郭家山煤矿井下瓦斯的高位钻孔抽放系统优化实践

崔荣峰,王彦军

(1.山西省临汾市蒲县能源局,山西 临汾 041000;2.山西蒲县宏源集团郭家山煤业,山西 临汾 041000)

为改善煤矿开采状况,我国从20世纪50年代开始从国外(主要是前苏联)引进先进矿井瓦斯抽放技术,在消化吸收国外先进抽放技术的基础上,研究出不少适合我国煤矿瓦斯抽放实际情况的技术成果,很大程度上解决了我国瓦斯灾害问题[1-4]。但是，随着开采深度和强度的增加,有些低瓦斯矿井也出现了高瓦斯区域。以前完全依靠增大风量来冲淡瓦斯,后来逐步采用少量单一的抽放瓦斯方法,配合通风稀释来解决瓦斯超限问题。进入21世纪以来,我国的高瓦斯矿井和瓦斯突出矿井进一步增多,为了遏制煤矿重大瓦斯事故的发生,国家相关部门增大资金投入,加强科研工作,许多先进技术应运而生,如高位钻孔抽放采空区瓦斯技术在煤矿得到了广泛的应用[5-6]。

1 矿井概况

山西蒲县宏源集团郭家山煤矿设计生产能力60万t/a。井田面积13.112 1 km2,批准开采2#-11#煤层,保有资源储量2 541万t,可采储量1 514万t,设计服务年限19.8 a。目前开采2#煤层,平均厚度1.37 m,煤层赋存稳定。矿井为低瓦斯矿井,瓦斯绝对涌出量8.55 m3/min,相对涌出量8.13 m3/t,该矿2011—2013年瓦斯等级鉴定结果如表1所示。该矿水文地质类型为中等；矿井正常涌水量为74 m3/h,最大涌水量为98 m3/h；煤层自燃倾向性为Ⅱ级,煤尘具有爆炸危险性。

表1 郭家山煤业2011—2013年瓦斯等级鉴定结果Table 1 Gas grade appraisal results of Guojiashan Coal Industry from 2011 to 2013

矿井通风方式为中央并列式,通风方法为机械抽出式。回风立井安装2台FBCDZ-№18型防爆对旋轴流式通风机,矿井总进风量4 245 m3/min,总回风量4 301 m3/min,通风负压1 150 Pa，等积孔为1.85 m2,矿井通风难易程度为中等,通风系统稳定可靠。回采工作面采用“U”型全负压通风方式，掘进面采用FBD-№7.1型局部通风机和直径1 000 mm的柔性风筒压入式通风,局部通风机实现了“三专两闭锁”“双风机、双电源”,并且具有自动切换功能。

2 矿井瓦斯抽放技术

矿井属低瓦斯矿井,但在回采期间,上隅角瓦斯体积分数在0.8%左右,利用风障导风无法彻底消除隐患。工作面瓦斯一部分来源于开采层的煤壁和落煤解吸的瓦斯,另一部分来源于采空区遗留煤解吸的瓦斯及围岩、邻近层涌出的瓦斯。煤层开采后,上覆岩层中形成离层裂隙和竖向破断裂隙。由于瓦斯密度为0.716 8 kg/m3,比空气的密度(1.293 kg/m3)小得多,因此工作面涌出的部分瓦斯上浮运移到裂隙带,并随着顶板的垮落进入采空区及上隅角,造成工作面上隅角瓦斯增大。采用高位钻孔,将采空区瓦斯抽排到总回风巷,可以降低上隅角瓦斯浓度。

2013年至2017年该矿使用一套ZWY-90/110型井下移动瓦斯抽采泵站,采用高位钻孔抽采采空区瓦斯,但存在抽采能力小、抽采浓度低、上隅角瓦斯治理效果差等缺点。随着2#煤层的进一步开采,工作面浮煤瓦斯涌出量增大,该抽放系统已不能同时满足2个工作面的瓦斯抽放。2017年下半年对井下移动瓦斯抽放系统进行了优化升级,安装2台2BEC52瓦斯抽放泵(主要技术指标如表2所示),采用高位钻孔抽放采空区瓦斯,瓦斯抽放能力及各项抽采指标均得到全面提升。

表2 2BEC52瓦斯抽放泵主要技术指标Table 2 Main technical indicators of 2BEC52 gas drainage pump

3 井下移动瓦斯抽放系统优化方案

3.1 原瓦斯抽放系统

采用ZWY-90/110型瓦斯抽放泵,最大抽气量90 m3/min,最大轴功率97 kW,转速390 r/min,供水量4.0～13.0 m3/h。进排气口管路各选用一趟Φ325 mm管路(回风大巷安装),工作面管路选用一趟Φ273 mm管路。抽放钻孔与273管路间采用Φ65 mm软管连接。

采用高位钻孔抽放采空区瓦斯,在工作面回风巷,沿回风巷走向每隔60 m开掘矩形硐室作为钻场,钻场长4 m,宽3 m,高2 m。钻孔分上下两排布置,每排5个钻孔,呈扇形布置。上、下排孔倾角和方位角一致,倾角分别为2.4°,2.4°,3.2°,4.0°,4.8°,方位角分别为0°,3.5°,4.5°,5.8°,6.8°。在距巷帮0.8 m距顶板0.7 m处施工第一个钻孔,钻孔间距0.3 m,排距0.4 m。高位钻孔上排孔终孔高度分别为4.9,4.9,6.6,8.4,10.0 m;上下排孔终孔与上隅角距离一致,分别为4.8,7.2,9.5,11.9,14.1 m。钻孔施工时,采用直径113 mm钻头,孔长度120 m。

封孔采用FKQW-75/0.15型气胀式封孔器,封孔器内留有73 mm的钢管,用于抽放瓦斯。封孔器一头为筛管,一头为螺丝口,通过管鼓与抽放支管连接抽放,封孔器插入钻孔后,利用打气筒给封孔器充气,直至压力达到0.15 MPa,并保证封孔器不漏气。

3.2 优化后的瓦斯抽放系统

采用2BEC52瓦斯抽放泵,最大抽气量235 m3/min,变频控制,气量可调范围150～235 m3/min,最大轴功率244 kW,转速340 r/min,供水量20 m3/h,减速机传动,额定频率50 Hz。进排气口管路选用Φ426 mm管路,进气口管路在瓦斯泵站外调整为两趟Φ325 mm管路(回风大巷安装),工作面管路选用一趟Φ273 mm管路。抽放钻孔与273管路间采用Φ65 mm软管、水闸分离器连接。

采用高位钻孔抽放采空区瓦斯,在工作面回风巷,沿回风巷走向每隔60 m开掘矩形硐室作为钻场,钻场长4 m,宽4.5 m,高2 m。钻孔分上下两排布置,每排5个钻孔,呈扇形布置。上、下排孔倾角和方位角一致,倾角根据煤层倾角确定,方位角根据孔深确定。在距巷帮2.0 m距顶板0.5 m处施工第一个钻孔,钻孔间距0.6 m,排距0.4 m。高位钻孔上下排孔终孔高度距工作面煤层顶板13～25 m;上下排孔终孔与上隅角距离一致,分别为3,6,9,12,15 m。钻孔施工时,采用直径113 mm钻头,孔长度130 m。

封孔采用水泥浆封孔,孔内插入Φ65 mm的钢管,用于抽放瓦斯。

3.3 系统优化前后参数对比

高位钻孔抽放瓦斯系统优化前后参数对比如表3所示。

表3 高位钻孔抽放瓦斯系统优化前后参数对比Table 3 Parameter comparison before and after optimization of gas drainage system with high-level boreholes

4 应用效果分析

1)ZWY-90/110型瓦斯抽放泵抽气量小,气量不可调;2BEC52瓦斯抽放泵抽气量增大,气量可调,可根据抽放地点需求调节气量,减少损失,延长抽放泵使用寿命。

2)系统优化后,抽放管路直径增大,保证了管路有足够的通过能力,降低了阻力,确保了瓦斯管内流速在经济流速之内。

3)抽放钻孔与273管路间增加了水闸分离器,避免了水抽入瓦斯管路,影响抽放效果。

4)抽放硐室宽度由3.0 m增加到4.5 m,增加了钻孔布置的空间。由原来的距巷帮0.8 m距顶板0.7 m处施工第一个钻孔,优化为距巷帮2.0 m距顶板0.5 m处施工第一个钻孔,避免了钻孔施工时钻头遇帮锚杆报废的风险,避免了因煤层裂隙发育钻孔漏气大的风险。

5)钻孔倾角根据煤层倾角确定,原上排孔终孔高度距工作面煤层顶板4.9～10.0 m,优化为上下排孔终孔高度距工作面煤层顶板13～25 m,考虑了钻孔施工受煤层顶板岩石软硬程度变化及钻杆自重的影响,提高了钻孔的使用效率。原上下排孔终孔与上隅角距离分别为4.8,7.2,9.5,11.9,14.1 m，优化为3,6,9,12,15 m,便于施工人员记忆及施工。

综上,本次优化高位钻孔瓦斯抽放系统通过更换最大抽放量和可调控的瓦斯抽放泵、新增水闸分离器、调整上排终孔高度距工作面距离和上下排孔终孔与上隅角距离等措施来实现。对比分析优化前后参数,发现优化后的瓦斯抽放系统管内瓦斯体积分数由2%增加至10%左右,上隅角瓦斯体积分数由1%降低至0.4%,抽放效果及上隅角瓦斯治理效果显著。同时,封孔由气胀式封孔优化为水泥浆封孔,减少了材料消耗,提高了经济效益。

5 结论

1)瓦斯抽放系统优化后,抽气量由90 m3/min增加到235 m3/min,抽放能力得到提高；钻孔布置优化后,管内瓦斯体积分数由2%增加至10%,上隅角瓦斯体积分数由1%降低至0.4%,抽放效果及上隅角瓦斯治理效果显著,对矿井通风管理及现场管理起到积极作用,确保了上隅角瓦斯风险在可控范围内。

2)实际应用过程中积累了部分适用于郭家山矿的实践经验。钻孔与抽放管路间安装板孔流量计及人工检测装置,控制抽放气量,提升抽放效果;钻孔内安装并使用水渣分离器,能及时排出水、渣,提高抽放效果;合理调整钻孔施工参数,将钻孔尽可能布置在砂岩内,退钻时冲孔将废渣冲净能有效避免塌孔、堵孔情况;调整钻孔施工长度,采用两个钻场同时抽放采空区瓦斯,能有效避免接替钻场时上隅角瓦斯超限。

3)随着开采线长度、深度的增加,煤矿对瓦斯的治理工作将更加困难, 依靠通风不能彻底解决,其他措施解决瓦斯问题安全又无保障,所以根据现场实际情况,科学创新、灵活有效利用瓦斯抽放优化技术,是解决瓦斯治理的有效途径。