有效封孔。

3)系統(tǒng)集成孔內(nèi)預(yù)置篩管維持鉆孔空間、鉆孔施工反饋確定封孔深度,形成了適合淮北礦區(qū)突出煤層特點(diǎn)的順層鉆孔預(yù)抽技術(shù),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐表明順層鉆孔的抽采活躍期可達(dá)200 d 以上,抽采瓦斯?jié)舛染S持在30%以上,有效抽采時(shí)間達(dá)280 d,瓦斯抽采的數(shù)量和質(zhì)量顯著提高。