綜采工作面通風(fēng)方式對(duì)頂板高位定向鉆孔抽采效果的影響及分析

趙向東

(山西燃?xì)饧瘓F(tuán)有限公司,山西 太原 030027)

隨著礦井開采水平的逐步提高,煤層地質(zhì)條件日漸趨于復(fù)雜,瓦斯已成為制約礦井安全生產(chǎn)的重要影響因素。目前,針對(duì)綜采工作面回風(fēng)隅角瓦斯治理的手段主要有:密閉墻埋管、頂板高位定向鉆孔、高抽巷等方式。密閉墻埋管依靠提前布置在密閉墻的抽放管路低負(fù)壓大流量抽放采空區(qū)瓦斯,是解決綜采工作面回風(fēng)隅角瓦斯涌出的有效手段。但是,由于密閉墻附近空間較大,頂板未能充分塌實(shí),抽放瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較低,對(duì)于采空區(qū)瓦斯的治理效果較差。高抽巷具有施工周期長(zhǎng)、材料人工成本較高的缺點(diǎn),導(dǎo)致工作面采掘接替緊張、回采成本高,特別是高抽巷層位相對(duì)固定,靈活性差,對(duì)于解決采空區(qū)瓦斯存在一定的局限性。頂板高位定向鉆孔具有操作簡(jiǎn)單、 針對(duì)性強(qiáng)、抽采濃度及流量大的特點(diǎn),是目前解決采空區(qū)瓦斯聚集的最有效手段。頂板高位定向鉆孔的施工除了對(duì)施工層位和成孔質(zhì)量有一定的要求外,與頂板高位鉆孔布置方式和綜采工作面的通風(fēng)方式也有很大關(guān)系,否則,會(huì)出現(xiàn)鉆孔抽放量低、無抽放量的情況。

1 綜采工作面頂板高位定向鉆孔布置方式

1.1 頂板高位定向鉆孔布置的基本原理

綜采工作面在回采過后,頂板冒落形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶,通過利用采空區(qū)瓦斯在冒落帶、裂隙帶的賦存特征,結(jié)合鉆孔成孔的基本要求,在工作面回風(fēng)側(cè)附近采用千米定向鉆機(jī)施工高位孔。將大部分鉆孔布置在工作面頂板上方距離煤頂6～8倍采高的巖體裂隙中,通過抽放泵站對(duì)鉆孔裂隙進(jìn)行抽放,采空區(qū)瓦斯通過裂隙進(jìn)入鉆孔內(nèi),使大部分高濃度瓦斯定向流向頂板高位定向鉆孔,達(dá)到減少采空區(qū)瓦斯涌出的目的[1-2]。

1.2 頂板高位定向鉆孔工藝流程

頂板高位大直徑定向鉆孔成孔裝置主要有:ZDY12000LD型全液壓坑道鉆機(jī)、BLY390/12型泥漿泵車、YHD2-1000(A)孔口供電式隨鉆測(cè)量裝置、YHD3-1500泥漿脈沖無線隨鉆測(cè)量裝置、Φ73 mm四級(jí)螺桿馬達(dá)等裝備、中心通纜和普通鉆桿單向閥、Φ73 mm無線隨鉆鉆桿和Φ102 mm高強(qiáng)度大通孔鉆桿等配套鉆具,同時(shí)包括硬巖定向鉆進(jìn)用PDC鉆頭和塔式組合擴(kuò)孔鉆頭,所有這些形成了適合于高位大直徑定向鉆孔施工的成套裝備。

頂板高位定向鉆孔成孔工藝技術(shù)主要由隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)和定向鉆孔大直徑擴(kuò)孔技術(shù)組成,為快速優(yōu)質(zhì)成孔奠定了基礎(chǔ)。隨鉆測(cè)量復(fù)合定向鉆進(jìn)技術(shù)是回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)與滑動(dòng)定向鉆進(jìn)的結(jié)合,鉆頭高速旋轉(zhuǎn)切削碎巖,實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)斜鉆進(jìn)。采用回轉(zhuǎn)方式進(jìn)行大直徑擴(kuò)孔,避免擴(kuò)孔鉆進(jìn)出分支和鉆具發(fā)生安全事故,鉆孔孔徑達(dá)到153 mm,可將實(shí)鉆鉆孔軌跡與設(shè)計(jì)軌跡偏差控制在5‰以內(nèi)。

頂板定向高位鉆孔布置在采空區(qū)“O”型圈裂隙帶內(nèi)，并對(duì)其中的瓦斯進(jìn)行抽采。根據(jù)寺河礦3#煤層頂板特點(diǎn),頂板高位大直徑定向鉆孔是使用定向鉆機(jī)在工作面回風(fēng)巷利用橫川煤柱,向采空區(qū)裂隙帶(6～8倍采高層位)提前施工的定向高位鉆孔。每個(gè)高位鉆場(chǎng)施工鉆孔4～5個(gè),鉆孔施工長(zhǎng)度為450～480 m。使用Φ120 mm鉆頭施工、Φ200 mm鉆頭擴(kuò)孔,鉆孔布置間距為10 m[3],平面上距離巷道15～60 m以內(nèi),剖面上距離煤層頂板距離40～52 m,采用大直徑封孔管進(jìn)行封孔。鉆孔布置剖面圖如圖1所示。

圖1 鉆孔布置剖面圖Fig.1 Borehole layout profile

2 綜采工作面通風(fēng)系統(tǒng)布置方式對(duì)瓦斯抽采效果影響

2.1 綜采工作面基本情況

寺河礦是煤與瓦斯突出礦井,礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為936.69 m3/min,W3309工作面配風(fēng)量為3 500 m3/min。煤層最大厚度6.2 m,最小厚度5.0 m,平均厚度為6.0 m。工作面煤層厚度變化較小,整體處于5.8～6.2 m之間;沿推進(jìn)方向,工作面西南部靠機(jī)頭側(cè)會(huì)出現(xiàn)煤層增厚現(xiàn)象,增厚幅度較小,約6.2 m;工作面西北部受煤層變薄帶影響,煤層厚度變薄,約4.0 m。工作面原始瓦斯含量18.41 m3/t,對(duì)工作面煤體采取預(yù)抽瓦斯措施,殘余含量降至7.52 m3/t以下,最大為7.236 m3/t,工作面煤層煤塵無爆炸性,自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ級(jí),屬于不易自燃煤層。

綜采工作面多采用“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)和“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)兩種通風(fēng)方式,采用密閉墻埋管和頂板高位定向鉆孔方式解決采空區(qū)瓦斯。當(dāng)工作面采用“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)時(shí),工作面推進(jìn)方向和工作面回風(fēng)流流經(jīng)方向相反,而采用“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)時(shí),工作面推進(jìn)方向和工作面回風(fēng)流流經(jīng)方向一致。兩種通風(fēng)方式如圖2、圖3所示。

圖2 “三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)Fig.2 Three-in-one-back partial Y-type rear return air ventilation

圖3 “兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)Fig.3 Two-in-one-return U+L type front return air ventilation

2.2 綜采工作面高位鉆孔布置方式及管路布置情況

寺河礦采用多種強(qiáng)化抽采措施進(jìn)行采空區(qū)抽采,抑制采空區(qū)瓦斯涌出,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)采煤工作面“U”型通風(fēng)方式。為滿足W3309工作面瓦斯治理的需要,在W33092巷西幫鋪設(shè)一趟377預(yù)抽系統(tǒng),用于高位鉆孔;同時(shí)在W33092巷東幫鋪設(shè)一趟711抽排系統(tǒng),用于工作面回采時(shí)上隅角和W3309工作面閉墻抽放。

為解決W3309工作面初采及回采過程中上隅角的瓦斯,在工作面上隅角一側(cè)使用千米鉆機(jī)施工頂板高位鉆孔,鉆場(chǎng)位置為W33092巷聯(lián)絡(luò)橫川,每隔4個(gè)橫川施工一組高位鉆孔,W33092/93巷橫川高位鉆場(chǎng)共設(shè)計(jì)鉆孔3個(gè),鉆孔層位為40～50 m。1#鉆孔距W33093巷東幫以東15 m,層位40 m,鉆孔孔徑120 mm,鉆孔深度450 m,終孔孔徑200 mm,連打帶擴(kuò)孔工程量為900 m。孔間距為10 m,該鉆場(chǎng)累計(jì)工程量為2 700 m。綜采工作面高位鉆孔布置方式如圖4所示。

圖4 綜采工作面高位鉆孔布置方式Fig.4 High-level borehole layout of fully-mechanized working face

2.3 不同通風(fēng)方式下頂板定向高位鉆孔抽放效果對(duì)比

W3309工作面在前期采用“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)的通風(fēng)方式,頂板定向高位鉆孔抽放量相對(duì)較低,抽放量始終保持在1 m3/min左右,工作面平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)0.6%左右;后期為了滿足W33092巷道的維護(hù),5月26日將工作面調(diào)整為“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)的通風(fēng)系統(tǒng),在5月27日對(duì)頂板定向高位鉆孔進(jìn)行抽放量測(cè)定時(shí),發(fā)現(xiàn)抽放量發(fā)生了明顯的變化,抽放量提升了10 m3/min左右。表1選取了工作面日均產(chǎn)量相同,在兩種通風(fēng)方式情況下,瓦斯涌出量和瓦斯?jié)舛鹊淖兓?/p>

表1 高位鉆孔抽放量、閉墻埋管抽放量及工作面風(fēng)流瓦斯對(duì)比Table 1 Comparison table of high-level borehole gas drainage, closed-wall-buried-pipe gas drainage, and gas concentration of working face air flow

表1(續(xù))

通過表1我們可以看出,“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)瓦斯頂板高位定向鉆孔抽放量比“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)的抽放量多10 m3/min左右,工作面風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)則減少0.18%左右,故“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)瓦斯抽放的效果較好。

2.4 頂板定向高位鉆孔抽放效果分析

“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)工作面推進(jìn)方向和風(fēng)流方向一致,“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)工作推進(jìn)方向與風(fēng)流方向相反。由于通風(fēng)方式不同,對(duì)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)產(chǎn)生了較大影響[4-5],兩種通風(fēng)方式下回風(fēng)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)如圖5、圖6所示。

圖5 “三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)Fig.5 Gas flow field in goaf with three-in-one-back partial Y-type rear return air ventilation

圖6 “兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)采空區(qū)瓦斯流場(chǎng)Fig.6 Gas flow field in goaf with two-in-one-returnU+L type front return air ventilation

由圖5、圖6可以看出,“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)上隅角以里采空區(qū)高濃度瓦斯分布較“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)更加靠前,且在回風(fēng)隅角側(cè)瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高。

“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)通風(fēng)方式下，瓦斯在采空區(qū)產(chǎn)生瓦斯流場(chǎng)區(qū)域向深部集聚,瓦斯流動(dòng)方向與頂板高位定向鉆孔抽放所形成的負(fù)壓區(qū)域相反,在采空區(qū)形成對(duì)拉的負(fù)壓區(qū),造成瓦斯流動(dòng)能力減弱,加之通風(fēng)系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)域影響范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于頂板高位定向鉆孔,因此其抽放效果差?！皟蛇M(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)通風(fēng)方式下，瓦斯在采空區(qū)產(chǎn)生瓦斯流場(chǎng)區(qū)域向回風(fēng)隅角及回風(fēng)側(cè)巷道處集聚,在回風(fēng)隅角以里形成高濃度瓦斯集聚區(qū),瓦斯流動(dòng)方向與頂板高位定向鉆孔抽放所形成的負(fù)壓區(qū)域相同,由于千米鉆機(jī)施工的高位定向鉆孔布置在采空區(qū)裂隙帶中,靠近回風(fēng)隅角側(cè)，因此，通風(fēng)系統(tǒng)產(chǎn)生的流場(chǎng)可以使瓦斯源源不斷地向回風(fēng)隅角側(cè)流動(dòng),使高位定向鉆孔能夠抽放高濃度的瓦斯,從而有效解決采空區(qū)瓦斯[6]。

3 頂板高位定向鉆孔優(yōu)化設(shè)計(jì)及效果分析

由于回風(fēng)井布置的特殊位置關(guān)系, 寺河礦西二盤區(qū)和西三盤區(qū)南翼綜采工作面均采用“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)通風(fēng)方式。在這種通風(fēng)方式下,頂板定向高位鉆孔瓦斯抽放量相對(duì)較低,采空區(qū)積聚了大量瓦斯,工作面在推進(jìn)過程中,經(jīng)常出現(xiàn)架間瓦斯大量涌出的情況,為了有效解決采空區(qū)瓦斯,需要對(duì)頂板定向高位鉆孔的布置地點(diǎn)和方式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 頂板高位定向鉆孔布置方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)通風(fēng)方式產(chǎn)生的流場(chǎng)使采空區(qū)瓦斯在深部集聚,因此需對(duì)頂板高位定向鉆孔進(jìn)行優(yōu)化,鉆孔優(yōu)化如圖7所示。

圖7 “三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)頂板定向高位鉆孔優(yōu)化Fig.7 Directional high-level borehole optimization in roof with three-in-one-back partial Y-type rear return air ventilation

1)綜采工作面回采初期,利用尾部調(diào)車巷提前施工高、低位孔解決采空區(qū)深部瓦斯,低位孔層位控制在10～15 m;高位孔層位控制在20～25 m。

2)隨著工作面的推進(jìn),調(diào)車巷施工的高、低位孔的作用范圍逐步減少,需要在工作面每推進(jìn)150 m左右施工一組200 m(重疊50 m)左右的高位孔。

3)針對(duì)千米高位定向鉆孔抽放量低的情況,將鉆孔設(shè)計(jì)為距離煤壁15～30 m距離向工作面方向推進(jìn)10 m,使定向鉆孔產(chǎn)生的負(fù)壓區(qū)解決采空區(qū)內(nèi)的瓦斯富集。

3.2 頂板高位定向鉆孔布置效果分析

寺河礦W3309工作面采用“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)通風(fēng)方式,工作面采空區(qū)瓦斯通過采用密閉墻埋管和頂板高位定向鉆孔解決。在滯后工作面推進(jìn)150 m處施工一組150 m的高位定向鉆孔,施工后高位定向鉆孔抽放總量提升了15 m3/min,工作面風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低了0.22%。W3309工作面定向高位鉆孔抽放量與瓦斯含量的關(guān)系,如圖8所示。

4 結(jié)論

1)頂板高位定向鉆孔相比較高抽巷和閉墻埋管方式,具有施工簡(jiǎn)單,影響范圍大的優(yōu)勢(shì),是目前解決采空區(qū)瓦斯的最有效手段,但是鉆孔抽放效果與通風(fēng)系統(tǒng)有密切聯(lián)系。

圖8 W3309工作面定向高位鉆孔抽放量與瓦斯含量的關(guān)系統(tǒng)計(jì)圖Fig.8 Relationship between the drainage and gas concentration of directional high-level borehole in the W3309 working face

2)綜采工作面在采用“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)和“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng)兩種不同通風(fēng)方式下,頂板高位定向抽放純量相差10 m3/min以上,工作面回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)相差0.18%。采用“兩進(jìn)一回”U+L型前置回風(fēng),工作面推進(jìn)方向與回風(fēng)流方向一致時(shí),更有利于頂板高位定向鉆孔抽放。

3)“三進(jìn)一回”偏Y型后置回風(fēng)通風(fēng)方式產(chǎn)生的流場(chǎng)使采空區(qū)瓦斯在深部集聚,通過在綜采工作面采空區(qū)深部布置優(yōu)化鉆孔,施工后的高位定向鉆孔抽放量總量提升了15 m3/min,工作面風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)降低了0.22%。