解俊祥 霍州煤電李雅莊煤礦，山西霍州 031400

李雅莊煤礦提高礦井瓦斯抽采濃度試驗(yàn)方案技術(shù)研究

解俊祥 霍州煤電李雅莊煤礦，山西霍州 031400

本文以李雅莊礦2-6022掘進(jìn)工作面的鉆孔、支管路濃度、負(fù)壓、流量等相關(guān)抽放參數(shù)測(cè)量分析，封孔效果驗(yàn)證作為主研究對(duì)象,利用動(dòng)壓封孔效果，自制管路流變器，總結(jié)出工作面抽采濃度的提高、下降、衰變的內(nèi)在關(guān)系, 為高吸附、低透氣性的高瓦斯煤層提高抽采濃度指出了方向。

管道流變器；動(dòng)壓封孔；抽采濃度提高

引言

目前低濃度瓦斯抽采是全國(guó)各高瓦斯礦井抽采的主要現(xiàn)狀，各礦井雖能夠?qū)崿F(xiàn)抽采率達(dá)標(biāo)，但不能實(shí)現(xiàn)抽采濃度達(dá)標(biāo)（30%以上）。如何提高礦井抽采濃度，杜絕低濃度管道輸送期間發(fā)生事故的可能性，采取相關(guān)針對(duì)性的試驗(yàn)手段分析提高抽采濃度，并在此基礎(chǔ)上積極促進(jìn)低濃度管道三防裝置的安設(shè)與實(shí)施，為礦井瓦斯安全奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

1.概述

霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦為高瓦斯礦井，絕對(duì)瓦斯涌出量為34.53 m3/m in，相對(duì)瓦斯涌出量為14.21 m3/t，主采煤層為2號(hào)煤層，煤質(zhì)為1/3主焦煤。結(jié)合礦井2－6022掘進(jìn)工作面抽采實(shí)際，主要通過(guò)采取擴(kuò)大孔徑￠94mm增至￠113mm，將所有管接頭全部纏繞密封膠帶，處理漏氣點(diǎn)，自制管路流變器、開(kāi)展動(dòng)壓封孔工藝技術(shù)研究，通過(guò)調(diào)節(jié)分析瓦斯抽采負(fù)壓與鉆孔瓦斯抽采濃度和干管瓦斯抽采濃度的關(guān)系，關(guān)閉低瓦斯?jié)舛韧咚钩椴摄@孔與干管瓦斯抽采濃度變化的關(guān)系及兩者共同作用對(duì)干管瓦斯抽采濃度的關(guān)系驗(yàn)證抽采濃度提高的措施及手段，為高吸附、低透氣性的高瓦斯煤層提高抽采濃度指出了方向。

2.抽采濃度提高實(shí)施方案

2.1 自制管道流變器驗(yàn)證瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量之間的關(guān)系。

2.2 實(shí)驗(yàn)室瓦斯原始參數(shù)對(duì)抽采濃度的相關(guān)作用。

2.3 改進(jìn)增大鉆孔孔徑分析對(duì)提高抽采效果的作用。

2.4 封孔工藝改進(jìn)對(duì)抽采濃度的影響，二次封孔的效果考察。

2.5 預(yù)裂爆破、水力沖孔增大煤層原始透氣性對(duì)瓦斯抽采濃度影響的因素。

3.試驗(yàn)相關(guān)結(jié)論

3.1 瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量之間的關(guān)系分析

數(shù)據(jù)采用抽樣的辦法選取了68號(hào)、69號(hào)、71號(hào)、72號(hào)、75號(hào)、77號(hào)6個(gè)鉆孔進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

6022 巷抽放支管路與鉆孔抽放示意圖

孔板 “U”型壓差流量計(jì)標(biāo)態(tài)下流量計(jì)算公式：Q混＝K×δp×b×δt×Δh

其中：K為孔板流量計(jì)實(shí)驗(yàn)室測(cè)定系數(shù)，δp值為測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)壓力與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的比值在開(kāi)二次方根，b＝其中x值為測(cè)點(diǎn)瓦斯?jié)舛戎?；氣?/p>

δ度t值＝

①對(duì)6022巷6個(gè)鉆孔的瓦斯抽采濃度與見(jiàn)煤長(zhǎng)度之間關(guān)系測(cè)定，并記錄。

通過(guò)以上6個(gè)鉆孔記錄數(shù)據(jù)可分析總結(jié)出：在負(fù)壓、封孔工藝、外界環(huán)境等因素相同的條件下，除71#孔的個(gè)例外，鉆孔單孔的瓦斯抽采濃度基本上是與見(jiàn)煤長(zhǎng)度及鉆孔深度成正比例的。

②關(guān)閉“6022巷抽放支管路與鉆孔抽放示意圖1”虛線部分中的瓦斯抽采濃度低于20%的鉆孔，分析6個(gè)觀察鉆孔的瓦斯抽采濃度負(fù)壓及總管路的瓦斯抽采濃度負(fù)壓進(jìn)行測(cè)定，并記錄。

表1 鉆孔見(jiàn)煤長(zhǎng)度與濃度的關(guān)系分析

表2 關(guān)閉其他低濃度鉆孔前后6個(gè)觀察孔濃度的變化記錄

結(jié)論是關(guān)閉低于20%濃度鉆孔之后，抽樣的6個(gè)鉆孔整體濃度呈上升趨勢(shì)，濃度升高5%—8%，干管濃度提高2.2%且負(fù)壓也增大。

③打開(kāi)已關(guān)閉的瓦斯?jié)舛鹊陀?0%的鉆孔，恢復(fù)至“6022巷抽放支管路與鉆孔抽放示意圖1”的原始狀態(tài)，開(kāi)始關(guān)閉示意圖中的“手動(dòng)碟閥”90度至5度，對(duì)6022巷6個(gè)觀測(cè)鉆孔的瓦斯抽采濃度及負(fù)壓、干管瓦斯抽采濃度及負(fù)壓進(jìn)行測(cè)定，并記錄。

表3 關(guān)閉“手動(dòng)碟閥”90度至5度前后6個(gè)觀察孔濃度的變化記錄

當(dāng)6022巷口閥門(mén)調(diào)節(jié)從90度到5度時(shí)，6022巷支管負(fù)壓上升了30mm Hg，鉆孔負(fù)壓下降了200 mm Hg，支管濃度降低了7.2%至5%，6個(gè)抽樣鉆孔濃度呈降低趨勢(shì)，濃度降低2.8%～41.2%，負(fù)壓及濃度無(wú)變化。

通過(guò)以上試驗(yàn)分析說(shuō)明了關(guān)閉低濃度瓦斯抽放鉆孔對(duì)干管濃度提高有一定效果。試驗(yàn)期間6個(gè)抽樣試驗(yàn)鉆孔的負(fù)壓、流量、濃度在趨勢(shì)上呈現(xiàn)出一致性，即高的時(shí)候一致升高，低的時(shí)候一致降低，僅在幅度上有差異。負(fù)壓過(guò)低，隨著煤層瓦斯抽采的不斷進(jìn)行，瓦斯壓力和含量下降，煤體中瓦斯的彈性潛能不能夠釋放，從而影響鉆孔瓦斯抽采濃度。負(fù)壓過(guò)高至一定值，必然導(dǎo)致巷道空氣在抽采負(fù)壓的作用下通過(guò)鉆孔周?chē)后w裂隙通道進(jìn)入鉆孔內(nèi)從而降低瓦斯抽采濃度。

3.2 煤層瓦斯透氣性與抽采濃度的關(guān)系

采用井下直接測(cè)定煤層透氣性系數(shù)法，計(jì)算基礎(chǔ)為徑向不穩(wěn)定流動(dòng)理論。在測(cè)壓鉆孔壓力穩(wěn)定后，記錄最終數(shù)據(jù)。卸掉壓力表，安裝煤氣表或孔板流量計(jì)測(cè)定煤層鉆孔在不同時(shí)間間隔的流量。具體方法如下：

利用測(cè)壓鉆孔測(cè)定煤層透氣性系數(shù)和百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，卸掉壓力表排放一天，開(kāi)始測(cè)定鉆孔瓦斯流量。由于流量很小，普通孔板流量計(jì)量程太大，測(cè)不出來(lái)，采用沈陽(yáng)煤科院生產(chǎn)的多級(jí)流量計(jì)，每天定時(shí)測(cè)定瓦斯流量。按照要求連續(xù)觀測(cè)10天以上時(shí)間，具體參數(shù)見(jiàn)下表：

表4 鉆孔流量測(cè)定記錄

煤層透氣性系數(shù)計(jì)算方法：根據(jù)鉆孔瓦斯不穩(wěn)定徑向流動(dòng)理論，采用如下公式進(jìn)行試算和驗(yàn)算：

表5 徑向不穩(wěn)定流動(dòng)的計(jì)算公式

表中 Y——流量準(zhǔn)數(shù)，無(wú)因次；

F0——時(shí)間準(zhǔn)數(shù)，47.0068

a、b——系數(shù)與指數(shù)，a=0.0 2 4 9 5 b=637.845

P0——煤層原始的絕對(duì)瓦斯壓力，（實(shí)測(cè)表壓力0.57 MPa加0.1MPa=0.67 MPa）

P1——鉆孔內(nèi)排放瓦斯時(shí)的瓦斯壓力，一般為0.1M Pa（通大氣時(shí)）；

γ——鉆孔半徑，0.037m；

λ——煤層透氣性系數(shù)，m2/ M Pa2.d）；

q——在排放瓦斯時(shí)間為t時(shí)的鉆孔煤壁單位面積瓦斯流量，m3/m2.d，可由下式確定；

Q——在時(shí)間t時(shí)的鉆孔總流量，0.2888m3/d；

L——煤孔長(zhǎng)度，一般等于煤層厚度，4.2m；

t——從開(kāi)始排放瓦斯到測(cè)量瓦斯流量q時(shí)的時(shí)間間隔，3 d；

a——煤層瓦斯含量系數(shù)，7.5 3 6 5 9 m3/（m3.M Pa0。5）；

經(jīng)實(shí)驗(yàn)室實(shí)際測(cè)量2號(hào)煤層瓦斯透氣性系數(shù)為0.051（m2/M Pa2·d）～0.0548（m2/M Pa2·d），百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)β介于0.0051～0.0104（d-1）之間，屬于難以或勉強(qiáng)抽放類(lèi)型。實(shí)測(cè)百米鉆孔瓦斯涌出量0.00475 m3/m in，礦井抽采達(dá)標(biāo)，抽采瓦斯量13.6 m3/m in，抽采率39.4%，但抽采濃度僅維持在10%左右。

預(yù)裂爆破、水力沖孔增大煤層原始透氣性技術(shù)對(duì)瓦斯抽采濃度影響。通過(guò)采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)、水力沖孔技術(shù)，瞬時(shí)的瓦斯抽采濃度可提高至5～10%，但因煤層本身的衰減量大，過(guò)10～20分鐘后恢復(fù)至原始狀態(tài)。與此同時(shí)預(yù)裂爆破危險(xiǎn)性大，存在封孔不嚴(yán)密或拒爆等安全隱患。水力沖孔因礦井煤質(zhì)較硬，每米鉆孔沖出煤量?jī)H為0.05t，卸壓增透的影響范圍小，無(wú)法有效地提高周?chē)榉趴椎某椴尚Ч?。水力沖孔同樣存在有一些安全隱患和人為無(wú)法預(yù)防的不安全因素出現(xiàn)，效果也不理想。

3.3 分析鉆孔直徑對(duì)瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量之間的關(guān)系

通過(guò)將鉆孔抽采孔徑由￠94mm增至￠113mm，測(cè)量得到流量由原來(lái)的0.00389 m3/m in增至0.00475 m3/m in，流量增加22%以上，但負(fù)壓與抽采濃度并未變化，管徑大只能解決瞬時(shí)瓦斯抽放流量的問(wèn)題，根本上起不到提高濃度的作用。

將6022巷所有管路的連接處使用密封膠帶纏繞、加設(shè)風(fēng)筒膠包裹等措施減小漏氣點(diǎn)后，礦井支管路抽采濃度提高2%～3%，但負(fù)壓相對(duì)升高，流量相對(duì)下降，抽采每分鐘純流量未增加。

3.4 自制管道流變器測(cè)定鉆孔瓦斯通過(guò)不同管徑的濃度變化情況

通過(guò)自制管道流變器驗(yàn)證測(cè)定鉆孔瓦斯通過(guò)不同管徑管路時(shí)候的濃度，以此來(lái)論證同一個(gè)鉆孔瓦斯?jié)舛韧ㄟ^(guò)不同管徑是否隨著管徑越大，濃度越低，即濃度與管徑成反比。

3.4.1 將自制件與抽放鉆孔進(jìn)行連接。（自制件如下圖）

圖2

自制件規(guī)格：寸半孔板流量計(jì)

管徑：40mm 4寸管 管徑：100mm 1、2、3號(hào)孔為瓦斯測(cè)量孔

3.4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

表6 粗細(xì)管路瓦斯?jié)舛扔涗?/p>

二次封孔示意圖

從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出管徑不同的管路連接到同一鉆孔后，瓦斯抽放濃度基本沒(méi)有變化。同時(shí)也說(shuō)明了管徑粗細(xì)僅對(duì)流量有影響，但對(duì)提高抽采濃度沒(méi)有作用。

3.4.3 阿伏伽德羅定律分析

假設(shè)容器1和容器2體積（V）相同且V1+V2=V3, V1、 V2內(nèi)裝有相同濃度的瓦斯，那么標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下容器1和2內(nèi)，瓦斯的質(zhì)量是相同的。

1-煤層鉆孔，2-抽放管，3-花管，4-閥門(mén)，5-瑞克，6-微細(xì)膨脹粉料，7-裂隙群，8-煤體，9-速凝水泥

與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，采用二次封孔技術(shù)研究后，雖然單孔瓦斯?jié)舛瓤捎幸欢ǖ奶岣撸蓮?0%增加至12～15%等，但相應(yīng)的孔口負(fù)壓增高，單孔流量降低，純流量相對(duì)并未增加?？梢?jiàn)并未起到真正提高礦井瓦斯抽采效果的作用。

圖3

4.效果評(píng)價(jià)

由阿伏伽德羅定律(A v o g a d r o's hypothesis)同溫同壓下，相同體積的任何氣體含有相同的分子數(shù)，稱(chēng)為阿伏伽德羅定律?？梢缘弥谙嗤瑝簭?qiáng)與相同溫度下，如果容器1和2 導(dǎo)通的話，氣體體積變?yōu)?倍，同樣氣體分子數(shù)也增加了2倍。

根據(jù)伯努利方程與質(zhì)量守恒原理，PV=n R T（即PV=m/M R T、P=ρ/M R T），在一個(gè)平衡氣體流場(chǎng)內(nèi)，瓦斯?jié)舛炔粫?huì)發(fā)生變化，也就是說(shuō)明體積增加后濃度沒(méi)有變化，因?yàn)楣┙o瓦斯源的狀態(tài)未改變，除非此狀態(tài)被打破（即負(fù)壓、流量、溫度等條件變化）。

3.5 二次封孔技術(shù)對(duì)瓦斯抽采濃度影響

一次動(dòng)壓封孔采用氣動(dòng)壓風(fēng)封孔技術(shù)，測(cè)得鉆孔負(fù)壓在15Kpa左右，孔口瓦斯?jié)舛?0%以上。但由于孔內(nèi)瓦斯?jié)舛人プ冚^快，且圍巖變形裂隙影響濃度平均每3天下降5%左右。采用風(fēng)動(dòng)動(dòng)壓封孔，聚銨酯按（1:1）配比、床單布與12m長(zhǎng)PVC管，兩根鋁塑管（長(zhǎng)根進(jìn)料，短根用于注滿后溢流，以觀察鉆孔是否達(dá)到封孔要求），封孔有效長(zhǎng)度為10米。必須保證漿料飽滿，直至泥漿從溢流管流出為止，如果有迸濺和流溢情況時(shí)，戴防護(hù)眼鏡或保護(hù)面罩，防止?jié){液迸出傷人。

通過(guò)采用自制管道流變器驗(yàn)證瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量之間的關(guān)系；實(shí)驗(yàn)測(cè)量瓦斯原始參數(shù)對(duì)抽采濃度的變化相關(guān)機(jī)理分析；改進(jìn)增大鉆孔孔徑分析對(duì)提高抽采效果的作用；實(shí)施氣動(dòng)封孔工藝改進(jìn)對(duì)抽采濃度的影響，并對(duì)二次封孔的效果考察以及改進(jìn)預(yù)裂爆破、水力沖孔增大煤層原始透氣性對(duì)瓦斯抽采濃度影響的因素等多方面試驗(yàn)分析，總結(jié)出工作面抽采濃度的提高、下降、衰變的內(nèi)在關(guān)系, 即礦井的煤層瓦斯抽采濃度主要與煤層的變質(zhì)程度（即本身的煤層特性）有本質(zhì)關(guān)系，外界工藝手段改進(jìn)甚至強(qiáng)化管理對(duì)于高吸附、低透氣、衰變性強(qiáng)的高瓦斯煤層提高抽采濃度作用不大。以上采用的多種方案論證分析對(duì)相似情況的高瓦斯礦井抽采濃度提高有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

一次封孔示意圖

利用中國(guó)礦業(yè)大學(xué)發(fā)明的二次封孔技術(shù)，在第一次鉆孔封孔階段順利實(shí)施并保證封孔質(zhì)量的基礎(chǔ)上，利用MK-2型粉料輸送機(jī)在高壓氣體以一定壓力下將自主研制的微細(xì)膨脹粉料送入煤層鉆孔內(nèi)，微細(xì)膨脹粉料在抽放負(fù)壓的作用下滲入并封堵煤層周?chē)木W(wǎng)狀裂隙內(nèi)，增加裂隙內(nèi)氣體的流動(dòng)阻力，有效阻隔外界空氣進(jìn)入抽放鉆孔，完成對(duì)抽放鉆孔的二次封孔，使鉆孔內(nèi)的漏風(fēng)量顯著減少，大大提高了抽放濃度和效果，延長(zhǎng)了抽放鉆孔的有效抽放期，確保抽放系統(tǒng)安全。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.040