基于卸压开采的下向穿层钻孔抽采瓦斯技术.pdf

第２２卷第１期２０１４年２月安徽建筑工业学院学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｎｈｕｉＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ＆ＩｎｄｕｓｔｒｙＶｏｌ．２２Ｎｏ．１Ｆｅｂ．２０１４收稿日期２０１４－０１－２０基金项目国家自然科学基金（４１１７２１４７）；安徽省科技攻关项目（１２０１０４０２１１０）作者简介何勇（１９６７－），男，高级工程师，主要研究方向为矿井瓦斯治理。基于卸压开采的下向穿层钻孔抽采瓦斯技术何勇１，肖峻峰２（１．淮南矿业（集团）有限责任公司新庄孜煤矿，安徽淮南２３２０７２；２．安徽建筑大学安全工程系，安徽合肥２３００２２）摘要为了实现下伏被保护层的卸压瓦斯抽采最大化，本文提出了保护层开采采用“Ｙ” 型通风沿空留巷技术，同时配合下向穿层钻孔的立体式抽采瓦斯技术，优化确定了下向钻孔的技术参数、施工时间、粉尘防治等工艺难题。工程实践表明，下向穿层钻孔单孔抽采瓦斯纯量可达０．２ｍ３／ｍｉｎ，最大约０．４５ｍ３／ｍｉｎ，浓度高达６０～９０％，高效稳定时间约２０～３０ｄ，可实现卸压瓦斯的抽采最大化。关键词卸压开采；瓦斯；下向穿层钻孔；施工工艺；治理效果中图分类号ＴＤ７１２文献标识码Ａ文章编号１００６－４５４０（２０１４）０１－０７３－０３ＴｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｂｙｄｏｗｎｗａｒｄｃｒｏｓｓｉｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓＨＥＹｏｎｇ１，ＸＩＡＯＪｕｎ－ｆｅｎｇ２（１．ＸｉｎｚｈｕａｎｇｚｉＭｉｎｅ，ＨｕａｉｎａｎＭｉｎｉｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈｕａｉｎａｎ，Ａｎｈｕｉ，２３２０７２；２．Ｄｅｐ．ＯｆＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＡｎｈｕｉＪｉａｎｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ＨｅｆｅｉＡｎｈｕｉ，２３００２２）ＡｂｓｔｒａｃｔＴｏｍａｘｉｍｉｚｅｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｇａｓｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆｆｒｏｍｔｈｅｕｎｄｅｒｌｙｉｎｇｐｒｏｔｅｃｔｅｄｓｅａｍ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｄｏｗｎｗａｒｄｃｒｏｓｓｉｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｗｉｔｈｇｏｂ－ｓｉｄｅｅｎｔｒｙｒｅｔａｉｎｉｎｇａｎｄＹ－ｔｙｐｅｖｅｎｔｉｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｄｕｒｉｎｇｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｓｅａｍｍｉｎｉｎｇｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．Ｔｅｃｈｎｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｄｅ－ｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｏｆｄｏｗｎｗａｒｄｄｒｉｌｌｉｎｇｈｏｌｅｓｗａｓｏｐｔｉｍｉｚｅｄａｎｄｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｓａｂｏｕｔｄｒｉｌｌｉｎｇｔｉｍｅａｎｄｄｕｓｔｃｏｎｔｒｏｌｗｅｒｅｓｏｌｖｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅａｖｅｒａｇｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｖｏｌｕｍｅｂｙｓｉｎｇｌｅｂｏｒｅｈｏｌｅｗａｓ０．２ｍ３／ｍｉｎａｎｄｔｈｅｍａｘｉｍｕｍｖａｌｕｅｗａｓａｂｏｕｔ０．４５ｍ３／ｍｉｎ．Ｔｈｅｇａｓｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｒｅ－ｍａｉｎｅｄａｔ６０％～９０％．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｖｅｐｅｒｉｏｄｃａｎｍａｉｎｔａｉｎ２０～３０ｄａｙｓ．Ｉｎｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｑｕｅｏｆｄｏｗｎｗａｒｄｃｒｏｓｓｉｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅｓｃａｎｍａｘｉｍｉｚｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｍｉｎｉｎｇｗｉｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅｒｅｌｉｅｆ；ｇａｓ；ｄｏｗｎｗａｒｄｃｒｏｓｓｉｎｇｂｏｒｅｈｏｌｅ；ｄｒｉｌｌｉｎｇｓｅｑｕｅｎｃｅａｎｄｐｒｏｃｅｓｓ；ｃｏｎｔｒｏｌｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ开采保护层是迄今防治煤与瓦斯突出最有效、最经济的根本措施。对于开采上保护层，必须对被保护层进行卸压抽采，才能使被保护层得到充分卸压［１－３］。以前卸压抽采是在被保护层的底板专门施工专用抽采巷道，在巷道内施工穿层钻孔抽采瓦斯，以达到充分卸压的目的，该方法必须投入大量的人力、物力，巷道施工工期长，工艺繁琐，影响到矿井生产正常接替；而对于没有或不具备施工底板巷的被保护层，就必须在保护层巷道内施工下向钻孔进行抽采，下向钻孔采用泥浆排渣法，由于被保护层瓦斯压力大，容易发生顶钻、夹钻和喷孔，致使孔内煤岩粉难以排出，造成排渣困难，经常发生埋钻现象，钻孔成孔率低，钻进速度缓慢，制约了瓦斯抽采工程的进度，且泥浆排渣造成巷道环境差［４－６］。并且在抽采过程中，由于孔内煤岩粉堵塞，造成瓦斯抽采通道不顺畅，抽采浓度较低，抽采量衰减快，因此抽采效果差。在５２２１０工作面开采过程中，为了使Ｂ８下被保护层充分卸压，采用了５２２１０风巷沿空留巷段施工下向穿层钻孔技术［７］，实现了卸压瓦斯抽采最大化。１试验地点概况新庄孜煤矿５２２１０工作面标高－５５６ｍ～－６１２ｍ，走向长６００ｍ，倾斜长１３０ｍ，倾角为２２～２６ｏ，Ｂ１０煤层为结构复杂的薄煤层，煤厚结构为０．２～０．４（０．２～０．７）０．６～１．２ｍ，为非突出煤层，预计原始瓦斯含量７ｍ３／ｔ。平均厚度０．８ｍ，与上覆Ｂ１１ｂ煤层间距２８ｍ，与下伏Ｂ８煤层间距４０ｍ，Ｂ１１ｂ煤和Ｂ８煤均为强突煤层。预计５２２１０工作面绝对瓦斯涌出量为５８．３ｍ３／ｍｉｎ。５２２１０工作面采用二进一回沿空留巷Ｙ型通风方式。在瓦斯治理措施上，对上覆Ｂ１１ｂ煤层的卸压瓦斯采用倾向穿层钻孔拦截，对Ｂ８煤层采取下向钻孔抽采卸瓦斯措施，形成了立体式抽采模式。２下向钻孔施工技术２．１施工技术参数的确定钻孔在沿空留巷内并滞后于工作面２０～３０ｍ施工。工作面回采后，由于煤层顶底板发后变形产生裂隙，煤岩层含水量大大减少，钻孔施工时，孔内积水量有效减少。为最大限度地抽采Ｂ８煤层的卸压瓦斯，在５２２１０留巷段每隔１５ｍ布置一组下向穿层钻孔，每组３个孔，呈条带状布置，孔深均为穿过Ｂ８煤层并进入底板１ｍ，孔底间距为１５ｍ，呈条带状布置，每组钻孔长度１６０ｍ，下向穿层钻孔与其它钻孔共同覆盖Ｂ８煤层被保护范围，联合抽采卸压瓦斯，钻孔参数见表１。下向穿层钻孔布置示意图详见图１。表１５２２１０风巷下向穿层钻孔施工参数表孔号方位仰角预计孔深孔底位置１６０－６２６６２６０－７０５６３６０－８２４９穿过Ｂ８煤层并进入底板１ｍ（ａ）平面图（ｂ）剖面图图１下向钻孔布置示意图２．２施工设备的选型５２２１０工作面开采后，Ｂ８受采动影响煤岩体发生变化，裂隙变大，坚固性大大降低，煤岩体变软，加上常用的风压较小，造成孔内排水、排渣困难，施工过程中垮孔严重，容易埋钻、夹钻甚至丢失钻头。本次施工选用ＫＱＪ１２０潜孔钻机，专门安装一台９～１３Ｍｐａ移动式空气压缩机，封孔泵为ＺＢＬ－５０／４０－７．５ＫＷ漏斗式注浆泵。潜孔钻机是用高压风为动力，利用钻头的振动将岩石磨碎，并通过压风将粉尘排出钻孔，解决了孔内排渣和埋钻的难题，通过使用潜孔钻机配备大功率空气压缩机的施工工艺，每小班钻进由原来的１５ｍ提高到１００ｍ，钻进速度提高了６倍多，钻孔量的增加大幅度提高了Ｂ８煤层卸压瓦斯抽采量，并杜绝了工作面瓦斯超限的现象。２．３施工工艺选用ＫＱＪ１２０潜孔钻机，首先使用１５３ｍｍ大直径复合片钻头自沿空留巷煤层底板向下形成扩孔段１０ｍ，在扩孔段中下内套管完成护孔，内套管的孔径１０２ｍｍ、内套管深度１０ｍ，在内套管的外壁与岩石之间注浆形成封孔段，然后再换９０ｍｍ４７安徽建筑工业学院学报（自然科学版）第２２卷的钻头在内套管中进一步向下钻进直至孔底。利用移动空气压缩机，增加风压，使用高压风施工和排渣，提高钻进速度。封孔段要求密实不漏气，封孔段采用高压封孔泵注浆封孔。为了使内套管不受损且便与合茬，内套管的上端管口应适当高于下向穿层钻孔的孔口（具体见图２、图３）。图２沿空留巷下向穿层钻孔施工工艺图图３沿空留巷下向穿层钻孔孔口平面图２．４粉尘防治配备空气压缩机施工下向钻孔，加快了钻孔施工进度，但是现场回风侧煤尘飞扬，粉尘浓度高，作业环境恶劣，使用孔口环形喷雾和多道全断面净化喷雾降尘效果较差，给生产组织带来极大的不便，严重危害了人身健康，并有可能引起煤尘爆炸，给矿井安全带来严重威胁。为消除安全隐患，发明并使用了孔内快速降尘器，首先采用 Φ １５３ｍｍ钻头开孔深度１ｍ以上，然后将孔内快速除尘器放入孔内并固定牢固，钻机正常进尺前，通过球阀配比好风、水流量，以除尘辅助管末端除尘孔喷出雾状喷雾为准，适当控制钻进速度，以钻孔返出的煤屑手捏成团为宜，如钻屑量大，应适当加大水量。通过孔内快速降尘器的使用，钻孔内的高浓粉尘在钻孔内部得到降低和消除，经过测尘，５２２１０后风巷正常粉尘浓度为４．３ｍｇ／ｍ３，不使用除尘装置施工钻孔时，回风侧粉尘浓度为９４ｍｇ／ｍ３，使用孔内快速降尘器后再次测定回风侧粉尘浓度为１０．３ｍｇ／ｍ３，孔内除尘率高达９３．３％，有效地降低和减少粉尘的危害，大大改善了现场作业环境，提高了钻孔施工效率，消除了重大安全隐患。３抽采效果由于Ｂ８煤层距Ｂ１０煤层层间距４０ｍ，风巷下向穿层钻孔是在采后留巷中施工，基本上抽采Ｂ８采动卸压瓦斯。图４显示了典型的下向穿层钻孔抽采瓦斯情况。从图４可以看出，单孔抽采瓦斯量基本在０．２ｍ３／ｍｉｎ，最大约０．４５ｍ３／ｍｉｎ，钻孔稳定的高浓度瓦斯抽采时间约２０～３０ｄ，抽采的煤层气浓度高达６０～９０％。工作面回采１００ｍ后，底部远程Ｂ８卸压煤层的抽采煤层气部量６～８ｍ３／ｍｉｎ。（ａ）瓦斯纯量（ｂ）瓦斯浓度图４下向穿层钻孔单孔抽采瓦斯量情况５２２１０风巷施工下向钻孔抽采卸压Ｂ８煤层瓦斯，钻孔控制范围内煤层瓦斯得到充分抽采卸压，５２２１０工作面对应Ｂ８煤层钻孔控制卸压区域的瓦斯抽采率达到５１．８４％，残余瓦斯含量降到了６．７ｍ３／ｔ。４主要结论（１）５２２１０工作面工程实践表明，下向穿层钻孔单孔抽采瓦斯量基本在０．２ｍ３／ｍｉｎ，最大约０．４５ｍ３／ｍｉｎ，钻孔稳定的高浓度瓦斯抽采时间约２０～３０ｄ，抽采的煤层气浓度高（６０～９０％），瓦（下转第９７页）５７第１期何勇，等基于卸压开采的下向穿层钻孔抽采瓦斯技术化的认知价值观念和行为原则逐步融合发展。因此，伊斯兰教的融合过程是相对较为平缓，这种方式在更大程度上是对汉文化兼收并蓄的体现。４．４自我保护性伊斯兰教奉行的塔基亚原则指出 “ 穆斯林在受到迫害时，可以隐瞒内心的信仰，暂时不履行宗教功课，否认宗教身份，以达到保护自己的目的。 ” 逊尼、什叶和哈瓦利吉三大教派，都不同程度地奉行过这一原则，在中国的穆斯林也是同样如此。在长期的融入中国传统文化过程中，由于民族信仰、文化差异以及统治压力等原因造成的在某一特定时期的回汉矛盾问题，如在清朝同治年间的“ 陕甘回族起义” 就是由此产生。在这一过程中，由于汉人占据了胜利的一方，遗留下来的部分回族群众为了保全民族，选择了接受汉族政策。这种本民族的自我保护性在特定的历史条件下实属无奈之举，但从宏观的角度来说，这一过程中回汉民族间文化碰撞、接触则更为广泛与深远。５小结回族伊斯兰文化在传入发展的过程中并非是一帆风顺，但在历史的长河中，其与中国传统文化良好的结合促进了伊斯兰文化中国化的形成，伊斯兰建筑在其中的变迁也同样如此。作为文化的载体，建筑承担了一个民族的史料性、民俗性与独特性，研究伊斯兰建筑可以深层次地了解回汉社会的融合变迁，剖析宗教适应社会的发展模式。以建筑学来说，是以小见大的反映社会本质；以社会发展来说，这种研究不仅对中国回族社会的发展有利，也可为其他穆斯林社会的发展提供借鉴。注释 ①详见李光缙重修清净寺石碑记黄秋润泉州伊斯兰教清净． ②满拉是中国伊斯兰教清真寺经堂学校学生的称谓。旧译“ 满喇” 、 “ 曼拉” 参考文献１李兴华．泉州伊斯兰教研究［Ｊ］．回族研究，２０１０，０２６７－８３．２张志诚．松江清真寺［Ｊ］．中国穆斯林，１９８８（０５）３１．３王育林．现代建筑运动的地域性拓展［Ｄ］．天津大学，２００５．４邱玉兰．中国伊斯兰教建筑［Ｍ］．北京中国建筑工业出版社，１９９２．５刘成有．论伊斯兰文化的基本特征［Ｊ］．云南社会科学，２００２，（０１）５３－５８．６张勇．宁夏伊斯兰教建筑装饰的艺术特征［Ｄ］．中央美术学院，２００９．７丁宏．从回族的文化认同看伊斯兰教与中国社会相适应问题［Ｊ］．西北民族研究，２００５，（０２）６９－７７．（上接第７５页）斯抽采率５１．８４％，可实现下伏被保护层的卸压瓦斯的抽采最大化。（２）针对松软煤岩层大倾角下向钻孔施工，钻孔应在沿空留巷内滞后工作面２０～３０ｍ施工，并采取合理的施工工艺，完全能解决长钻孔、大孔径的施工难题。（３）保护层开采采用“Ｙ” 型通风沿空留巷技术，同时配合下向穿层钻孔立体式抽采瓦斯，能有效实现瓦斯治理规范化、瓦斯抽采最大化。参考文献１程远平，俞启香．中国煤矿区域性瓦斯治理技术的发展［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００７，２４（４）３８３－３９０．２袁亮．远松软低透煤层群瓦斯抽采理论与技术［Ｍ］．北京煤炭工业出版社，２００８．３付建华，程远平．中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治对策［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００７，２４（３）２５３－２５９．４程远平，付建华，俞启香．中国煤矿瓦斯抽采技术的发展［Ｊ］．采矿与安全工程学报，２００９，２６（２）１２７－１３９．５司春风．下向钻孔抽采被保护层煤巷条带瓦斯的工艺技术研究［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１３，４０（３）６５－６９．６孟贤正，李成成，张永将，等．上保护层开采卸压时空效应及被保护层抽采钻孔优化研究［Ｊ］．矿业安全与环保，２０１３，４０（１）２６－３１．７袁亮．留巷钻孔法煤与瓦斯共采技术［Ｊ］．煤炭学报，２００８，３３（８）８９８－９０２．７９第１期康琪，等中国伊斯兰教建筑地域化进程演进关系研究