高位鉆孔瓦斯抽放技術在開灤礦區的應用

高 洋 趙志強 丁自偉 馬成民 崔建勇

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

高位鉆孔瓦斯抽放技術在開灤礦區的應用

高 洋 趙志強 丁自偉 馬成民 崔建勇

(中國礦業大學(北京)資源與安全工程學院,北京市海淀區,100083)

分析了高位鉆孔瓦斯抽放的適用條件和合理的層位布置,在唐山礦T1452工作面和呂家坨礦5323工作面進行了應用實踐,結果表明,使用該技術后唐山礦T1452工作面上隅角瓦斯濃度一直保持在0.1%～0.5%之間,抽放率可達到83%;呂家坨礦5323工作面上隅角瓦斯濃度保持在0.3%左右,抽放率52%,效果明顯。

高位鉆孔 采空區瓦斯 上隅角 瓦斯抽放 開灤礦區

TD712.6

B

1 高位鉆孔瓦斯抽放的適用條件及合理層位選擇

1.1 適用條件

高位鉆孔主要作用是通過抽放圍巖或采空區瓦斯,在上鄰近層瓦斯向采空區運移時進行攔截,從而解決上隅角和回風流瓦斯超限的問題。所以其適用條件是工作面瓦斯主要來源于采空區、上部圍巖或鄰近層工作面。該技術最終解決的是采空區瓦斯超限問題。

1.2 高位鉆孔合理層位選擇

高位鉆孔合理層位主要指抽放效果較好的層位高度,通常為瓦斯來源較廣、瓦斯釋放較活躍的區域。

一般地,高位鉆孔抽放帶的理論下限要高于頂板冒落帶高度。若高位鉆孔施工層位低于冒落帶,則直接與采空區溝通,后果是鉆孔負壓小、流量大,但瓦斯濃度卻很低,故下限一般在煤層頂板5～20 m范圍內,而在一些瓦斯含量較高、煤層較厚的放頂煤工作面,其下限也可在煤層中。高位鉆孔抽放帶的理論上限一般與煤層頂板距離小于50 m,如果排除封孔效果的因素,則層位越高,瓦斯抽放濃度也越高,但抽放混合量也越小。實踐表明,高位鉆孔抽放帶的理論前方界限位于工作面前方幾米左右,理論后方界限至工作面后方幾十米左右。

2 高位鉆孔瓦斯抽放的主要參數及理論計算方法

裂隙帶可抽高度:指高位鉆孔可以取得較好抽放效果的高度范圍,把某個范圍內能抽到高濃度瓦斯的高度定為裂隙帶可抽高度。用終孔高度、高濃度起點高度和高濃度終點高度3個參數來控制可抽高度區間。

有效平距:鉆孔有效抽放段在水平面上的投影長度。

搭接長度:前后兩個鉆場鉆孔間重疊長度。

高位鉆孔瓦斯抽放各參數位置如圖1所示,計算方法如下。

圖1 高位鉆孔參數計算圖

式中:h1——高位鉆場距煤層頂板距離,m;

h——鉆場內鉆孔開孔高度,m。

X——鉆孔軸線在巷道方向的投影長度,m;

Y——鉆孔終孔點垂直水平面至煤層面的投影點到風巷的距離,m;

H——鉆孔終孔點距煤層頂板法線距離,m;

L——鉆孔孔深,m;

α——鉆孔水平投影線與巷道的夾角,(°);

β——鉆孔仰角,(°);

γ——煤層傾角,(°)。

3 工程應用

3.1 唐山礦T1452工作面

唐山礦T1452工作面位于14水平鐵一區5#煤層,地面標高+12 m,工作面標高-850 m。走向長度1240 m,傾斜長度148 m。煤層傾角11～27°,平均為18°,煤層為單一結構,厚度為1.5～3.2 m,平均為2.85 m。瓦斯的絕對涌出量為2.93 m3/min。煤塵有爆炸危險性。

根據目前的設備和頂板條件,取α=32°,抽放仰角不宜過大,否則會影響抽放效果,取β=15°,煤層傾角γ=18°,孔深L=43 m左右,由式(1)、(2)可求出鉆孔在回風巷的水平投影長度35 m,終孔點距回風巷的最大距離為20 m左右。鉆場間距以20 m為宜,保持15 m的搭接長度。本工作面取2個鉆孔,在工作面推進至與鉆孔底平距5～10 m時即可并網抽,即此時兩個鉆場4個孔可同時抽。當工作面推進至鉆孔最低有效抽放高度時,鉆孔必須報廢,否則會影響下一孔的抽放效果。鉆孔直徑為89 mm,負壓保持在20 kPa以上即可,裂隙帶可抽高度距煤層頂板10～35 m。

T1452工作面采用2臺2BEA-253-0型水環真空泵進行抽放,管路長2200 m,采用?150 mm玻璃鋼管。由于高位鉆孔與上隅角瓦斯抽放的運用,工作面瓦斯濃度一直保持在0.1%～0.5%之間,抽放率達到83%。當工作面推進到鉆孔口15 m位置時,由于巷道受工作面超前壓力影響使鉆孔周圍裂隙增多,鉆孔逐漸進入冒落帶,抽放濃度進一步降低至8%以下。工作面高位鉆孔抽放濃度平均保持在11%～18%之間,抽放純量平均為2.55 m3/min。

3.2 呂家坨礦5323工作面

呂家坨礦5323工作面位于-800 m水平三采區12#煤層三中石門東側,煤層平均厚度2.00 m,煤層傾角為10～19°,平均為13°,瓦斯含量為5.3 m3/t。工作面頂板巖性為細砂巖,巖性疏松為瓦斯流動的良好通路。上覆9#煤層瓦斯含量6.5 m3/t,回采過程中瓦斯沿頂板裂隙涌入5323工作面采空區。5323工作面采用U型通風方式通風,上隅角瓦斯超限頻繁。

根據現場數據分析,設計α為25°,β可在12～17°之間變化,γ為13°,L為79 m左右,由式(1)、(2)可求出鉆孔在回風巷的水平投影長度為70 m,鉆孔終孔點與回風巷的最大距離為32 m。鉆場間距50 m,保持20 m的搭接長度,開孔位置距回風巷平距取2～3 m,高出煤層頂板垂距1 m。鉆場寬度為4～6 m,高2～2.5 m。由式(4)可算出鉆孔孔底高度距煤層頂板法距H為16 m。取3個鉆孔,鉆孔孔底間保持一定間距,分別距回風巷平距為15 m、20 m和25 m。在工作面推進至與鉆孔底平距5～10 m時即可并網抽,即此時兩個鉆場6個鉆孔可同時抽,鉆孔直徑為75～90 mm。

圖2 5323工作面瓦斯風排量、抽放量、絕對量月統計

開采后前3個月風排瓦斯量維持在3 m3/min以上,抽放量大約在0.4 m3/min左右。從第7個月起抽放量逐漸增大,總涌出量也持續上升,但回風涌出量卻穩中有降,說明抽放瓦斯起到了預期的效果。5323工作面經過3個月的高位抽放基本解決了上隅角瓦斯超限的問題,在正常的抽放期間,上隅角瓦斯維持在0.3%左右,架頂瓦斯濃度也控制在0.5%以下。5323工作面平均抽放量2.76 m3/min,平均涌出量5.29 m3/min,抽放率52%。采用抽放技術后,沒有出現過瓦斯超限現象,說明高位鉆孔抽放措施是行之有效的,見圖2。

4 結論

通過對高位鉆孔參數的研究,配合高位鉆孔與上隅角瓦斯抽放的運用,使唐山礦T1452工作面瓦斯濃度一直保持在0.1%～0.5%之間,抽放率可達到83%;呂家坨5323工作面采用抽放措施后回風瓦斯濃度保持在0.3%左右,抽放率52%,達到了較好的抽放效果。

[1] 錢鳴高,繆協興,許家林等.巖層控制的關鍵層理論[M].徐州:中國礦業大學出版社,2000

[2] 周世寧,林柏泉.煤礦瓦斯動力災害防治理論及控制技術[M].北京:科學出版社,2007

[3] 胡殿明,林柏泉.煤層瓦斯賦存規律及防治技術[M].徐州:中國礦業大學出版社,2006

[4] 李賢忠,朱傳杰,劉洋.高位鉆孔瓦斯抽放技術的研究及應用[J].煤炭工程,2010(6)

[5] 劉建中,趙保平,孔祥義.高位鉆孔配合埋管抽放治理采面上隅角瓦斯[J].煤炭科學技術,2010(2)

Application of gas drainage technology by high-position drilling at K ailuan mining area

Gao Yang,Zhao Zhiqiang,Ding Ziwei,Zhang Zhengfang
(School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Haidian,Beijing 100083,China)

Analysis of applicable conditions and reasonable collocation of gas drainage technology through high-position drilling is made in the paper.Application practices are performed at 5323 mining face of Lujiatuo Coal Mine and T1452 mining face of Tangshan Coal Mine.The results indicate that,gas consistence at the upper corners of T1452 mining face is maintained at 0.1～0.5%after the use of this technology,and gas drainage ratio reaches 83%.While the figure at 5323 mining face is about 0.3%after the application,with 52%gas drainage ratio.That is a tangible result.

high-position drilling,gob gas,upper corners,gas drainage,Kailuan mining area

高洋(1985-),男,山東平陰人,現為中國礦業大學(北京)在讀碩士研究生。

(責任編輯 梁子榮)