高瓦斯易自燃綜放工作面高位瓦斯抽放鉆孔位置優選研究

馬小輝 王 巖

(1.陜西彬長礦業集團小莊礦業公司,陜西省咸陽市,713600;2.煤炭科學研究總院沈陽研究院,遼寧省沈陽市,110016)

高瓦斯易自燃綜放工作面高位瓦斯抽放鉆孔位置優選研究

馬小輝1王 巖2

(1.陜西彬長礦業集團小莊礦業公司,陜西省咸陽市,713600;2.煤炭科學研究總院沈陽研究院,遼寧省沈陽市,110016)

針對大佛寺礦401采區厚煤層高瓦斯易自燃特點,在40106綜放工作面進行了瓦斯治理實踐,采用馬麗散有效封堵鉆孔滲水,并對不同層位鉆孔瓦斯抽放效果進行比較分析,結果表明,采后高位卸壓鉆孔終孔布置在裂隙帶,即煤層頂板以上17 m處時抽放濃度高且穩定。

厚煤層 易自燃 高位瓦斯抽放鉆孔 瓦斯治理

1 工作面概況

彬長礦業集團公司大佛寺煤礦主采煤層為侏羅紀4#煤層和4-上煤層。4#煤層構造簡單,賦存穩定,厚度13.4～16.5 m,平均厚度15.1 m,屬硬質透氣性較好煤層,瓦斯解吸快。40106綜放工作面是大佛寺礦緊貼4#煤層中央輔助運輸大巷的綜采工作面。回風巷和進風巷及灌漿巷沿煤層走向布置,進、回風巷均沿煤層底板且留2 m左右底煤布置;灌漿巷從輔助運輸大巷開掘,平行布置在回風巷外側,留設30 m凈煤柱。工作面巷道采用雙U型布置方式。

大佛寺401采區4#煤層原始瓦斯含量6.4 m3/t,煤的孔隙度10.96%,透氣性系數0.25 m2/(mPa2·d),百米鉆孔瓦斯流量衰減系數0.03 d-1,百米鉆孔初始瓦斯流量為0.029 m3/min,40106工作面瓦斯涌出量為76.45 m3/min。工作面初期選用兩進一回通風系統,后期選用三進一回通風系統。工作面總配風量為2040 m3/min。

2 采后高位卸壓鉆孔瓦斯抽放原理

由巖石力學理論可知,煤層隨工作面回采,在工作面周圍將形成一個采動應力場,在垂直方向上形成3個帶,即垮落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶,在水平方向上形成三個區,即煤壁支撐影響區、離層區和重新壓實區。

在橫三區,受采動影響煤壁游離瓦斯釋放,采空區殘煤釋放的瓦斯在垮落帶與重新壓實區形成瓦斯積聚層。在“豎三帶”中,裂隙帶內的巖層裂隙發育,透氣性好,是瓦斯流動的通道,且受外界空氣流動影響小,形成瓦斯積聚的空間。

高位鉆孔布置在裂隙帶內,受采動影響較小,不易受到破壞。在抽放鉆孔的負壓作用下,瓦斯快速流動,使高位鉆孔能夠抽出高濃度瓦斯。

3 40106工作面瓦斯抽放

根據實際情況,40106工作面主要采用采前、掘前預抽,采后缷壓抽放、上隅角埋管抽放和高位瓦斯抽放巷抽放及風排瓦斯的綜合瓦斯治理措施。

3.1 采后高位卸壓鉆孔設計

在40106灌漿巷中每50 m布置1組瓦斯抽放鉆孔,觀察鉆孔共7組,每組布置7個鉆孔,分別布置在4個不同層位。對于層位1,鉆孔終孔位置在煤層頂板;層位2鉆孔終孔位置在煤層頂板以上4 m;層位3鉆孔終孔位置在煤層頂板以上12 m;層位4鉆孔終孔位置在煤層頂板以上17 m。鉆孔角度為仰角,鉆孔直徑153 mm,鉆孔間距1000 mm,鉆孔布置見圖1。

圖1 鉆孔布置示意圖

3.2 封孔工藝

4#煤層含水量大、鉆孔孔徑大,選擇合適的封孔材料,對封孔效果和后期的抽放效果都有很大的影響。依據大佛寺礦和其他煤層賦存條件相似礦井封孔經驗,對比不同封孔材料,最終選用馬麗散封孔。

馬麗散是一種由樹脂和催化劑兩種成分組成的聚亞安酯產品,具有滲透性強、凝固時間短、強度大等特點,在壓力的作用下能以液體狀態滲透到裂隙中,與水反應形成致密的隔水層封閉水流,有效封閉鉆孔水。用它作封堵鉆孔及其內滲水裂隙的封孔材料,具有極大的可行性。

馬麗散封孔采用卷纏藥液法及鉆孔內封孔管結構。抽放管為外徑50 mm的抗靜電塑料管,每根長為6 m。每個鉆孔需抽放管長度9 m,即1.5根抽放管,故每個鉆孔需要封孔9 m。將第1根抽放管距端部1 m處用鐵線纏緊固定1塊毛巾布(1.2 m×0.6 m),毛巾上澆淋1.3 kg馬麗散裹好并用鐵絲纏緊加固。每隔1 m照此方法在抽放管上纏繞1個澆淋馬麗散的毛巾。兩根抽放管之間用連接管連接緊固。孔口處用水泥砂漿密閉,避免封孔管晃動影響封孔質量。

3.3 鉆孔與管路的連接

馬麗散封孔后,待完全膨脹凝固后鉆孔抽放管便可與抽放管路連接。鉆孔與管路連接處應設置流量計和放水裝置,每個鉆場安設1個孔板流量計。每個鉆場的鉆孔封孔器與抽放管路的連接處安裝1套氣水分離器。

4 瓦斯抽放效果分析

40106工作面生產期間,預測瓦斯涌出量76.45 m3/min,工作面配風量為2040 m3/min。在工作面初采初放前期,上隅角在預設瓦斯抽放的情況下,上隅角瓦斯濃度在0.7%～0.9%左右。工作面推進過程中,4個不同層位瓦斯抽放濃度分布見圖2～圖5。從圖2可看出,鉆孔終孔在煤層頂板位置時,瓦斯抽放濃度低且起伏大,抽放濃度平均在5%左右,不能有效解決上隅角瓦斯超限問題。

圖2 隨工作面推進層位1鉆孔抽放濃度分布圖

圖3 隨工作面推進層位2鉆孔抽放濃度分布圖

由圖3可知,鉆孔終孔在煤層頂板以上4 m時,瓦斯抽放濃度在距工作面28 m前,幾乎沒有變化,平均在4%,無抽放價值。

由圖4可知,鉆孔終孔在煤層頂板以上12 m時,距工作面10 m前瓦斯抽放濃度較低,平均為5%,不能有效解決工作面上隅角瓦斯;后期雖然抽放濃度較高,在10%～22%之間,且抽放周期短,給工作面防滅火帶來極大不便。

圖4 隨工作面推進層位3鉆孔抽放濃度分布圖

圖5 隨工作面推進層位4鉆孔抽放濃度分布圖

由圖5可知,鉆孔終孔在煤層頂板以上17 m時,瓦斯抽放濃度基本穩定在8%～14%之間,平均抽放濃度為10%。顯然層位4鉆孔抽放濃度高,抽放流量大,且穩定。工作面上隅角瓦斯濃度降低到0.4%～0.5%之間,隨工作面推移,瓦斯濃度較為穩定,能有效抽放瓦斯。

5 結論

(1)利用采后高位卸壓瓦斯抽放鉆孔解決工作面上隅角瓦斯,當鉆孔布置在煤層頂板裂隙帶內時,抽放濃度高、穩定,有很好的抽放效果

(2)通過鉆孔封孔后及抽放期間觀察,采用馬麗散作為封孔材料能夠封堵鉆孔滲水裂隙,取得很好的鉆孔堵水效果,封孔效果得到很大提高,對后期瓦斯抽放效果的提高起到了很大的作用。

[1] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州:中國礦業大學出版社,1992

[2] 于不凡.提高礦井瓦斯抽采率的途徑[J].煤炭工程師,1995(2)

[3] 賈寶財,紀道榮,韓玉發.頂板高抽鉆孔抽放瓦斯的應用[J].煤礦安全,2008(6)

Preference on location of high-level gas drainage drilling on fully-mechanized caving mining face in high-gas and spontaneous combustion seam

Ma Xiaohui1,Wang Yan2
(1.Xiaozhuang Coal Mine,Binchang Coal Industry Group,Xianyang,Shaanxi 713600,China;2.Shenyang Research Institute,China Coal Research Institute,Shenyang,Liaoning 110016,China)

Aiming at the characteristics of high gas and spontaneous combustion thick seam in No.401 working area of Dafosi Coal Mine,the corresponding gas control was carried out on No.40106 working face.Malisan was used to seal borehole to avoid water penetration and the gas drainage effects at the different levels were analyzed.The results showed that the gas drainage concentration was high and consistent when the bottom of high-level borehole was located in the fissure zone,namely 17 m above the roof.

thick seam,spontaneous combustion,high-level gas drainage borehole,gas control

TD712.54

A

馬小輝(1984-),男,陜西彬縣人,2006年畢業于陜西能源職業技術學院采礦工程專業,工程師,主要從事礦山通風及瓦斯治理工作。

(責任編輯 梁子榮)