综放采空区千米钻孔与高位钻孔抽采方法对比分析及优化∗

陈 亮许小凯尚荣亚段本杰王吉生葛路军

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083; 3.潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西市长治市,046103)

★煤矿安全★

综放采空区千米钻孔与高位钻孔抽采方法对比分析及优化∗

陈 亮1许小凯2尚荣亚1段本杰1王吉生3葛路军3

(1.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083; 2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院,北京市海淀区,100083; 3.潞安集团余吾煤业有限责任公司,山西市长治市,046103)

以余吾煤业N1102综放面为例,通过考察高位钻场与千米钻场两种抽采方法下瓦斯纯流量、瓦斯浓度、抽采总纯量与工作面累积日进尺的关系,得出千米钻场抽采纯量仅为高位钻场的一半,分析其原因,并提出了改进打钻设备及封孔工艺、采用注水法结合UDEC数值模拟法准确确定裂隙带高度、在单个千米钻孔内开出多条分支、提高抽采负压等优化方法。

采空区 瓦斯抽采 高位钻场 千米钻场 裂隙带 抽采效果

根据调查统计,我国近一半的矿井中采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的35%～45%,少数矿井高达80%。采空区瓦斯的大量涌出会导致工作面瓦斯超限,影响正常生产。国内相关研究指出当前综采采空区瓦斯抽采方法主要有高位钻场法、千米钻场法、采空区埋管、插管法、高抽巷法和地面钻井法。

为了研究综放工作面采空区瓦斯钻孔抽采方法存在的问题,并对其进行优化。本文以余吾煤业N1102工作面为例,阐述该工作面采空区高位钻场和千米钻场两种具体抽采方法,并考察了两种方法下各项抽采参数的变化情况,分析原因并提出改进措施。

1 采空区瓦斯钻孔抽采方法的评价

1.1 高位钻孔抽采

高位钻孔抽采的优点:高位钻孔的终孔位置位于采空区顶板裂隙带,能高效抽采采空区瓦斯;防止上隅角瓦斯超限;由于高位钻场位于工作面的回风侧,抽采系统发生故障时,不影响工作面正常回采。

高位钻孔抽采的缺点:高位钻孔的有效抽采时间短,随着工作面推进,钻孔逐渐落入冒落带,抽采效果不稳定;打钻时遇到软质煤(岩)层,易发生塌孔,严重影响抽采效果;遇到坚硬岩层时,钻进速度较慢,无法达到设计的孔深要求。

1.2 千米钻孔抽采

千米钻孔抽采的优点:千米钻孔的大部分孔身都处于裂隙带,钻孔有效长度长,瓦斯抽采浓度高,钻孔数少;利用千米钻机可视功能,实现精确布孔,可避免出现穿孔和抽采盲区。

千米钻孔抽采的缺点:在软煤中钻进易发生塌孔和掉钻头等钻孔事故,成孔率低,导致瓦斯抽采总量下降;若千米钻孔设计高度偏出裂隙带(偏低进入冒落带,偏高进入未受采动影响区),则整个钻孔失效;单孔造价较高。

2 工程实践

余吾煤业设计产量为6.0 Mt/a,主采二叠系山西组3＃煤层,厚度6.2 m,倾角8°～10°,3＃煤层主要为中灰、特低硫、低磷、高发热量的贫煤,矿井相对瓦斯涌出量为34.06 m3/t,属高瓦斯矿井。

2.1 试验工作面概况

余吾煤业N1102工作面位于北风井东翼采区,工作面标高为＋427～＋456 m,工作面埋藏深度为534～629 m。工作面回采长度1022 m,切眼宽度为300 m,可采储量约247万t。工作面施行双U型通风方式,采用综采放顶煤法,割煤高度为3.2 m,放顶3 m。

N1102工作面地质构造为单斜构造,煤层直接顶板为砂质泥岩,底板为粉砂岩。该工作面原始瓦斯含量为9.48 m3/t,煤层瓦斯压力为0.87 MPa。

2.2 采空区瓦斯抽采

N1102工作面采空区采用千米钻孔瓦斯抽采和高位钻孔抽采相结合的方法进行瓦斯抽采,其中千米钻场布置在距回风巷6 m外的瓦排巷内,高位钻孔钻场布置在运输巷和回风巷内。

2.2.1 高位钻孔

在N1102工作面回风巷向煤层实施33个梯形钻场,其内宽4 m、外宽6 m、深4 m、高3.6 m,钻场间距为50 m,钻孔在平面图上呈扇形布置,孔径为94 mm,钻孔深度为72～134 m。回风巷高位钻孔布置如图1所示。

图1 N1102回风巷高位钻孔布置示意图

N1102回风巷钻场正面布置两排高位钻孔,呈三花眼布置,共12个钻孔,高位钻孔的终孔位置落在采空区上方的裂隙带发育区(控制范围为距煤层顶板之上20～40 m)。钻孔开口位置距底板分别为1.7 m、2.2 m,裂隙孔间距0.5 m,裂隙孔终孔点间距20 m,裂隙孔控制工作面距回风巷道100 m。钻场高位钻孔设计参数见表1。

表1 N1102回风巷钻场高位钻孔设计参数

钻孔施工完成后,在钻杆末端接上井下高压水管对成孔进行清水冲洗,保持孔内清洁;封孔时,封孔管采用直径50 mm的PVC管,PVC管路前段的花管长度为2 m,封孔深度不低于12 m,相邻两段管采用螺纹连接,使用气囊法封孔,即在花管末端套上充气胶囊,并在封孔管路接近尾端处(距离管路尾端约1 m)装上注浆管和充气胶囊,然后充气使之与孔壁接触紧密,前后气囊之间采用注浆泵注入水泥砂浆,以保证封孔的气密性良好。

2.2.2 千米钻机裂隙孔

在N1102工作面的瓦排巷共布置3个千米钻机钻场,1＃钻场位于N1102瓦排巷距工作面切巷501 m,钻场呈单边梯形,里宽9.5 m,外宽13.5 m,钻场深度4.5 m,高度3 m。相邻钻场间距为350 m,千米钻孔的终孔位置落在采空区上方的裂隙带内。千米钻孔布置如图2所示。

图2 N1102工作面千米钻孔布置示意图

每个千米钻场内实施9个裂隙带钻孔,钻孔在钻场正面和侧面呈单排布置,开孔间距为1 m,开孔高度2 m,直径为96 mm,各钻孔设计参数如表2所示。

表2 瓦排巷3＃千米钻场的钻孔设计参数

成孔层位位于3＃煤层顶板上方25～30 m的中粒砂岩层,终孔水平间距为18～21 m,距回风巷水平距离14～182 m。钻孔施工完成后,需要用水冲洗,保持孔内清洁;由于开孔时前15 m孔径为120 mm,此段钻孔下放108 mm的套管,并在管外壁注入水泥砂浆进行加固,后面的孔径采取96 mm的小钻头,由于千米钻孔孔身较长,为防止塌孔,需要全程下40 mm花管(PVC材质),并在孔口段采用水泥石膏浆封孔,保证封孔效果。

3 两种裂隙带钻孔抽采效果考察及优化

3.1 两种裂隙带钻孔的效果分析

本次考察对象选择3＃千米钻场与相同控制范围内高位钻场的抽采参数,通过统计N1102工作面回采首月期间3＃千米钻场与高位钻场的裂隙带钻孔的平均瓦斯抽采纯量、平均瓦斯浓度、抽采负压、回风巷上隅角瓦斯超限情况以及工作面累积日进尺等数据,建立起工作面累积日进尺与不同抽采方法下各项瓦斯抽采参数之间的关系。高位钻场与千米钻场抽采瓦斯纯量、抽采瓦斯浓度、抽采瓦斯纯量之和与日产量关系分别如图3、图4和图5所示。

图3 两种钻孔瓦斯抽采纯量对比图

图4 两种钻孔瓦斯抽采浓度对比图

图5 两种钻孔抽采总量与日产量关系图

由图3、图4和图5可以得出:

(1)在回采工作面开始回采的初期,采空区上方的顶板没有完全垮落,导致此段裂隙带发育不充分,瓦斯向上运移的裂隙通道未完全形成,高位钻孔和千米钻孔的瓦斯浓度和瓦斯抽出量均较低。

(2)随着工作面的推进,经过初次老顶来压,采空区顶板塌冒完全,顶板裂隙通道充分发育,采空区瓦斯抽采量明显增加,逐步超过工作面风排瓦斯量,降低了工作面风排瓦斯压力。

(3)回采工作面日进尺越大,日产量越高,采空区遗煤越多,对应的采空区瓦斯涌出量越大,使得瓦斯抽采量也越大。当其他条件一定时,工作面回采速度与采空区瓦斯涌出量呈正比关系。

(4)由图4可知,高位钻场的抽采浓度总体上忽高忽低,没有千米钻场稳定。千米钻场控制区域较大,而高位钻场则需要多次抽采衔接,在其抽采衔接过程中,靠近工作面的钻场钻孔高度已经位于采空区上方的冒落带,易与工作面形成串风,致使高位钻场整体抽采浓度不稳定。

(5)千米钻孔单孔瓦斯抽采纯量高于高位钻孔,但是千米钻场瓦斯抽采总纯量还不到高位钻场的一半。其原因为千米钻孔的数量少,孔身长,钻进过程中遇到软煤或软质岩层时,容易塌孔,直接影响整体抽采效果;由于千米钻孔大部分孔身位于采空区裂隙带,故裂隙带高度的确定很关键;千米钻场的抽采负压偏低,平均为9 kPa,不能抽出大量瓦斯。

3.2 两种裂隙带钻孔的优化措施

针对两种裂隙带钻孔的软煤成孔难、终孔位置难确定和孔口抽采负压低的问题提出相应优化措施:在软煤钻进时采用三棱钻杆,并在钻进过程采用下套管技术防止塌孔,同时改进封孔工艺提高封孔的气密性;采用注水法、钻孔电视法和UDEC软件数值模拟法相结合来确定本矿综放面裂隙带高度,保证钻孔终孔高度的准确性;改进抽采系统以提高钻孔抽采负压,同时,加强钻孔日常管理,发现有漏气、积水及时处理,保证抽采效果的稳定性;针对千米钻孔,可在单个千米钻孔内施工多个分支,增加钻孔与煤体的接触面积,提高瓦斯抽采量。

4 结论

(1)通过抽采参数的对比分析可知,高位钻场的瓦斯抽采浓度稳定性低于千米钻场,但千米钻场抽采纯量总和仅为高位钻场抽采纯量的一半。

(2)综放面采空区瓦斯抽采存在的问题为软煤成孔难、抽采负压低和裂隙带高度难确定,提出了改进打钻设备及封孔工艺、采用注水法结合UDEC数值模拟法准确确定裂隙带高度、在千米钻孔单孔内施工多条分支、提高钻孔抽采负压等优化措施。

(3)可以尝试地面钻井和顶板高抽巷的新方法,并与传统的钻孔抽采方法相结合,制定出适合本矿井综放面的一整套综合瓦斯抽采技术。

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Differences between gas drainage from goaf by thousand-meter scale borehotes and high-level boreholes and their improvement

Chen Liang1,Xu Xiaokai2,Shang Rongya1,Duan Benjie1,Wang Jisheng3,Ge Lujun3
(1．Faculty of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 2．College of Geoscience and Surveying Engineering,China University of Mining and Technology, Beijing,Haidian,Beijing 100083,China; 3．Yuwu Coal Mining Co．,Ltd．,Lu＇an Group Co．,Ltd．,Changzhi,Shanxi 046103,China)

At N1102 working face in Yuwu Coal Mining Company,the different parameters for gas drainage by high-level boreholes and 1000 m long boreholes,including the gas flow rate, the gas concentration,the relationship between total gas flow and advancing speed of working face,were contrasted．The results showed that the total gas flow for thousand-meter scale borehotes is a half of that for high-level boreholes．The causes were analyzed and the relevant improvements were proposed,covering the improvement of drilling equipments and sealing techniques,the accurate determination of height of fissure zone by water injection and UDEC numerical simulation,branch-drilling along each thousand-meter scale borehotes,and the enhancement of negative drainage pressure．

goaf,gas drainage,high-level boreholes,thousand-meter scale borehotes,fissure zone,gas drainage effect

TD712.6

A

陈亮(1987－),男,河南信阳人,中国矿业大学(北京)博士研究生,研究方向为瓦斯灾害防治。

(责任编辑 张艳华)

国家自然科学基金项目(51274205)