閆沁陽

(潞安化工集團(tuán)能源事業(yè)部 通風(fēng)部,山西 長治 046204)

煤礦瓦斯災(zāi)害時刻威脅著礦井的生產(chǎn)安全,尤其是隨著煤層開采深度的不斷增加,瓦斯的賦存壓力和含量也逐漸增加,會給煤礦安全開采帶來更大的威脅。鉆孔抽放煤層瓦斯可以降低煤層瓦斯壓力,減少瓦斯災(zāi)害的發(fā)生[1-3]。大直徑鉆孔抽采瓦斯是一種行之有效的瓦斯治理方法,很多學(xué)者針對大直徑鉆孔瓦斯抽采理論和技術(shù)進(jìn)行了大量研究,取得了顯著的效果[4-13]。李宏等[4]采用數(shù)值計算的方法,探討了大直徑定向頂板長鉆孔的層位、間距等關(guān)鍵參數(shù)對采空區(qū)瓦斯運(yùn)移規(guī)律影響機(jī)制,并對抽采工藝進(jìn)行了完善。潘俊鋒等[5]研究了不同孔間距下大直徑鉆孔卸壓效果。張春華等[6]分析了大直徑雙鉆孔強(qiáng)化抽采瓦斯的效果。陳月霞等[7]結(jié)合理論分析與數(shù)值模擬,研究抽采鉆孔孔徑與間距對瓦斯抽采的影響。高艷忠[8]研究了松軟煤層不提鉆直接下篩管鉆孔護(hù)壁技術(shù),發(fā)現(xiàn)成孔率大幅度提高。陳久福等[9]研究了鉆孔內(nèi)下套管瓦斯增透技術(shù)。祝釗[10]研究了大直徑套管鉆進(jìn)一次成孔技術(shù)。謝生榮等[11]采用了尾巷超大直徑管路橫接采空區(qū)密閉抽采技術(shù),結(jié)果表明,上隅角瓦斯、瓦斯尾巷的瓦斯體積分?jǐn)?shù)分別降低到0.9%、1.7%以下,瓦斯治理效果顯著。為解決潞安化工集團(tuán)某礦巷道掘進(jìn)過程中瓦斯體積分?jǐn)?shù)較高的問題,本文采用大孔徑鉆孔卸壓治理瓦斯,并從工作面掘進(jìn)效率、瓦斯治理效果以及經(jīng)濟(jì)效益等方面對大孔徑鉆孔與常規(guī)鉆孔進(jìn)行對比分析,以期對類似地質(zhì)條件煤巷掘進(jìn)過程中的瓦斯治理提供一定的參考。

1 工作面概況

S5207膠帶巷道沿3號煤層底板掘進(jìn),設(shè)計全長1 849 m,截至2021年6月27日,已掘進(jìn)1 224.6 m,巷道斷面為矩形,寬5.4 m,高3.8 m,斷面積為20.52 m2,工作面標(biāo)高為+384～+577 m,巷道北面為南五膠帶下山;南面、西面及東面均為實(shí)體煤。

S5207膠帶巷道里程0～107 m巷段及回風(fēng)聯(lián)巷掘進(jìn)期間不施工鉆場。里程107～1 743 m巷段掘進(jìn)期間,在巷道兩幫邁步布置“邊掘邊抽”瓦斯抽采鉆場。煤層厚度約為6.11 m,沿掘進(jìn)方向煤層傾角為-4°～2°.

巷道內(nèi)大孔徑釋放孔之前1個月內(nèi)(5月10日—6月10日),回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.92%,回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.64%,殘余瓦斯含量9.81 m3/t,風(fēng)量1 581 m3/min,風(fēng)排瓦斯量10.12 m3/min,不均勻涌出系數(shù)平均值為1.28.

巷道施工期間采取的瓦斯治理措施為:邁步鉆場邊掘邊抽、迎頭釋放孔、CO2氣相壓裂,順層鉆孔采前預(yù)抽。

2 大孔徑釋放孔工藝

本礦井其他膠帶巷掘進(jìn)期間工作面發(fā)生瓦斯探頭預(yù)警、響煤炮等現(xiàn)象,為了解決工作面煤層瓦斯壓力大、掘進(jìn)期間瓦斯體積分?jǐn)?shù)高等問題,于6月10日開始在S5207膠帶巷施工大孔徑釋放孔。

2.1 鉆孔設(shè)計

迎頭釋放孔參數(shù)及要求:施工15個釋放孔,孔徑為120 mm,深度為18 m,釋放孔按三排五列布置。沿煤層底板掘進(jìn)期間:第一排釋放孔傾角與巷道傾角一致,第二排釋放孔傾角為巷道傾角加3°,第三排釋放孔傾角為巷道傾角加7°,見圖1.

圖1 迎頭釋放孔布置正視圖(單位:mm)

2.2 施工設(shè)備

迎頭施工大孔徑釋放孔采用ZQSJ-90/2.4A架柱支撐手持氣動鉆機(jī),參數(shù)見表1.

表1 ZQSJ-90/2.4A架柱支撐手持氣動鉆機(jī)參數(shù)

表2 各階段瓦斯?jié)舛茸兓?/p>

該鉆機(jī)為便攜式鉆機(jī),具有安全防爆、轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速高、體積小、結(jié)構(gòu)簡單和維修方便等特點(diǎn)。

2.3 施工組織

2.3.1 工藝用時

普通釋放孔施工40個,長度13 m,大孔徑釋放孔施工15個,長度18 m,均為3臺鉆機(jī)6人操作同時施工。普通釋放孔用時為4～5 h,大孔徑釋放孔在打鉆正常的情況下用時為4～5 h,因孔徑增大導(dǎo)致夾鉆等異常情況出現(xiàn)時,施工用時為5～8 h,從施工用時分析,普通釋放孔較優(yōu)。

2.3.2 卸壓效果

大孔徑釋放孔較優(yōu)化前,施工深度增加3 m,隨著鉆孔施工深度增加,煤體內(nèi)應(yīng)力向深部移動,卸壓效果增強(qiáng),具體表現(xiàn)為檢修班的響煤炮次數(shù)由之前的平均7次減少為5次。

2.3.3 安全效益

施工大孔徑釋放孔前100 m掘進(jìn)里程內(nèi)(2021年5月22日—6月9日),工作面回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值為0.79%,達(dá)14次,回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.68%,瓦斯預(yù)警1次。施工大孔徑釋放孔后100 m掘進(jìn)里程內(nèi)(6月10日—6月28日),工作面回風(fēng)流瓦斯體積分?jǐn)?shù)最大值為0.79%,達(dá)11次,回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.65%,瓦斯預(yù)警1次,大孔徑釋放孔對工作面掘進(jìn)期間瓦斯治理情況無明顯改善。

3 工作面瓦斯治理措施效果分析

大直徑鉆孔優(yōu)勢:①大孔徑瓦斯釋放孔可以更多地揭露瓦斯地層中的孔隙和裂隙,更加有效地釋放煤層中賦存的瓦斯;②大孔徑瓦斯釋放孔孔深較大,煤體卸壓效果更強(qiáng),瓦斯釋放效果更好。

為分析S5207膠帶巷道大孔徑釋放孔效果,選取2021年5月10日—6月27日掘進(jìn)期間巷道內(nèi)瓦斯涌出情況為分析對象,并按照采取的瓦斯治理措施劃分為2個階段。第一階段(5月10日—6月9日),工作面采取的瓦斯治理措施為:迎頭CO2氣相壓裂+普通釋放孔+邁步鉆場邊掘邊抽;第二階段(6月10日—6月27日)瓦斯治理措施為:迎頭CO2氣相壓裂+大孔徑釋放孔+邁步鉆場邊掘邊抽。

3.1 大孔徑釋放孔施工前后檢修時工作面風(fēng)排瓦斯量變化

圖2為大孔徑釋放孔施工前后檢修時工作面瓦斯涌出情況。從圖中可以看出,大孔徑釋放孔施工前,檢修時回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.61%;大孔徑釋放孔施工后,檢修時回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.63%,提高0.02%,風(fēng)排瓦斯量增加0.3 m3/min,即施工大孔徑釋放孔過程中,增加了0.3 m3/min的瓦斯釋放量,變化很小。因此,施工大孔徑釋放孔對巷道瓦斯涌出量基本無影響。

圖2 大孔徑釋放孔施工前后檢修時工作面瓦斯涌出量變化圖

3.2 大孔徑釋放孔瓦斯釋放效果

由圖3、圖4可知,大孔徑釋放孔施工前,回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.81%,回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.60%;大孔徑釋放孔施工后,回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.90%,平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為0.62%,風(fēng)排瓦斯量由9.49 m3/min提升至9.80 m3/min.施工大孔徑釋放孔前后回風(fēng)流最大瓦斯體積分?jǐn)?shù)無明顯變化,回風(fēng)流平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)由0.60%變化為0.62%,即瓦斯釋放量有所增加,但增加量有限。

圖3 大孔徑釋放孔施工前后瓦斯?jié)舛茸兓€

圖4 大孔徑釋放孔施工前后風(fēng)排瓦斯量變化曲線

3.3 大孔徑釋放孔掘進(jìn)日進(jìn)尺

大孔徑釋放孔施工前,共掘進(jìn)51.3 m,用時10 d,掘進(jìn)日進(jìn)尺為5.13 m/d;施工大孔徑釋放孔后,掘進(jìn)53.3 m,用時10 d,掘進(jìn)日進(jìn)尺為5.33 m/d,掘進(jìn)效率提升3.9%.綜合分析,施工大孔徑釋放孔施工速度較快。

3.4 大孔徑釋放孔不均勻涌出系數(shù)分析

施工大孔徑釋放孔可以降低工作面迎頭煤體淺部瓦斯壓力,將煤體內(nèi)部壓力向深處轉(zhuǎn)移。為分析該效果,選取生產(chǎn)期間每小時瓦斯涌出不均勻系數(shù)進(jìn)行分析。圖5為大孔徑釋放孔施工前后風(fēng)排瓦斯量變化曲線圖。割第一排煤時,較檢修期間瓦斯大量涌出,不均勻系數(shù)處于最高值,隨著割煤的連續(xù)作業(yè),瓦斯涌出趨于穩(wěn)定,不均勻系數(shù)穩(wěn)定在1～1.3之間。由圖可知,掘進(jìn)3排以后,施工大孔徑釋放孔后的瓦斯不均勻系數(shù)略高于未施工大孔徑釋放孔的掘進(jìn)區(qū)域,分析原因?yàn)?施工大孔徑釋放孔期間對深部煤體的擾動作用強(qiáng)于施工普通鉆孔,割煤期間煤體更容易破碎釋放瓦斯,造成落煤瓦斯涌出量的增加,從而導(dǎo)致生產(chǎn)期間施工大孔徑釋放孔區(qū)域瓦斯涌出不均勻系數(shù)略高于未施工大孔徑釋放孔區(qū)域。施工大孔徑釋放孔后,生產(chǎn)期間不均勻瓦斯涌出系數(shù)為1.11;施工普通釋放孔后,生產(chǎn)期間不均勻瓦斯涌出系數(shù)為1.14.因此,兩種瓦斯治理措施效果接近。

圖5 大孔徑釋放孔施工前后風(fēng)排瓦斯量變化曲線圖

3.5 瓦斯治理效果分析

表3為大孔徑鉆孔施工前后瓦斯治理效果,由表可知,施工大孔徑釋放孔前后工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本無變化,風(fēng)排瓦斯量增加0.31 m3/min,不均勻涌出系數(shù)由1.44降低至1.41,從瓦斯治理效果及保證掘進(jìn)進(jìn)尺方面分析,大孔徑釋放孔與施工普通釋放孔效果基本一致。

表3 各階段瓦斯治理成本

4 瓦斯治理成本分析

4.1 普通釋放孔和大孔徑釋放孔施工成本

按照施工要求,釋放孔要求正規(guī)循環(huán)每個早班進(jìn)行施工,施工普通釋放孔,掘進(jìn)51.3 m,用時10 d,需施工10×40=400個釋放孔。按單價29.73元/m計算,掘進(jìn)50 m釋放孔費(fèi)用為400×29.73×15=178 380元。

按照施工要求,大孔徑釋放孔要求在正規(guī)循環(huán)每2個圓班施工1組大孔徑釋放孔,大孔徑釋放孔單價為51元/m,按照全部施工至指定深度18 m,每組施工15個釋放孔計算,施工1組釋放孔成本為13 770元。施工大孔徑釋放孔期間掘進(jìn)53.3 m,施工大孔徑釋放孔5組,施工費(fèi)用約為68 850元。

4.2 CO2氣相壓裂施工成本

按照每50 m施工1次氣相壓裂計算,施工鉆孔費(fèi)用單價為63.95元/m,施工鉆孔深度按照80 m計算,則施工壓裂鉆孔費(fèi)用為5 166元。氣相壓裂增透施工費(fèi)用按照20根全部有效起爆計算:20×1 929=38 580元。施工一次氣相壓裂的總費(fèi)用約為43 746元。

4.3 瓦斯治理成本分析

表3為各階段瓦斯治理成本,由表中可以看出,施工1次氣相壓裂的費(fèi)用為40 114.4元,施工5組大孔徑釋放孔(允許掘進(jìn)距離50 m)的費(fèi)用為68 850元,施工10組釋放孔費(fèi)用為178 380元。從瓦斯治理成本分析,優(yōu)先選擇單獨(dú)大孔徑釋放孔。

5 結(jié) 語

1) 與常規(guī)鉆孔相比,大孔徑釋放孔工藝瓦斯治理效果顯著:施工大孔徑釋放孔前后工作面瓦斯體積分?jǐn)?shù)基本無變化,風(fēng)排瓦斯量增加0.31 m3/min,不均勻涌出系數(shù)由1.44降低至1.41.

2) 與常規(guī)鉆孔相比,大孔徑釋放孔工藝掘進(jìn)效率和經(jīng)濟(jì)效益顯著:掘進(jìn)日進(jìn)尺從5.13 m/d增加至5.33 m/d,增幅3.90%;鉆孔施工成本(50 m巷道)從178 380元減少至68 850元,降幅61.4%.