单一低透气性煤层卸压带瓦斯抽采技术.doc

单一低透气性煤层卸压带瓦斯抽采技术 付江伟1,2,蒋玉玺 3 1．中国矿业大学资源与地球科学学院,江苏徐州221008;2．河南省煤层气开发利用有限公司,河南郑州450016; 3．焦作煤业集团有限责任公司,河南焦作454002 摘 要单一低透气性突出煤层,瓦斯预抽难度大、效率低,严重制约了煤矿生产效率。以焦煤公 司主力矿井为试验区,利用工作面采动影响下产生的卸压作用,从分析影响抽采效率的因素入手, 通过卸压带瓦斯抽采装置研制,抽采技术参数优化,探讨了提高卸压带瓦斯抽采效率的途径和方法。在此基础上,进一步研究并实践了工作面浅孔抽采技术、扇形钻孔抽采技术、网格抽采技术,现场实践和数据表明,卸压区是瓦斯快速高效抽采的理想区域,综合抽采技术的应用,大大减少了工作面瓦斯涌出量,降低了煤与瓦斯突出危险性,为焦作矿区单一低透气性突出煤层工作面瓦斯治理探索了新途径。 关键词单一低透气性煤层;卸压带;瓦斯抽采;煤与瓦斯突出;封孔器 中图分类号TD712 ．6 文献标志码B 文章编号1003－496X 201106－0026－04 基金项目国家重点基础研究发展计划973计划资助项目2005CB221501 焦作煤田是我国典型的单一低透气性高瓦斯突出煤层发育区,矿区主采煤层为石炭－二迭系山西组二1煤, 煤层赋存稳定、结构简单,倾角10ʎ 12ʎ,平均厚度一般为5 6m 。煤层瓦斯含量高一般20 34m 3/t r 、压力大实测值0．7 2．42 MPa ,实测煤层透气性系数一般为0．11 5．86m 2 /MPa 2d 〔1〕。统计数据表明焦作矿区普遍存在低临界值突出现象〔2〕 。尤其近年来随着工作面开采强度不断提高,矿井开采深度和煤层瓦斯含量也在不断增加,单单依靠工作面采前预抽煤层瓦斯,往往需要充足的抽放时间,在生产采掘接替紧张的情况下,已无法满足生产的需要。研究表明,煤层采动后,破坏了原岩力平衡,上下岩体向采空区移动,在采面前方一定范围内采场应力作用呈卸压状态,显 现增透增流效应〔3－5〕 。因此,利用工作面采动影响下产生的卸压增透效应,通过抽采钻孔的合理布置, 抽采参数的合理优化,高效抽采装置的应用,可快速有效的抽出本煤层内的卸压瓦斯,瓦斯流动使煤层瓦斯压力逐渐降低,吸附瓦斯不断解吸并向抽放钻孔流动,随着工作面不断向前推进,工作面前方一定范围内煤层始终产生卸压作用,在这个卸压范围内进行本煤层瓦斯卸压抽放,可以达到最佳效果,有利 于降低煤层的突出危险性〔6〕 。 1卸压带瓦斯抽采装置选择及技术参数优化1．1 封孔装置 一般情况下,对于未受采动影响的煤体,常采用 聚氨酯化学封孔材料进行封孔,该种方式密封性强、不易漏气,适用于较长时间抽放。与原始煤体预抽钻孔不同,工作面卸压带抽放钻孔受采动影响,采煤前需要快速抽放,来达到降低煤壁瓦斯涌出,消除煤与瓦斯突出危险的目的。对于瓦斯含量高、涌出量大工作面,宜采用浅孔抽放的钻孔布置方式,该种方式具有钻孔数量多、封孔深度浅、抽放时间短、重复次数多的特点,对封孔器有“结构简单、质量轻便、 重复利用”,封孔工艺“操作简便、封孔严密、连接迅速”的特殊要求 〔7〕 。在广泛调研的基础上,研制了 实心式胶囊封孔器,该封孔器利用弹性胶囊可挤压 膨胀变形的原理, 通过挤压和钻孔内一定负压的作用,起到密封钻孔的效果。封孔器最大直径110 mm ,长度420mm ,适用于封孔孔径50 108mm ,其最大特点是不易受钻孔卸压变形影响,可有效克服由于卸压带裂隙发育造成的封孔质量差难题。实心式胶囊封孔器,在九里山矿15021工作面应用期间,瓦斯抽放浓度一般不低于50。1．2抽采技术参数确定 1抽放钻孔直径。根据研究,煤层中抽放钻 孔孔径越大, 其卸压影响范围越大,但考虑到钻孔抽放影响半径又与煤质、瓦斯等因素有关,在保证钻孔 相对完好的情况下,才能更有利于发挥其抽放效果,因而钻孔孔径也不宜过大。考察了不同时间内,不同孔径钻孔瓦斯流量图1、图2,从图1中可以看 出, 钻孔百米抽出瓦斯量随孔径的增大而显著提高,但75mm 、 120mm 、150mm 钻孔抽出量随时间的延续明显衰减大于90mm 和60mm 的钻孔;从图2中可以进一步看出,钻孔抽出量在孔径增大到90mm 时增高幅度最大,在90mm 以上反而有所降低。综合现场钻孔施工难易程度以及操作安全要求,抽放钻孔选择孔径90mm 最为合适 。 图1 不同孔径钻孔抽出量随时间变化曲线 图2不同时间钻孔抽出量随孔径变化曲线 2抽放钻孔长度。一般来说钻孔长度的增 大,可以有效提高煤体抽放范围,有利于提高瓦斯抽 放量,但是根据钻孔瓦斯流动理论〔8〕,钻孔直径一 定情况下, 在径向上对钻孔周围瓦斯流动影响不大;同时,如果钻孔深度过长,在钻孔塌孔严重,不能较 好的排出煤碴的情况下,反而更容易因钻孔内的瓦斯流动阻力高影响实际抽放效果;另外,对于卸压带抽放技术,工作面前方的卸压带宽度一定,得到卸压增透的煤体宽度也不会无限增大。因此,考虑到合理的采掘搭配,抽放钻孔深度应从管理和施工的角度进行合理确定。从工作面施工走向钻孔卸压带抽 放煤体瓦斯时, 钻孔长度一般应小于卸压带宽度,根据焦作矿区卸压带考察实践,浅孔抽放钻孔长度选 择在10 15m ;如从外部向工作面方向施工抽放钻 孔, 封孔段基本位于未受采动影响带内,则可根据钻进能力提高抽放钻孔长度。 3抽放负压。抽放负压是钻孔内瓦斯流动的动力, 在其促进作用下,钻孔周围卸压带内的煤体吸附瓦斯不断解吸,并在较高的瓦斯压力梯度下向钻 孔空间运动。但大量的瓦斯流动实验证明〔9〕,一定孔径下的抽放钻孔随抽放负压的增加,并非抽出量 随之持续升高,对于未卸压煤层来说,在抽放负压达到一定程度后基本对抽出瓦斯量无较大影响,同时瓦斯抽出量与钻孔的密封效果有着一定的联系,抽放负压过高,必然直接影响抽出瓦斯效果;对于连通性好的卸压煤层来讲,提高抽放负压,可以扩大钻孔的拦截面积,从而提高钻孔瓦斯抽放量。根据试验结果,卸压带抽放较为合适的负压为15 25kPa 。2卸压带瓦斯抽采技术2．1 浅孔抽采技术 〔10〕 在工作面施工抽放钻孔,煤层瓦斯在抽放负压的作用下,瓦斯由向煤壁的平行流动变为向钻孔的径向流动,从而减少工作面的瓦斯涌出量,同时随着瓦斯被抽出,煤体产生收缩变形,一定程度上引起煤层卸压,有利于降低煤与瓦斯突出危险性。浅孔抽放布置方式具有工程量小、施工容易、效率高等优点, 在工作面较长、构造复杂、软煤发育的采面,浅孔抽放时, 通过合理的控制钻孔密度和孔深,一方面可以防止煤与瓦斯突出,另一方面减少落煤时瓦斯涌 出量,防止瓦斯超限事故。 焦煤公司九里山矿15021工作面煤层瓦斯含量30m 3/t r ,煤层厚度5．3m ,上部有1层厚度0．3 1．0m 的软煤分层。该工作面开采前施工预抽钻 孔523个,百米钻孔抽出量0．0023m 3/min hm ,开采初期瓦斯涌出量较大,炮后瓦斯浓度最大 达到1．42。为有效降低开采期间的瓦斯涌出,工 作面沿走向向外施工抽放钻孔, 孔深12m ,孔间距1．5m ,每施工1个钻孔及时连抽,抽放时间不少于 4h 。与工作面预抽钻孔相比,浅孔抽放单孔抽出瓦 斯纯量在0．02 0．1m 3 /min 之间,平均百米瓦斯抽 出量0．68m 3 /min hm ,效果提高296倍。浅孔 抽放钻孔的连续监测数据显示,在一定的时间内,钻 孔瓦斯衰减系数降低至0．0002 0．0021d －1 ,可见,在卸压带内煤层透气性得到了大幅度的提高,进行煤层瓦斯浅孔抽放是有效降低回采工作面开采期间瓦斯涌出的措施。 2．2 扇形钻孔抽采技术 〔11〕 焦煤公司位村矿14101工作面实测煤层瓦斯含 量18．46m 3 /t r ,工作面采用走向长臂式高档机 采工艺, 全部陷落法管理顶板。工作面回采前,在工作面的上下风道施工顺层平行钻孔预抽煤层瓦斯,瓦斯预抽率20,钻孔百米平均抽出量0．0231m 3/min hm 。由于该工作面抽出率较低,为有效降低工作面瓦斯涌出、保证安全生产,在切眼沿走向施工抽放钻孔的同时,在运输巷每隔100m 沿倾向布置1个钻场,钻场深度20m ,其内分别呈扇形施 工抽放钻孔,钻孔长度50 60m 。其中1 钻场距切眼85m ,钻场内布置4组钻孔, a 组为左帮12个钻孔, b 组为正前9个钻孔, c 组为右里帮13个钻孔, d 组为右外帮带14个钻孔,试验期间对a 组钻孔瓦斯流量进行了跟踪考察。 1钻场内扇形抽放施工完毕后及时联孔抽放,截至开采前, a 组钻孔瓦斯抽放量合计为0．3477 0．671m 3/min ,单孔0．029 0．072m 3 /min ,与预抽钻孔相比百米钻孔瓦斯抽出量变化不大。为有效考察扇形钻孔抽放在工作面开采期间的作用,随工作面推进绘制a 组钻孔瓦斯抽出量变化曲线图如图3。从图3中可以看出,钻孔瓦斯总抽出量在距切眼60m 左右,虽然随着距工作面距离的缩短,钻孔有效抽放长度减少,但总的抽放量还是处于升高的趋势;在距切眼20m 左右,本组钻孔孔底基本都已 开采暴露, 有效长度大幅度缩短,因而总的抽出量逐渐下降,但钻孔处在工作面超前卸压带的影响范围 内,钻孔百米抽出瓦斯量却是大幅度提高 。 图3a 组钻孔瓦斯流量变化曲线图 2．3 网格抽采技术 〔12－13〕 回采工作面网格抽放,即在距离工作面一定距离的位置布置1条联通上下风道的中间巷,在该巷道内, 分别向工作面方向和回采方向施工走向抽放钻孔。焦煤公司演马庄矿22041工作面平均煤厚 5．5m ,实测透气性系数为4．15m 2/MPa 2 d ,在 工作面运输巷197m 范围内布置钻孔258个, 钻孔间距平均0．75m , 回风巷布置钻孔252个,钻孔间距平均0．75m ,切眼与横贯长97m ,各布置35个,钻孔间距平均2m ,孔径均为94mm 。 22041工作面上风道倾向钻孔施工完毕后开始抽放,由于22041工作面煤层具有较好的透气性,初 始抽出量可达到0．02m 3 /min 以上,钻孔瓦斯抽放 衰减系数为0．0072d －1 。为考察网格内钻孔抽放量随工作面推进变化情况,工作面回采期间,对网格 内的抽放钻孔进行了连续性的跟踪考察,并绘制钻 孔瓦斯抽出量变化曲线图如图4 。 图422041工作面网格钻孔流量变化曲线 从图4可以看出22041工作面网格内的百米钻孔抽放量,在距离工作面100m 内呈现逐步上升的趋势,百米抽出瓦斯量提高3倍以上,尤其在进入40m 范围内时,瓦斯抽放量大幅增高,说明该区域明显进入卸压增透范围。3卸压带抽采效果分析 3．1 工作面回采期间瓦斯涌出量考察 演马庄矿22041网格抽放工作面回采期间,测定了工作面正常生产期间上风道的瓦斯浓度、风量,并由瓦斯浓度、风量计算出绝对瓦斯涌出量。分析可以看出,在工作面网格钻孔布置范围内,随着工作面的推进,当工作面回采到走向钻孔的孔底附近时,上风道的瓦斯浓度、瓦斯涌出量均有不同程度地降低;在走向钻孔孔底距工作面100m 左右处,瓦斯浓 度、 瓦斯涌出量由大变小,此时,随着工作面向前推进,走向钻孔连续抽放工作面缷压带内的瓦斯,表现为瓦斯曲线比较平缓;当走向钻孔距工作面25m 左右时,即工作面回采到175m 位置处,由于联系巷内的走向钻孔提前换棚甩掉,停止抽放缷压带内的瓦斯,工作面上风道内的瓦斯浓度、瓦斯涌出量又开始变大,表现为瓦斯曲线又开始上升。 试验期间还对位村矿14101扇形钻孔抽放工作 面瓦斯涌出量进行了考察,由考察结果可以看出,在通尺450 690m之间的区域内,绝对瓦斯涌出量8 10m3/min,回采过程中,炮后瓦斯浓度频繁超限,严重制约着工作面的安全生产。工作面采取扇形钻孔卸压带抽放技术后,随着切眼进入措施控制范围内,绝对瓦斯涌出量降为4 6m3/min,降幅达40 50,基本消除了炮后瓦斯浓度超限的现象。3．2工作面回采期间效果检验考察 卸压带抽放技术的应用,不仅表现为有效降低回采期间的绝对瓦斯涌出量,而且可以进一步消除开采期间的煤与瓦斯突出危险。试验期间,对各工作面的效果检验情况进行了考察分析。分析发现,在卸压抽放工作面走向钻孔有效抽放范围外,效果检验指标q值相对较大,且变化不稳定;而在卸压抽放工作面走向钻孔有效抽放范围控制之内,效果检验指标q值较小,且变化较稳定。同时,进一步发现,由于位村矿14101工作面采用的扇形抽放钻孔布置方式从运输巷施工,因而在工作面上部控制效果较差,虽然进入控制范围后检验指标明显降低,但工作面上部检验指标平均值明显大于中部和下部。这说明采用网格抽放布置方式,利于钻孔的施工和控制,而扇形钻孔布置方式,则在钻进能力制约下,可能仍然留下一定的控制空白带。 4结语 1卸压增透是提高瓦斯抽采量的根本性措施,对于不具备保护层开采条件的低透气性高瓦斯突出单一煤层,利用煤矿开采活动造成的煤层卸压带瓦斯高效抽采技术,对提高瓦斯抽采率、降低瓦斯涌出量、消除煤与瓦斯突出危险性,实现工作面安全高效开采具有现实意义。 2卸压抽采技术参数的选取至关重要,不同的煤体结构、不同的抽放方式对抽采钻孔的直径、长度以及抽放负压都有不同的要求,根据矿井实际情况,选取合理的抽采技术参数可以起到事半功倍的瓦斯抽采效果。 3焦煤公司主力矿井多种抽采技术的实践证明,卸压带瓦斯抽采效果十分显著,工作面回采期间瓦斯涌出量降幅达40 50,效检指标q值变小且趋势稳定。卸压钻孔抽放单一低透气性高瓦斯突出煤层瓦斯是经济可行的,在一定程度上可以提高回采面单产。 参考文献 〔1〕李学臣,王建国,刘新忠,等．单一低透气性高突厚煤层瓦斯综合抽采技术〔R〕．焦作焦作煤业有限责任公 司科研所,2006． 〔2〕张广德,宋辉．煤与瓦斯突出危险性区域预测－中国焦作矿区应用实例〔J〕．煤矿安全,1995446－ 49． 〔3〕钱鸣高,刘天成．矿山压力及其控制〔M〕．北京煤炭工业出版社,1989． 〔4〕于不凡,白帆,刘明．煤矿瓦斯防治技术〔M〕．北京中国经济出版社,1987． 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