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        煤體增透與抽采瓦斯的關(guān)系研究

        2019-04-09 11:26:38
        山東煤炭科技 2019年3期
        關(guān)鍵詞:煤礦

        董 愷

        (陜西華彬煤業(yè)股份有限公司蔣家河煤礦,陜西 彬縣 713500)

        瓦斯災(zāi)害是煤礦中最嚴(yán)重的災(zāi)害之一[1]。只有把瓦斯治理工作做扎實(shí)、做到位,才能避免煤礦生產(chǎn)過程中瓦斯事故的發(fā)生。當(dāng)前,瓦斯治理的主要方法是抽采和風(fēng)排,而抽采無疑是治理瓦斯最積極、最主動(dòng)的一種方法。在進(jìn)行煤層瓦斯抽采時(shí),根據(jù)煤層透氣性系數(shù)將煤層瓦斯抽放的難易程度劃分為三類:容易抽放、可以抽放、較難抽放[2]。為了提高可以抽放及較難抽放煤層的瓦斯抽采率,就需要對(duì)此類煤層進(jìn)行煤體增透,通過促使煤體裂隙發(fā)育以達(dá)到提高瓦斯抽采率的目的。

        目前主要的煤體增透措施有水力壓裂增透、水力割縫增透、松動(dòng)爆破增透、高壓氣體沖擊煤體增透[3]、液態(tài)CO2致裂增透。

        為了研究煤體增透與抽采瓦斯的關(guān)系,在蔣家河煤礦ZF204備用工作面,選用液態(tài)CO2致裂增透技術(shù)進(jìn)行了一次煤體增透試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明,增透以后的煤層平均抽采瓦斯?jié)舛忍岣呓?.5倍,平均抽采瓦斯流量提高3~5倍。

        1 礦井及工作面概況

        蔣家河煤礦隸屬于彬縣煤炭有限責(zé)任公司,位于陜西咸陽彬州市境內(nèi)的彬長(zhǎng)礦區(qū)南部。2005年開工建設(shè),2009年建成投產(chǎn),生產(chǎn)規(guī)模90萬t/a。采用立井單水平開拓、中央邊界式通風(fēng)、綜合機(jī)械化放頂煤開采,4#煤層為井田內(nèi)主要可采煤層,全井田分布,結(jié)構(gòu)單一[4],經(jīng)煤科集團(tuán)沈陽研究院有限公司2016年3月測(cè)定:4#煤層最大瓦斯含量6.76~6.92m3/t,瓦斯壓力0.29~0.49MPa,煤層透氣性系數(shù)2.466~2.657m2/MPa2.d,鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.0196~0.0229d-1,為可以抽放煤層。經(jīng)咸陽市礦山救護(hù)隊(duì)2016年7月鑒定:礦井絕對(duì)瓦斯涌出量34.37m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量17.68m3/t,采面最大絕對(duì)瓦斯涌出量26.83m3/min,為高瓦斯礦井。

        ZF204備用工作面走向長(zhǎng)度1270m,傾斜長(zhǎng)度151m,煤層平均厚度9.3m,共布置兩條巷道,分別為運(yùn)輸順槽、回風(fēng)順槽?;仫L(fēng)順槽斷面為矩形,寬4.5m,高3.1m,用于回風(fēng)、運(yùn)料、行人。運(yùn)輸順槽斷面為矩形,寬5.0m,高3.1m,用于進(jìn)風(fēng)、運(yùn)煤、運(yùn)料、行人。

        2 液態(tài)CO2致裂增透試驗(yàn)

        2.1 液態(tài)CO2致裂器結(jié)構(gòu)

        液態(tài)CO2致裂器組成結(jié)構(gòu)[5]見圖1,由主管、充氣頭(起爆頭)、排氣頭、加熱棒、致裂片、泄能片、止飛器等組成。本次致裂試驗(yàn)選用型號(hào)為SBB400-1180/63的液態(tài)CO2致裂器,長(zhǎng)1.2m,外徑Φ63mm,內(nèi)徑Φ30mm,泄能片極限壓力為450MPa,致裂器主管中充裝液態(tài)CO2質(zhì)量為0.8~1kg,液態(tài)CO2充裝壓力為12~15MPa。

        圖1 液態(tài)CO2致裂器實(shí)物圖

        2.2 液態(tài)CO2致裂增透原理

        CO2在溫度小于31℃、壓力超過7.35MPa時(shí),呈現(xiàn)液態(tài),溫度大于31℃時(shí)則逐漸氣化。利用該特性,將液態(tài)CO2加注到致裂裝置的充裝管內(nèi),使用煤礦專用發(fā)爆器迅速激發(fā)加熱設(shè)備,在40s內(nèi)充裝管內(nèi)液態(tài)CO2快速氣化,體積迅速膨脹,形成大量高壓CO2氣體,超過泄能片極限壓力時(shí),泄能片于0.1~0.5s內(nèi)爆裂,高壓氣態(tài)CO2由泄能頭四周的泄氣孔飛速?zèng)_出,與空氣介質(zhì)碰撞,產(chǎn)生強(qiáng)大的應(yīng)力波,沖擊試驗(yàn)煤體,從而將試驗(yàn)煤體炸裂,達(dá)到增透煤體的目的。

        2.3 增透試驗(yàn)工藝流程

        使用液態(tài)CO2開展致裂增透技術(shù)主要工藝流程包括施工致裂鉆孔、送入液態(tài)CO2致裂器及連接管、固定致裂器、利用注水封孔器進(jìn)行封孔、撤人起爆、致裂器取出,然后對(duì)致裂孔進(jìn)行封孔并連接抽采,最后開展效果考察。

        2.4 增透試驗(yàn)過程

        試驗(yàn)時(shí)間在2016年11月,地點(diǎn)選擇在ZF204備用工作面運(yùn)輸順槽距離開切眼200m處。在ZF204工作面運(yùn)輸順槽垂直巷道向煤體中布置3個(gè)致裂孔和4個(gè)控制孔(控制孔用于觀測(cè)瓦斯?jié)舛?、流量等),致裂孔和控制孔交替布置,三個(gè)致裂孔間距為5m,每?jī)蓚€(gè)致裂孔中間布置一個(gè)控制孔。所有孔的孔徑均為113mm,致裂孔孔深50m,控制孔孔深120m。鉆孔布置見圖2,布置參數(shù)見表1。井下試驗(yàn)部分主要工作有:打鉆、裝致裂器、布線、封孔、起爆、效果考察幾個(gè)部分。

        圖2 致裂孔和控制孔孔口位置布置圖

        表1 試驗(yàn)鉆孔布置參數(shù)

        在致裂之前將各個(gè)控制孔進(jìn)行抽放,觀測(cè)瓦斯?jié)舛群土髁康取V铝阎笾铝芽滓约翱刂瓶茁?lián)網(wǎng)抽采瓦斯,測(cè)定其瓦斯?jié)舛取⒘髁康葏?shù),與致裂之前的進(jìn)行對(duì)比分析。

        2.5 效果檢驗(yàn)與分析

        經(jīng)過16d的液態(tài)二氧化碳致裂試驗(yàn)與數(shù)據(jù)觀測(cè)發(fā)現(xiàn):致裂后各觀測(cè)孔(控制孔,下同)瓦斯?jié)舛群土髁慷嫉玫搅瞬煌潭鹊奶岣?,其?#觀測(cè)孔瓦斯?jié)舛忍岣咦畲?,?.2%提高到75%,提高了近15倍,經(jīng)過10d后衰減到16%左右,效果最為明顯。其余觀測(cè)孔瓦斯?jié)舛榷加胁煌潭忍岣?,平均抽采濃度由原來?.7%提高到14.28%,平均提高近3.5倍。根據(jù)與致裂孔不同間距的觀測(cè)孔濃度變化來看,瓦斯抽采半徑由原來的3m增大到7m。各個(gè)觀測(cè)孔的瓦斯流量平均提高了3~5倍,致裂效果非常明顯。

        3 煤體增透可以提高瓦斯抽采濃度及流量的原因

        瓦斯在煤體內(nèi)的存在狀態(tài)主要有兩種,即游離狀態(tài)和吸附狀態(tài)。這兩種存在狀態(tài)不是固定不變的,而是處于不斷變化的動(dòng)平衡狀態(tài),當(dāng)條件發(fā)生變化時(shí),這一動(dòng)平衡就會(huì)被打破。壓力、溫度的變化,都會(huì)影響到這一動(dòng)平衡。當(dāng)進(jìn)行煤層瓦斯抽放時(shí),煤層內(nèi)壓力降低,煤體內(nèi)部分吸附狀態(tài)的瓦斯就會(huì)解析為游離狀態(tài)的瓦斯。煤的瓦斯含量就是游離瓦斯含量和吸附瓦斯含量?jī)刹糠謽?gòu)成的。影響煤的瓦斯含量的因素較多,其中煤層透氣性對(duì)煤層瓦斯含量影響很大。煤層透氣性是煤層對(duì)于瓦斯流動(dòng)的阻力,通常用透氣性系數(shù)表示。透氣性系數(shù)越大,瓦斯在煤層中流動(dòng)越容易。煤體增透的目的就是借助高能流體、爆破等技術(shù)手段,促使煤體裂隙發(fā)育,使吸附狀態(tài)瓦斯更易解吸,使游離瓦斯更易流動(dòng)。因此,煤體增透能提高瓦斯抽采濃度和流量。

        4 結(jié)論

        (1)對(duì)于煤層透氣性差、較難抽放煤層的煤體進(jìn)行增透,可促進(jìn)煤體裂隙發(fā)育,增大煤層透氣性系數(shù),提高瓦斯抽采率。

        (2)煤體增透的程度對(duì)抽采瓦斯的濃度、流量變化有較大影響。

        (3)不同煤礦、不同煤層、不同區(qū)域?qū)嵭忻后w增透后,瓦斯抽放濃度及流量增加的比例不同。蔣家河煤礦進(jìn)行煤體增透后,平均抽采濃度提高近3.5倍,平均流量提高了3~5倍。

        (4)實(shí)行煤體增透后,瓦斯抽采半徑增大。蔣家河煤礦瓦斯抽采半徑由原來的3m增大到7m,可以減少一半的鉆孔施工量,節(jié)約瓦斯治理成本。

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