頂板走向高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的研究及應(yīng)用

2021-04-09 07:38:08李世雄

煤炭與化工 2021年2期

李世雄

（霍州煤電集團騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西臨汾 041000）

0 引言

礦井采掘深度的不斷延伸，工作面的瓦斯涌出量不斷增加，作為煤與瓦斯突出的礦井，瓦斯已成為制約礦井安全生產(chǎn)的主要因素。回采工作面的瓦斯涌出是礦井瓦斯事故的主要誘因，而回采工作面瓦斯主要來源于鄰近層瓦斯涌出和開采層瓦斯涌出，開采層瓦斯涌出來源又可分為煤壁瓦斯、落煤瓦斯和采空區(qū)瓦斯，其中，鄰近層瓦斯涌出是回采工作面涌出量的重要組成部分，瓦斯災(zāi)害事故嚴重影響礦井正常生產(chǎn)[1-2]。為此，本文以騰暉礦2-202工作面為工程背景，對工作面瓦斯抽采技術(shù)進行研究，以保證礦井的安全回采。

1 礦井概況

騰暉礦位于山西鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村，設(shè)計年生產(chǎn)能力120 萬t。2-202 工作面所采的2 號煤層位于山西組下部，屬于穩(wěn)定性煤層，煤層平均厚度3.5 m，頂板裂隙發(fā)育程度低，底板遇水膨脹軟化程度小。2-202 工作面位于二采區(qū)，工作面傾斜283 m、走向長1 300 m，工作面地質(zhì)條件簡單，沒有大的斷層構(gòu)造存在，煤層平均傾角在2°，煤體瓦斯含量為 10.93 ～29.14 m3/t，煤的孔隙率為12.5%，煤層透氣性系數(shù)為 3.632 9 m2/（MPa2·d），采取Y 型通風(fēng)方式，在距工作面切眼1150 位置處，設(shè)置有1 個二切眼。根據(jù)現(xiàn)場鉆孔取樣分析，上鄰近煤層及K2、L4 灰?guī)r中瓦斯涌出約占8 號煤層工作面瓦斯涌出量的20%左右，回采初期，采取高位裂隙帶鉆孔抽采上鄰近煤層及K2、L4 灰?guī)r中瓦斯，鉆孔布置如圖1 所示，但效果不理想，回采過程中，工作面瓦斯超限現(xiàn)象時有發(fā)生，針對這一現(xiàn)象，為了防止回采期間因鄰近層瓦斯涌向2-202上工作面隅角造成瓦斯超限事故，研究分析決定，擬改為頂板走向長鉆孔瓦斯抽采工藝，以期達到抽采安全標準[3]。

圖1 2- 202 工作面高抽鉆場布置Fig.1 Layout of high drainage drilling site of 2-202 working face

2 頂板走向長鉆孔瓦斯抽采鉆孔布置

騰暉礦在二切眼距2-202 工作面回風(fēng)順槽60 m 處施工了 1 個長 4.5 m×深 4 m 的鉆場，在2-202 工作面回風(fēng)順槽，采用ZDY-11800LD 型號鉆機、選用直徑為89 mm 的鉆桿進行鉆場布置，鉆桿孔直徑選用120 mm，鉆孔長度設(shè)定為600 m，鉆進層位是2 號煤，距3 號煤頂板20.5 m，鉆場距回風(fēng)順槽垂直高度為15 m，鉆場寬度控制60 m 范圍內(nèi)，鉆孔布置如圖2 所示。

圖2 鉆孔布置示意Fig.2 Drilling layout

鉆孔直徑大，鉆孔抽采量相應(yīng)增大，根據(jù)鉆機性能、施工速度與技術(shù)水平等因素，對成孔進行2次擴孔處理，最終成孔直徑為193 mm。同時，施工過程中，考慮長鉆孔導(dǎo)致的鉆桿自重引發(fā)的下沉量，鉆孔施工過程中采取一定的仰角來彌補鉆孔的彎曲下沉，根據(jù)理論計算及經(jīng)驗確定仰角為10°。

3 封孔工藝

采用兩堵一注聚胺脂+注漿聚胺脂+聚胺脂封孔的封孔方式，封孔長度均為12 m，封孔管外露鉆孔長度均為200 mm，封孔管均采用聚乙烯管，前兩種鉆孔選用2 寸封孔管，第三種鉆孔選用4 寸封孔管。

在封孔管首、末兩端距離設(shè)計位置各1 m 處，封聚胺脂（加麻袋片）將封孔器推入孔內(nèi)，在卷纏麻袋片和聚胺脂藥液的同時將1 根注漿管和1 根導(dǎo)氣管一并封入孔內(nèi)，導(dǎo)氣管、注漿管的外露鉆孔長度均為100 mm，且導(dǎo)氣管位于鉆孔壁的上側(cè)，注漿管位于鉆孔壁的下側(cè)。在鉆孔孔口100 mm 段，人工封入水泥砂漿將封孔管、導(dǎo)氣管、注漿管固定好。待水泥砂漿凝固結(jié)實后，利用注漿泵和注漿管向鉆孔內(nèi)注入聚胺脂藥液即可。人工用水泥砂漿將抽采管末端剩余空間封實并固定好[4-5]。

4 抽采管路選型及負壓計算

4.1 管路選型

騰暉礦在2-202 工作面回風(fēng)順槽布置1 趟抽采管路，瓦斯抽采管路直徑D根據(jù)絕對瓦斯涌出量、預(yù)計的瓦斯抽出量及瓦斯抽采率，采用公式（1）進行計算：

式中：D為瓦斯管內(nèi)徑，m；Qc為管內(nèi)氣體混合流量，m3/min；v為管內(nèi)氣體經(jīng)濟合理平均流速，取5 ～ 15 m/s。

在瓦斯抽采管路中，Qc取55 m3/min，v取10 m/s，計算得D=341 mm。考慮到一定的備用系數(shù)，抽采管路直徑取400 mm，選用直徑為426 mm 抽采管路[6]。

4.2 抽采管路阻力計算及孔口負壓計算

（1）抽采管路系統(tǒng)摩擦阻力計算。

式中：H為某段管路的摩擦阻力，Pa；△為混合瓦斯對空氣的相對密度，△=1-0.446C/100；C為管路內(nèi)瓦斯?jié)舛龋?；Q為某段管路的混合瓦斯流量，m3/h；K為系數(shù)，取0.71；D為管道內(nèi)徑，cm；L為管路的等值總長度，包括局部阻力的等值長度即L=L1+∑L2；L1為管路的直線長度，m；L2為某局部阻力的等值總長度，m。

計算的抽采管道直管阻力損失為1 349 Pa。

（2）局部阻力損失計算。

管路局部阻力損失按直管阻力損失的20%計算。

（3）總阻力損失計算。

（4）鉆孔抽采負壓計算。

式中：H孔為抽采鉆孔孔口負壓，Pa；H泵為瓦斯泵的壓力，30000Pa；H正為瓦斯泵出口正壓，4500Pa；H總為抽采管路總阻力損失，1 619 Pa。

4.3 抽采系統(tǒng)

騰暉礦結(jié)合已有的巷道布置，設(shè)計2-202 工作面瓦斯抽采路線為回風(fēng)順槽（D426 不銹鋼管） —回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷（D426 不銹鋼管） —南翼下組煤回風(fēng)巷（D711 不銹鋼管）南二回風(fēng)巷（D711 不銹鋼管） —地面抽采泵站[7-8]。

4.4 抽采管路安裝設(shè)計及要求

本煤層抽采管路沿巷道頂板吊設(shè)，距左幫（煤體側(cè)）大于100 mm，距頂板不大于300 mm。每根管路設(shè)2 個吊掛點，在管路出口處安裝1 個蝶閥和在線監(jiān)測裝置以及孔板流量裝置[9]。

回風(fēng)措施巷左幫（煤柱側(cè)）吊掛距幫200 mm，距頂300 mm。管路采用鋼絲繩（φ9.3 mm）和管卡吊掛固定，中間加絕緣皮帶，每根管路設(shè)置2 個吊掛點，每隔100 m 安設(shè)1 組接地極，接地極阻值不大于2 歐姆。在管路出口處安裝1 個蝶閥和在線監(jiān)測裝置、孔板流量裝置以及自動噴粉抑爆裝置，2 個噴粉罐之間的距離為50 m。火焰?zhèn)鞲衅鲬?yīng)安設(shè)在自動噴粉抑爆裝置與抽采進氣口之間，距離抑爆裝置的距離（沿管道軸向）大于50 m。

所有抽采管路敷設(shè)做到平、穩(wěn)、直、密。離地不小于1.8 m；抽采管路通過的巷道曲線段少、距離短，轉(zhuǎn)彎時角度不大于50°；管路需進行漏氣試驗，千米漏氣率不得大于3 m3/min。

5 抽采效果分析

對2-202 工作面開采初期高抽鉆場和后期頂板走向長鉆孔鉆場2 種抽采工藝的工程費用進行了初步計劃，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

表1 工程費用比較Table 1 Comparison of project costs

通過表1 數(shù)據(jù)分析可以，頂板走向長鉆孔鉆場工程施工費用僅是高抽鉆場的69.75%，經(jīng)濟實惠。此外，在頂板走向長鉆孔抽采和高抽鉆場抽采兩種情形下，對瓦斯抽采流量隨工作面推進距離的變化情況進行統(tǒng)計，如圖3 所示。從圖中可明顯看出，高抽鉆場需在工作面回采0 ～35 m 處瓦斯抽采流量很小，之后快速增長，但抽采流量不穩(wěn)定，且低于頂板走向長鉆孔鉆場；而采取頂板走向長鉆孔鉆場，自工作面開始回采，瓦斯抽采流量迅速上升，并保持在較高值，抽采效果好，能有效降低臨近煤層、K2、L4 灰?guī)r中瓦斯逸散而造成的工作面瓦斯?jié)舛瘸蓿_保了工作的安全回采[10]。