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高位定向钻孔分支对瓦斯抽采效果影响研究

作者: 来源:秒速飞艇 发布时间:2019-10-18 14:09:24

    摘 要: 本文依托山西某煤矿 4 号煤层 18103 工作面进行了现场试验,通过开挖分支孔对对回采工作面上隅角瓦斯浓度和 2 号钻场瓦斯抽采量等影响参数分析,得出开挖分支孔对回采工作面采空区和上隅角瓦斯瓦斯治理效果明显,对瓦斯抽采起到了积极作用,具有较高的应用价值,但随着分支孔的数目增多对抽采瓦斯效果影响变小。

    煤矿安全是安全生产的重点,瓦斯防治是安全生产的重中之重,尤其是厚煤层放顶煤开采,在放煤过程中瓦斯大量的涌出,极易造成工作面上隅角瓦斯超限,形成安全隐患。高位定向钻孔是通过“以孔代巷”的瓦斯治理技术,在回风顺槽施工高位定向钻孔抽采瓦斯,取代传统的瓦斯抽采巷道,治理采空区和上隅角瓦斯。尤其是在因产量大易造成上隅角瓦斯超限的矿井瓦斯治理上效果尤为明显。本文在前人研究的基础上,为提高高位定向钻孔技术瓦斯抽放效果,通过在不同的层位开挖不等的分支。为确定该优化方法对瓦斯抽采效果的影响,对回采工作面上隅角瓦斯浓度和 2 号钻场瓦斯抽采量等影响参数分析。

    1 工作面概况
    本文依托某煤矿 4 号煤层进行了现场测定实验。该矿属于高瓦斯矿井,根据 4 号煤层瓦斯基本参数测定的结果,目前回采的18103 工作面瓦斯含量为 2. 8 ~ 5. 6m3 /t,底板标高为 + 655m ~ + 682. 5m,地面标高 + 1000. 7m ~ + 1145m,顺槽长 1947m,工作面长度为 240m,平均煤层厚度 8. 6m,煤层倾角 2 ~ 7°。工作面采用走向长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法,全部垮落法管理顶板。采用两进一回 “U”型通风,辅运顺槽和胶带顺槽进风,回风顺槽回风。工作面煤层顶底板情况如图 1 所示。

 

1.jpg

    该煤矿目前的灾害特征是在高产量情况下,生产过程中采空区、上隅角瓦斯涌出量较大,根据科研院所及山西阳泉等高瓦斯地区的经验,工作面瓦斯涌出量在 25m3 /min 以上时采用高抽巷治理瓦斯比较合理,但是高抽巷存在采掘接续周期长、需要增加运矸系统、经济效益差等缺点。因此,从经济性、安全可靠性、施工速度快等优点方面考虑,矿井应用高位定向钻孔进行治理。

    2 钻场布置方法
    18103 工作面回风顺槽共布置 6 个钻场,从切眼向外依次编号 1 ~ 6 号,钻场间距为 260 ~ 330m。 在 2 号钻场进行开分支孔对比试验 ( 图 1) 。
    2. 1 2 号钻场钻孔布置

    2 号钻场从 2017 年 10 月 5 日至 2018 年 1 月 17 日施工,共计施工 8 个钻孔,其中 2 号、5 号、 6 号、7 号四个钻孔未开分支,1 号、3 号、8 号钻孔开 2 个分支,4 号钻孔开了 4 个分支。对比分支数的变化对瓦斯参数的影响; 8 号孔在距煤层顶板73. 8m 的层位施工了分支孔,试验了超高层位抽采量的变化。

    2. 2 钻孔参数
    钻孔参数见表 1。

 

2.jpg

    2. 3 钻孔处理工艺
    (1) 钻孔工艺
    先用98mm 的钻头开孔至见岩,然后更换153mm 的钻头全煤段扩孔,再更换193mm 的钻头再次扩孔,然后全煤段下153mm 的套管后用水泥封孔,待水泥凝固24小时后继续用98mm的钻头施工钻孔,在钻孔的爬坡阶段预留分支点。
    (2) 扩孔工艺
    18103 工作面扩孔采用二次成孔技术,首先施工正常钻孔,施工完毕后退钻更换 125mm 钻头进行扩孔,如遇分支孔,则只能对主孔或分支孔的一个进行扩孔。
    (3) 封孔工艺
    封孔采用水泥注浆封孔,孔口采用石膏处理,封孔深度 15 ~ 30m 不等,确保全煤段全部注浆封堵。

    3 瓦斯抽采效果测定试验
    3. 1 计量装置
    为了对高位定向钻孔抽采效果的统计分析,每个钻孔均安装了孔板流量计,每天进行一次人工测定,实现单孔的抽采浓度、抽采负压、抽采混合量的计量。

    3. 2 抽采数据统计分析
    钻孔至连接抽采后,2 号钻场最大抽采混量95. 4m3 /min,最大纯量为 8. 6m3 /min,最大单孔抽采瓦斯浓度可达 61. 4% ,最大单孔抽采瓦斯纯量达到 3. 781m3 /min。2 号钻场中,2 号、5 号、6 号、7 号未开分支孔,抽采 纯 量 最 大 值 1. 1 ~ 1. 8m3 /min,1 号、3 号、8 号开 2 个分支的孔,抽采纯量最大值 1. 6 ~ 3. 7m3 /min。说明开分支的高位孔抽采纯量高于未开分支的高位孔; 4 号孔开了 3 个分支,抽采纯量最大 2. 92m3 /min,抽采纯量并未随着分支孔数量的增大而增大。从其他开分支的高位孔抽采情况也说明分支数量的增多对抽采量的增加没有明显帮助,这主要受钻孔主孔段的孔径、管路孔径等制约。因此在目前的施工工艺和联抽工艺下单纯增加分支数意义不大; 理论上层位较高的钻孔浓度会较高,能达 40% 以上,因此对于 8 号孔在距煤层顶板 73. 8m 的层位施工了分支孔,但实际抽采浓度最大 33. 2% ,平均 17. 1% ,没有明显增大,由于受顶板岩层破断的影响,高层位钻孔裂隙未能够完全导通。但是抽采纯量 8 号孔是最大的,说明浓度的提升对抽采量的帮助很大,应致力于提高抽采浓度。2 号钻场瓦斯抽采浓度及纯量情况如表 2
所示。

 

3.jpg

    3. 3 上隅角瓦斯浓度变化
    初次来压后上隅角瓦斯浓度增大,高位定向钻孔联抽时,在 2 号钻场的高瓦斯区域,上隅角瓦斯浓度达到 0. 6% 左右,周期来压时可上升至 0. 7% ;低瓦斯区上隅角瓦斯浓度 0. 2% 左右。高瓦斯区的钻孔接茬段,上隅角瓦斯 0. 4% ~ 0. 5% ,能降低0. 1% ~ 0. 2% 。在 2 号钻场试验高位孔停抽时,上隅角瓦斯浓度最大 1% 左右; 可以看出采用高位定向孔后高瓦斯区上隅角瓦斯浓度能降低 0. 4% ~ 0. 5% ,低瓦斯区能降低 0. 2% 左右。

    4 结论
    (1) 实践证明某煤矿煤层及瓦斯赋存条件适合施工高位定向钻孔,18103 工作面采用高位定向钻孔抽采采空区及邻近层瓦斯后,在高瓦斯区上隅角瓦斯浓度明显降低,能控制在 0. 6% 左右,低瓦斯区上隅角瓦斯浓度能降低 50% ,控制在 0. 2%左右。
    (2) 开分支的高位孔抽采纯量高于未开分支的高位孔,而抽采纯量并未随着分支孔数量的增大而增大,因此在目前的施工工艺和联抽工艺下单纯增加分支数意义不大; 并发现瓦斯纯量的变化受瓦斯浓度影响,瓦斯浓度越大,抽采的瓦斯纯量越大,浓度的提升对抽采量的帮助很大,应致力于提高抽采浓度。
    (3) 钻场布置在上隅角上方抽采作用直接,效果良好。开挖分支为主的钻场抽采后,上隅角瓦斯浓度能降低 0. 1% ~ 0. 2% 。扩孔和开挖分支为主的钻场,上隅角瓦斯浓度能降低 0. 4% ~ 0. 5% 。

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