郭家山煤礦井下瓦斯的高位鉆孔抽放系統優化實踐

崔榮峰,王彥軍

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

為改善煤礦開采狀況,我國從20世紀50年代開始從國外(主要是前蘇聯)引進先進礦井瓦斯抽放技術,在消化吸收國外先進抽放技術的基礎上,研究出不少適合我國煤礦瓦斯抽放實際情況的技術成果,很大程度上解決了我國瓦斯災害問題[1-4]。但是，隨著開采深度和強度的增加,有些低瓦斯礦井也出現了高瓦斯區域。以前完全依靠增大風量來沖淡瓦斯,后來逐步采用少量單一的抽放瓦斯方法,配合通風稀釋來解決瓦斯超限問題。進入21世紀以來,我國的高瓦斯礦井和瓦斯突出礦井進一步增多,為了遏制煤礦重大瓦斯事故的發生,國家相關部門增大資金投入,加強科研工作,許多先進技術應運而生,如高位鉆孔抽放采空區瓦斯技術在煤礦得到了廣泛的應用[5-6]。

1 礦井概況

山西蒲縣宏源集團郭家山煤礦設計生產能力60萬t/a。井田面積13.112 1 km2,批準開采2#-11#煤層,保有資源儲量2 541萬t,可采儲量1 514萬t,設計服務年限19.8 a。目前開采2#煤層,平均厚度1.37 m,煤層賦存穩定。礦井為低瓦斯礦井,瓦斯絕對涌出量8.55 m3/min,相對涌出量8.13 m3/t,該礦2011—2013年瓦斯等級鑒定結果如表1所示。該礦水文地質類型為中等；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,煤塵具有爆炸危險性。

表1 郭家山煤業2011—2013年瓦斯等級鑒定結果Table 1 Gas grade appraisal results of Guojiashan Coal Industry from 2011 to 2013

礦井通風方式為中央并列式,通風方法為機械抽出式。回風立井安裝2臺FBCDZ-№18型防爆對旋軸流式通風機,礦井總進風量4 245 m3/min,總回風量4 301 m3/min,通風負壓1 150 Pa，等積孔為1.85 m2,礦井通風難易程度為中等,通風系統穩定可靠。回采工作面采用“U”型全負壓通風方式，掘進面采用FBD-№7.1型局部通風機和直徑1 000 mm的柔性風筒壓入式通風,局部通風機實現了“三專兩閉鎖”“雙風機、雙電源”,并且具有自動切換功能。

2 礦井瓦斯抽放技術

礦井屬低瓦斯礦井,但在回采期間,上隅角瓦斯體積分數在0.8%左右,利用風障導風無法徹底消除隱患。工作面瓦斯一部分來源于開采層的煤壁和落煤解吸的瓦斯,另一部分來源于采空區遺留煤解吸的瓦斯及圍巖、鄰近層涌出的瓦斯。煤層開采后,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移到裂隙帶,并隨著頂板的垮落進入采空區及上隅角,造成工作面上隅角瓦斯增大。采用高位鉆孔,將采空區瓦斯抽排到總回風巷,可以降低上隅角瓦斯濃度。

2013年至2017年該礦使用一套ZWY-90/110型井下移動瓦斯抽采泵站,采用高位鉆孔抽采采空區瓦斯,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。隨著2#煤層的進一步開采,工作面浮煤瓦斯涌出量增大,該抽放系統已不能同時滿足2個工作面的瓦斯抽放。2017年下半年對井下移動瓦斯抽放系統進行了優化升級,安裝2臺2BEC52瓦斯抽放泵(主要技術指標如表2所示),采用高位鉆孔抽放采空區瓦斯,瓦斯抽放能力及各項抽采指標均得到全面提升。

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

3 井下移動瓦斯抽放系統優化方案

3.1 原瓦斯抽放系統

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,轉速390 r/min,供水量4.0～13.0 m3/h。進排氣口管路各選用一趟Φ325 mm管路(回風大巷安裝),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瓦斯,在工作面回風巷,沿回風巷走向每隔60 m開掘矩形硐室作為鉆場,鉆場長4 m,寬3 m,高2 m。鉆孔分上下兩排布置,每排5個鉆孔,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,采用直徑113 mm鉆頭,孔長度120 m。

封孔采用FKQW-75/0.15型氣脹式封孔器,封孔器內留有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,直至壓力達到0.15 MPa,并保證封孔器不漏氣。

3.2 優化后的瓦斯抽放系統

采用2BEC52瓦斯抽放泵,最大抽氣量235 m3/min,變頻控制,氣量可調范圍150～235 m3/min,最大軸功率244 kW,轉速340 r/min,供水量20 m3/h,減速機傳動,額定頻率50 Hz。進排氣口管路選用Φ426 mm管路,進氣口管路在瓦斯泵站外調整為兩趟Φ325 mm管路(回風大巷安裝),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瓦斯,在工作面回風巷,沿回風巷走向每隔60 m開掘矩形硐室作為鉆場,鉆場長4 m,寬4.5 m,高2 m。鉆孔分上下兩排布置,每排5個鉆孔,呈扇形布置。上、下排孔傾角和方位角一致,傾角根據煤層傾角確定,方位角根據孔深確定。在距巷幫2.0 m距頂板0.5 m處施工第一個鉆孔,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,采用直徑113 mm鉆頭,孔長度130 m。

封孔采用水泥漿封孔,孔內插入Φ65 mm的鋼管,用于抽放瓦斯。

3.3 系統優化前后參數對比

高位鉆孔抽放瓦斯系統優化前后參數對比如表3所示。

表3 高位鉆孔抽放瓦斯系統優化前后參數對比Table 3 Parameter comparison before and after optimization of gas drainage system with high-level boreholes

4 應用效果分析

1)ZWY-90/110型瓦斯抽放泵抽氣量小,氣量不可調;2BEC52瓦斯抽放泵抽氣量增大,氣量可調,可根據抽放地點需求調節氣量,減少損失,延長抽放泵使用壽命。

2)系統優化后,抽放管路直徑增大,保證了管路有足夠的通過能力,降低了阻力,確保了瓦斯管內流速在經濟流速之內。

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。由原來的距巷幫0.8 m距頂板0.7 m處施工第一個鉆孔,優化為距巷幫2.0 m距頂板0.5 m處施工第一個鉆孔,避免了鉆孔施工時鉆頭遇幫錨桿報廢的風險,避免了因煤層裂隙發育鉆孔漏氣大的風險。

5)鉆孔傾角根據煤層傾角確定,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，優化為3,6,9,12,15 m,便于施工人員記憶及施工。

綜上,本次優化高位鉆孔瓦斯抽放系統通過更換最大抽放量和可調控的瓦斯抽放泵、新增水閘分離器、調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實現。對比分析優化前后參數,發現優化后的瓦斯抽放系統管內瓦斯體積分數由2%增加至10%左右,上隅角瓦斯體積分數由1%降低至0.4%,抽放效果及上隅角瓦斯治理效果顯著。同時,封孔由氣脹式封孔優化為水泥漿封孔,減少了材料消耗,提高了經濟效益。

5 結論

1)瓦斯抽放系統優化后,抽氣量由90 m3/min增加到235 m3/min,抽放能力得到提高；鉆孔布置優化后,管內瓦斯體積分數由2%增加至10%,上隅角瓦斯體積分數由1%降低至0.4%,抽放效果及上隅角瓦斯治理效果顯著,對礦井通風管理及現場管理起到積極作用,確保了上隅角瓦斯風險在可控范圍內。

2)實際應用過程中積累了部分適用于郭家山礦的實踐經驗。鉆孔與抽放管路間安裝板孔流量計及人工檢測裝置,控制抽放氣量,提升抽放效果;鉆孔內安裝并使用水渣分離器,能及時排出水、渣,提高抽放效果;合理調整鉆孔施工參數,將鉆孔盡可能布置在砂巖內,退鉆時沖孔將廢渣沖凈能有效避免塌孔、堵孔情況;調整鉆孔施工長度,采用兩個鉆場同時抽放采空區瓦斯,能有效避免接替鉆場時上隅角瓦斯超限。

3)隨著開采線長度、深度的增加,煤礦對瓦斯的治理工作將更加困難, 依靠通風不能徹底解決,其他措施解決瓦斯問題安全又無保障,所以根據現場實際情況,科學創新、靈活有效利用瓦斯抽放優化技術,是解決瓦斯治理的有效途徑。