高位钻孔瓦斯抽放技术在开滦矿区的应用

高 洋 赵志强 丁自伟 马成民 崔建勇

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

高位钻孔瓦斯抽放技术在开滦矿区的应用

高 洋 赵志强 丁自伟 马成民 崔建勇

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京市海淀区,100083)

分析了高位钻孔瓦斯抽放的适用条件和合理的层位布置,在唐山矿T1452工作面和吕家坨矿5323工作面进行了应用实践,结果表明,使用该技术后唐山矿T1452工作面上隅角瓦斯浓度一直保持在0.1%～0.5%之间,抽放率可达到83%;吕家坨矿5323工作面上隅角瓦斯浓度保持在0.3%左右,抽放率52%,效果明显。

高位钻孔 采空区瓦斯 上隅角 瓦斯抽放 开滦矿区

TD712.6

B

1 高位钻孔瓦斯抽放的适用条件及合理层位选择

1.1 适用条件

高位钻孔主要作用是通过抽放围岩或采空区瓦斯,在上邻近层瓦斯向采空区运移时进行拦截,从而解决上隅角和回风流瓦斯超限的问题。所以其适用条件是工作面瓦斯主要来源于采空区、上部围岩或邻近层工作面。该技术最终解决的是采空区瓦斯超限问题。

1.2 高位钻孔合理层位选择

高位钻孔合理层位主要指抽放效果较好的层位高度,通常为瓦斯来源较广、瓦斯释放较活跃的区域。

一般地,高位钻孔抽放带的理论下限要高于顶板冒落带高度。若高位钻孔施工层位低于冒落带,则直接与采空区沟通,后果是钻孔负压小、流量大,但瓦斯浓度却很低,故下限一般在煤层顶板5～20 m范围内,而在一些瓦斯含量较高、煤层较厚的放顶煤工作面,其下限也可在煤层中。高位钻孔抽放带的理论上限一般与煤层顶板距离小于50 m,如果排除封孔效果的因素,则层位越高,瓦斯抽放浓度也越高,但抽放混合量也越小。实践表明,高位钻孔抽放带的理论前方界限位于工作面前方几米左右,理论后方界限至工作面后方几十米左右。

2 高位钻孔瓦斯抽放的主要参数及理论计算方法

裂隙带可抽高度:指高位钻孔可以取得较好抽放效果的高度范围,把某个范围内能抽到高浓度瓦斯的高度定为裂隙带可抽高度。用终孔高度、高浓度起点高度和高浓度终点高度3个参数来控制可抽高度区间。

有效平距:钻孔有效抽放段在水平面上的投影长度。

搭接长度:前后两个钻场钻孔间重叠长度。

高位钻孔瓦斯抽放各参数位置如图1所示,计算方法如下。

图1 高位钻孔参数计算图

式中:h1——高位钻场距煤层顶板距离,m;

h——钻场内钻孔开孔高度,m。

X——钻孔轴线在巷道方向的投影长度,m;

Y——钻孔终孔点垂直水平面至煤层面的投影点到风巷的距离,m;

H——钻孔终孔点距煤层顶板法线距离,m;

L——钻孔孔深,m;

α——钻孔水平投影线与巷道的夹角,(°);

β——钻孔仰角,(°);

γ——煤层倾角,(°)。

3 工程应用

3.1 唐山矿T1452工作面

唐山矿T1452工作面位于14水平铁一区5#煤层,地面标高+12 m,工作面标高-850 m。走向长度1240 m,倾斜长度148 m。煤层倾角11～27°,平均为18°,煤层为单一结构,厚度为1.5～3.2 m,平均为2.85 m。瓦斯的绝对涌出量为2.93 m3/min。煤尘有爆炸危险性。

根据目前的设备和顶板条件,取α=32°,抽放仰角不宜过大,否则会影响抽放效果,取β=15°,煤层倾角γ=18°,孔深L=43 m左右,由式(1)、(2)可求出钻孔在回风巷的水平投影长度35 m,终孔点距回风巷的最大距离为20 m左右。钻场间距以20 m为宜,保持15 m的搭接长度。本工作面取2个钻孔,在工作面推进至与钻孔底平距5～10 m时即可并网抽,即此时两个钻场4个孔可同时抽。当工作面推进至钻孔最低有效抽放高度时,钻孔必须报废,否则会影响下一孔的抽放效果。钻孔直径为89 mm,负压保持在20 kPa以上即可,裂隙带可抽高度距煤层顶板10～35 m。

T1452工作面采用2台2BEA-253-0型水环真空泵进行抽放,管路长2200 m,采用ø150 mm玻璃钢管。由于高位钻孔与上隅角瓦斯抽放的运用,工作面瓦斯浓度一直保持在0.1%～0.5%之间,抽放率达到83%。当工作面推进到钻孔口15 m位置时,由于巷道受工作面超前压力影响使钻孔周围裂隙增多,钻孔逐渐进入冒落带,抽放浓度进一步降低至8%以下。工作面高位钻孔抽放浓度平均保持在11%～18%之间,抽放纯量平均为2.55 m3/min。

3.2 吕家坨矿5323工作面

吕家坨矿5323工作面位于-800 m水平三采区12#煤层三中石门东侧,煤层平均厚度2.00 m,煤层倾角为10～19°,平均为13°,瓦斯含量为5.3 m3/t。工作面顶板岩性为细砂岩,岩性疏松为瓦斯流动的良好通路。上覆9#煤层瓦斯含量6.5 m3/t,回采过程中瓦斯沿顶板裂隙涌入5323工作面采空区。5323工作面采用U型通风方式通风,上隅角瓦斯超限频繁。

根据现场数据分析,设计α为25°,β可在12～17°之间变化,γ为13°,L为79 m左右,由式(1)、(2)可求出钻孔在回风巷的水平投影长度为70 m,钻孔终孔点与回风巷的最大距离为32 m。钻场间距50 m,保持20 m的搭接长度,开孔位置距回风巷平距取2～3 m,高出煤层顶板垂距1 m。钻场宽度为4～6 m,高2～2.5 m。由式(4)可算出钻孔孔底高度距煤层顶板法距H为16 m。取3个钻孔,钻孔孔底间保持一定间距,分别距回风巷平距为15 m、20 m和25 m。在工作面推进至与钻孔底平距5～10 m时即可并网抽,即此时两个钻场6个钻孔可同时抽,钻孔直径为75～90 mm。

图2 5323工作面瓦斯风排量、抽放量、绝对量月统计

开采后前3个月风排瓦斯量维持在3 m3/min以上,抽放量大约在0.4 m3/min左右。从第7个月起抽放量逐渐增大,总涌出量也持续上升,但回风涌出量却稳中有降,说明抽放瓦斯起到了预期的效果。5323工作面经过3个月的高位抽放基本解决了上隅角瓦斯超限的问题,在正常的抽放期间,上隅角瓦斯维持在0.3%左右,架顶瓦斯浓度也控制在0.5%以下。5323工作面平均抽放量2.76 m3/min,平均涌出量5.29 m3/min,抽放率52%。采用抽放技术后,没有出现过瓦斯超限现象,说明高位钻孔抽放措施是行之有效的,见图2。

4 结论

通过对高位钻孔参数的研究,配合高位钻孔与上隅角瓦斯抽放的运用,使唐山矿T1452工作面瓦斯浓度一直保持在0.1%～0.5%之间,抽放率可达到83%;吕家坨5323工作面采用抽放措施后回风瓦斯浓度保持在0.3%左右,抽放率52%,达到了较好的抽放效果。

[1] 钱鸣高,缪协兴,许家林等.岩层控制的关键层理论[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000

[2] 周世宁,林柏泉.煤矿瓦斯动力灾害防治理论及控制技术[M].北京:科学出版社,2007

[3] 胡殿明,林柏泉.煤层瓦斯赋存规律及防治技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2006

[4] 李贤忠,朱传杰,刘洋.高位钻孔瓦斯抽放技术的研究及应用[J].煤炭工程,2010(6)

[5] 刘建中,赵保平,孔祥义.高位钻孔配合埋管抽放治理采面上隅角瓦斯[J].煤炭科学技术,2010(2)

Application of gas drainage technology by high-position drilling at K ailuan mining area

Gao Yang,Zhao Zhiqiang,Ding Ziwei,Zhang Zhengfang
(School of Resources and Safety Engineering,China University of Mining and Technology,Haidian,Beijing 100083,China)

Analysis of applicable conditions and reasonable collocation of gas drainage technology through high-position drilling is made in the paper.Application practices are performed at 5323 mining face of Lujiatuo Coal Mine and T1452 mining face of Tangshan Coal Mine.The results indicate that,gas consistence at the upper corners of T1452 mining face is maintained at 0.1～0.5%after the use of this technology,and gas drainage ratio reaches 83%.While the figure at 5323 mining face is about 0.3%after the application,with 52%gas drainage ratio.That is a tangible result.

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高洋(1985-),男,山东平阴人,现为中国矿业大学(北京)在读硕士研究生。

(责任编辑 梁子荣)