大孔径钻孔在掘进面瓦斯治理的实践应用

2024-04-10闫沁阳

煤 2024年4期

闫沁阳

(潞安化工集团能源事业部通风部,山西长治 046204)

煤矿瓦斯灾害时刻威胁着矿井的生产安全,尤其是随着煤层开采深度的不断增加,瓦斯的赋存压力和含量也逐渐增加,会给煤矿安全开采带来更大的威胁。钻孔抽放煤层瓦斯可以降低煤层瓦斯压力,减少瓦斯灾害的发生[1-3]。大直径钻孔抽采瓦斯是一种行之有效的瓦斯治理方法,很多学者针对大直径钻孔瓦斯抽采理论和技术进行了大量研究,取得了显著的效果[4-13]。李宏等[4]采用数值计算的方法,探讨了大直径定向顶板长钻孔的层位、间距等关键参数对采空区瓦斯运移规律影响机制,并对抽采工艺进行了完善。潘俊锋等[5]研究了不同孔间距下大直径钻孔卸压效果。张春华等[6]分析了大直径双钻孔强化抽采瓦斯的效果。陈月霞等[7]结合理论分析与数值模拟,研究抽采钻孔孔径与间距对瓦斯抽采的影响。高艳忠[8]研究了松软煤层不提钻直接下筛管钻孔护壁技术,发现成孔率大幅度提高。陈久福等[9]研究了钻孔内下套管瓦斯增透技术。祝钊[10]研究了大直径套管钻进一次成孔技术。谢生荣等[11]采用了尾巷超大直径管路横接采空区密闭抽采技术,结果表明,上隅角瓦斯、瓦斯尾巷的瓦斯体积分数分别降低到0.9%、1.7%以下,瓦斯治理效果显著。为解决潞安化工集团某矿巷道掘进过程中瓦斯体积分数较高的问题,本文采用大孔径钻孔卸压治理瓦斯,并从工作面掘进效率、瓦斯治理效果以及经济效益等方面对大孔径钻孔与常规钻孔进行对比分析,以期对类似地质条件煤巷掘进过程中的瓦斯治理提供一定的参考。

1 工作面概况

S5207胶带巷道沿3号煤层底板掘进,设计全长1 849 m,截至2021年6月27日,已掘进1 224.6 m,巷道断面为矩形,宽5.4 m,高3.8 m,断面积为20.52 m2,工作面标高为+384～+577 m,巷道北面为南五胶带下山;南面、西面及东面均为实体煤。

S5207胶带巷道里程0～107 m巷段及回风联巷掘进期间不施工钻场。里程107～1 743 m巷段掘进期间,在巷道两帮迈步布置“边掘边抽”瓦斯抽采钻场。煤层厚度约为6.11 m,沿掘进方向煤层倾角为-4°～2°.

巷道内大孔径释放孔之前1个月内(5月10日—6月10日),回风流最大瓦斯体积分数为0.92%,回风流平均瓦斯体积分数为0.64%,残余瓦斯含量9.81 m3/t,风量1 581 m3/min,风排瓦斯量10.12 m3/min,不均匀涌出系数平均值为1.28.

巷道施工期间采取的瓦斯治理措施为:迈步钻场边掘边抽、迎头释放孔、CO2气相压裂,顺层钻孔采前预抽。

2 大孔径释放孔工艺

本矿井其他胶带巷掘进期间工作面发生瓦斯探头预警、响煤炮等现象,为了解决工作面煤层瓦斯压力大、掘进期间瓦斯体积分数高等问题,于6月10日开始在S5207胶带巷施工大孔径释放孔。

2.1 钻孔设计

迎头释放孔参数及要求:施工15个释放孔,孔径为120 mm,深度为18 m,释放孔按三排五列布置。沿煤层底板掘进期间:第一排释放孔倾角与巷道倾角一致,第二排释放孔倾角为巷道倾角加3°,第三排释放孔倾角为巷道倾角加7°,见图1.

图1 迎头释放孔布置正视图(单位:mm)

2.2 施工设备

迎头施工大孔径释放孔采用ZQSJ-90/2.4A架柱支撑手持气动钻机,参数见表1.

表1 ZQSJ-90/2.4A架柱支撑手持气动钻机参数

表2 各阶段瓦斯浓度变化

该钻机为便携式钻机,具有安全防爆、转矩大、转速高、体积小、结构简单和维修方便等特点。

2.3 施工组织

2.3.1 工艺用时

普通释放孔施工40个,长度13 m,大孔径释放孔施工15个,长度18 m,均为3台钻机6人操作同时施工。普通释放孔用时为4～5 h,大孔径释放孔在打钻正常的情况下用时为4～5 h,因孔径增大导致夹钻等异常情况出现时,施工用时为5～8 h,从施工用时分析,普通释放孔较优。

2.3.2 卸压效果

大孔径释放孔较优化前,施工深度增加3 m,随着钻孔施工深度增加,煤体内应力向深部移动,卸压效果增强,具体表现为检修班的响煤炮次数由之前的平均7次减少为5次。

2.3.3 安全效益

施工大孔径释放孔前100 m掘进里程内(2021年5月22日—6月9日),工作面回风流瓦斯体积分数最大值为0.79%,达14次,回风流平均瓦斯体积分数为0.68%,瓦斯预警1次。施工大孔径释放孔后100 m掘进里程内(6月10日—6月28日),工作面回风流瓦斯体积分数最大值为0.79%,达11次,回风流平均瓦斯体积分数为0.65%,瓦斯预警1次,大孔径释放孔对工作面掘进期间瓦斯治理情况无明显改善。

3 工作面瓦斯治理措施效果分析

大直径钻孔优势:①大孔径瓦斯释放孔可以更多地揭露瓦斯地层中的孔隙和裂隙,更加有效地释放煤层中赋存的瓦斯;②大孔径瓦斯释放孔孔深较大,煤体卸压效果更强,瓦斯释放效果更好。

为分析S5207胶带巷道大孔径释放孔效果,选取2021年5月10日—6月27日掘进期间巷道内瓦斯涌出情况为分析对象,并按照采取的瓦斯治理措施划分为2个阶段。第一阶段(5月10日—6月9日),工作面采取的瓦斯治理措施为:迎头CO2气相压裂+普通释放孔+迈步钻场边掘边抽;第二阶段(6月10日—6月27日)瓦斯治理措施为:迎头CO2气相压裂+大孔径释放孔+迈步钻场边掘边抽。

3.1 大孔径释放孔施工前后检修时工作面风排瓦斯量变化

图2为大孔径释放孔施工前后检修时工作面瓦斯涌出情况。从图中可以看出,大孔径释放孔施工前,检修时回风流平均瓦斯体积分数为0.61%;大孔径释放孔施工后,检修时回风流平均瓦斯体积分数为0.63%,提高0.02%,风排瓦斯量增加0.3 m3/min,即施工大孔径释放孔过程中,增加了0.3 m3/min的瓦斯释放量,变化很小。因此,施工大孔径释放孔对巷道瓦斯涌出量基本无影响。

图2 大孔径释放孔施工前后检修时工作面瓦斯涌出量变化图

3.2 大孔径释放孔瓦斯释放效果

由图3、图4可知,大孔径释放孔施工前,回风流最大瓦斯体积分数为0.81%,回风流平均瓦斯体积分数为0.60%;大孔径释放孔施工后,回风流最大瓦斯体积分数为0.90%,平均瓦斯体积分数为0.62%,风排瓦斯量由9.49 m3/min提升至9.80 m3/min.施工大孔径释放孔前后回风流最大瓦斯体积分数无明显变化,回风流平均瓦斯体积分数由0.60%变化为0.62%,即瓦斯释放量有所增加,但增加量有限。

图3 大孔径释放孔施工前后瓦斯浓度变化曲线

图4 大孔径释放孔施工前后风排瓦斯量变化曲线

3.3 大孔径释放孔掘进日进尺

大孔径释放孔施工前,共掘进51.3 m,用时10 d,掘进日进尺为5.13 m/d;施工大孔径释放孔后,掘进53.3 m,用时10 d,掘进日进尺为5.33 m/d,掘进效率提升3.9%.综合分析,施工大孔径释放孔施工速度较快。

3.4 大孔径释放孔不均匀涌出系数分析

施工大孔径释放孔可以降低工作面迎头煤体浅部瓦斯压力,将煤体内部压力向深处转移。为分析该效果,选取生产期间每小时瓦斯涌出不均匀系数进行分析。图5为大孔径释放孔施工前后风排瓦斯量变化曲线图。割第一排煤时,较检修期间瓦斯大量涌出,不均匀系数处于最高值,随着割煤的连续作业,瓦斯涌出趋于稳定,不均匀系数稳定在1～1.3之间。由图可知,掘进3排以后,施工大孔径释放孔后的瓦斯不均匀系数略高于未施工大孔径释放孔的掘进区域,分析原因为,施工大孔径释放孔期间对深部煤体的扰动作用强于施工普通钻孔,割煤期间煤体更容易破碎释放瓦斯,造成落煤瓦斯涌出量的增加,从而导致生产期间施工大孔径释放孔区域瓦斯涌出不均匀系数略高于未施工大孔径释放孔区域。施工大孔径释放孔后,生产期间不均匀瓦斯涌出系数为1.11;施工普通释放孔后,生产期间不均匀瓦斯涌出系数为1.14.因此,两种瓦斯治理措施效果接近。