王 龍

(山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司,山西 晉城 048003)

1 抽采煤層及抽采系統(tǒng)概況

1)抽采煤層。3號(hào)煤層:位于山西組下部,上距K8砂巖平均43.83 m左右,下距9號(hào)煤層平均62.50 m左右。煤層厚度4.63 m～7.15 m,平均厚6.26 m,煤層結(jié)構(gòu)簡單一較簡單,一般含0～2層夾矸,為本井田穩(wěn)定可采煤層。直接頂巖性主要為泥巖、細(xì)粒砂巖,老頂巖性為淺灰色中厚層粉砂巖、中粒砂巖;底板巖性為黑灰色泥巖、粉砂巖,局部為細(xì)砂巖。

2)煤塵爆炸性。據(jù)山西省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所M20021230號(hào)檢驗(yàn)報(bào)告,山西蘭花集團(tuán)大陽煤礦煤塵火焰長度為0,巖粉用量亦為0,無煤塵爆炸危險(xiǎn)性。

3)煤的自燃傾向性。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)局綜合測(cè)試中心提交的3號(hào)煤層檢驗(yàn)報(bào)告,大陽煤礦3號(hào)煤層吸氧量為1.250 6 cm3/g,煤層自燃等級(jí)為Ⅲ級(jí),屬不易自燃煤層。

4)抽采系統(tǒng)。大陽煤礦3號(hào)煤層瓦斯抽采規(guī)模46 m3/min,布置兩套抽采系統(tǒng),高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)選用2臺(tái)CBF630-2BG3水環(huán)式真空泵,低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)選用2臺(tái)CBF710-2BG3水環(huán)式真空泵,各抽采主管、干管、支管均選用螺旋縫埋弧焊鋼。

2 頂板梳狀定向鉆孔瓦斯抽采設(shè)計(jì)

3404工作面定向水平長鉆孔的布置如圖1所示。

1)鉆場(chǎng)位置。3404工作面長度1 256 m,鉆場(chǎng)布置在回風(fēng)順槽巷道40 m拐角位置處,如圖2所示。

圖1 頂板鉆孔布置三維圖

圖2 2號(hào)鉆場(chǎng)鉆孔剖面圖

2)鉆孔參數(shù)。鉆孔直徑:選擇鉆孔直徑為120 mm。鉆孔個(gè)數(shù):鉆孔直徑為120 mm時(shí),鉆孔個(gè)數(shù)為3個(gè)。

3)鉆孔間距。3個(gè)定向鉆孔布置方式分別為內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)順槽25 m、30 m、35 m,鉆孔間距為5 m。

4)鉆孔布置。1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)鉆孔終孔位置分別位于距離煤層頂板20 m、25 m、30 m處。根據(jù)鉆孔位置關(guān)鍵層位理論,在工作面上方采動(dòng)巖層中存在著一個(gè)決定采場(chǎng)上覆巖層礦上壓力變形破壞的關(guān)鍵層。當(dāng)關(guān)鍵層出現(xiàn)破段后,位于采空區(qū)中部的采動(dòng)裂隙即將趨于壓實(shí),而且在采空區(qū)四周則出現(xiàn)一個(gè)聯(lián)通的采動(dòng)裂隙發(fā)育區(qū),并隨著工作面的推進(jìn)而移動(dòng),在這個(gè)采動(dòng)影響裂隙的發(fā)育區(qū)就形成了一個(gè)瓦斯集聚區(qū)域。只要將梳狀定向抽采鉆孔打在這個(gè)采場(chǎng)的采動(dòng)裂隙區(qū)內(nèi),就可使鉆孔具有較長抽采時(shí)間,較大的抽采范圍和較高的抽采量。采動(dòng)區(qū)沿著垂直方向由下向上分為冒落帶、裂隙帶、以及彎曲下沉帶。沿工作面推進(jìn)方向分為煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)以及重新壓實(shí)區(qū)。隨著工作面的不斷推進(jìn),橫三區(qū)逐漸移動(dòng),豎三區(qū)也同時(shí)隨之被壓實(shí),而裂隙帶的梳狀定向鉆孔卻始終處于一種最佳的抽采狀態(tài)。

5)施鉆設(shè)備。ZDY12000LD鉆機(jī)、YHD2-1000T(A)隨鉆測(cè)量裝置、螺桿馬達(dá)、BLY390泥漿泵、通纜鉆桿、防爆計(jì)算機(jī)。

6)施工工藝流程。準(zhǔn)備鉆場(chǎng)→鉆孔設(shè)計(jì)→移機(jī)定位→鉆孔施工→撤鉆與接抽→放水與檢測(cè)。

3 3404回采工作面頂板鉆孔合理參數(shù)確定

3404綜采工作面回采時(shí)工作面瓦斯涌出量達(dá)8 m3/min ～10 m3/min,瓦斯等級(jí)為高瓦斯礦井。大陽煤礦3號(hào)煤層瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定報(bào)告中顯示3404綜采工作面煤層厚度5.83 m,瓦斯含量為7.07 m3/min ～7.43 m3/t,瓦斯壓力為0.45 MPa ～0.49 MPa?；夭善陂g的瓦斯來源于本煤層和鄰近層裂隙帶。從3404綜放工作面生產(chǎn)實(shí)踐過程中高位抽放鉆孔的抽放效果分析可以看出,鉆孔終孔距頂板高度確定為23 m～28 m。

3404回采工作面千米定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 3404回采工作面千米定向鉆孔軌跡設(shè)計(jì)

鉆孔距煤層頂板垂高20 m～30 m,距離回風(fēng)側(cè)水平25 m～35 m,有限鉆場(chǎng)范圍內(nèi)布置3個(gè)梳狀定向鉆孔,在垂直方向上形成三角形布置。頂板定向鉆孔組合理布置層位位于靠近回風(fēng)巷一側(cè)采動(dòng)裂隙帶內(nèi),以抽采工作面采空區(qū)上隅角集聚的高濃度瓦斯。抽采鉆孔孔口負(fù)壓在15.8 kPa～25.4 kPa左右,單孔瓦斯抽采量可達(dá)5 m3/min ～12 m3/min。

4 梳狀定向鉆孔抽采效果分析

1)3404定向鉆場(chǎng)各梳狀定向鉆孔瓦斯?jié)舛确植既鐖D4所示。

2)通過3個(gè)不同參數(shù)的梳狀定向鉆孔對(duì)比分析,C鉆孔抽采效果最佳,設(shè)計(jì)參數(shù)最合理。

3)單孔瓦斯抽采濃度隨著抽采時(shí)間的延長先增加后減小,且最終在35%～20%上下波動(dòng)。

4)抽采初期,抽采濃度不穩(wěn)定,抽采量較小。隨著時(shí)間的延長,抽采濃度逐漸增大,最大濃度達(dá)75%,抽采量達(dá)到12.2 m3/min,最終穩(wěn)定在6 m3/min。

圖4 3404定向鉆場(chǎng)各梳狀定向鉆孔瓦斯?jié)舛确植紙D

5 應(yīng)用梳狀定向鉆孔產(chǎn)生的效果及經(jīng)濟(jì)效益

大陽煤礦于2016年采用定向鉆機(jī)及配套設(shè)備,分別在3404工作面、3304工作面回風(fēng)順槽施工頂板梳狀定向鉆孔5個(gè),用于工作面上隅角及采空區(qū)瓦斯的治理。累計(jì)進(jìn)尺3 567 m,最大主孔孔深為556 m,瓦斯平均抽采濃度35%,累計(jì)抽采瓦斯113×103m3。累計(jì)新增產(chǎn)值790.43萬元。兩工作面回采未出現(xiàn)瓦斯超限,有效保障了該礦煤炭綠色、安全、高效生產(chǎn)。

采空區(qū)瓦斯抽采模式由輔助回風(fēng)巷轉(zhuǎn)變?yōu)殚L距離頂板梳狀定向鉆孔,兩個(gè)工作面(總長1 000 m)輔助回風(fēng)巷投入資金400萬元(掘進(jìn)成本4 000元/m),掘進(jìn)施工需5個(gè)月。而采用梳狀瓦斯抽采定向鉆孔的施工,投入資金約122萬元(含107萬施工成本和15萬耗損費(fèi)用),施工周期為2個(gè)月。兩工作面利用梳狀瓦斯抽采定向長鉆孔鉆進(jìn)技術(shù),累計(jì)節(jié)省生產(chǎn)成本278萬元,生產(chǎn)成本節(jié)約了70%,生產(chǎn)周期降低了60%,保障了該礦煤炭的安全高效開采。

6 結(jié)束語

1)通過理論分析和數(shù)值模擬分析,3404綜采工作面定向鉆孔布置在頂板上方28 m左右處,取得最佳瓦斯抽采效果。梳狀定向鉆孔能夠長時(shí)間穩(wěn)定在頂板采動(dòng)裂隙區(qū)內(nèi),抽采時(shí)間穩(wěn)定在150 d以上,在采煤的同時(shí)安全高效的抽采瓦斯,實(shí)現(xiàn)煤與瓦斯共采。

2)綜采工作面上采用梳狀定向鉆孔抽采,結(jié)合高位鉆孔抽采、本煤層鉆孔抽采、上隅角埋管的抽采方法有效治理了工作面回風(fēng)巷風(fēng)流中的瓦斯。尤其是通過梳狀定向鉆孔抽采瓦斯技術(shù)研究,為今后鉆孔抽采瓦斯布置方式上采取改善措施奠定了基礎(chǔ),也為今后抽采治理瓦斯積累了一定的經(jīng)驗(yàn)。

3)本次梳狀定向鉆孔推廣應(yīng)用效果表明,梳狀定向鉆孔抽采技術(shù)可遠(yuǎn)距離高效解決采空區(qū)瓦斯治理難題,具有替代高成本的輔助回風(fēng)巷的應(yīng)用前景。