大直径钻孔抽采采空区瓦斯技术研究

文摘   2024-12-25 22:00   重庆  

近年来, 采用大直径钻孔抽采瓦斯技术得到快速发展, 通过确定大直径钻孔抽采的影响范围, 对大直径钻孔瓦斯抽采的抽采流量、抽采浓度和瓦斯纯量进行考察, 实现大直径钻孔瓦斯抽采最优效果。

 本文以小回沟煤矿首采2201工作面作为研究对象,选用大直径钻孔对采空区瓦斯进行抽采, 达到了采空区大流量、低负压瓦斯抽采的效果。


工程概况

2201工作面位于二采区北翼东部, 西邻2202工作面, 东侧为二采区边界, 与一采区边界相邻, 南邻大巷保护煤柱, 南侧1号东回风大巷、西辅运大巷、西运输大巷和2号回风大巷已施工, 北为S316省道保护煤柱。选择走向长壁后退式一次采全高综合机械化采煤方法, 并采用全部垮落法来处理采空区顶板。2201工作面巷道布置如图1所示。

图1  2201工作面巷道布置示意图

大直径钻孔布置参数研究

采用ZDJ10000L型大直径钻机, 选用每节长度1.6m的Φ550mm配套螺旋钻杆和Φ580mm螺旋钻头。在2201抽采巷施工12个大直径钻孔, 钻孔直径为Φ580mm, 钻孔工程量总计180m。大直径钻孔垂直于煤柱施工, 开孔高度为1.2~1.8m, 并对不同钻孔间距的大直径钻孔抽采效果进行考察, 确定合理的钻孔间距。具体大直径钻孔参数见表1, 钻孔施工示意图如图9和图10所示。

表1 大直径钻孔参数表


表1 大直径钻孔参数表(续)


图2  钻孔正视图


图3  钻孔剖面图

大直径钻孔封孔工艺研究

根据各种抽采钻孔封孔的适用条件及优缺点, 结合小回沟煤业的井下实际情况, 由于大直径钻孔采用Φ426mm的护管内插连接, 护管之间有缝隙, 不适应采用水泥砂浆封孔; 并且大直径钻孔为低负压抽采, 抽采负压小, 且2201回风巷和抽采巷的保护煤柱仅为15m, 由于保护煤柱距离太小, 对钻孔进行不同深度的封孔试验意义不大, 综合对比采用大直径钻孔孔口用水泥砂浆, 里段采用带压聚氨酯封孔, 大直径钻孔封孔6m, 两端各封3m, 具体工艺如图11所示。

图4 大直径钻孔封孔工艺示意图


大直径钻孔下置护管后, 用水泥砂浆将钻孔孔口封堵0.5m, 待水泥砂浆凝固后, 将聚氨酯注浆管插到钻孔预留注浆管内, 聚氨酯AB液倒入搅拌桶内, 启动聚氨酯注浆泵, 将混合好的AB液通过注浆管注入到钻孔与护管之间缝隙内, 随着浆液的不断注入, 浆液会达到挡板处, 聚氨酯会被阻挡在挡板和孔口水泥砂浆封孔之间, 继续带压注入聚氨酯, 注浆压力1.0MPa, 聚氨酯AB液会相互反应, 在钻孔内开始膨胀, 膨胀倍数高达到80倍以上, 很短的时间内将护管牢牢的固定在钻孔内, 实现对钻孔的有效封堵, 带压注聚氨酯工艺具体如图4所示。由于小回沟煤业井下地质构造较多, 当大直径钻孔施工在地质构造带内时, 在抽采巷侧需对大直径钻孔周围进行喷浆处理, 防止大直径钻孔因地质构造的影响造成钻孔漏气。

2201工作面抽采巷施工12个大直径钻孔, 因2201回风巷和抽采巷的保护煤柱仅为15m, 从大直径钻孔连抽期间钻孔瓦斯抽采浓度、抽采流量和抽采纯量等方面进行考虑。在大直径钻孔连抽期间, 钻孔密封效果良好, 钻孔瓦斯抽采流量和瓦斯抽采浓度稳定, 密封效果好, 保证了大直径钻孔的瓦斯抽采量和瓦斯抽采浓度。从现场来看, 大直径钻孔随着工作面不断往前推进, 在工作面超前支撑压力作用下, 钻孔未发生变形和漏气现象, 因此上述钻孔封孔工艺能保证钻孔的密封效果。

大直径钻孔瓦斯抽采参数研究

采用Φ377mm瓦斯抽采管路连接大直径钻孔进行瓦斯抽采, 并且Φ377mm瓦斯抽采管路上面只预留Φ160mm的抽采管路接口, 前期大直径钻孔(护管直径为Φ426mm)通过Φ160mm的抽采软管与Φ377mm的瓦斯抽采管路连接, 这就造成抽采管路“卡脖子”现象。

根据现场实际情况, 本文对瓦斯抽采管路连接方式进行改造, 将大直径钻孔与Φ630mm瓦斯抽采管路进行连接, 通过Φ450mm的连接管将Φ426mm的大直径钻孔与Φ630mm瓦斯抽采管路进行连接, 瓦斯抽采管路直径逐级递增, 避免了瓦斯抽采管路“卡脖子”的现象。不同抽采管路直径、抽采负压、抽采流量和抽采浓度的统计关系如图5、图6所示。

图5 不同直径的管路连接对大直径钻孔瓦斯抽采流量影响


图6 不同直径的管路连接对大直径钻孔瓦斯抽采负压影响


由图5和图6可知, 通过Φ160mm连接大直径钻孔和抽采管路造成了“卡脖子”现象, 在观测期间最大的瓦斯抽采混合流量为75.8m3/min, 最大瓦斯抽采负压为42.4kPa; 改造后通过Φ450mm连接大直径钻孔和抽采管路, 在观测期间最大的瓦斯抽采混合流量为336.62m3/min, 最大瓦斯抽采负压为23.47kPa, 提高了瓦斯抽采流量, 同时避免了对瓦斯抽采泵能力的浪费。

根据上述分析结果, 在下一步的大直径钻孔瓦斯抽采时, 小回沟煤业要对瓦斯抽采管路进行改进, 实现从钻孔、连接管路和抽采支管路直径的逐级递增, 避免造成抽采管路“卡脖子”现象, 且大直径钻孔抽采混合流量要控在224m3/min, 负压控制在8kPa, 实现瓦斯抽采管道流速不超速和低负压抽采, 以免引起采空区遗煤自燃。

大直径钻孔瓦斯抽采效果考察

根据小回沟煤业抽采的实际情况以及现有的设备条件, 结合井下管路情况, 将大直径钻孔分为5组(每组为1个大直径钻孔), 在每组抽采钻孔考察瓦斯抽采效果时, 将其他4组全部钻孔关闭, 分别考察每组钻孔的瓦斯抽采效果。记录每个阶段每组钻孔进入采空区后瓦斯抽采浓度和瓦斯抽采纯流量如图7、图8所示。

图7 瓦斯抽采浓度和工作面与钻孔距离关系曲线


图8 瓦斯抽采纯流量和工作面与钻孔距离关系曲线


由图7、图8可知, 在工作面推进过程中, 一阶段一组钻孔距离工作面大于35m时, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量出现转折点, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量呈现变缓趋势; 二阶段二组钻孔距离工作面大于35m时, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量出现转折点, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量呈现变缓趋势; 三阶段三组钻孔距离工作面大于50m时, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量出现转折点, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量呈现变缓趋势; 在四阶段中, 当钻孔距离工作面超过39m时, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量出现了转折点, 随后呈现出减缓的趋势; 五阶段五组钻孔距离工作面大于30m时, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量出现转折点, 钻孔抽采瓦斯浓度和抽采纯流量呈现变缓趋势。

由上述分析可知, 在大直径钻孔距离工作面30~50m范围内, 瓦斯抽采浓度和抽采纯流量逐渐增加。然而, 当距离超过50m时, 瓦斯抽采浓度和抽采纯流量的增长速度逐渐减缓。这表明, 大直径钻孔在30~50m范围内对于调控工作面风流流场和上隅角瓦斯浓度具有显著的影响。

结语

1)对大直径钻孔的封孔机理研究, 确定了大直径钻孔孔口用水泥砂浆封堵0.5m, 里段采用带压聚氨酯封孔(1MPa), 大直径钻孔封孔6m, 两端各封3m, 大直径钻孔的密封效果良好, 保证了大直径钻孔的瓦斯抽采量和瓦斯抽采浓度。

2)通过Φ450mm连接大直径钻孔和抽采管路, 实现从钻孔、连接管路和抽采支管路直径的逐级递增, 避免造成抽采管路“卡脖子”状况; 大直径钻孔抽采流量要控在224m3/min, 负压控制在8kPa, 实现瓦斯抽采管道流速不超速和低负压抽采。



推文来源

[1]邹永洺,王金成.大直径钻孔抽采采空区瓦斯技术研究[J].山西煤炭,2024,44(04):50-57+71.



参考文献

[1]邵国安, 邹永洺. 大直径钻孔抽采条件下采空区遗煤自燃防治技术[J]. 煤矿安全, 2020, 51(11): 74-77, 82. 

[2]邵国安, 邹永洺. 高瓦斯近距离煤层采空区卸压瓦斯大直径钻孔抽采试验研究[J]. 煤矿安全, 2020, 51(9): 6-10.


 编辑丨      张   凯            重庆大学

 审核丨      赵昱龙            重庆大学


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