劉義孟
(山西省中陽榮欣焦化有限公司高家莊礦,山西 中陽 033400)
高家莊礦位于中陽縣境內(nèi),屬離柳礦區(qū),礦井瓦斯等級(jí)為高瓦斯礦井。2021 年測(cè)定礦井絕對(duì)瓦斯涌出量25.70 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量21.60 m3/t,回采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為4.66 m3 /min,掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為5.43 m3/min。東翼軌道大巷工作面位于高家莊礦一期開采范圍的東南角,西北部為2205 工作面,東部為未采動(dòng)區(qū)域,西部為已施工完成的東翼軌道大巷,南部為未采動(dòng)區(qū)域。工作面迎頭所揭露煤層為山西組3 號(hào)煤層,沿3 號(hào)煤層掘進(jìn),巷道頂板距2 號(hào)煤層法距7.0~7.8 m。巷道底板距4 號(hào)煤層法距0~4.0 m,平均2.0 m。瓦斯基本參數(shù)見表1。
表1 礦井瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)表
煤層進(jìn)行瓦斯抽采時(shí),抽采負(fù)壓使煤體內(nèi)的瓦斯不斷涌入鉆孔,與鉆孔內(nèi)的瓦斯混合后沿孔壁流出鉆孔。這一過程中,鉆孔內(nèi)瓦斯流動(dòng)時(shí)與孔壁發(fā)生摩擦?xí)斐沙椴韶?fù)壓產(chǎn)生沿程摩擦阻力損失。另外,由于鉆孔傾角導(dǎo)致的鉆孔內(nèi)瓦斯勢(shì)能的改變會(huì)造成勢(shì)能損失。其中,沿程摩擦阻力損失為主要損失;混合損失量目前只有通過實(shí)驗(yàn)來近似得出,還沒有通用表達(dá)式;當(dāng)鉆孔傾角為近水平時(shí),可認(rèn)為勢(shì)能損失為零。因此,本文只考慮沿程摩擦阻力損失和加速度損失。
2.2.1 鉆孔直徑對(duì)孔內(nèi)負(fù)壓分布規(guī)律的影響
通過模擬軟件,對(duì)不同鉆孔直徑98 mm、120 mm、140 mm、180 mm、200 mm 下3 號(hào)和4 號(hào)煤層鉆孔內(nèi)負(fù)壓隨鉆孔深度的變化情況進(jìn)行模擬分析,可以得出:對(duì)同一個(gè)抽采鉆孔直徑,隨著鉆孔深度的延伸,孔內(nèi)抽采負(fù)壓逐漸減小,且服從負(fù)指數(shù)關(guān)系(見表2)。
表2 3 號(hào)和4 號(hào)煤層孔內(nèi)負(fù)壓分布隨鉆孔直徑變化情況表
(1)隨著鉆孔直徑的增加,孔內(nèi)負(fù)壓損失逐漸減小,3 號(hào)和4 號(hào)煤層百米負(fù)壓損失分別為0.04~1.20 kPa、0.012~0.645 kPa。
(2)鉆孔直徑越大,則孔底負(fù)壓越大,同時(shí)孔口負(fù)壓降低的速度也越慢。增大鉆孔直徑,意味著增大了瓦斯從煤層中流入鉆孔的面積,在一定程度上增加了鉆孔內(nèi)的瓦斯純量。因此適當(dāng)增大鉆孔直徑對(duì)減小孔內(nèi)負(fù)壓損失并提高瓦斯抽采效率有促進(jìn)作用。
根據(jù)以上分析,從提高瓦斯抽采效果的角度分析,鉆孔直徑應(yīng)是越大越好,但同時(shí)要考慮到施工情況:高家莊煤礦3 煤和4 煤的煤層堅(jiān)固性系數(shù)為0.3~0.5,比較松軟,在定向鉆孔施工過程中存在塌孔情況,影響鉆孔的成孔,且孔徑越大成孔越差。在保證孔底負(fù)壓不低于13 kPa 的情況下,考慮98 mm 鉆孔負(fù)壓損失6.45 kPa,孔口負(fù)壓不低于20 kPa 可滿足抽采要求,而榮欣公司高負(fù)壓系統(tǒng)抽采負(fù)壓可以達(dá)到40 kPa 以上,所以為兼顧成孔效果孔徑為98 mm 可滿足抽采要求。
2.2.2 鉆孔長(zhǎng)度對(duì)孔內(nèi)負(fù)壓分布規(guī)律的影響
模擬得到不同鉆孔長(zhǎng)度下3 號(hào)和4 號(hào)煤層鉆孔內(nèi)負(fù)壓隨鉆孔深度的變化情況,可以得出:在相同的抽采時(shí)間條件下,隨著鉆孔深度的延伸,孔內(nèi)抽采負(fù)壓逐漸減小,其關(guān)系見表3。
表3 3 號(hào)和4 號(hào)煤層孔內(nèi)負(fù)壓分布隨鉆孔長(zhǎng)度變化情況表
(1)隨著鉆孔長(zhǎng)度增加,孔內(nèi)負(fù)壓損失逐漸增大,減小幅度越來越大,3 號(hào)和4 號(hào)煤層百米負(fù)壓損失分別為0.045~1.017 kPa、0.025~0.639 kPa。
(2)根據(jù)以上分析,結(jié)合高家莊煤礦薄、軟煤層定向鉆孔施工困難的情況,確定3 號(hào)和4 號(hào)煤層定向抽采鉆孔合理施工長(zhǎng)度為300~600 m。
根據(jù)模擬分析的結(jié)果,東翼大巷3 號(hào)和4 號(hào)煤層瓦斯治理中定向鉆孔直徑選擇為98 mm;定向鉆孔合理的施工長(zhǎng)度為300~600 m。
根據(jù)控制巷道方位和抽采半徑等參數(shù),3 號(hào)煤層共布置9 個(gè)鉆孔,鉆場(chǎng)鉆孔布置圖及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如圖1 和表4。
表4 東翼軌道大巷3 號(hào)煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表
圖1 東翼軌道大巷3 號(hào)煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)圖(m)
東翼軌道大巷迎頭鉆場(chǎng)共布置4 個(gè)鉆孔,4 個(gè)鉆孔全部布置在鉆場(chǎng)迎頭,4 個(gè)鉆孔及其分支鉆孔控制東翼軌道大巷下鄰近層4 號(hào)煤層。鉆場(chǎng)鉆孔布置圖及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)如圖2 和表5。
圖2 東翼軌道大巷4 號(hào)煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)圖(m)
表5 東翼軌道大巷4 號(hào)煤層定向鉆孔設(shè)計(jì)參數(shù)表
為了進(jìn)一步分析定向鉆孔瓦斯抽采效果,以下分析了抽采負(fù)壓、抽采濃度、抽采純量和日累計(jì)純量隨抽采時(shí)間的變化。
如圖3、圖4 所示,隨著抽采負(fù)壓的增大,抽采純量和日累計(jì)純量也隨之增大,三者基本呈正比關(guān)系;且隨著抽采時(shí)間的增加,孔壁瓦斯涌出量趨于穩(wěn)定,抽采負(fù)壓雖有所損失,較抽采前期大幅下降,但抽采純量和日累計(jì)純量總體逐漸增加,抽采效果穩(wěn)定向好。通過現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用證明,孔徑98 mm 的鉆孔是完全能滿足定向長(zhǎng)鉆孔區(qū)域預(yù)抽的要求的,3 號(hào)和4 號(hào)煤層的抽采效果得到了一定的保障,但仍有待進(jìn)一步提升。在下一步的瓦斯治理工作中,應(yīng)做好單孔計(jì)量工作,這樣有利于更好地分析孔口負(fù)壓、孔長(zhǎng)、孔徑及抽采時(shí)間等參數(shù)對(duì)瓦斯抽采效果的影響。在X3 巷道掘進(jìn)中,工作面迎頭及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛绕骄鶠?.06%~0.15%,抽采效果比較理想。
圖3 東翼軌道大巷3 號(hào)煤層定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)圖
圖4 東翼軌道大巷4 號(hào)煤層定向鉆孔抽采數(shù)據(jù)圖
(1)根據(jù)模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證,確定在3 號(hào)和4 號(hào)煤層定向鉆孔施工過程中,選擇孔徑98 mm能夠滿足礦井抽采要求,但在煤層條件較好時(shí)應(yīng)擴(kuò)大孔徑;3 號(hào)和4 號(hào)煤層定向抽采鉆孔合理施工長(zhǎng)度為300~600 m。
(2)隨著孔口負(fù)壓的增加,孔內(nèi)負(fù)壓損失基本無太大變化;隨著鉆孔直徑的增加,孔內(nèi)負(fù)壓損失逐漸減?。浑S著鉆孔長(zhǎng)度的增加,孔內(nèi)負(fù)壓損失逐漸增大,且減小幅度越來越大。在3 號(hào)和4 號(hào)煤層抽采過程中,應(yīng)保證孔口負(fù)壓不低于20 kPa。
(3)應(yīng)用定向鉆機(jī)施工定向長(zhǎng)鉆孔預(yù)抽本煤層和鄰近層瓦斯,在工藝上可行,抽采效果理想,為下一步同類條件下瓦斯治理提供了借鑒經(jīng)驗(yàn)。