發耳煤礦下行孔排水裝置提高瓦斯抽采的應用

孫守義　黃良　李希建　何登華　王偉　王超群(1.貴州大學礦業學院,貴州省貴陽市,55005; .貴州發耳煤業有限公司,貴州省六盤水市,756404; 3.復雜地質礦山開采安全技術工程中心,貴州省貴陽市,55005: 4.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點試驗室,貴州省貴陽市,55005)

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發耳煤礦下行孔排水裝置提高瓦斯抽采的應用

孫守義1,2黃良1,3,4李希建1,3,4何登華2王偉2王超群2
(1.貴州大學礦業學院,貴州省貴陽市,550025; 2.貴州發耳煤業有限公司,貴州省六盤水市,756404; 3.復雜地質礦山開采安全技術工程中心,貴州省貴陽市,550025: 4.貴州省非金屬礦產資源綜合利用重點試驗室,貴州省貴陽市,550025)

摘 要為解決下行孔積水影響瓦斯抽采難題,分析了發耳煤礦現有的下行孔瓦斯抽采技術存在的問題,研制出了一種壓風排水裝置。在發耳煤礦10702頂板抽放巷應用表明:試驗鉆孔瓦斯濃度最高可達87%,單孔抽采純量最高可達0.63m3/min,單孔最高抽采純量為普通孔的1.34倍,該裝置的應用有效地解決了下行孔因積水影響瓦斯抽采效果難題。

關鍵詞瓦斯抽采 下行孔 壓風排水 排水裝置

保護層開采和穿層預抽煤體瓦斯是目前最有效最直接的防治煤與瓦斯突出措施,預抽煤體瓦斯不僅能預防和降低煤與瓦斯突出可能性,還能有效解決采掘過程中工作面瓦斯超限問題。隨著煤礦開采深度延伸和開采強度的加大,礦井瓦斯災害越來越嚴重,煤礦瓦斯涌出量不斷增加,瓦斯抽采越顯重要。但由于受施工條件、施工工藝限制在預抽煤體瓦斯時不得不施工下行鉆孔,在下行孔施工過程中受水文地質及煤層含水率等自然因素影響,孔內往往會積存大量的水和煤渣而不易排出,進而阻塞煤層中瓦斯流動的裂隙通道,增大瓦斯抽采阻力,并且在松軟煤層中,鉆孔中積水長時間浸泡孔壁煤體還可能會導致鉆孔踏孔,瓦斯流動通道被堵,使鉆孔失效或瓦斯抽采效果受到嚴重影響。

1　礦井概況及問題提出

發耳礦井(一期)位于貴州省六盤水市水城縣南部的發耳礦區,含煤47～78層,平均總厚46.90m。其中可采及局部可采煤層19層,平均總厚26.82m。從淺到深比較穩定及較穩定的煤層依次是1＃、3＃、5－2＃、5－3＃、7＃、10＃、12＃、13－1＃、13－2＃、14＃、16＃、17＃、23－2＃共13層,平均總厚度19.42m。現開采5－3＃煤層15301工作面,15301工作面位于1＃煤層10101工作面采空區和3＃煤層10301工作面采空區正下方。1＃煤層、3＃煤層已經開采,5－2＃煤層未開采,在1＃煤層、3＃煤層開采后5－3＃煤層部分煤體得到了卸壓保護,但15301工作面仍然有110m不在卸壓保護范圍內(從15301切眼對應的保護線外沿著走向方向向外110m),為了節約資源同時達到安全開采的目的,發耳礦施工15301底抽巷作為區域防突措施消除5－3＃煤層未保護的110m范圍,并將15301底抽巷作為15301工作面對應的下部7＃煤層10702工作面頂抽巷抽采卸壓煤體瓦斯,但在施工下行孔預抽7＃煤層卸壓瓦斯期間,鉆孔積水嚴重,部分鉆孔受孔內積水影響,瓦斯濃度一度降到5%以下,嚴重影響鉆孔瓦斯抽采效果。在鉆孔施工過程中,下行孔施工到設計位置后,利用鉆桿壓風,將孔內積水一次性排出,但該方法只能排出鉆孔內少部分積水,且不能多次排水,一旦封孔連抽以后孔內積水就無法再次排出,導致孔內積水不斷增加,鉆孔不能有效利用,瓦斯得不到有效抽采。為了解決因10702頂抽巷施工的下行鉆孔孔內積水問題,設計了一種壓風排水裝置對下行孔進行定期排水,以提高鉆孔利用率和瓦斯抽采率。

2　排水裝置介紹

排水裝置由孔內結構和孔外排水結構兩部分組成,如圖1所示。孔內結構部分:排水管采用長3800mm、直徑?16 mm PVC管,PVC管之間用?20mmPE管相連接,并用細鐵絲進行綁扎。排水管一頭插入距鉆孔孔底1m左右,一頭與孔口排水裝置內的?16mm鍍鋅鋼管連接,孔底的一節?16 mmPVC管需加工成篩管;孔外排水結構:孔口排水裝置由?50mm鍍鋅鋼管加工,一端敞口,另一端用鐵板焊接密封,鐵板中心留設?16mm的排水孔,并焊接?16mm的螺母,內側用?16mm鍍鋅鋼管與鐵板中心預留孔進行焊接,用于排水(瓦斯抽采期間用?16mm的螺栓連接,確保不漏氣)。孔內結構用?50mm連抽軟管與鉆孔外露的封孔桿、瓦斯管多通頭相連,與封孔桿搭接長度不得小于150 mm,兩端搭接采用鐵絲綁扎,且每端綁扎道數不少于4匝,確保排水期間不漏氣和被壓風壓力沖脫。

圖1　排水裝置示意圖

3　使用方法

3.1鉆孔積水檢查方法

鉆孔正常抽采期間,卸下排水裝置上?16mm的螺栓,若向鉆孔內吸氣,即可判定鉆孔內無積水,反之鉆孔積水,需及時進行排水。需注意的是若鉆孔內?16mmPVC排水管脫落、排水管未伸入孔底會造成誤判鉆孔內無積水,故需經常對排水管的安裝情況進行抽查。

3.2鉆孔排水方法及原理

要排出孔內積水,壓縮空氣在密封鉆孔內所形成的壓力為:

式中:P——壓縮空氣在密封鉆孔內所形成的壓力,Pa;

ρ——孔內積水密度,kg/m3;

D——鉆孔直徑,m;

d——排水管直徑,m;

g——重力加速度,m/s2;

hmax——排水管的最大垂直深度,m。

經計算該礦使用壓風機提供風壓能滿足現場排水壓力。排水前,關閉單孔閥門,將排水裝置與壓風多通閥門進行連接,連接好后打開壓風,逐漸增大,鉆孔內積水受壓風壓力作用通過?16mmPVC排水管排出,鉆孔積水排完后,恢復排水裝置及測流孔螺栓,打開單孔閥門進行抽采。

4　現場應用及效果分析

10702工作面為15301工作面下方對應的7＃煤層工作面。15301底抽巷位于5－3＃煤層和7＃煤層之間,故該巷道即是15301底抽巷同時也是10702頂抽巷,故選擇10702工作面頂抽巷右幫3號鉆場設計施工試驗鉆孔和對比鉆孔各3個,孔徑均為94mm,鉆孔具體參數見表1。

表1　10702頂抽巷右幫3號鉆場鉆孔設計參數表

根據現場打鉆情況,對鉆孔完成后統一連抽,對比組鉆孔不排水,試驗孔連接上該裝置,每天進行一次排水,排水后20min對單孔和支管濃度進行測定,連續觀測14d,結果如圖2所示,對比組鉆孔隨著時間增加,孔內積水不斷增加,5d以后單孔濃度和瓦斯抽采量均不斷降低,出現濃度升高次數相應減少,濃度增加時間相對集中在前5d,且增加濃度較小,最高單孔瓦斯濃度為70%,單孔瓦斯抽采純量為0.47m3/min。而安裝了排水裝置的試驗組鉆孔在觀測時間內單孔瓦斯濃度和瓦斯純量都處在較高水平,且10d以后濃度衰減才開始較為明顯,在前10d普遍存在濃度回升現象,最高單孔瓦斯濃度達到87%,單孔瓦斯抽采純量高達0.63m3/min,相比對比鉆孔高1.34倍。

5　結語

分析了現有下行孔瓦斯抽采存在積水影響問題,結合發耳煤礦具體情況,研制出了壓風排水裝置。介紹了壓風排水裝置原理及使用方法,該裝置現場應用解決了該礦下行孔瓦斯抽采孔積水問題。該裝置能實現重復使用,多次排水,操作安全、簡單,不需要購買過多過大的其他設備,為煤礦瓦斯治理節約了成本。

圖2　單孔瓦斯抽采濃度變化圖

和對比孔相比,試驗鉆孔瓦斯抽采濃度和抽采純量都保持在較高水平,試驗孔濃度衰減時間推后了5d左右,且衰減之后仍然有上升趨勢,衰減速率小于對比孔。試驗孔單孔濃度高達87%,最大單孔純量為對比孔的1.34倍,較為明顯地改善了瓦斯抽采濃度,提高了鉆孔利用效率。

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(責任編輯張艷華)

Applicationofwaterdrainingequipmentinthedownhole toimprovegasdrainageinFa＇erCoalMine

SunShouyi1,2,HuangLiang1,3,4,LiXijian1,3,4,HeDenghua2,WangWei2,WangChaoqun2
(1.CollegeofMiningEngineering,GuizhouUniversity,Guiyang,Guizhou550025,China; 2.GuizhouFa＇erCoalIndustryCo.,Ltd.,Liupanshui,Guizhou756404,China; 3.EngineeringCenterofMiningandSafetyTechnologyforComplicatedGeologicalMines, Guiyang,Guizhou550025,China; 4.GuizhouProvincialKeyLaboratoryofComprehensiveUtilizationofNonmetallic MineralResources,Guiyang,Guizhou550025,China)

AbstractInordertosolvetheproblemsthatpondingwaterinthedownholeaffectedthegasdrainage,theexistingissuesofgasdrainageinthedownholewereanalyzedintheFa＇erCoalMineandthe waterdrainingequipmentbycompressedairwaspresented.Thepracticeofwaterdrainingequipmentby compressedairinthe10702roofdrainageroadwayofFa＇ercoalmineshowsthatthegasconcentrationof experimentalholereachesupto87%,thegasflowofgasdrainageinthesingleholereachesupto0.63 m3/min,whichis1.34timesofgasflowofordinaryhole.Theapplicationofwaterdrainingequipment effectivelysolvedtheproblemsthatpondingwaterinthedownholeaffectedthegasdrainage.

Keywordsgasdrainage,downhole,waterdrainingbycompressedair,waterdrainingequipment

中圖分類號TD713.3

文獻標識碼A

項目基金:?貴州省重大應用基礎研究項目(Z143160),貴州省科技廳工業攻關項目(Z113166),貴州省教育廳項目(Z134016),貴州發耳煤礦保護層開采效果研究(H140670),貴州大學研究生創新基金(研理工2015070)

作者簡介:孫守義(1965－),男,現任兗礦集團貴州能化有限公司貴州發耳煤業有限公司董事長,貴州大學礦業學院碩士研究生校外導師,長期從事煤礦開采與礦山災害防治方面的研究。