大直径钻孔以孔代巷瓦斯治理技术应用研究_陈启鹏.pdf

收稿日期:2 0 2 1-1 1-1 3作者简介:陈启鹏(1 9 9 4-),男,湖南双峰人,2 0 1 7年毕业于太原科技大学安全工程专业,本科,助理工程师,现从事矿井防突工作。大直径钻孔以孔代巷瓦斯治理技术应用研究陈启鹏(山西西山煤电股份有限公司 马兰矿,山西 古交 0 3 0 2 0 5)摘要:瓦斯灾害治理最有效的方式就是瓦斯的高效抽采,重点抽采的区域就是采空区。部分矿井瓦斯含量高、涌出量大,因此在回采的环节当中,采空区当中存在的瓦斯会造成工作面上隅角瓦斯超过临界值,严重影响了煤矿安全生产施工。目前瓦斯治理技术当中应用联络巷横贯巷抽对采空区瓦斯进行抽采,其成效相对较高,但由于联络巷横贯布置需要投入大量的时间、资金成本。此外,联络巷横贯运输材料难度系数大,需要较长的工期,并且采掘工作衔接比较困难。为了能够采取更加行之有效的方法解决相关问题,本文以实际案例进行分析,对大直径钻孔以孔代巷瓦斯治理技术进行研究,以期实现推进煤矿采掘生产工作的顺利推进。关键词:大孔径钻孔;瓦斯治理;以孔代巷;技术应用中图分类号:T D 7 1 3+.3 文献标识码:A 文章编号:1 0 0 6-7 9 8 1(2 0 2 2)0 3-0 0 8 5-0 41 引言做好采空区瓦斯抽采工作,能够针对煤矿采煤工作面中瓦斯涌出、上隅角瓦斯频道临界,甚至瓦斯超限等严重后果加以治理。在煤矿采空区广泛应用的瓦斯抽采技术有高位钻孔抽采技术、上隅角埋管抽采技术和联络巷埋管抽采技术等。随着相关技术成果的不断完善,大直径钻孔施工技术也在不断调整升级,各种应用装备设施的功能提升,利用大直径钻孔(孔径5 0 0mm)技术对采空区瓦斯进行抽采,能够有效缓解其他技术应用存在的不足,促使瓦斯治理成效最大化。2 采空区瓦斯抽采的必要性煤矿采空区具体指代的是位于回采工作后方,存在于整个回采过程当中,并且随着采面的持续深入,其范围也随之扩张的区域。并且采空区和工作面中的通风系统是呈现连接关系的,由于通风压差的影响,采空区中存在的瓦斯会出现在工作面中,最后通过回风流进行排出1。假设采空区中存在的瓦斯含量高、瓦斯涌出量大,那么会加大工作面上隅角、回风流瓦斯临界超限的概率,尤其是出现顶板冒落的情况下,极其容易导致采空区瓦斯大规模涌出,进而影响采煤作业的正常开展,并留下严重安全隐患。因而为确保煤矿开采的安全性和稳定性,实现回采日产量的持续增长目标,利用大直径钻孔来替代联络巷瓦斯防止技术,通过大流量、低负压的关键要素来推进回采工作面中采空区瓦斯抽取防治,能够有效改善和解决采空区当中瓦斯涌出规模大、上隅角瓦斯超限的情况,并且从一定程度上减少资金成本的投入,从根本上保障煤矿安全生产和施工作业的顺利进行。3 大直径钻孔以孔代巷瓦斯治理技术应用的可行性第一,依据相关研究成果分析,将大直径钻孔技术应用于煤矿开采工作面中的采空区瓦斯治理工作当中,其所获得的成效与预期目标相符合。同时从实验结果来看,通过在煤矿工作面采空区中应用大直径钻 孔技术替代其他瓦斯治理技术,其成效相对较明显,顺利达成预期目标。因此基本上而言,大直径钻孔以孔代巷瓦斯治理技术已相对成熟,技术所涉及到的应用设备的可靠性,稳定性也比较强2。大直径钻孔在采空区上隅角利用大直径钻孔技术开展瓦斯抽采工作,其实质就是通过以抽采负压带来的作用对上隅角周边瓦斯流场进行调整,这样就能够促使采煤工作面上隅角位置进一步形成负压区域,瓦斯就能从采煤工作面上隅角的位置流向抽放管,抽采系统就会吸收上隅角后部位置48 内蒙古石油化工2 0 2 2年第1 1期 的瓦斯,瓦斯风流无法抵达上隅角,这样也就可以避免在上隅角位置聚集产生涡流,使得瓦斯浓度超过限定值,给煤矿生产和人员施工安全带来严重危害。第二,“以孔代巷”原理分析。“以孔代巷”具体指代的是,通过应用高位走向的大直径钻孔来取代以往高抽巷手段,进而开展瓦斯抽采使用。瓦斯的积聚和流动需要的通道,来自于冒落带和裂隙带内部互相交叉生成的较为复杂的裂隙网络。因此,想要实现理想化的瓦斯抽采的成效,就必须要将进行瓦斯抽采作业的煤矿巷道、钻孔布设到这些裂隙网络当 中。在采空区相对规则的冒落带上方部位安设高位长钻孔,能够进一步避免其因为和高抽巷产生过近的距离带来负面影响,同时还能利用煤矿开采带来的采动影响进而生成瓦斯运输转移通道,方面高浓度瓦斯的抽采作业。大直径钻孔作为一种行之有效的对瓦斯进行卸压、抽采技术,相比较其他瓦斯防治抽采手段,其投入成本比较低、施工作业也相对灵活,在煤矿行业的应用中比较普遍,同时也得到了相应的升级和发展。因此,在立足于瓦斯防治成效的基础上,采取大直径钻孔以孔代巷技术来代替其他瓦斯防治措施,不仅能够达到降低成本,提高资源利用率的目标,同时也可以进一步缓解开采掘进衔接工作的紧张、被动局面。总体上而言,采取大直径钻孔,在上隅角周边区域开展瓦斯抽采工作,避免上隅角瓦斯浓度超过限定值,其根本方式就是通过逆转上隅角风流场,阻止上隅角出现涡流,导致瓦斯聚集,从源头上阻止上隅角的瓦斯的产生3。某煤矿工作面煤层含有较高的瓦斯浓度、邻近层的瓦斯涌出的规模量减大、存在上隅角瓦斯防治困难等问题现象,如果只用传统的埋管抽采、联络巷等瓦斯治理技术,不仅需要投入大量的资金成本,同时在其后期环节的维护工作中,难度系数也在加大,通过应用大直径钻孔技术,配备大直径钻机,可实现一次成孔,并且在后续工作环节中,钻孔的维护保养工作也比较容易,因而在该工作面选取大直径钻孔技术来防治瓦斯灾害事故,不仅性价比高,同时还具备针对性和可操作性。4 煤矿工作面瓦斯治理案例分析第一,某煤矿工作面在开采之前普遍应用定向长钻孔和底板穿层钻孔区域预抽技术来进行瓦斯治理。结合工作面施工方法、特点、地形地质情况,从而确定其开采环节的周期、步距、钻孔落孔位置,才能更好地设定钻孔的位置。煤矿工作面绝大多数区域都应了定向长钻孔,同时预留的抽采期限已经达到9 1个月,而底板穿层钻孔技术则对剩下的小部分区域进行强化抽采,预留的抽采期限大概在1 82 1个月,在煤矿工作面开采之前总共抽采的瓦斯数量达到4 4 3.2万/m3。通过对现场进行实地勘测,该煤矿工作面的区段二3煤层残留的瓦斯浓度最大值达到,6.4 3m3/t其可解吸量3.6 1m3/t,首分层中的工作面,其残留的瓦斯浓度最大值达到6.2 2m3/t(可解吸量3.4 0m3/t),预抽率在3 3.4%,符合当前对于煤矿工作面瓦斯浓度的规定要求。第二,回采过程中瓦斯治理的关键要点分析。该煤矿中某一区段首分层开采工作面,由于本煤层、下伏分煤层卸压瓦斯涌出规模量较大,受到此种情况的影响,工作面在回采的过程中存在于该煤层及下伏煤层当中的瓦斯会不断解吸,进而进入到工作面,使得瓦斯聚集,超出浓度限定值4。该工作面和相邻区段工作面的回风巷中间,只设置了6米的小煤柱,难以依据往常的做法来对联络巷进行布设,对瓦斯进行治理。除此之外,工作面上层覆盖区域和相邻区段中都存在采空区,因为有漏风现象发生,利用回风巷埋管抽采技术进行瓦斯治理的成效不明显,因而也加大了采空区瓦斯治理的难度系数。第三,规划制定工作面的整体治理措施。依据瓦斯的涌出量可进行推测,该工作面在回采过程中,瓦斯涌 出 量 的 数 值 最 高 能 够 达 到2 9.5 7 m3/m i n,即本分层还有下伏煤层的瓦斯涌出量的数值达到2 2.1 8m3/m i n,其余的采空区瓦斯涌出量达到7.3 9m3/m i n。从以上具体情况分析,根据下伏分层卸压瓦斯的推测数值,卸压瓦斯实现有效拦截,可采取目前所使用的定向长钻孔和底板穿层钻孔来实施抽采作业;之后再通过相邻区段工作面回风巷,采取沿空留巷操作,沿着下伏分层进行钻孔施工,对卸压瓦斯完成拦截和抽采工作。关于本分层瓦斯涌出量较大的情况,可经由相邻工作面回风巷开展顺层钻孔施工,完成对本分层瓦斯强化抽采目标,改善和完善本分层瓦斯浓度高、涌出量大的情况5。而关于采空区瓦斯治理工作,需要结合工作面回风巷58 2 0 2 2年第1 1期陈启鹏 大直径钻孔以孔代巷瓦斯治理技术应用研究沿空留巷,进而向临近工作面回风巷采取大直径钻孔技术,并在此基础上再次运用护孔套管,对采空区瓦斯进行抽取拦截,以此来强化采空区瓦斯治理的成效。图1 抽采量与上隅角瓦斯浓度对比曲线图5 大直径钻孔施工技术应用分析第一,在煤矿工作面中,针对瓦斯治理,可采取与实际钻孔施工作业技术相适应的矿用全液压钻机来进行施工作业,钻杆的规格参数为7 3mm8 0 0mm,配置使用的钻头规格参数为9 4mm,辅助应用的导向钻杆规格参数为9 4mm8 0 0mm,从而进行开口施工。第一步施工小孔环节,可应用规格参数为9 4mm的钻头实施,施工到位之后再选取 规 格 参 数 为1 5 3、1 9 3、2 5 0、3 0 0、3 5 0、5 0 0mm的钻头分别开展逐级扩孔操作。为了促使钻孔施工的精确度符合要求,可在对工 作面回风巷实施掘进作业后,由相关勘测人员到实际区域提前对开口点还有终孔点坐标进行勘测,再按照所勘测到的坐标点,每一组钻孔分别对应绘制一张剖面图,并要对施工参数再次核实,参数核实完成之后进行现场放线,并且必须要以实地勘测所得参数后再次核实的倾角和方位角作为基准。钻孔施工初次进行高精度钻孔作业环节,可选取规格参数为9 4mm钻头配置6根规格参数为7 3mm8 0 0mm的导向钻杆,实施开口操作,此时钻机的旋转压力、给进压力必须低于5MP a,在施工现场进行施工作业的人员,在运用钻机时必须保持匀速给进,严格禁止对钻机实施快速进退等操作,如果初次钻孔作业,运用规格参数为9 4mm的钻头施工钻孔,其终孔的目标位置不符合设计时的需求时,需要再次开孔,实施作业施工。图2 钻孔抽采量与工作面相对位置关系图 第二,套管下放技术分析。利用大直径钻孔技术,完成裸孔作业施工的环节,在这以后还要及时对大直径钻孔下入规格参数为D N 3 0 0mm的套管,以此来避免钻孔垮孔问题发生,进而对套管下放造成影响6。受制于矿井下方空间带来局限作用,再加上考虑到工作面及其邻近区段只设置了6米小煤柱,因此为有效预防应力集中致使巷道出现变形问题,在套管的选用上,可采取长度为1米的钢管,直接在地面实施加工,钢管切割的长度为3 0 0mm10 0 0mm一段,再采用气焊方法顺着钢管管壁,均匀布设、切割出四个规格参数为2 6mm的圆形孔洞,再选用规格参数为2 0mm螺帽与圆形孔洞进行焊接,这样才更加方便其与扁铁做好延接。套管则选用规格参数为2 0mm3 0mm螺栓上紧联结,使用气焊方法顺着扁铁延接套管,均匀布设、切割 四个参数规格为2 0mm圆形孔洞,选用4 0 T型刮板输送机单链环在套管的内部结构中,并且焊脸一个套管起吊、下放连接环。其整体装置结构如图所示。第三,封孔技术应用。在封孔材料的选取应用上,其运用的型号是J D-WF K-2型速凝膨胀封孔剂,而对于封孔泵的选择,则采用F K J W-5 0/0.5型号。首先套管下放到指定位置之后,工作中的回顺孔口需要应用F K J W-5 0/0-5封孔囊袋进行封堵作业。其次,利用注浆泵自工作面中的回顺孔口朝下方进行注浆封孔,所配置使用的注浆管,其长度的规格参数是1 2m的D N 1 5mm的塑料管,之后孔口通过应用囊袋进行封堵之后,还要预先保留返气孔,以此保证存在于孔洞内部的气体能够及时排出,封孔长度为套管程封孔1。第四,通过大直径钻孔技术应用,对该煤矿工作面的瓦斯抽采成效进行细致分析,应用大直径钻68 内蒙古石油化工2 0 2 2年第1 1期 孔以孔代巷对煤矿中采空区的瓦斯进行抽采拦截,瓦斯抽采的平均浓度保持在6%1 0%,瓦斯抽采混合量 保持在5 06 0m3/m i n,在工作面回采过程中,瓦斯浓度保持在0.1 6%0.2 6%,回风隅角当中的瓦斯莫浓度则保持在0.2 8%0.4 2%,回风流中其瓦斯浓度保持在0.2 2%0.3 4%,工作面隅角没有产生瓦斯聚集以及超出限定值的问题。6 大直径钻孔施工技术应用成本分析第一,如表1所示,应用联络巷埋管技术,需要对巷道进行