郭家山煤礦井下瓦斯的高位鉆孔抽放系統(tǒng)優(yōu)化實(shí)踐

崔榮峰,王彥軍

(1.山西省臨汾市蒲縣能源局,山西 臨汾 041000;2.山西蒲縣宏源集團(tuán)郭家山煤業(yè),山西 臨汾 041000)

為改善煤礦開(kāi)采狀況,我國(guó)從20世紀(jì)50年代開(kāi)始從國(guó)外(主要是前蘇聯(lián))引進(jìn)先進(jìn)礦井瓦斯抽放技術(shù),在消化吸收國(guó)外先進(jìn)抽放技術(shù)的基礎(chǔ)上,研究出不少適合我國(guó)煤礦瓦斯抽放實(shí)際情況的技術(shù)成果,很大程度上解決了我國(guó)瓦斯災(zāi)害問(wèn)題[1-4]。但是，隨著開(kāi)采深度和強(qiáng)度的增加,有些低瓦斯礦井也出現(xiàn)了高瓦斯區(qū)域。以前完全依靠增大風(fēng)量來(lái)沖淡瓦斯,后來(lái)逐步采用少量單一的抽放瓦斯方法,配合通風(fēng)稀釋來(lái)解決瓦斯超限問(wèn)題。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái),我國(guó)的高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井進(jìn)一步增多,為了遏制煤礦重大瓦斯事故的發(fā)生,國(guó)家相關(guān)部門(mén)增大資金投入,加強(qiáng)科研工作,許多先進(jìn)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,如高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯技術(shù)在煤礦得到了廣泛的應(yīng)用[5-6]。

1 礦井概況

山西蒲縣宏源集團(tuán)郭家山煤礦設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力60萬(wàn)t/a。井田面積13.112 1 km2,批準(zhǔn)開(kāi)采2#-11#煤層,保有資源儲(chǔ)量2 541萬(wàn)t,可采儲(chǔ)量1 514萬(wàn)t,設(shè)計(jì)服務(wù)年限19.8 a。目前開(kāi)采2#煤層,平均厚度1.37 m,煤層賦存穩(wěn)定。礦井為低瓦斯礦井,瓦斯絕對(duì)涌出量8.55 m3/min,相對(duì)涌出量8.13 m3/t,該礦2011—2013年瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果如表1所示。該礦水文地質(zhì)類型為中等；礦井正常涌水量為74 m3/h,最大涌水量為98 m3/h；煤層自燃傾向性為Ⅱ級(jí),煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性。

表1 郭家山煤業(yè)2011—2013年瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果Table 1 Gas grade appraisal results of Guojiashan Coal Industry from 2011 to 2013

礦井通風(fēng)方式為中央并列式,通風(fēng)方法為機(jī)械抽出式?；仫L(fēng)立井安裝2臺(tái)FBCDZ-№18型防爆對(duì)旋軸流式通風(fēng)機(jī),礦井總進(jìn)風(fēng)量4 245 m3/min,總回風(fēng)量4 301 m3/min,通風(fēng)負(fù)壓1 150 Pa，等積孔為1.85 m2,礦井通風(fēng)難易程度為中等,通風(fēng)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠?；夭晒ぷ髅娌捎谩癠”型全負(fù)壓通風(fēng)方式，掘進(jìn)面采用FBD-№7.1型局部通風(fēng)機(jī)和直徑1 000 mm的柔性風(fēng)筒壓入式通風(fēng),局部通風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)了“三專兩閉鎖”“雙風(fēng)機(jī)、雙電源”,并且具有自動(dòng)切換功能。

2 礦井瓦斯抽放技術(shù)

礦井屬低瓦斯礦井,但在回采期間,上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)在0.8%左右,利用風(fēng)障導(dǎo)風(fēng)無(wú)法徹底消除隱患。工作面瓦斯一部分來(lái)源于開(kāi)采層的煤壁和落煤解吸的瓦斯,另一部分來(lái)源于采空區(qū)遺留煤解吸的瓦斯及圍巖、鄰近層涌出的瓦斯。煤層開(kāi)采后,上覆巖層中形成離層裂隙和豎向破斷裂隙。由于瓦斯密度為0.716 8 kg/m3,比空氣的密度(1.293 kg/m3)小得多,因此工作面涌出的部分瓦斯上浮運(yùn)移到裂隙帶,并隨著頂板的垮落進(jìn)入采空區(qū)及上隅角,造成工作面上隅角瓦斯增大。采用高位鉆孔,將采空區(qū)瓦斯抽排到總回風(fēng)巷,可以降低上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

2013年至2017年該礦使用一套ZWY-90/110型井下移動(dòng)瓦斯抽采泵站,采用高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯,但存在抽采能力小、抽采濃度低、上隅角瓦斯治理效果差等缺點(diǎn)。隨著2#煤層的進(jìn)一步開(kāi)采,工作面浮煤瓦斯涌出量增大,該抽放系統(tǒng)已不能同時(shí)滿足2個(gè)工作面的瓦斯抽放。2017年下半年對(duì)井下移動(dòng)瓦斯抽放系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí),安裝2臺(tái)2BEC52瓦斯抽放泵(主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示),采用高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯,瓦斯抽放能力及各項(xiàng)抽采指標(biāo)均得到全面提升。

表2 2BEC52瓦斯抽放泵主要技術(shù)指標(biāo)Table 2 Main technical indicators of 2BEC52 gas drainage pump

3 井下移動(dòng)瓦斯抽放系統(tǒng)優(yōu)化方案

3.1 原瓦斯抽放系統(tǒng)

采用ZWY-90/110型瓦斯抽放泵,最大抽氣量90 m3/min,最大軸功率97 kW,轉(zhuǎn)速390 r/min,供水量4.0～13.0 m3/h。進(jìn)排氣口管路各選用一趟Φ325 mm管路(回風(fēng)大巷安裝),工作面管路選用一趟Φ273 mm管路。抽放鉆孔與273管路間采用Φ65 mm軟管連接。

采用高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯,在工作面回風(fēng)巷,沿回風(fēng)巷走向每隔60 m開(kāi)掘矩形硐室作為鉆場(chǎng),鉆場(chǎng)長(zhǎng)4 m,寬3 m,高2 m。鉆孔分上下兩排布置,每排5個(gè)鉆孔,呈扇形布置。上、下排孔傾角和方位角一致,傾角分別為2.4°,2.4°,3.2°,4.0°,4.8°,方位角分別為0°,3.5°,4.5°,5.8°,6.8°。在距巷幫0.8 m距頂板0.7 m處施工第一個(gè)鉆孔,鉆孔間距0.3 m,排距0.4 m。高位鉆孔上排孔終孔高度分別為4.9,4.9,6.6,8.4,10.0 m;上下排孔終孔與上隅角距離一致,分別為4.8,7.2,9.5,11.9,14.1 m。鉆孔施工時(shí),采用直徑113 mm鉆頭,孔長(zhǎng)度120 m。

封孔采用FKQW-75/0.15型氣脹式封孔器,封孔器內(nèi)留有73 mm的鋼管,用于抽放瓦斯。封孔器一頭為篩管,一頭為螺絲口,通過(guò)管鼓與抽放支管連接抽放,封孔器插入鉆孔后,利用打氣筒給封孔器充氣,直至壓力達(dá)到0.15 MPa,并保證封孔器不漏氣。

3.2 優(yōu)化后的瓦斯抽放系統(tǒng)

采用2BEC52瓦斯抽放泵,最大抽氣量235 m3/min,變頻控制,氣量可調(diào)范圍150～235 m3/min,最大軸功率244 kW,轉(zhuǎn)速340 r/min,供水量20 m3/h,減速機(jī)傳動(dòng),額定頻率50 Hz。進(jìn)排氣口管路選用Φ426 mm管路,進(jìn)氣口管路在瓦斯泵站外調(diào)整為兩趟Φ325 mm管路(回風(fēng)大巷安裝),工作面管路選用一趟Φ273 mm管路。抽放鉆孔與273管路間采用Φ65 mm軟管、水閘分離器連接。

采用高位鉆孔抽放采空區(qū)瓦斯,在工作面回風(fēng)巷,沿回風(fēng)巷走向每隔60 m開(kāi)掘矩形硐室作為鉆場(chǎng),鉆場(chǎng)長(zhǎng)4 m,寬4.5 m,高2 m。鉆孔分上下兩排布置,每排5個(gè)鉆孔,呈扇形布置。上、下排孔傾角和方位角一致,傾角根據(jù)煤層傾角確定,方位角根據(jù)孔深確定。在距巷幫2.0 m距頂板0.5 m處施工第一個(gè)鉆孔,鉆孔間距0.6 m,排距0.4 m。高位鉆孔上下排孔終孔高度距工作面煤層頂板13～25 m;上下排孔終孔與上隅角距離一致,分別為3,6,9,12,15 m。鉆孔施工時(shí),采用直徑113 mm鉆頭,孔長(zhǎng)度130 m。

封孔采用水泥漿封孔,孔內(nèi)插入Φ65 mm的鋼管,用于抽放瓦斯。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比

高位鉆孔抽放瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比如表3所示。

表3 高位鉆孔抽放瓦斯系統(tǒng)優(yōu)化前后參數(shù)對(duì)比Table 3 Parameter comparison before and after optimization of gas drainage system with high-level boreholes

4 應(yīng)用效果分析

1)ZWY-90/110型瓦斯抽放泵抽氣量小,氣量不可調(diào);2BEC52瓦斯抽放泵抽氣量增大,氣量可調(diào),可根據(jù)抽放地點(diǎn)需求調(diào)節(jié)氣量,減少損失,延長(zhǎng)抽放泵使用壽命。

2)系統(tǒng)優(yōu)化后,抽放管路直徑增大,保證了管路有足夠的通過(guò)能力,降低了阻力,確保了瓦斯管內(nèi)流速在經(jīng)濟(jì)流速之內(nèi)。

3)抽放鉆孔與273管路間增加了水閘分離器,避免了水抽入瓦斯管路,影響抽放效果。

4)抽放硐室寬度由3.0 m增加到4.5 m,增加了鉆孔布置的空間。由原來(lái)的距巷幫0.8 m距頂板0.7 m處施工第一個(gè)鉆孔,優(yōu)化為距巷幫2.0 m距頂板0.5 m處施工第一個(gè)鉆孔,避免了鉆孔施工時(shí)鉆頭遇幫錨桿報(bào)廢的風(fēng)險(xiǎn),避免了因煤層裂隙發(fā)育鉆孔漏氣大的風(fēng)險(xiǎn)。

5)鉆孔傾角根據(jù)煤層傾角確定,原上排孔終孔高度距工作面煤層頂板4.9～10.0 m,優(yōu)化為上下排孔終孔高度距工作面煤層頂板13～25 m,考慮了鉆孔施工受煤層頂板巖石軟硬程度變化及鉆桿自重的影響,提高了鉆孔的使用效率。原上下排孔終孔與上隅角距離分別為4.8,7.2,9.5,11.9,14.1 m，優(yōu)化為3,6,9,12,15 m,便于施工人員記憶及施工。

綜上,本次優(yōu)化高位鉆孔瓦斯抽放系統(tǒng)通過(guò)更換最大抽放量和可調(diào)控的瓦斯抽放泵、新增水閘分離器、調(diào)整上排終孔高度距工作面距離和上下排孔終孔與上隅角距離等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)比分析優(yōu)化前后參數(shù),發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的瓦斯抽放系統(tǒng)管內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)由2%增加至10%左右,上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)由1%降低至0.4%,抽放效果及上隅角瓦斯治理效果顯著。同時(shí),封孔由氣脹式封孔優(yōu)化為水泥漿封孔,減少了材料消耗,提高了經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

1)瓦斯抽放系統(tǒng)優(yōu)化后,抽氣量由90 m3/min增加到235 m3/min,抽放能力得到提高；鉆孔布置優(yōu)化后,管內(nèi)瓦斯體積分?jǐn)?shù)由2%增加至10%,上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)由1%降低至0.4%,抽放效果及上隅角瓦斯治理效果顯著,對(duì)礦井通風(fēng)管理及現(xiàn)場(chǎng)管理起到積極作用,確保了上隅角瓦斯風(fēng)險(xiǎn)在可控范圍內(nèi)。

2)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中積累了部分適用于郭家山礦的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。鉆孔與抽放管路間安裝板孔流量計(jì)及人工檢測(cè)裝置,控制抽放氣量,提升抽放效果;鉆孔內(nèi)安裝并使用水渣分離器,能及時(shí)排出水、渣,提高抽放效果;合理調(diào)整鉆孔施工參數(shù),將鉆孔盡可能布置在砂巖內(nèi),退鉆時(shí)沖孔將廢渣沖凈能有效避免塌孔、堵孔情況;調(diào)整鉆孔施工長(zhǎng)度,采用兩個(gè)鉆場(chǎng)同時(shí)抽放采空區(qū)瓦斯,能有效避免接替鉆場(chǎng)時(shí)上隅角瓦斯超限。

3)隨著開(kāi)采線長(zhǎng)度、深度的增加,煤礦對(duì)瓦斯的治理工作將更加困難, 依靠通風(fēng)不能徹底解決,其他措施解決瓦斯問(wèn)題安全又無(wú)保障,所以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,科學(xué)創(chuàng)新、靈活有效利用瓦斯抽放優(yōu)化技術(shù),是解決瓦斯治理的有效途徑。