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小庄矿“以孔代巷”瓦斯抽采技术可行性研究

郭林生1 林建成1 李 可1 夏海斌1 董春发1 李 葳1 龙 航2

(1.陕西彬长小庄矿业有限公司,陕西省咸阳市,713500;2.西安科技大学安全科学与工程学院,陕西省西安市,710054)

摘 要 针对高抽巷工程量大、成本高等问题,提出采用高位长钻孔代替高抽巷工作面采空区瓦斯抽采模式。对比分析了小庄煤矿40309工作面高抽巷、高位钻孔、上隅角插管和边采边抽的瓦斯抽采量,对工作面现有瓦斯抽采能力进行了核定。研究发现,瓦斯抽采量约占绝对瓦斯涌出量的86.2%,高抽巷抽采占比约为48.39%,高位钻孔抽采占比仅为7.71%,现有抽采系统难以实现高位长钻孔代替高抽巷的抽采工艺;针对高位钻孔抽采占比低的问题,结合现场瓦斯抽采系统抽采能力,为实现工作面采空区瓦斯“以孔代巷”进行了高位钻孔参数核算,主要包括高位钻孔抽采量、钻孔数量、管路最小内径及抽采泵最小额定流量等参数,并从施工成本角度分析了现场实施“以孔代巷”技术的可行性。

关键词 瓦斯治理 瓦斯抽采量 以孔代巷 高位钻孔 高抽巷

矿井瓦斯灾害是煤矿重大自然灾害之一,严重威胁、制约着矿井安全生产[1-2],随着开采深度的增加,瓦斯压力和瓦斯含量不断增加,瓦斯复合动力灾害日趋严重且复杂[3],瓦斯防治已成为保证矿井安全高效开采的关键,瓦斯高效抽采是矿井瓦斯灾害防治的根本性措施之一,而采空区瓦斯是抽采重点[4-5]。根据《2018年度矿井瓦斯等级鉴定报告》和《小庄矿煤自燃基础参数测试研究报告》显示,小庄煤矿4号煤层属于高瓦斯易自燃煤层,如果走向高抽巷布置层位较低时,瓦斯浓度含量在5%~20%之间具有瓦斯灾害隐患。近年来随着钻具装备和钻进技术提高,顶板走向长钻孔瓦斯抽采技术逐渐普及得到推广,具有能够降低施工成本、有效缓解采掘交替紧张的优势[6]。笔者以小庄煤矿40309工作面为研究对象,展开顶板走向长钻孔抽采采空区瓦斯技术研究,以期实现“以孔代巷”。

1 工作面概况

小庄矿位于咸阳市彬县义门镇鸭河湾村,井田规划面积68.5 km2,矿井地质储量12.26亿t,可采储量9.2亿t,全区可采,最大厚度35.2 m,平均厚度15.23 m,属特厚煤层。矿井初期建设规模600万t/a,最终规模800万t/a,服务年限85 a。

40309工作面为该矿综采工作面,可采厚度0.8~35.22 m,平均厚度18.01 m,厚度较为稳定,结构简单,煤层倾角小于5°,采用走向长壁综采放顶煤采煤工艺。矿井通风方式为中央分列式,通风方法为机械抽出式,采用抽采为主、风排为辅,坚持安全监测监控系统与人工巡检相结合的瓦斯防治方法。采空区瓦斯涌出量11.8~19.6 m3/min,平均涌出量16.1 m3/min,所占比例47.2%~72.5%,平均占比59.1%;开采层瓦斯涌出量7.3~14.8 m3/min,平均涌出量11.2 m3/min,所占比例27.5%~52.8%,平均占比40.9%,因此采空区瓦斯涌出是瓦斯超限问题的主要原因。

2 “以孔代巷”技术原理

煤层的开采会造成围岩原始应力失衡,然后重新分布,围岩应力重新分布的过程会引起围岩变形破坏,并在岩层中形成采动裂隙[7],主要为沿层的离层裂隙和竖向的贯通裂隙,采动裂隙的发育扩展导致本煤层及邻近层瓦斯卸压解吸并积聚在顶板裂隙带内[8]。随着工作面的持续推进,采动裂隙充分发育,在采空区四周形成有利于瓦斯流动和存储的椭抛带,并且随着工作面推进而向前移动[9]。高抽巷瓦斯抽采技术是依据煤层采动裂隙发育分布规律,通过沿工作面走向或者倾向施工专用瓦斯抽采巷道,对顶板裂隙带内瓦斯进行集中抽采,具有卸压范围广、瓦斯抽采流量大等优点[10],但在实际施工过程中,高抽巷施工工程量大、维护成本高、资金投入大等问题,严重制约了该技术在煤矿瓦斯抽采方面的推广应用。高位长钻孔瓦斯抽采技术就是在回采工作面回风巷道中布置钻场,利用定向钻进技术,通过对钻孔轨迹的精确控制,将钻孔布置在近回风巷采动裂隙椭抛带范围内,使钻孔在椭抛带内充分有效延伸,以达到采空区瓦斯高效抽采效果[11]。“以孔代巷”技术就是利用一定数量的顶板高位大直径钻孔替代高抽巷进行顶板瓦斯抽采。增大高位钻孔直径,既可增大钻孔孔壁的暴露面积和卸压范围,有利于钻孔孔壁与采动裂隙的连通,使更多的卸压瓦斯沿采动裂隙流动到钻孔中,也可增大卸压瓦斯的流动通道面积,即增加了单位时间内抽采瓦斯的流量。

3 工作面现有抽采系统的瓦斯抽采效果分析

40309综放工作面主要利用边采边抽、高抽巷抽采、高位钻孔抽采、上隅角插管、回风巷排瓦斯治理工作面瓦斯,其中,边采边抽系统与高位钻孔抽采系统同属2号抽采系统,高抽巷抽采系统由3号抽采系统进行,上隅角插管抽采系统由5号抽采系统进行。通过对2号、3号及5号抽采系统瓦斯抽采纯量、抽采占比与日产量等因素关系的分析,可以得到该工作面的瓦斯抽采规律。

3.1 瓦斯抽采量分析

笔者统计了2019年5月21日至8月14日期间,工作面瓦斯抽采量与日产量、日推进度随时间的变化情况,如图1所示。由图1可以看出,随着时间的推移,瓦斯抽采量与日生产量和日推进度之间存在着一定的关系,瓦斯抽采量随着日生产量和日推进度的波动性变化而变化,当日产量(日推进度)变化幅度较小时,瓦斯抽采量呈现相应的小幅度变化,当日产量(日推进度)骤减或骤增时,瓦斯抽采量也呈现相应的变化趋势。

40309综采工作面绝对瓦斯涌出量由瓦斯抽采量与瓦斯风排量组成,定义工作面瓦斯抽采量与绝对瓦斯涌出量的比值为瓦斯抽采占比。在2019年5月21日至8月14日期间,40309工作面瓦斯抽采占比为81.4%~91.2%,平均占比86.2%。

3.2 高抽巷瓦斯抽采量分析

40309工作面高抽巷抽采系统为3号抽采系统,在2019年5月21日至8月14日期间,高抽巷抽采量与日产量、日推进度随时间的变化如图2所示。由图2可知,40309工作面高抽巷抽采量为9.25~18.07 m3/min,平均抽采量13.73 m3/min。定义高抽巷瓦斯抽采量与绝对瓦斯涌出量的比值为高抽巷抽采占比。在2019年5月21日至8月14日期间,40309工作面高抽巷抽采占比为26.17%~63.07%,平均占比48.39%。

图1 瓦斯抽采量与日产量、日推进度随时间变化

图2 高抽巷抽采量与日产量、日推进度随时间变化

3.3 高位钻孔瓦斯抽采量分析

40309工作面高位钻孔抽采与边采边抽共同由2号抽采系统进行,该工作面于2019年7月4日停止高位钻孔抽采。在2019年5月26日至7月4日期间,高位钻孔抽采量与日产量和日推进度随时间的变化如图3所示。

由图3可知,40309工作面高位钻孔抽采量0.18~4.69 m3/min,平均抽采量2.33 m3/min。高位钻孔抽采量与日产量呈负相关关系,与日推进度呈正相关关系,且均呈现波动性变化。定义工作面高位钻孔抽采量与绝对瓦斯涌出量的比值为高位钻孔抽采占比。在2019年5月26日至7月4日期间,40309工作面高位钻孔抽采占比为0.67%~14.89%,平均占比7.71%。

3.4 上隅角插管瓦斯抽采量分析

40309工作面上隅角插管抽采系统为5号抽采系统。在2019年5月26日至8月14日期间,上隅角插管抽采量与日产量和日推进度随时间的变化如图4所示。

由图4可知,40309工作面上隅角插管抽采量为1.04~4.02 m3/min,平均抽采量1.99 m3/min。上隅角插管抽采量与日产量、日推进度均呈微弱的正相关关系。定义上隅角插管抽采量与绝对瓦斯涌出量的比值为上隅角插管抽采占比。在2019年5月21日至8月14日期间,40309工作面上隅角插管抽采占比为4.26%~19.60%,平均占比7.22%。在6月22日至8月1日期间,上隅角插管抽采占比较为稳定,约为6%,期间日产量也基本保持不变,约为1.8万t。

图3 高位钻孔抽采量与日产量、日推进度随时间变化

图4 上隅角插管瓦斯抽采量与日产量、日推进度随时间变化

3.5 边采边抽瓦斯抽采量分析

40309工作面边采边抽与高位钻孔抽采共同由2号抽采系统进行,该工作面于2019年7月4日停止高位钻孔抽采,此后的2号系统抽采量只包括边采边抽采量。在2019年7月4日至8月14日期间,边采边抽采量与日产量、日推进度随时间的变化如图5所示。

图5 边采边抽瓦斯量与日产量、日推进度随时间变化

由图5可知,40309工作面边采边抽量为3.35~10.79 m3/min,平均边采边抽量8.95 m3/min。边采边抽量与日产量、日推进度大致呈同增同减状态,三者变化规律一致。40309工作面边采边抽占比为12.69%~36.66%,平均占比26.53%。

4 高位长钻孔替代高抽巷技术条件分析

4.1 高位长钻孔参数分析

根据对工作面回采日产量分析可得,40309工作面平均生产量为1.5万t/d,最大生产量为2万t/d。为保证矿井安全生产,防止工作面瓦斯超限的同时,开展“以孔代巷”技术,在日生产量最大的情况下,进行高位钻孔技术的核算,主要包括高位钻孔抽采量、钻孔数量、管路最小内径及抽采泵最小额定流量等参数。

针对小庄矿40309工作面瓦斯治理条件,采用高位长钻孔替代高抽巷进行瓦斯抽采,绝对瓦斯涌出量主要通过高位钻孔、预抽(边采边抽)、上隅角插管和风排解决,因此,需高位钻孔抽采的瓦斯量可通过下式计算:

式 中:Q高位钻孔——高 位 钻 孔 抽 采 瓦 斯 量,m3/min;

Q——工作面绝对瓦斯涌出量,m3/min;

Q边采边抽——边采边抽量,取9 m3/min;

Q插管——工作面上隅角插管抽放瓦斯量,取2.0 m3/min;

Q风排——风排瓦斯量,取4.5 m3/min。

依据钻孔直径、流速和流量的基本关系,结合需要高位钻孔抽采的瓦斯量反推钻孔数量。

式中:Q单孔——高位钻孔单孔流量,m3/min;

d钻孔——高位钻孔直径,m;

v——瓦斯在钻孔中的流速,m/s。

根据主管、干管、支管中不同瓦斯流量,合理的瓦斯管径均可按下式计算:

式中:Q混合量——瓦斯管内流量,m3/min;

d抽采管路——瓦斯管内径,m;

V——瓦斯管内流速,取10 m/s。

抽采瓦斯泵流量必须满足抽采期间最大抽采量的需要。

式中:Q——抽采瓦斯泵的额定流量,m3/min;

Q Z——抽采瓦斯纯量,m3/min;

K——备用系数,K=1.5;

x——抽采瓦斯浓度,%;

η——瓦斯抽采泵的抽采效率,取0.7。

分析高抽巷瓦斯抽采率可知,当工作面最大生产量为2万t/d时,工作面瓦斯抽采系统中,高抽巷提供了大约40%~50%的抽采率,“以孔代巷”技术则是需要对这一部分瓦斯主要通过高位钻孔进行抽采,以保障工作面的瓦斯环境。工作面日生产量为2万t/d时,高位长钻孔各参数指标见表1,其中绝对瓦斯涌出量和残余瓦斯含量通过煤层瓦斯涌出量预测所得。

表1 日产量2万t/d高位钻孔替代高抽巷技术条件

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4.2 成本核算

40309工作面实际走向长度2977 m,钻孔长度设计160 m,考虑钻孔搭接长度(按60 m计算),约需要设计30个高位钻场,考虑单个钻场最多设计钻孔数量,仅核算钻孔数量小于20个的高位钻孔成本,并与高抽巷成本对比。高位钻孔:钻孔成本按30元/m,钻场综合成本按8万元/个来算,产量2.0万t/d,预抽率50%,C 1=(30×160×11+80000)×30=398.40万元;高抽巷:高抽巷成本按8500元/m来算,C 2=8500×2977=2530.45万元。C 1小于C 2,同等情况下,高位钻孔成本明显低于高抽巷成本,因此,在具备高位钻孔抽采条件下,优选高位钻孔进行瓦斯抽采。

根据小庄矿40309工作面瓦斯涌出规律分析和现场瓦斯抽采观测,回采过程中,工作面绝对瓦斯涌出量21.6~35.4 m3/min,平均涌出量28.7 m3/min;高抽巷抽采量9.25~18.07 m3/min,平均抽采量13.73 m3/min;上隅角插管抽采量1.04~4.02 m3/min,平均抽采量1.99 m3/min;边采边抽量为3.35~10.79 m3/min,平均边采边抽量8.95 m3/min。40309工作面如采用高位钻孔替代高抽巷进行瓦斯抽采(以生产量为2万t/d为例),需高位钻孔解决的瓦斯量平均为19.68 m3/min,在保证钻孔单孔浓度至少15%,单孔瓦斯流量8.8 m3/min条件下,单个钻场约需16个钻孔抽采瓦斯,抽采管路管径需0.537 m,抽采泵平均额定流量300 m3/min。

5 结论

(1)40309工作面回采过程中,高抽巷抽采量为9.25~18.07 m3/min,平均抽采量13.73 m3/min,高抽巷抽采量占比26.17%~63.07%,平均占比48.39%;边采边抽量为3.35~10.79 m3/min,平均边采边抽量8.95 m3/min,边采边抽量占比12.69%~36.66%,平均占比26.53%;上隅角插管抽采量为1.04~4.02 m3/min,平均抽采量1.99 m3/min,上隅角抽采占比4.26%~19.6%,平均占比7.22%。

(2)40309工作面如采用高位钻孔替代高抽巷进行瓦斯抽采(以生产量为2万t/d为例),需高位钻孔解决的瓦斯量平均为19.68 m3/min,在保证钻孔单孔浓度至少15%,单孔瓦斯流量8.8 m3/min条件下,单个钻场约需16个钻孔抽采瓦斯,抽采管路管径需0.537 m,抽采泵平均额定流量300 m3/min。

(3)对比分析高位钻场和高抽巷施工成本发现,高位钻孔成本明显低于高抽巷,因此,在具备高位钻孔抽采条件下,优选高位钻孔进行瓦斯抽采。目前普通钻机无法实现精准定向钻进,终孔位置与设计存在一定偏差,建议采用定向钻机施工定向长钻孔,实现精准定位。

参考文献:

[1] 赵建国.煤层顶板高位定向钻孔施工技术与发展趋势[J].煤炭科学技术,2017,45(6):137-141,195.

[2] 王勇,马金魁.顶板定向长钻孔“以孔代巷”抽采瓦斯技术研究[J].矿业安全与环保,2019,46(5):95-98,103.

[3] 孔祥国,王恩元,李树刚,等.震动载荷下含瓦斯煤动力学特征研究[J].煤炭学报,2020,45(3):1099-1107.

[4] 于不凡.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社,2005.

[5] 高建良,陈帅.采空区上覆岩层“三带”划分数值模拟[J].安全与环境学报,2016,16(1):36-39.

[6] 孙荣军,李泉新,方俊,等.采空区瓦斯抽采高位钻孔施工技术及发展趋势[J].煤炭科学技术,2017,45(1):94-99,213.

[7] 秦伟博.倾斜煤层综放开采覆岩裂隙演化规律及应用研究[D].西安科技大学,2017.

[8] 童碧,许超,刘飞,等.淮南矿区瓦斯抽采中以孔代巷技术研究与工程实践[J].煤炭科学技术,2018,46(4):33-39.

[9] 李树刚,林海飞.采动裂隙椭抛带分布特征的相似模拟实验分析[J].煤,2008,17(2):19-21,39.

[10] 宋卫华,李幼泽,韩彦龙,等.高瓦斯综放工作面高抽巷合理层位的确定[J].煤炭科学技术,2017,45(4):72-76.

[11] 许超,刘飞,方俊.高位定向长钻孔瓦斯抽采技术及抽采效果分析[J].煤炭工程,2017,49(6):78-81.

Feasibility study on gas drainage technology with drilling instead of roadway in Xiaozhuang Coal Mine

Guo Linsheng1,Lin Jiancheng1,Li Ke1,Xia Haibin1,Dong Chunfa1,Li Wei1,Long Hang2
(1.Shaanxi Binchang Xiaozhuang Mining Co.,Ltd.,Xianyang,Shaanxi 713500,China;2.College of Safety Science and Engineering,Xi'an University of Science and Technology,Xi'an,Shaanxi 710054,China)

Abstract Aiming at the problems of large engineering quantities and high costs of high drainage roadway,a gas drainage mode with high-located long drilling instead of high drainage roadway in working face goaf was proposed.The gas drainage volumes of the high drainage roadway,high-located drilling,upper corner drainage pipe and gas draining while mining at the 40309 working face of Xiaozhuang Coal Mine were analyzed comparatively,and the existing gas drainage capacity of the working face was verified.The research showed that gas drainage volume accounted for about 86.2%of the absolute gas emission volume,the gas drainage volume of high drainage roadway accounted for about 48.39%,while that of high-located drilling accounted for only 7.71%,which showed that the high-located long drilling instead of the high drainage roadway was difficult to realize in existing drainage system.In view of the low proportion of high-located drilling,combined with the drainage capacity of the on-site gas drainage system,the parameters calculation of the high-located drilling was carried out to realize gas drainage technology with drilling instead of roadway in the working face goaf,the parameters mainly included the high-located drilling drainage volume,the number of drillings,the minimum inner diameter of the pipeline and the minimum rated flow of the drainage pump,and the implementing feasibility of the technology on site was analyzed from construction cost.

Key words gas control,gas drainage volume,drilling instead of roadway,high-located drilling,high drainage roadway

中图分类号 TD712.6

文献标识码 A

引用格式:郭林生,林建成,李可,等.小庄矿“以孔代巷”瓦斯抽采技术可行性研究[J].中国煤炭,2020,46(9)∶65-70.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.010

Guo Linsheng,Lin Jiancheng,Li Ke,et al.Feasibility study on gas drainage technology with drilling instead of roadway in Xiaozhuang Coal Mine[J].China Coal,2020,46(9)∶65-70.doi:10.19880/j.cnki.ccm.2020.09.010

作者简介:郭林生(1974-),男,陕西宝鸡人,硕士,陕西彬长小庄矿业有限公司总经理,主要从事煤炭生产管理及岩土工程加固理论与技术工作。

(责任编辑 张艳华)