趙向東

(山西燃氣集團有限公司,山西 太原 030027)

隨著礦井開采水平的逐步提高,煤層地質(zhì)條件日漸趨于復雜,瓦斯已成為制約礦井安全生產(chǎn)的重要影響因素。目前,針對綜采工作面回風隅角瓦斯治理的手段主要有:密閉墻埋管、頂板高位定向鉆孔、高抽巷等方式。密閉墻埋管依靠提前布置在密閉墻的抽放管路低負壓大流量抽放采空區(qū)瓦斯,是解決綜采工作面回風隅角瓦斯涌出的有效手段。但是,由于密閉墻附近空間較大,頂板未能充分塌實,抽放瓦斯?jié)舛认鄬^低,對于采空區(qū)瓦斯的治理效果較差。高抽巷具有施工周期長、材料人工成本較高的缺點,導致工作面采掘接替緊張、回采成本高,特別是高抽巷層位相對固定,靈活性差,對于解決采空區(qū)瓦斯存在一定的局限性。頂板高位定向鉆孔具有操作簡單、 針對性強、抽采濃度及流量大的特點,是目前解決采空區(qū)瓦斯聚集的最有效手段。頂板高位定向鉆孔的施工除了對施工層位和成孔質(zhì)量有一定的要求外,與頂板高位鉆孔布置方式和綜采工作面的通風方式也有很大關(guān)系,否則,會出現(xiàn)鉆孔抽放量低、無抽放量的情況。

1 綜采工作面頂板高位定向鉆孔布置方式

1.1 頂板高位定向鉆孔布置的基本原理

綜采工作面在回采過后,頂板冒落形成冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶,通過利用采空區(qū)瓦斯在冒落帶、裂隙帶的賦存特征,結(jié)合鉆孔成孔的基本要求,在工作面回風側(cè)附近采用千米定向鉆機施工高位孔。將大部分鉆孔布置在工作面頂板上方距離煤頂6～8倍采高的巖體裂隙中,通過抽放泵站對鉆孔裂隙進行抽放,采空區(qū)瓦斯通過裂隙進入鉆孔內(nèi),使大部分高濃度瓦斯定向流向頂板高位定向鉆孔,達到減少采空區(qū)瓦斯涌出的目的[1-2]。

1.2 頂板高位定向鉆孔工藝流程

頂板高位大直徑定向鉆孔成孔裝置主要有:ZDY12000LD型全液壓坑道鉆機、BLY390/12型泥漿泵車、YHD2-1000(A)孔口供電式隨鉆測量裝置、YHD3-1500泥漿脈沖無線隨鉆測量裝置、Φ73 mm四級螺桿馬達等裝備、中心通纜和普通鉆桿單向閥、Φ73 mm無線隨鉆鉆桿和Φ102 mm高強度大通孔鉆桿等配套鉆具,同時包括硬巖定向鉆進用PDC鉆頭和塔式組合擴孔鉆頭,所有這些形成了適合于高位大直徑定向鉆孔施工的成套裝備。

頂板高位定向鉆孔成孔工藝技術(shù)主要由隨鉆測量復合定向鉆進技術(shù)和定向鉆孔大直徑擴孔技術(shù)組成,為快速優(yōu)質(zhì)成孔奠定了基礎(chǔ)。隨鉆測量復合定向鉆進技術(shù)是回轉(zhuǎn)鉆進與滑動定向鉆進的結(jié)合,鉆頭高速旋轉(zhuǎn)切削碎巖,實現(xiàn)高效穩(wěn)斜鉆進。采用回轉(zhuǎn)方式進行大直徑擴孔,避免擴孔鉆進出分支和鉆具發(fā)生安全事故,鉆孔孔徑達到153 mm,可將實鉆鉆孔軌跡與設(shè)計軌跡偏差控制在5‰以內(nèi)。

頂板定向高位鉆孔布置在采空區(qū)“O”型圈裂隙帶內(nèi)，并對其中的瓦斯進行抽采。根據(jù)寺河礦3#煤層頂板特點,頂板高位大直徑定向鉆孔是使用定向鉆機在工作面回風巷利用橫川煤柱,向采空區(qū)裂隙帶(6～8倍采高層位)提前施工的定向高位鉆孔。每個高位鉆場施工鉆孔4～5個,鉆孔施工長度為450～480 m。使用Φ120 mm鉆頭施工、Φ200 mm鉆頭擴孔,鉆孔布置間距為10 m[3],平面上距離巷道15～60 m以內(nèi),剖面上距離煤層頂板距離40～52 m,采用大直徑封孔管進行封孔。鉆孔布置剖面圖如圖1所示。

圖1 鉆孔布置剖面圖Fig.1 Borehole layout profile

2 綜采工作面通風系統(tǒng)布置方式對瓦斯抽采效果影響

2.1 綜采工作面基本情況

寺河礦是煤與瓦斯突出礦井,礦井絕對瓦斯涌出量為936.69 m3/min,W3309工作面配風量為3 500 m3/min。煤層最大厚度6.2 m,最小厚度5.0 m,平均厚度為6.0 m。工作面煤層厚度變化較小,整體處于5.8～6.2 m之間;沿推進方向,工作面西南部靠機頭側(cè)會出現(xiàn)煤層增厚現(xiàn)象,增厚幅度較小,約6.2 m;工作面西北部受煤層變薄帶影響,煤層厚度變薄,約4.0 m。工作面原始瓦斯含量18.41 m3/t,對工作面煤體采取預抽瓦斯措施,殘余含量降至7.52 m3/t以下,最大為7.236 m3/t,工作面煤層煤塵無爆炸性,自燃傾向性等級為Ⅲ級,屬于不易自燃煤層。

綜采工作面多采用“三進一回”偏Y型后置回風和“兩進一回”U+L型前置回風兩種通風方式,采用密閉墻埋管和頂板高位定向鉆孔方式解決采空區(qū)瓦斯。當工作面采用“三進一回”偏Y型后置回風時,工作面推進方向和工作面回風流流經(jīng)方向相反,而采用“兩進一回”U+L型前置回風時,工作面推進方向和工作面回風流流經(jīng)方向一致。兩種通風方式如圖2、圖3所示。

圖2 “三進一回”偏Y型后置回風Fig.2 Three-in-one-back partial Y-type rear return air ventilation

圖3 “兩進一回”U+L型前置回風Fig.3 Two-in-one-return U+L type front return air ventilation

2.2 綜采工作面高位鉆孔布置方式及管路布置情況

寺河礦采用多種強化抽采措施進行采空區(qū)抽采,抑制采空區(qū)瓦斯涌出,并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)采煤工作面“U”型通風方式。為滿足W3309工作面瓦斯治理的需要,在W33092巷西幫鋪設(shè)一趟377預抽系統(tǒng),用于高位鉆孔;同時在W33092巷東幫鋪設(shè)一趟711抽排系統(tǒng),用于工作面回采時上隅角和W3309工作面閉墻抽放。

為解決W3309工作面初采及回采過程中上隅角的瓦斯,在工作面上隅角一側(cè)使用千米鉆機施工頂板高位鉆孔,鉆場位置為W33092巷聯(lián)絡(luò)橫川,每隔4個橫川施工一組高位鉆孔,W33092/93巷橫川高位鉆場共設(shè)計鉆孔3個,鉆孔層位為40～50 m。1#鉆孔距W33093巷東幫以東15 m,層位40 m,鉆孔孔徑120 mm,鉆孔深度450 m,終孔孔徑200 mm,連打帶擴孔工程量為900 m?？组g距為10 m,該鉆場累計工程量為2 700 m。綜采工作面高位鉆孔布置方式如圖4所示。

圖4 綜采工作面高位鉆孔布置方式Fig.4 High-level borehole layout of fully-mechanized working face

2.3 不同通風方式下頂板定向高位鉆孔抽放效果對比

W3309工作面在前期采用“三進一回”偏Y型后置回風的通風方式,頂板定向高位鉆孔抽放量相對較低,抽放量始終保持在1 m3/min左右,工作面平均瓦斯體積分數(shù)0.6%左右;后期為了滿足W33092巷道的維護,5月26日將工作面調(diào)整為“兩進一回”U+L型前置回風的通風系統(tǒng),在5月27日對頂板定向高位鉆孔進行抽放量測定時,發(fā)現(xiàn)抽放量發(fā)生了明顯的變化,抽放量提升了10 m3/min左右。表1選取了工作面日均產(chǎn)量相同,在兩種通風方式情況下,瓦斯涌出量和瓦斯?jié)舛鹊淖兓?/p>

表1 高位鉆孔抽放量、閉墻埋管抽放量及工作面風流瓦斯對比Table 1 Comparison table of high-level borehole gas drainage, closed-wall-buried-pipe gas drainage, and gas concentration of working face air flow

表1(續(xù))

通過表1我們可以看出,“兩進一回”U+L型前置回風瓦斯頂板高位定向鉆孔抽放量比“三進一回”偏Y型后置回風的抽放量多10 m3/min左右,工作面風流平均瓦斯體積分數(shù)則減少0.18%左右,故“兩進一回”U+L型前置回風瓦斯抽放的效果較好。

2.4 頂板定向高位鉆孔抽放效果分析

“兩進一回”U+L型前置回風工作面推進方向和風流方向一致,“三進一回”偏Y型后置回風工作推進方向與風流方向相反。由于通風方式不同,對采空區(qū)瓦斯流場產(chǎn)生了較大影響[4-5],兩種通風方式下回風采空區(qū)瓦斯流場如圖5、圖6所示。

圖5 “三進一回”偏Y型后置回風采空區(qū)瓦斯流場Fig.5 Gas flow field in goaf with three-in-one-back partial Y-type rear return air ventilation

圖6 “兩進一回”U+L型前置回風采空區(qū)瓦斯流場Fig.6 Gas flow field in goaf with two-in-one-returnU+L type front return air ventilation

由圖5、圖6可以看出,“兩進一回”U+L型前置回風上隅角以里采空區(qū)高濃度瓦斯分布較“三進一回”偏Y型后置回風更加靠前,且在回風隅角側(cè)瓦斯?jié)舛认鄬^高。

“三進一回”偏Y型后置回風通風方式下，瓦斯在采空區(qū)產(chǎn)生瓦斯流場區(qū)域向深部集聚,瓦斯流動方向與頂板高位定向鉆孔抽放所形成的負壓區(qū)域相反,在采空區(qū)形成對拉的負壓區(qū),造成瓦斯流動能力減弱,加之通風系統(tǒng)所產(chǎn)生的負壓區(qū)域影響范圍要遠遠大于頂板高位定向鉆孔,因此其抽放效果差?！皟蛇M一回”U+L型前置回風通風方式下，瓦斯在采空區(qū)產(chǎn)生瓦斯流場區(qū)域向回風隅角及回風側(cè)巷道處集聚,在回風隅角以里形成高濃度瓦斯集聚區(qū),瓦斯流動方向與頂板高位定向鉆孔抽放所形成的負壓區(qū)域相同,由于千米鉆機施工的高位定向鉆孔布置在采空區(qū)裂隙帶中,靠近回風隅角側(cè)，因此，通風系統(tǒng)產(chǎn)生的流場可以使瓦斯源源不斷地向回風隅角側(cè)流動,使高位定向鉆孔能夠抽放高濃度的瓦斯,從而有效解決采空區(qū)瓦斯[6]。

3 頂板高位定向鉆孔優(yōu)化設(shè)計及效果分析

由于回風井布置的特殊位置關(guān)系, 寺河礦西二盤區(qū)和西三盤區(qū)南翼綜采工作面均采用“三進一回”偏Y型后置回風通風方式。在這種通風方式下,頂板定向高位鉆孔瓦斯抽放量相對較低,采空區(qū)積聚了大量瓦斯,工作面在推進過程中,經(jīng)常出現(xiàn)架間瓦斯大量涌出的情況,為了有效解決采空區(qū)瓦斯,需要對頂板定向高位鉆孔的布置地點和方式進行優(yōu)化設(shè)計。

3.1 頂板高位定向鉆孔布置方式的優(yōu)化設(shè)計

由于“三進一回”偏Y型后置回風通風方式產(chǎn)生的流場使采空區(qū)瓦斯在深部集聚,因此需對頂板高位定向鉆孔進行優(yōu)化,鉆孔優(yōu)化如圖7所示。

圖7 “三進一回”偏Y型后置回風頂板定向高位鉆孔優(yōu)化Fig.7 Directional high-level borehole optimization in roof with three-in-one-back partial Y-type rear return air ventilation

1)綜采工作面回采初期,利用尾部調(diào)車巷提前施工高、低位孔解決采空區(qū)深部瓦斯,低位孔層位控制在10～15 m;高位孔層位控制在20～25 m。

2)隨著工作面的推進,調(diào)車巷施工的高、低位孔的作用范圍逐步減少,需要在工作面每推進150 m左右施工一組200 m(重疊50 m)左右的高位孔。

3)針對千米高位定向鉆孔抽放量低的情況,將鉆孔設(shè)計為距離煤壁15～30 m距離向工作面方向推進10 m,使定向鉆孔產(chǎn)生的負壓區(qū)解決采空區(qū)內(nèi)的瓦斯富集。

3.2 頂板高位定向鉆孔布置效果分析

寺河礦W3309工作面采用“三進一回”偏Y型后置回風通風方式,工作面采空區(qū)瓦斯通過采用密閉墻埋管和頂板高位定向鉆孔解決。在滯后工作面推進150 m處施工一組150 m的高位定向鉆孔,施工后高位定向鉆孔抽放總量提升了15 m3/min,工作面風流瓦斯體積分數(shù)降低了0.22%。W3309工作面定向高位鉆孔抽放量與瓦斯含量的關(guān)系,如圖8所示。

4 結(jié)論

1)頂板高位定向鉆孔相比較高抽巷和閉墻埋管方式,具有施工簡單,影響范圍大的優(yōu)勢,是目前解決采空區(qū)瓦斯的最有效手段,但是鉆孔抽放效果與通風系統(tǒng)有密切聯(lián)系。

圖8 W3309工作面定向高位鉆孔抽放量與瓦斯含量的關(guān)系統(tǒng)計圖Fig.8 Relationship between the drainage and gas concentration of directional high-level borehole in the W3309 working face

2)綜采工作面在采用“三進一回”偏Y型后置回風和“兩進一回”U+L型前置回風兩種不同通風方式下,頂板高位定向抽放純量相差10 m3/min以上,工作面回風流瓦斯體積分數(shù)相差0.18%。采用“兩進一回”U+L型前置回風,工作面推進方向與回風流方向一致時,更有利于頂板高位定向鉆孔抽放。

3)“三進一回”偏Y型后置回風通風方式產(chǎn)生的流場使采空區(qū)瓦斯在深部集聚,通過在綜采工作面采空區(qū)深部布置優(yōu)化鉆孔,施工后的高位定向鉆孔抽放量總量提升了15 m3/min,工作面風流瓦斯體積分數(shù)降低了0.22%。