以孔代巷瓦斯抽采工艺技术

文摘 2024-10-30 22:01 陕西

导

读

随着现代化矿井建设，开采技术工艺提高和装备升级，使现代矿井开采强度和机械化程度有了极大的提高。诸多矿井回采期间面临着工作面瓦斯涌出量大的问题，特别是上隅角瓦斯超限事故频发，严重制约了矿井安全高效生产。

施工高抽巷是目前多数矿井用于控制上隅角瓦斯超限的重要技术手段，虽然该技术能够实现瓦斯稳定抽采，可以有效控制上隅角瓦斯超限，但是高抽巷施工效率较低，且成本较高。目前，随着国内外大功率定向钻机装备和钻进施工工艺的改进，顶板高位定向长钻孔施工水平和效率不断提升，且施工成本逐步降低，为实现“以孔代巷”提供了装备和技术保障，因此，“以孔代巷”也成为诸多学者研究治理采空区和邻近层瓦斯涌出的主要方向。

矿井概况

新源煤矿位于山西省沁源县西南部，距沁源县城约17km，隶属于沁河镇管辖，矿井生产能力为1.20Mt/a。目前矿井开采2#煤层， 2021年度矿井瓦斯等级鉴定结果为高瓦斯矿井。12214工作面以东、以南为矿界。该工作面走向长1088m，开切眼长216m，2#煤层平均厚度1.80m。采用综合机械化一次采全高采煤方法，一进一回“U”型通风方式。原始煤层瓦斯含量为11.40m³/t，残余瓦斯含量为2.74m³/t。

顶板高位定向长钻孔瓦斯抽采

顶板走向长钻孔钻场及钻孔布置

根据顶板上覆岩层中的卸压瓦斯在“O”形圈的运移和富集特征，确定顶板高位定向长钻孔布置的竖直层位。为了有效控制上隅角瓦斯浓度，将顶板高位定向长钻孔水平布置在“O”形圈中靠近回风巷处的裂隙带中，如图1所示。

图1 顶板高位定向长钻孔布置示意图

通过计算，初步确定钻孔垂直布置层位高度为14~20m，钻孔距回风巷的水平距离为15~72m，钻孔组水平投影长度280m，具体参数见表1。

表1 顶板高位定向长钻孔布置参数

抽采效果分析

不同钻孔直径和抽采负压都会影响瓦斯抽采效果。根据现场钻机设备(ZYL-15000D)和施工技术水平，以ø203mm的钻孔为例, 分析确定合理的抽采负压。

首先需要确定顶板高位定向长钻孔孔底周围处于一个合理的负压抽采条件。理论分析和实践研究表明，在吸附平衡压力和解吸时间相同的情况下，解吸负压越高，累计瓦斯解吸量越大，负压条件对瓦斯解吸起着促进作用。但随着负压的升高，累计瓦斯解吸量的增幅逐渐减小，当负压升高到某一定值时，瓦斯解吸量就不再随着负压的升高而增大，即负压对瓦斯解吸的影响存在临界值。根据12214工作面顶板岩性和裂隙发育程度，结合泵站运行能力，确定20kPa为临界解吸值。受沿程摩擦阻力的影响，孔口负压在向钻孔深部传递时，会产生损失，为了保证孔底负压环境为20kPa，可以将计算出的压损增加在孔口负压上。

周世宁径向稳定流场公式如下：

通过上式可以求出单孔总抽采瓦斯纯流量:

式中: 由于顶板高位定向长钻孔长度为290~351m，取306m，封孔长度18m，钻孔有效长度l=288m：直径D=2r₀=203mm；瓦斯压力取0.64MPa；顶板裂隙带透气性系数λ=2.98m²/(MPa²·d)；钻孔间距为10m，则抽采半径R=5m。以抽采瓦斯浓度(甲烷体积分数，下同)最高预计30%为例，其漏气部分封孔段漏气占主要部分，约为50%, 而深部煤体中的裂隙漏气占20%。则可以求出除去封孔段浅部漏气的单孔混合瓦斯量Q_h：

由于钻孔内瓦斯流动产生压损的因素很多，例如钻孔变形导致的局部压损不可预估，到抽采后期, 压损一定会变大。同时，也为了便于计算，认为全孔段为均匀质量流，流量为混合量，这样计算出的压损偏大但符合现场长期抽采的实际情况。首先判别钻孔内瓦斯流动的流态：

式中: A为钻孔截面积, mm²；ρ为气体相对密度，钻孔抽采瓦斯浓度按25%计算，则ρ=0.889kg/m³；Re为雷诺系数；μ为运动黏度，μ=1.593×10-5Pa·s。计算得出钻孔内摩擦阻力系数f=0.3164Re^-0.25=0.023。负压从孔口至孔底传递过程中压损Δp：

综上所述，对顶板高位定向长钻孔孔口抽采负压进行了近似计算，得到孔口提供21kPa的负压即可使全孔段保持一个较好的负压抽采环境, 可以高效地进行瓦斯抽采。

施工一组共计7个高位顶板定向长钻孔，每个钻孔工期4d，钻孔单价890元/m，28d完成，总成本约196万元。连续64d回采观测统计结果见表2。

表2 顶板高位定向长钻孔组瓦斯抽采量统计

由表2可以看出：抽采瓦斯混合流量平均为20.82m³/min，钻孔组汇流管瓦斯浓度为17.24%，抽采瓦斯纯流量平均为3.71m³/min。12214工作面回采期间上隅角瓦斯浓度为0.32%~0.47%，平均瓦斯浓度为0.42%。

高抽巷瓦斯抽采

高抽巷施工及巷道布置

高抽巷在12214工作面回风巷距工作面开切眼300m处开口，垂直于巷道沿2#煤层顶板斜坡向上掘进至15m高度，然后平行回风巷掘进。顶板高位定向钻孔及高抽巷布置如图2所示。

图2 水力压裂参数考察钻孔布置平面图

该高抽巷为断面积7.50m²的矩形巷道，总长度300m。与回风巷帮平行距离为12m。高抽巷施工完毕后再在回风巷开口密闭，敷设一趟直径为425mm、长为35m的管路进行瓦斯抽采。高抽巷单价8800元/m，工期50d，总成本约264万元。

抽采效果分析

高抽巷抽采负压平均为20.82kPa, 连续观测70d回采期间瓦斯抽采数据，统计结果见表3。

表3 顶板高位定向长钻孔组瓦斯抽采量统计

由表3可以看出:高抽巷抽采瓦斯混合流量平均为21.72 m³/min，抽采瓦斯纯流量平均为3.37 m³/min，回采期间上隅角瓦斯浓度为0.42%~0.56%，平均瓦斯浓度为0.49%。

结语

1)通过对顶板高位定向长钻孔和高抽巷抽采瓦斯效果对比分析得出：顶板高位定向长钻孔瓦斯抽采影响范围比高抽巷更大，布孔更灵活，上隅角瓦斯浓度控制更有效，且顶板高位定向长钻孔组总抽采瓦斯纯流量为3.71m³/min，比高抽巷抽采瓦斯纯流量提高了10.09%。

2)回采期间，高抽巷上隅角瓦斯浓度为0.42%~0.56%，平均瓦斯浓度为0.49%；顶板高位定向长钻孔组段上隅角瓦斯浓度为0.32%~0.47%，平均瓦斯浓度为0.42%。顶板高位定向长钻孔瓦斯治理效果更佳。

3)顶板高位定向长钻孔组施工投资成本约为196万元，高抽巷掘进施工投资成本约为264万元，成本降低了约25%, 并且施工一组顶板高位定向长钻孔的工期约28d，掘进同样长度的高抽巷工期约50d，施工工期缩短了近一半，显著缓解了高抽巷掘进速度对采煤工作面投产的制约。后续全部施工顶板高位定向长钻孔治理采空区瓦斯，为实现“以孔代巷”提供了装备和技术支持。

推文来源

乔伟. 以孔代巷瓦斯抽采工艺技术应用[J]. 矿业安全与环保, 2024, 51(03): 92-96+106. DOI: 10.19835/j. issn.1008-4495.20220874.

参考文献

[1]钱鸣高, 缪协兴, 许家林. 岩层控制中的关键层理论研究[J]. 煤炭学报, 1996, 21(3): 2-7.

[2]郭明功, 王彬彬, 刘思博, 等. 深部缓倾斜煤层“以孔代巷”抽采技术[J]. 西安科技大学学报, 2022, 42(6): 1071-1079.

作者丨张凯重庆大学

审核丨赵昱龙重庆大学

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