大孔徑鉆孔在掘進面瓦斯治理的實踐應用

閆沁陽

(潞安化工集團能源事業部 通風部,山西 長治 046204)

煤礦瓦斯災害時刻威脅著礦井的生產安全,尤其是隨著煤層開采深度的不斷增加,瓦斯的賦存壓力和含量也逐漸增加,會給煤礦安全開采帶來更大的威脅。鉆孔抽放煤層瓦斯可以降低煤層瓦斯壓力,減少瓦斯災害的發生[1-3]。大直徑鉆孔抽采瓦斯是一種行之有效的瓦斯治理方法,很多學者針對大直徑鉆孔瓦斯抽采理論和技術進行了大量研究,取得了顯著的效果[4-13]。李宏等[4]采用數值計算的方法,探討了大直徑定向頂板長鉆孔的層位、間距等關鍵參數對采空區瓦斯運移規律影響機制,并對抽采工藝進行了完善。潘俊鋒等[5]研究了不同孔間距下大直徑鉆孔卸壓效果。張春華等[6]分析了大直徑雙鉆孔強化抽采瓦斯的效果。陳月霞等[7]結合理論分析與數值模擬,研究抽采鉆孔孔徑與間距對瓦斯抽采的影響。高艷忠[8]研究了松軟煤層不提鉆直接下篩管鉆孔護壁技術,發現成孔率大幅度提高。陳久福等[9]研究了鉆孔內下套管瓦斯增透技術。祝釗[10]研究了大直徑套管鉆進一次成孔技術。謝生榮等[11]采用了尾巷超大直徑管路橫接采空區密閉抽采技術,結果表明,上隅角瓦斯、瓦斯尾巷的瓦斯體積分數分別降低到0.9%、1.7%以下,瓦斯治理效果顯著。為解決潞安化工集團某礦巷道掘進過程中瓦斯體積分數較高的問題,本文采用大孔徑鉆孔卸壓治理瓦斯,并從工作面掘進效率、瓦斯治理效果以及經濟效益等方面對大孔徑鉆孔與常規鉆孔進行對比分析,以期對類似地質條件煤巷掘進過程中的瓦斯治理提供一定的參考。

1 工作面概況

S5207膠帶巷道沿3號煤層底板掘進,設計全長1 849 m,截至2021年6月27日,已掘進1 224.6 m,巷道斷面為矩形,寬5.4 m,高3.8 m,斷面積為20.52 m2,工作面標高為+384～+577 m,巷道北面為南五膠帶下山;南面、西面及東面均為實體煤。

S5207膠帶巷道里程0～107 m巷段及回風聯巷掘進期間不施工鉆場。里程107～1 743 m巷段掘進期間,在巷道兩幫邁步布置“邊掘邊抽”瓦斯抽采鉆場。煤層厚度約為6.11 m,沿掘進方向煤層傾角為-4°～2°.

巷道內大孔徑釋放孔之前1個月內(5月10日—6月10日),回風流最大瓦斯體積分數為0.92%,回風流平均瓦斯體積分數為0.64%,殘余瓦斯含量9.81 m3/t,風量1 581 m3/min,風排瓦斯量10.12 m3/min,不均勻涌出系數平均值為1.28.

巷道施工期間采取的瓦斯治理措施為:邁步鉆場邊掘邊抽、迎頭釋放孔、CO2氣相壓裂,順層鉆孔采前預抽。

2 大孔徑釋放孔工藝

本礦井其他膠帶巷掘進期間工作面發生瓦斯探頭預警、響煤炮等現象,為了解決工作面煤層瓦斯壓力大、掘進期間瓦斯體積分數高等問題,于6月10日開始在S5207膠帶巷施工大孔徑釋放孔。

2.1 鉆孔設計

迎頭釋放孔參數及要求:施工15個釋放孔,孔徑為120 mm,深度為18 m,釋放孔按三排五列布置。沿煤層底板掘進期間:第一排釋放孔傾角與巷道傾角一致,第二排釋放孔傾角為巷道傾角加3°,第三排釋放孔傾角為巷道傾角加7°,見圖1.

圖1 迎頭釋放孔布置正視圖(單位:mm)

2.2 施工設備

迎頭施工大孔徑釋放孔采用ZQSJ-90/2.4A架柱支撐手持氣動鉆機,參數見表1.

表1 ZQSJ-90/2.4A架柱支撐手持氣動鉆機參數

表2 各階段瓦斯濃度變化

該鉆機為便攜式鉆機,具有安全防爆、轉矩大、轉速高、體積小、結構簡單和維修方便等特點。

2.3 施工組織

2.3.1 工藝用時

普通釋放孔施工40個,長度13 m,大孔徑釋放孔施工15個,長度18 m,均為3臺鉆機6人操作同時施工。普通釋放孔用時為4～5 h,大孔徑釋放孔在打鉆正常的情況下用時為4～5 h,因孔徑增大導致夾鉆等異常情況出現時,施工用時為5～8 h,從施工用時分析,普通釋放孔較優。

2.3.2 卸壓效果

大孔徑釋放孔較優化前,施工深度增加3 m,隨著鉆孔施工深度增加,煤體內應力向深部移動,卸壓效果增強,具體表現為檢修班的響煤炮次數由之前的平均7次減少為5次。

2.3.3 安全效益

施工大孔徑釋放孔前100 m掘進里程內(2021年5月22日—6月9日),工作面回風流瓦斯體積分數最大值為0.79%,達14次,回風流平均瓦斯體積分數為0.68%,瓦斯預警1次。施工大孔徑釋放孔后100 m掘進里程內(6月10日—6月28日),工作面回風流瓦斯體積分數最大值為0.79%,達11次,回風流平均瓦斯體積分數為0.65%,瓦斯預警1次,大孔徑釋放孔對工作面掘進期間瓦斯治理情況無明顯改善。

3 工作面瓦斯治理措施效果分析

大直徑鉆孔優勢:①大孔徑瓦斯釋放孔可以更多地揭露瓦斯地層中的孔隙和裂隙,更加有效地釋放煤層中賦存的瓦斯;②大孔徑瓦斯釋放孔孔深較大,煤體卸壓效果更強,瓦斯釋放效果更好。

為分析S5207膠帶巷道大孔徑釋放孔效果,選取2021年5月10日—6月27日掘進期間巷道內瓦斯涌出情況為分析對象,并按照采取的瓦斯治理措施劃分為2個階段。第一階段(5月10日—6月9日),工作面采取的瓦斯治理措施為:迎頭CO2氣相壓裂+普通釋放孔+邁步鉆場邊掘邊抽;第二階段(6月10日—6月27日)瓦斯治理措施為:迎頭CO2氣相壓裂+大孔徑釋放孔+邁步鉆場邊掘邊抽。

3.1 大孔徑釋放孔施工前后檢修時工作面風排瓦斯量變化

圖2為大孔徑釋放孔施工前后檢修時工作面瓦斯涌出情況。從圖中可以看出,大孔徑釋放孔施工前,檢修時回風流平均瓦斯體積分數為0.61%;大孔徑釋放孔施工后,檢修時回風流平均瓦斯體積分數為0.63%,提高0.02%,風排瓦斯量增加0.3 m3/min,即施工大孔徑釋放孔過程中,增加了0.3 m3/min的瓦斯釋放量,變化很小。因此,施工大孔徑釋放孔對巷道瓦斯涌出量基本無影響。

圖2 大孔徑釋放孔施工前后檢修時工作面瓦斯涌出量變化圖

3.2 大孔徑釋放孔瓦斯釋放效果

由圖3、圖4可知,大孔徑釋放孔施工前,回風流最大瓦斯體積分數為0.81%,回風流平均瓦斯體積分數為0.60%;大孔徑釋放孔施工后,回風流最大瓦斯體積分數為0.90%,平均瓦斯體積分數為0.62%,風排瓦斯量由9.49 m3/min提升至9.80 m3/min.施工大孔徑釋放孔前后回風流最大瓦斯體積分數無明顯變化,回風流平均瓦斯體積分數由0.60%變化為0.62%,即瓦斯釋放量有所增加,但增加量有限。

圖3 大孔徑釋放孔施工前后瓦斯濃度變化曲線

圖4 大孔徑釋放孔施工前后風排瓦斯量變化曲線

3.3 大孔徑釋放孔掘進日進尺

大孔徑釋放孔施工前,共掘進51.3 m,用時10 d,掘進日進尺為5.13 m/d;施工大孔徑釋放孔后,掘進53.3 m,用時10 d,掘進日進尺為5.33 m/d,掘進效率提升3.9%.綜合分析,施工大孔徑釋放孔施工速度較快。

3.4 大孔徑釋放孔不均勻涌出系數分析

施工大孔徑釋放孔可以降低工作面迎頭煤體淺部瓦斯壓力,將煤體內部壓力向深處轉移。為分析該效果,選取生產期間每小時瓦斯涌出不均勻系數進行分析。圖5為大孔徑釋放孔施工前后風排瓦斯量變化曲線圖。割第一排煤時,較檢修期間瓦斯大量涌出,不均勻系數處于最高值,隨著割煤的連續作業,瓦斯涌出趨于穩定,不均勻系數穩定在1～1.3之間。由圖可知,掘進3排以后,施工大孔徑釋放孔后的瓦斯不均勻系數略高于未施工大孔徑釋放孔的掘進區域,分析原因為,施工大孔徑釋放孔期間對深部煤體的擾動作用強于施工普通鉆孔,割煤期間煤體更容易破碎釋放瓦斯,造成落煤瓦斯涌出量的增加,從而導致生產期間施工大孔徑釋放孔區域瓦斯涌出不均勻系數略高于未施工大孔徑釋放孔區域。施工大孔徑釋放孔后,生產期間不均勻瓦斯涌出系數為1.11;施工普通釋放孔后,生產期間不均勻瓦斯涌出系數為1.14.因此,兩種瓦斯治理措施效果接近。

圖5 大孔徑釋放孔施工前后風排瓦斯量變化曲線圖

3.5 瓦斯治理效果分析

表3為大孔徑鉆孔施工前后瓦斯治理效果,由表可知,施工大孔徑釋放孔前后工作面瓦斯體積分數基本無變化,風排瓦斯量增加0.31 m3/min,不均勻涌出系數由1.44降低至1.41,從瓦斯治理效果及保證掘進進尺方面分析,大孔徑釋放孔與施工普通釋放孔效果基本一致。

表3 各階段瓦斯治理成本

4 瓦斯治理成本分析

4.1 普通釋放孔和大孔徑釋放孔施工成本

按照施工要求,釋放孔要求正規循環每個早班進行施工,施工普通釋放孔,掘進51.3 m,用時10 d,需施工10×40=400個釋放孔。按單價29.73元/m計算,掘進50 m釋放孔費用為400×29.73×15=178 380元。

按照施工要求,大孔徑釋放孔要求在正規循環每2個圓班施工1組大孔徑釋放孔,大孔徑釋放孔單價為51元/m,按照全部施工至指定深度18 m,每組施工15個釋放孔計算,施工1組釋放孔成本為13 770元。施工大孔徑釋放孔期間掘進53.3 m,施工大孔徑釋放孔5組,施工費用約為68 850元。

4.2 CO2氣相壓裂施工成本

按照每50 m施工1次氣相壓裂計算,施工鉆孔費用單價為63.95元/m,施工鉆孔深度按照80 m計算,則施工壓裂鉆孔費用為5 166元。氣相壓裂增透施工費用按照20根全部有效起爆計算:20×1 929=38 580元。施工一次氣相壓裂的總費用約為43 746元。

4.3 瓦斯治理成本分析

表3為各階段瓦斯治理成本,由表中可以看出,施工1次氣相壓裂的費用為40 114.4元,施工5組大孔徑釋放孔(允許掘進距離50 m)的費用為68 850元,施工10組釋放孔費用為178 380元。從瓦斯治理成本分析,優先選擇單獨大孔徑釋放孔。

5 結 語

1) 與常規鉆孔相比,大孔徑釋放孔工藝瓦斯治理效果顯著:施工大孔徑釋放孔前后工作面瓦斯體積分數基本無變化,風排瓦斯量增加0.31 m3/min,不均勻涌出系數由1.44降低至1.41.

2) 與常規鉆孔相比,大孔徑釋放孔工藝掘進效率和經濟效益顯著:掘進日進尺從5.13 m/d增加至5.33 m/d,增幅3.90%;鉆孔施工成本(50 m巷道)從178 380元減少至68 850元,降幅61.4%.