王啟明，許衛(wèi)東

(1．河南煤業(yè)化工集團(tuán)安陽鑫龍公司， 河南安陽市 455133;2．安陽市主焦煤業(yè)公司， 河南安陽市 455141)

主焦煤礦頂板高位鉆孔抽放瓦斯技術(shù)實踐

王啟明1，許衛(wèi)東2

(1．河南煤業(yè)化工集團(tuán)安陽鑫龍公司， 河南安陽市 455133;2．安陽市主焦煤業(yè)公司， 河南安陽市 455141)

介紹主焦煤礦21141回采工作面采用頂板高位鉆孔進(jìn)行瓦斯抽放的方法，闡述抽放原理及抽放工藝。實施該技術(shù)后，有效抑制了瓦斯向上隅角和回風(fēng)巷的大量涌出，達(dá)到最佳抽放效果，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

瓦斯抽放;高位鉆孔;抽放效果

1 概述

主焦煤礦位于河南省安陽礦區(qū)北部，東距安陽市38 km，南距安陽縣水冶鎮(zhèn)15 km，為安陽鑫龍煤業(yè)公司的下屬礦井，隸屬河南煤業(yè)化工集團(tuán)。主焦煤礦生產(chǎn)能力為40萬t/a礦井。礦井采用中央分列式通風(fēng)系統(tǒng)，主、副井進(jìn)風(fēng)，專用風(fēng)井回風(fēng)。選用2臺FBCDZ№26/2×220型軸流風(fēng)機(jī)，礦井總風(fēng)量4740 m3/min。2009年瓦斯涌出等級鑒定結(jié)果為高瓦斯礦井，相對瓦斯涌出量為21．23 m3/t;絕對瓦斯涌出量為19．97 m3/min。煤層煤塵具有爆炸性。

21141工作面位于21采區(qū)北翼下部，走向長度為995 m，傾斜長度里部分為120 m，外部分為145 m，面積為11．67萬m2，可采儲量約為76萬t。開采二疊系山西統(tǒng)下部的二1煤層，傾角15°～25°，煤層平均厚度為6．0 m。采用走向長壁采煤法，炮采放頂煤，一次采全高，全部陷落法管理頂板。瓦斯含量6．74 m3/t，瓦斯壓力 0．39 MPa。

2 高位鉆孔抽放原因

21141工作面回采初期采用本煤層順層平行鉆孔和扇形鉆孔預(yù)抽瓦斯。預(yù)計瓦斯涌出量可達(dá)10．8 m3/min，而回采初期實際瓦斯涌出量高達(dá) 13．5 m3/min，其中風(fēng)排量平均為9．8 m3/min，本煤層抽放量平均為3．7 m3/min。該工作面回采初期風(fēng)量為1030 m3/min，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)影響和該煤層抽放不一致性及開采情況不均衡，瓦斯涌出不均勻，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛仍?．7% ～1．1%。雖然相繼采取調(diào)節(jié)風(fēng)量等措施，一度將工作面風(fēng)量加大到1930 m3/min，使工作面回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档?．6%左右，但是回風(fēng)巷風(fēng)速正常為3．8 m/s，接近風(fēng)速臨界值，所以靠風(fēng)排和本煤層預(yù)抽瓦斯未能解決瓦斯問題。經(jīng)測算，21141采空區(qū)瓦斯涌出量占整個回采工作面瓦斯涌出量的43%，是造成上隅角和回風(fēng)流中瓦斯超限的重要原因。經(jīng)過考察，主焦煤礦決定對21141工作面采取分源抽放，采用頂板高位鉆孔抽放補(bǔ)充措施進(jìn)行試驗。

3 抽放原理及抽放工藝

3．1 高位鉆孔抽放原理

高位鉆孔瓦斯抽放又稱頂板裂隙帶抽放，是經(jīng)濟(jì)可行的瓦斯抽放新技術(shù)，主要作用是以工作面采動壓力形成的頂板裂隙作為通道來抽放瓦斯［1，2］。回采工作面推進(jìn)過程中，采動對上覆巖層造成的移動裂隙在采場垂直方向形成了“豎三帶”，即冒落帶、裂隙帶和緩沉帶;在水平方向形成了“橫三區(qū)”，即煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū)。隨著工作面推進(jìn)，“三帶”和“三區(qū)”也不斷向前移動，這一動態(tài)空間，特別是裂隙帶和離層區(qū)是瓦斯流動的主要通道。由于采動裂隙的存在，為采空區(qū)瓦斯流動和儲集提供了通道和空間［3］。

在裂隙帶內(nèi)布置抽放孔，煤層解吸出的游離瓦斯在較高瓦斯壓力作用下沿著垂直裂隙連續(xù)匯集到抽放孔內(nèi)。通過鉆孔內(nèi)的抽放負(fù)壓，加速了瓦斯的流動，使得高位鉆孔能夠抽出瓦斯，以提高21141工作面瓦斯抽采量。

3．2 裂隙帶可抽高度確定

裂隙帶高度是影響高位鉆孔抽放效果的重要因素。裂隙帶高度可根據(jù)工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律進(jìn)行計算，得出裂隙帶的理論高度［4］，再通過現(xiàn)場多種孔深的抽放試驗，把某個范圍內(nèi)能抽到高濃度瓦斯的高度稱為可抽高度。

3．2．1 垮落巖層范圍(直接頂厚度Mz)的分析

垮落巖層范圍推斷計算也就是直接頂厚度確定［5］。煤層頂板巖層狀況見表1。

表1 煤層頂板巖層狀況

垮落直接頂厚度(Mz)按下式確定:

其中

時，則巖層塌落

時，巖層進(jìn)入老頂范圍。式中h為煤層厚度，m;Mi為巖層厚度，m;KA為頂板巖層碎脹系數(shù)，取1．3。

對照工作面頂板巖層柱狀圖，由上述判別式依次進(jìn)行判斷:

M1完全垮落后，M2、M3將一次垮落，由于他們巖層較厚，裂隙發(fā)育較大，將分層分次冒落，下部冒落成為不規(guī)則的矸石，而上部冒落成為排列整齊的大塊狀巖塊。按照巖石常規(guī)分層規(guī)律，中粒砂巖、砂質(zhì)泥巖垮落的分層厚度大多為0．3～3 m，取0．8 m作為細(xì)砂巖的分層條件。按照式(2)和(3)計算，判定M4也將分層垮落。

由于M5砂質(zhì)泥巖硬度較大，裂隙發(fā)育小，M5不再陷落。

3．2．2 傳遞巖梁發(fā)展范圍(裂斷拱高)的推斷

根據(jù)宋振騏院士的實用礦山壓力理論，在采場推進(jìn)過程中，采場上覆巖層中會形成1個“破壞拱”。該“破壞拱”的拱跡線為裂隙帶中各“傳遞巖梁”的端部斷裂線和裂隙帶與緩沉帶的分界線。冒落帶和裂隙帶中已發(fā)生明顯運(yùn)動的巖層位于“破壞拱”內(nèi)，而冒落帶和裂隙帶中尚未發(fā)生明顯運(yùn)動的部分巖層及緩沉帶巖層位于“破壞拱”外［5］。

“破壞拱”拱高(Hg)由下式計算［3］:

式中:mz——垮落帶高度;

mLX——裂隙高度;

L——工作面長度，m，L=130 m。

3．2．3 裂隙帶可抽高度區(qū)間(終孔時鉆孔高度)

裂隙帶可抽高度區(qū)間(距煤層頂板法距)應(yīng)為23．47～65 m，高位鉆孔處在此區(qū)間的孔段為有效抽放孔段，確定終孔鉆位置時，距煤層頂板法線距離在此區(qū)間最佳。

3．3 高位鉆孔技術(shù)參數(shù)

(1)終孔點與回風(fēng)巷平距。由于風(fēng)巷標(biāo)高高，采空區(qū)高濃度瓦斯易積聚回風(fēng)巷的硬幫，因此，鉆孔與風(fēng)巷水平距離越近，理論效果越好，經(jīng)實測終孔點與回風(fēng)巷平距10～25 m效果最佳。鉆孔場間的鉆孔壓茬長度與鉆場抬高位置、鉆孔傾角和偏角及鉆機(jī)可施工長度有關(guān)，但最好保證2個鉆場的鉆孔的水平投影有效重疊段不小于5 m。

(2)開孔位置與終孔高度。終孔高度與開孔高度差值越小，即鉆孔傾角越小，鉆孔處于有效抽放范圍內(nèi)的距離越長，鉆孔利用率越高。21141工作面開孔位置選擇在回風(fēng)巷的高位鉆場。在裂隙帶內(nèi)布置高位抽放孔(鉆孔終孔)，使得高位鉆孔能夠抽出瓦斯。終孔位置高度在煤層頂板以上23．47～65 m之間。

(3)鉆孔并網(wǎng)與報廢時間。在工作面推進(jìn)至與鉆底平距5～10 m時(孔內(nèi)瓦斯涌出)即可并網(wǎng)抽放。當(dāng)工作面推進(jìn)至鉆孔最低有效抽放高度時(距孔口5 m左右)，鉆孔必須停抽報廢，準(zhǔn)備對下一個高位鉆場進(jìn)行抽放。隨著工作面的向外推進(jìn)，各鉆場依次按上述程序啟用和報廢，直至工作面結(jié)束。鉆場報廢后使用卡弗尼進(jìn)行充填，保證采至鉆場時不出現(xiàn)瓦斯超限。

3．4 抽放工藝

(1)頂板高位鉆場布置。在21141工作面上巷布置高位鉆場10個，從里向外依次為1～10號鉆場，第一個高位鉆場距工作面100 m，其它高位鉆場間距均為100 m。鉆場選擇直巷式布置，鉆場規(guī)格(寬×深×高)3 m×11 m×2 m，從上巷下幫開口，方向垂直于上巷，仰角58°左右掘進(jìn)。終端距煤層頂板法線距離不小于4 m。高位鉆場剖面見圖1。

圖1 21141上巷高位鉆場示意

(2)高位鉆孔布置。每個鉆場內(nèi)設(shè)計10個鉆孔，全部為巖孔，鉆孔全部設(shè)計在裂隙帶，鉆孔長度110 m左右，鉆孔直徑為94 mm，設(shè)計鉆孔總長度為11000 m。21141高位鉆孔采用濕式排屑，鉆機(jī)型號為ZY－2300型。鉆孔布置見圖2和圖3，高位鉆孔抽放進(jìn)氣管選取內(nèi)徑為203 mm的HDPE抗靜電聚乙烯管。選用YD－Ⅳ型井下移動抽放泵，移動抽放泵輸出端并入地面瓦斯抽放系統(tǒng)。

圖2 21141上巷高位鉆場鉆孔布置

圖3 21141上巷高位鉆孔示意

(3)1號鉆場實鉆情況。1號實鉆情況見表2。

表2 1號鉆場高位鉆孔施工參數(shù)

4 高抽孔效果考察分析

在21141采面進(jìn)行煤層頂板裂隙帶高位鉆孔抽放瓦斯過程中，重點研究了抽放瓦斯的可行性、抽放鉆孔合理的空間位置、抽放濃度、抽放瓦斯量及抽放瓦斯的效果等。采用孔板流量計測定抽放瓦斯量，使用U型壓差計測定抽放管道內(nèi)外和孔板流量計兩端的壓差。根據(jù)公式V=K×計算瓦斯流量(瓦斯混合量)，其中:V為瓦斯流量，m3/min;Δh為U型管水柱壓差，mm;K為孔板系數(shù)。用0～100%光學(xué)瓦斯鑒定器測量瓦斯?jié)舛?，采用FW－1型高負(fù)壓瓦斯采樣器進(jìn)行取樣后再測定。

(1)1號高位鉆場的鉆孔實測瓦斯參數(shù)。從表3可以看出，1號鉆場的高位鉆孔取得了很好的抽放效果，鉆場總抽放量達(dá)到了439049 m3，單孔最大抽放量為60008 m3，平均為43905 m3，全部鉆孔達(dá)到優(yōu)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

(2)工作面采用頂板高位鉆場抽放后，單孔平均濃度為30%以上，井下移動抽放泵輸入端瓦斯?jié)舛纫话憧蛇_(dá)23%左右，抽放純量一般在3．6 m3/min以上。

統(tǒng)計分析表明，采取高位鉆孔抽放瓦斯后，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉档土?．4% ～0．7%，上隅角瓦斯也能降到0．9%以下，回風(fēng)巷瓦斯涌出量減少了3．6 m3/min，回風(fēng)巷瓦斯涌出量減少了26%。

高位鉆孔抽放實施后，從2009年8月14日到2010年6月30日共抽出瓦斯純量191萬m3，平均為4．1 m3/min。高抽孔在距煤層頂板23．8～31 m范圍內(nèi)抽放效果較好，抽放濃度可保持15% ～52%，最高濃度達(dá)92．9%。

表3 1號高位鉆場鉆孔實測瓦斯參數(shù)

5 結(jié)論

頂板高位鉆孔具有單孔抽放量大，抽放周期長的優(yōu)點，是解決工作面瓦斯問題的輔助方法，能夠彌補(bǔ)本煤層鉆孔抽放量不足;其缺點是:當(dāng)鉆場間距、鉆孔施工技術(shù)參數(shù)不合理時，其抽放效率就不能完全發(fā)揮;高位鉆孔處于動壓區(qū)內(nèi)，施工受頂板巖性、構(gòu)造影響大，一旦出現(xiàn)孔內(nèi)事故，處理難度較大。施工費(fèi)用相對較高。

21141工作面采用高位抽放技術(shù)后，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺３衷?0．4%左右，上隅角瓦斯?jié)舛仍?．4% ～0．9%之間，不超過1%，有效抑制了瓦斯向上隅角和回風(fēng)巷的大量涌出。經(jīng)過一段時間抽放后，采空區(qū)的瓦斯被大量地抽放，采面正常生產(chǎn)期間配風(fēng)量由1932 m3/min左右減少到了1060 m3/min，減少配風(fēng)量872 m3/min以上，礦井扇風(fēng)機(jī)風(fēng)壓由原來的2010 Pa左右降為1660 Pa左右，礦井等積孔由原來的1．6 m2升為1．96 m2。截止2010年6月30日，頂板高位鉆孔抽放總量達(dá)到191萬m3，瓦斯發(fā)電量138．8萬度，發(fā)電效益為83．28萬元。高位抽放不僅改善了工作面作業(yè)環(huán)境，解決了工作面配風(fēng)困難、風(fēng)速超限問題，緩解了礦井通風(fēng)壓力，而且取得顯著的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

［1］ 劉澤功，哀 亮，戴廣龍，等．開采煤層頂板環(huán)形裂隙圈內(nèi)走向長鉆孔法抽放瓦斯研究［J］．中國工程科學(xué)，2004，6(5):32－38．

［2］ 錢鳴高，石平五．礦山壓力與巖層控制［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003．

［3］ 林海飛．采動裂隙橢拋帶中瓦斯運(yùn)移規(guī)律及其應(yīng)用分析［D］．西安:西安科技大學(xué)，2004．

［4］ 劉 濤，李玉明，劉起余，等．1129回采工作面高位孔瓦斯抽放技術(shù)應(yīng)用［J］．華北科技學(xué)院學(xué)報，2008，(8):21 －23．

［5］ 宋振騏．實用礦山壓力與控制［M］．徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1988．

2010－12－08)

王啟明(1971－)，男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，碩士，從事煤礦通風(fēng)安全管理工作，Email:ayxlwqm@163．com。