钻孔瓦斯抽采

钻孔瓦斯抽采（精选12篇）

钻孔瓦斯抽采 篇1

0 引言

目前我国瓦斯治理的基本理念是贯彻“先抽后采、监测监控、以风定产”的瓦斯治理工作方针, 实施“可保尽保、应抽尽抽”瓦斯综合治理战略[1]。合理设计抽采钻孔的布孔方式对提高煤层瓦斯抽采率及科学制定瓦斯防治技术措施等工作都具有重要的意义。文章采用数值模拟和现场测试相结合的方法, 确定了常村煤矿3#煤层抽采半径的大小, 为矿井合理布置抽采钻孔提供了理论依据。

1 钻孔抽采半径的定义及界定指标

1.1 抽采半径的定义

钻孔抽采半径按抽采影响程度可分为抽采影响半径和有效抽采半径, 如图1所示。抽采影响半径, 是指在规定的时间内煤层原始瓦斯压力开始下降的测试点到抽采钻孔中心的距离;有效抽采半径, 是指在规定时间内以抽采钻孔为中心, 该半径范围内的瓦斯压力或含量降到安全容许值的范围。钻孔的有效抽采半径与煤层瓦斯压力、透气性系数、煤层吸附性能以及抽采孔径、抽采负压、抽采时间等因素有关[2]。

R.钻孔抽采影响半径;r.钻孔有效抽采半径;r0.钻孔半径

1.2 抽采半径界定指标

钻孔抽采半径一般采用直接测定法和间接计算法。直接测定法主要是采取钻孔测试法, 间接计算法主要采取计算机模拟的方法。在钻孔抽采半径的确定上, 国内外所采用的界定指标主要有:瓦斯压力、瓦斯含量、钻屑瓦斯解吸指标等。

(1) 钻孔抽采影响半径的界定。钻孔抽采煤层瓦斯过程中, 在抽采钻孔周围布设测量孔, 当测量孔位置处的瓦斯含量降低至原始瓦斯含量的90%以下时, 即表明该测量孔处于抽采钻孔的影响范围内[3]。根据瓦斯压力与含量的换算关系可得:当某一位置瓦斯含量减小10%时, 该处的瓦斯压力会下降19%左右。因此, 抽采影响半径可以通过下述方法确定:当测压钻孔中瓦斯压力稳定后, 开始进行瓦斯抽采, 记录各观测孔瓦斯压力的变化情况, 压力表读数下降19%以上的钻孔即处于抽采影响范围内, 距抽采孔最远的观测钻孔到抽采孔的距离视为抽采影响半径。

(2) 钻孔有效抽采半径。根据我国现行规定, 煤层预抽率需达到30%以上, 即残余含量为原始含量的70%, 换算可得, 残余瓦斯压力应为原始压力的49%, 煤层瓦斯压力应下降51%以上[3,4]。所以有效抽采半径可以通过下述方法确定:在测压孔压力稳定后, 开始抽采瓦斯, 观察各测压表读数变化情况, 压力表读数下降51%以上的钻孔均为有效抽采半径内钻孔, 与抽采钻孔距离最远的钻孔到抽采孔的间距即为有效抽采半径的大小。

2 抽采半径的数值模拟分析

2.1 数值模型及材料物理力学参数

数值模型以常村矿试验区3#煤层煤系地层为基础, 模型尺寸和层位关系按现场实际地质条件确定。建模后划分网格单元26 400个, 节点28 245个。X轴水平向右, Y轴正方向为煤层走向, Z轴正方向垂直向上, 模型尺寸20 m×30 m×16 m。钻孔φ94 mm。所建数值模型如图2所示。

常村矿试验区3#煤层厚5.7~7.3 m, 平均厚6.13 m, 含夹矸1层, 平均厚0.15 m, 直接顶为细砂岩, 平均厚2.8 m;老顶为粉砂岩, 平均厚3.63 m;直接底为粉砂岩, 平均厚1.7 m;老底为细砂岩, 平均厚3.2 m。岩层物理力学参数如表1所示。

模型本构关系采用莫尔-库仑模型, 应力边界条件分别为:竖直方向施加覆岩自重应力;水平方向应力取0.8倍自重应力。位移边界条件分别为:模型顶面为自由边界, 底面完全约束, 四周为水平单约束。模型中瓦斯渗流是以达西定律为基础进行建模的。本文主要模拟钻孔抽采条件下孔周围煤体内瓦斯压力的变化和分布情况。

2.2 数值模拟结果分析

钻孔抽采条件下钻孔周围煤体内应力、位移和瓦斯压力的分布情况如图3~5所示。

由图3可以看出:在煤层抽采钻孔周围, 沿水平方向距孔壁4 cm左右的煤体内出现最大垂直应力, 沿垂直方向距孔壁2 cm左右的煤体内出现最大水平应力。

由图4可以看出:沿垂直方向距孔壁7 cm左右的煤体内出现最大垂直位移0.229 mm, 沿水平方向距孔壁7 cm左右的煤体内出现最大水平位移0.2 mm。

由图5可得:在煤层抽采钻孔周围, 由于抽采负压的作用, 煤体内部与抽采孔壁间存在着压力梯度差, 孔壁周围煤体中的瓦斯向钻孔流动, 进而导致煤层瓦斯压力逐渐降低;在距抽采钻孔中心1.2~1.5 m之间, 瓦斯压力开始明显下降;在距抽采钻孔中心约1.0 m处, 瓦斯压力由原始的0.6 MPa下降至0.3 MPa以下, 下降了50%以上。

数值模拟结果显示, 常村煤矿3#煤层的合理抽采钻孔间距应位于2.0~3.0 m之间。

3 抽采半径现场测试

由于受煤层地质条件和周围开采扰动影响, 煤层瓦斯参数测值波动很大, 以绝对量大小表示的瓦斯压力指标法和瓦斯含量指标法在现场很难应用。但是当抽采钻孔作业时, 周边的测压孔压力值会比其原始测值有相应降低。因此, 选用压降指标法进行现场测定。现场施工情况如图6所示。

1#抽采孔孔径94 mm, 孔深30 m, 与1#和2#测压孔平行, 分别距1#测压孔1.2 m、离2#测压孔1.5 m。将1#抽采孔接入抽采系统后, 抽采负压8~9 k Pa。1#和2#测压孔瓦斯压力变化曲线如图7、8所示。

由图7、8可以看出:在1#抽采孔抽采负压8~9 k Pa、抽采时间为30 d的条件下, 1#测压孔的瓦斯压力由原来0.60 MPa下将到0.45 MPa, 下降了25%;而2#测压孔的瓦斯压力由原来0.50 MPa下降到0.45 MPa, 仅下降了10%。1#测压孔瓦斯压力下降了25%, 说明有效抽采半径<1.2 m。而2#测压孔瓦斯压力下降了10%, 说明抽采影响半径在1.2~1.5 m之间。

为了更加准确地考察有效抽采半径的大小, 在将1#抽采孔关闭之后, 又在1#测压孔左侧与之相距1.0 m的位置重新施工了2#抽采孔, 在2#测压孔右侧与之相距2.0 m的位置重新施工了3#抽采孔, 如图6所示。2#、3#抽采孔的施工参数与1#抽采孔相同。将2#抽采孔接入抽采系统后, 在相

同的抽采负压下, 经过10 d的抽采, 1#测压孔瓦斯压力又由之前0.45 MPa下降为0.05 MPa, 下降了88.9%, 瓦斯压力变化曲线如图9所示。2#测压孔瓦斯压力基本无变化。

由图9可以看出, 在2#抽采孔抽采负压8~9 k Pa、抽采时间10 d的条件下, 1#测压孔瓦斯压力下降了88.9%, 说明有效抽采半径>1.0 m。将3#抽采孔接入抽采系统后, 在相同的抽采负压下, 经过10 d的抽采, 2#测压孔瓦斯压力基本无变化, 说明抽放影响半径<2.0 m。

综上分析可知:在抽采孔孔径94 mm、抽采负压8~9 k Pa、抽采时间30 d左右的条件下, 钻孔抽采影响半径在1.2~1.5 m之间, 有效抽采半径在1.0~1.2 m之间。因此, 合理的钻孔间距应在2.0~3.0 m之间, 此结果与数值模拟结果基本一致。

4 结论

(1) 常村煤矿抽采钻孔周围最大垂直应力位于距孔壁4 cm左右处, 最大水平应力位于距孔壁2 cm左右处, 在距抽采钻孔中心1.2~1.5 m之间, 在抽采30 d的条件下, 常村煤矿3#煤层合理的抽采钻孔间距应在2.0~3.0 m之间。

(2) 经现场测试验证, 采用FLAC3D数值模拟软件对抽采半径大小进行模拟分析是可靠的, 数值模拟结果可以为现场考察钻孔合理间距的确定提供参考。采用数值模拟和现场测试相结合的方法能够方便、快速地确定抽采钻孔的合理间距, 可以大大节省抽采半径的测定时间。

参考文献

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[4]国家安全监督管理总局, 矿井瓦斯抽采基本指标[S].AQ1026-2006, 20/06.

钻孔瓦斯抽采 篇2

中煤科工集团西安研究院有限公司

【摘 要】瓦斯煤尘爆炸是我国煤矿的主要灾害之一，严重威胁并制约着煤矿的生产，因此，瓦斯治理对于煤矿安全生产显得尤为重要。山西阳泉地区某煤矿属高瓦斯矿井，煤层透气性较差，常规的瓦斯治理措施已经不能满足该煤矿安全生产的需要，因此，需要采取不同的抽采钻孔布置措施进行瓦斯治理，以提高其瓦斯抽采率，实现煤矿安全生产。

【关键词】钻孔设计；瓦斯抽采；回采工作面；本煤层；邻近层

低瓦斯矿井处于正常通风状态时，井下瓦斯浓度通常不会达到爆炸下限，但受多种因素影响，部分煤层瓦斯含量较低的矿井，仍然多次发生瓦斯超限，甚至发生瓦斯爆炸事故。因此，加强采钻孔施工技术是非常重要的。

一、基本地质条件

该煤矿地层由老到新依次为奥陶系中统峰峰组（O2f）、石炭系中统本溪组（C2b）、石炭系上统太原组（C3t）、二叠系下统山西组（P1S）、二叠系下统下石盒子组（P1x）、第四系上更新统（Q2+3）。地层总厚度约为460m，煤系地层厚度约为170m。9号煤层最小埋藏深度60m，最大埋藏深度255m；15号煤层最小埋藏深度130m，最大埋藏深度327m。井田内9号、15号煤层是主采煤层。本井田总体为向斜构造，S1向斜轴位于井田西部，走向近南北向，两翼倾角不大，倾角一般为5°～8°，在井田内延伸长度约600m。S2向斜轴位于井田中部偏东，走向北东向，两翼倾角不大，倾角一般为5°～10°，在井田内延伸长度约1700m。另外，该矿井下巷道还发现3条断层和4个陷落柱。

二、回采工作面抽采钻孔设计

该矿9号煤层瓦斯涌出量最高的采区（已经开采）回采工作面绝对瓦斯涌出量为13.7m3/min，其中，工作面本煤层瓦斯5.77m3/min；邻近层瓦斯7.93m3/min.结合全国高瓦斯矿井的抽采经验，设计本矿井在实施瓦斯抽采时应进行综合瓦斯抽采。

（一）回采工作面本煤层瓦斯抽采

根据预测，该矿开采9号煤层时，回采工作面本煤层瓦斯涌出量较大，需要进行本煤层抽采。本煤层抽采分为开采层未卸压抽采和卸压抽采2种方法。设计对回采工作面本煤层采用未卸压抽采（预抽）方法。回采工作面布置顺层平行钻孔方式进行9号煤层预抽采，孔间距3m。其主要优点为：可保证该煤层瓦斯预抽的均衡性，能实行边采边抽，提高9号煤层瓦斯抽采率。其钻孔布置方式如下图1所示：

主要参数：1）钻孔位置：回风顺槽内，距离巷道底板1.2m；2）钻孔角度：垂直于巷道中线，与工作面平行，水平角上仰约2°～3°（实际生产中需根据煤层赋存情况再作调整）；3）开孔直径：94mm；4）终孔直径：94mm；5）钻孔长度：105m（可根据实际情况调整）；6）钻孔间距：根据实际抽采经验及该矿实际情况，结合回采工作面采长、工作面走向长度、工作面产量、钻孔施工条件等因素综合考虑，确定该矿9号煤回采工作面预抽钻孔间距为3m；7）封孔方式：聚氨酯封孔；8）封孔深度：不小于8m；9）封孔长度：不小于1m。

（二）回采工作面邻近层瓦斯抽采

9号煤层的上邻近层瓦斯主要是1、2、3、4、5、8号煤层，9号煤层平均厚度大约为2.4m，按照6倍～8倍的采高计算，9号煤裂隙带高度大约在14.4m以上，根据9号煤层上邻近煤层的层间距可知，除8号煤层位于冒落带外，其余煤层均位于裂隙带中。9号煤回采工作面，在工作面外侧尾巷向工作面一侧的上邻近煤层布置倾斜穿层钻孔，对上邻近煤层瓦斯卸压抽采。该倾斜穿层钻孔最后的终孔位置选择在3号煤层，并且需超出3号煤层1m。主要参数：1）钻孔间距：9号煤回采工作面从开切眼往外20m的位置布置1对钻孔（1个高位钻孔、1个低位钻孔），从第1对钻孔往外每隔30m布置1个高位钻孔；2）开孔直径：133mm，经193mm，一次扩孔；3）终孔直径：193mm；4）钻孔角度：上仰35°～50°（根??实际情况确定）；高位钻孔取40°、低位钻孔取30°；5）钻孔夹角：垂直二次复用的尾巷中线；6）钻孔位置：布置在工作面二次复用的尾巷中，钻孔打至3号煤后且超出3号煤不小于1m；7）钻孔长度：高位钻孔长度78m、低位钻孔长度70m可根据实际情况调整）；8）封孔方式：聚氨酯封孔；9）封孔深度：不小于5m；10）封孔长度：不小于1m。

（三）抽采管路管理

随着工作面的推进，第一组钻孔将逐渐 进入卸压区，实现卸压瓦斯抽采。随着工作面继续推进，第一组抽采钻孔将逐步报废，需要将靠近切眼最里段管路逐段拆卸，将端头用法兰片密封。工作面开采推进过程中，需要至少提前拆除面前20m内管路，给瓦斯管路管理和工作面生产造成一定影响。为最大程度降低上述工作对正常生产影响，距工作面切眼30m以内钻孔用软胶管与抽采管末端相连，抽采管末端特制一段2～3m长的短管，短管设置3～5个变径三通，与靠近工作面的钻孔用软管相连，钻孔报废后向前移动短管，保持短管始终在抽采管路的末端。

三、钻孔机具选择

（一）钻机

考虑到本矿井的煤、岩硬度以及钻孔长度、钻孔施工等，对本煤层和邻近层抽采钻机分别设置：1）邻近层钻孔施工钻机采用国产的ZDY6500LP型大口径全液压钻机。该钻机扭矩大、多自由度调角机构可实现大角度施工，全液压传动能。2）本煤层钻孔施工钻机采用国产的ZDY4000L型全液压钻机。

（二）钻杆

可采用φ73mm/89mm直径钻杆。钻杆是将钻机的动力传递给钻头，并且将钻井液引入到孔底，钻杆在钻孔中受到扭矩、压力等的综合作用，钻杆材料要求使用抗裂强度不小于55kg/mm2～65kg/mm2，延展率大于12%的无缝钢管制成。

（三）钻头

按照煤岩层的性质和是否需要取芯的不同，选用不同的钻头。本煤层瓦斯抽采钻孔用φ94三翼内凹PDC钻头开孔，其孔形光滑、平整便于封孔。邻近层瓦斯抽采钻孔采用φ133mm弧角钻头开孔钻至设计深度，后使用φ133/193mm导向扩孔钻头扩孔至设计深度。

（四）泥浆泵

泥浆泵用于钻进时向钻孔内提供冲洗液，这里选用BW250卧式三缸活塞往复式单作用泥浆泵，该泥浆泵排量可根据孔深需要调节四种挡速。

四、结论

根据本矿瓦斯涌出的特点，结合同类矿井的抽采经验，本矿应进行综合瓦斯抽采，对该矿的9号煤层回采工作面使用单侧顺层平行钻孔进行该煤层抽采，对邻近煤层采用倾斜穿层钻孔进行卸压抽采，施工后达到了预期的抽采效果。

参考文献：

钻孔瓦斯抽采 篇3

摘要：为解决潘三煤矿顺层钻孔封孔不严造成消突效果差和CO超标的问题，结合矿井煤层实际情况，提出了一种新封孔工艺瓦斯抽采技术，此项技术包括选择初凝时间可调、流动性强的速凝膨胀封孔剂，带压封孔以及增加封孔长度等措施。经1762（3）综采工作面现场实践证明，顺层钻孔抽采浓度大幅增加，CO超标现象明显减少，封孔效果良好。

关键词：顺层钻孔；封孔；瓦斯抽采

中图分类号：TD712.6文献标志码：B

文章编号：1672-1098（2015）01-0035-04

潘三矿的13煤、11煤等突出危险区综采工作面回采前均采用顺层钻孔预抽消突，因抽采浓度低，合茬抽采后单孔浓度普遍在15%以下，而且衰减后，下降到5%～10%，还经常出现CO达到或超过24×10-6，造成90%以上钻孔间歇性抽采。为尽早实现工作面预抽达标，我矿采取将顺层钻孔施工间距由10 m加密为5 m，甚至25 m，靠增加钻孔量或延长抽采时间提高抽采量。不仅费时费力费财，还因为抽采出现CO存在自然发火重大安全隐患，不能实现快速安全消突。

经分析顺层长钻孔停抽原因，主要是封孔不严，封孔工艺不过关造成钻孔漏气，钻孔在煤层中施工，周围煤体相对比较松软，裂隙发育程度较高，传统封孔工艺很难解决抽采漏气问题[1]。钻孔漏气导致单孔瓦斯浓度衰减快[2]，而且强抽易引起煤体提前氧化，出现CO。为了达到抽采浓度最大化、抽采时间持续化，最终实现采煤工作面快速消突，在1762（3）综采工作面顺层钻孔实施新工艺封孔抽采技术。

1工作面概况

1762（3）工作面标高-640～-584 m，处于13煤突出危险区域，瓦斯原始压力25 MPa，瓦斯含量82 m3/t。轨道顺槽及切眼采用底板巷穿层钻孔掩护，运输顺槽为沿空掘进。工作面走向长度为870 m，倾斜长度为242 m，煤层平均厚度为4m， 工作面内煤层角度6°～11°， 平均为7°。 工作面回采前， 采用顺层长钻孔预抽消突， 分别在轨、 运顺垂直巷帮开孔， 相向施工， 间距10 m，轨顺设计81个，长110 m，为下向顺层孔。运顺设计80个，长140 m，为上向顺层孔（见图1）。

选择1792（3）工作面为比对面，主要是1762（3） 工作面与1792（3）工作面属于同采区同煤层，工作面消突措施相同。

图11762（3）工作面钻孔布置示意图

2创新顺层长钻孔封孔新工艺

封孔新工艺主要特点：选择初凝时间可调，流动性强的速凝膨胀封孔剂；实现带压封孔，注浆压力达到2 MPa，对钻孔周边松散的煤体和裂隙加强密封；增加封孔长度，由12 m加长为14 m，以减少穿层钻孔影响；加强现场组织管理，确保封孔质量。

21封孔材料选择

以往潘三矿顺层长钻孔，采用聚氨酯有机发泡材料作为封孔剂进行封孔。应用实践中发现，抽采效果不够理想。主要表现在，一方面，抽采瓦斯浓度低，抽采效果差，影响了消突效果；另一方面，抽采钻孔CO超标，甚至出现过钻孔发火的现象。

出现这些现象的原因在于，封孔效果差，出现抽采钻孔漏气。而造成聚氨酯封孔漏气的原因在于以下两个方面：一方面，顺层钻孔的孔口段处在巷道的塑性破坏范围内，煤体完整性差，裂隙和节理发育，具有一定的渗透性；另一方面，聚氨酯封孔剂，初凝时间难以调节，封孔长度不易控制，聚氨酯反应速度太快，不能使钻孔周边松散煤体和缝隙得到充分密封[3]。

为了提高顺层钻孔的密封性，需要找到一种新型的封孔材料。新型的封孔材料必须具备以下特点：初凝时间可调，封孔长度容易控制，材料的流动性强，能够渗流到钻孔周围的裂隙中，充分密封钻孔。通过比较多种具有类似这种特性的材料，并经过多次密封试验，最后确定选用JD-WFK-2型速凝膨胀水泥封孔剂，作为新的封孔材料。

该速凝膨胀封孔剂外观为灰色粉末，无毒、无污染、无腐蚀性。将材料按比例1：1兑水施工，制料过程中发生单纯的物理络合反应，反应不剧烈，无明显热量放出，无有毒有害气体生成。该封孔剂初凝时间可调，封孔长度容易控制，流动性强。该封孔剂的膨胀系数为08%～12%，凝固膨胀后不析水，密实性好。在封孔时，采用带压注射，封孔剂能够渗流到钻孔周围煤体的裂隙内，能够显著提高钻孔的封孔质量。

22封孔工序

221扫孔下套管前，利用压风，通过钻杆，将封孔段内的煤粉全程清扫干净。

22.2下套管及堵孔

采用2 m花管、12 m实心双抗管和2 m实心铁管，连接成抽采管。花管放置在钻孔前段，双抗管与花管连接。双抗管前端2 m包裹棉纱与聚氨酯混合物，并用铁丝固定。将底部敷设棉纱的双抗管送至孔中预定深度后，反复抽动双抗管路，使底部棉纱与孔壁充分接触，形成前端封堵段。在前端封堵段后，铺设两路钢管，分别做为注浆管和返浆管，两路钢管在孔口处外露03 m。注浆管长度40 m；若为上向钻孔，则返浆管长12 m；若为下向钻孔，则返浆管长度为40 m。在孔口段，采用速凝膨胀封孔材料或聚氨酯进行封堵，封堵深度15 m，凝固时间10 min。封孔段配置两路铁管，在孔口安设球阀，外露300 mm，分别做为注浆管和返浆管，注浆管长4 m，返浆管上向孔长12 m，下向孔长4 m（见图2）。

图2顺层钻孔封孔工艺图

223压注封孔材料

采用型号OZB-50-6风动注浆泵注浆，将速凝膨胀封孔剂与水按1∶1比例混合后注入孔中，当预埋返浆管有浆液流出时，钻孔内浆液已满， 此时关闭返浆管路球阀继续注

浆。经过反复试验，确定了带压注浆的压力和时间最佳值，即注浆泵压力达到2 MPa，保持注浆5 min后停止注浆并关闭注浆管，此时钻孔内裂隙已经充分封堵。由于速凝膨胀封孔剂具有凝固膨胀后不析水，膨胀系数高的特点，因此在停泵后，浆液凝固过程中，材料将继续膨胀，充填裂隙，达到密封钻孔的目的（见图3）。endprint

224合茬抽采

待注浆4 h后，封孔材料完全凝固，即可连接抽采管路进行瓦斯抽采，抽采负压保持在13～15 kPa。

3抽采效果分析

在1762（3）工作面已成功使用新的封孔工艺封孔139个。封孔后瓦斯抽采数据与1792（3）顺层孔抽采数据对比如表1所示，单孔浓度对比如图4所示，单孔抽采纯量对比如图5所示。

图3顺层钻孔及（下向）封孔效果图

1. 1762（3）运顺钻孔抽采纯量；2. 1792（3）运顺钻孔采纯量

图51762（3）和1792（3）平均单抽采纯量考察图

由表1、图4及图5可看出，新的封孔工艺与老的封孔工艺对比，在相同负压（13 kPa）下钻孔的抽采效果有了很大程度提高，一个月后的抽采浓度由原来10%，提高到25%，增幅达到150%。不仅如此，新的封孔工艺的应用，提高了钻孔的密封性，钻孔因抽采漏气出现CO气体的几率大大降低（见图6），延长了钻孔抽采寿命（见图7）。

图61792（3）和1762（3）顺层孔内CO对比图

图71792（3）和1762（3）顺层钻孔抽采寿命对比图

目前1762（3）顺层钻孔平均抽采时间已持续达两个月以上，单孔平均抽采量005 m3/min，相比1792（3）工作面顺层孔抽采寿命而言，提高了9倍以上。

4结论

通过改进封孔工艺与加强现场管理相结合，潘三矿在1762（3）顺层长钻孔瓦斯抽采浓度和连续抽采时间，相对于以前封孔工艺，两个月后单孔平均抽采浓度，由原来不到10%，提高到25%，增幅达到150%，钻孔因CO浓度大于24×10-6而停抽率由原来74%降为2%，降低了近37倍。

参考文献：

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瓦斯抽采钻孔有效影响半径测定 篇4

按照《防治煤与瓦斯突出规定》要求, 突出煤层在开采前应首先对其实施区域防突措施, 而在区域防突措施中, 优先推荐开采保护层。但我国开采突出煤层的矿井中, 仅有三分之一的矿井具备开采保护层的条件。对于不具备开采保护层条件的煤层, 为了在采前消除其突出危险性, 必须在采掘前对其实施预抽煤层瓦斯区域防突措施, 并对其消突效果进行检验。也就是说, 绝大多数突出矿井要采取预抽煤层瓦斯区域消突措施, 顺层钻孔预抽煤层瓦斯已成为目前突出矿井最为常用的消突措施。而预抽钻孔布置参数决定着煤层区域消突效果, 在预抽钻孔布置参数中钻孔间距又较为重要。预抽钻孔的抽采影响半径是进行抽采方法选择、确定钻孔布置参数以及评价抽采效果的重要依据[1,2,3,4]。若预抽钻孔间距较大, 易造成抽采空白带, 难以完全消除煤层的突出危险性;若抽采钻孔间距较小, 将造成消突工程过大, 浪费人力和物力, 因此, 准确测定预抽钻孔影响半径对煤层消突效果具有重要现实意义。

永红煤矿位于山西省晋城市沁水县东南部嘉峰镇境内, 隶属于沁和能源集团有限公司, 井田走向长3.2 km, 倾向宽2.65 km, 面积8.517 km2, 开采3号煤层。

矿井始建于1971年, 2009年核定生产能力1 200 kt/a。根据近年来瓦斯等级鉴定报告, 矿井最大相对瓦斯涌出量为94.37 m3/t (2008年) , 最大绝对瓦斯涌出量为153.3 m3/min (2007年) , 为煤与瓦斯突出矿井。

永红煤矿为单一煤层开采, 不具备开采保护层条件, 为了消突煤层的突出危险性, 矿井将预抽作为区域消突措施。预抽钻孔间距直接决定消突效果的好坏, 若钻孔间距布置不合理, 在一定时间内煤层难以完全消除突出危险性, 因此, 进行预抽钻孔抽采影响半径测定对永红煤矿3号煤层消突具有重要意义。

2 气体压力法测试原理及步骤

2.1 测试原理

预抽钻孔在抽采煤层瓦斯时, 在煤层孔底负压及瓦斯压力的共同作用下, 预抽钻孔周围煤体的瓦斯不断地进入钻孔影响区域并被抽走, 逐渐形成以钻孔中线为轴心的类似圆柱形的抽采影响区域, 该抽采影响区域的半径就是该预抽钻孔抽采影响半径;随着抽采时间的延长, 抽采影响半径将会逐渐增加, 直至煤层中瓦斯压力与孔底负压之差难以克服深部煤体瓦斯运移至钻孔影响区域的阻力时为止。在钻孔抽采影响区域内, 煤层中瓦斯压力逐渐降低, 由此在预抽钻孔周边不同距离地点布置一系列的测试钻孔, 通过对测试钻孔内气体压力的变化趋势确定预抽钻孔的抽采影响半径[5,6,7]。

2.2 测试步骤

(1) 施工3个测试孔和2个预抽孔, 钻孔应相互平行;

(2) 对预抽钻孔联网预抽前, 密封3个测试孔, 不间断对测试孔内气体压力进行测定, 直至气体压力不再变化;

(3) 对预抽钻孔进行抽采, 继续测定测试孔内的气体压力, 并根据测试数据绘制出各个测试孔气体压力变化曲线;若某一个测试钻孔连续3次测定的气体压力都比预抽前降低了10%以上, 则表明该测试孔处于抽采钻孔的有效影响范围内, 最后根据距离预抽钻孔最远的测试孔确定预抽钻孔抽采影响范围, 即确定抽采钻孔的抽采影响半径。

3 气体压力法现场试验

3.1 试验工作面概况

3511运输顺槽掘进工作面位于新区3500轨道大巷左侧, 是新区左翼上分层第2个综采工作面, 西、南为实体煤, 东侧与3500轨道大巷相接, 3511运输顺槽正巷设计长度为1 120 m, 沿煤层底板掘进, 现已掘进500 m。

煤层倾角5°~8°, 平均厚度5.90 m, 变化不大, 含一层夹矸, 厚度平均0.1 m, 其岩性以炭质泥岩为主。顶板以炭质泥岩为主, 泥岩次之, 底板以粉砂岩为主, 泥岩次之。据永红煤矿3号煤层瓦斯地质图, 3511运输顺槽掘进工作面所处区域煤层瓦斯含量约13~15 m3/t, 具有煤与瓦斯突出危险性。煤层属于不易自燃煤层, 煤尘无爆炸性。

3.2 测试过程

测试地点选择在永红煤矿3511运输顺槽120 m处, 测试孔和预抽孔布置图如图1所示。

在顺槽煤壁依次施工3#、4#和5#测试孔, 每个相邻钻孔间距为0.5 m, 测试孔开孔高度均为1.0 m, 钻孔直径为94 mm, 测试孔孔深30 m, 钻孔倾角6°, 垂直与顺槽中心线, 采用聚氨酯封孔, 封孔深度10 m, 连续测试各个测试孔的气体压力, 待测试孔气体压力稳定后施工1#、2#预抽钻孔, 预抽钻孔开孔高度1.0 m, 预抽钻孔直径94 mm, 孔深30 m, 倾角6°, 垂直与顺槽中心线, 采用聚氨酯封孔, 封孔深度10 m, 测试孔气体压力稳定后开始对预抽钻孔进行抽采, 预抽钻孔负压不低于13 k Pa。

3.3 结果分析

根据1#和2#孔预抽前后测定的3#、4#和5#孔内气体压力, 绘制了各测试孔的气体压力变化趋势图, 各测试孔气体压力变化曲线如图2~4所示, 图中虚线为开始对预抽孔实施抽采时间。

测定结果表明, 在预抽钻孔开始抽采瓦斯后, 距2#预抽孔1.5 m的3#测试孔和距预抽孔2.5 m的4#测试孔孔内气体压力得到不同程度地减小, 而距离2#预抽孔3.5 m的5#测试孔瓦斯压力依然呈原来的上升趋势, 其中, 3#测试孔孔内气体压力最大降幅达47.78%, 平均减幅38.33%, 4#测试孔孔内气体压力最大降幅为13.95%, 平均减幅10.73%;根据3#和4#孔孔内气体压力变化情况可以判定:永红煤矿φ94 mm钻孔抽采影响半径约2.5 m。

4 结语

(1) 采用气体压力法对永红煤矿φ94 mm预抽钻孔抽采半径进行了测定, 测定结果显示:永红煤矿φ94 mm钻孔抽采有效影响半径为2.5 m。

(2) 根据实测的预抽钻孔抽采影响半径, 建议永红煤矿在施工抽采钻孔时, 其间距不得大于4 m, 在地质构造变化带, 还应适当减小钻孔间距。考虑到永红煤矿3#煤层平均厚度达到5.90 m, 为使预抽钻孔全部覆盖整个煤层, 建议矿井区域预抽钻孔应至少布置2排。

(3) 由于永红煤矿是煤与瓦斯突出矿井, 建议矿井在生产过程中垂深每增加50 m应及时测定瓦斯基础参数, 更多的掌握瓦斯赋存规律, 为瓦斯治理提供依据。

摘要：预抽钻孔抽采影响半径是瓦斯抽采设计的基本依据, 也是瓦斯治理的基础参数。永红煤矿3号煤层为煤与瓦斯突出煤层, 矿井采用预抽煤层瓦斯作为区域消突措施, 为了获取永红煤矿3号煤层瓦斯抽采影响半径, 为3号煤层瓦斯抽采设计提供依据, 采用气体压力法测试了3号煤层预抽钻孔瓦斯抽采影响半径, 测试结果表明, 永红煤矿3号煤层直径为94 mm的预抽钻孔抽采影响半径为2.5 m。根据测试结果, 并结合永红煤矿3号煤层平均厚度, 建议永红煤矿相邻两个预抽钻孔间距不应大于4.0 m, 且应至少布置2排。测试结果为永红煤矿3号煤层区域消突措施的制定提供了重要依据。

关键词：瓦斯抽采,有效影响半径,气体压力法

参考文献

[1]徐三民.确定瓦斯有效抽放半径的方法探讨[J].煤炭工程师, 1996 (3) :43-45

[2]国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京:煤炭工业出版社, 2009

[3]杜泽生.平宝公司首山一矿已16-17煤层瓦斯抽放半径测定[J].煤矿安全, 2010 (2) :40-42

[4]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1992

[5]徐东方, 王兆丰.压降法测定钻孔的抽放影响半径试验研究[J].煤矿安全, 2009 (5) :1-3

[6]周红星, 程远平, 谢战良.计算机模拟确定瓦斯抽放有效半径的方法研究[J].能源技术与管理, 2005 (4) :81-82

钻孔瓦斯抽采 篇5

根据安神公司生产衔接安排，需在2106工作面回风顺槽施工邻近层抽采钻孔，为保证施工过程中的安全，特编制本安全技术措施：

一、工程概括：

2106工作面邻近层钻孔共布臵17个钻场，每个钻场安排3个孔，钻孔方位角为3°、8°、13°，倾角为18°，孔深为70米，合计进尺为3570米。

二、劳动组织：

1、劳动作业实现“三八制”，分为甲、乙、丙三个班。

2、每班必须指定有一名负责人指挥作业。

3、每班每台钻机不得少于3人作业。

4、每天有专职电工对电气设备的完好情况全面检查一次。

5、矿通风科必须每班派一名专职瓦斯员检查钻机附近瓦斯浓度。

6、矿安监科必须每班派一名安全员负责现场安全监督。

三、准备工作：

1、钻机型号为ZDY4000S型，钻机功率为55KW。

2、地面装车时钻机要与平板车之间用木板隔开，严禁铁对铁接触，并要捆绑牢固，防止发生运输事故。

3、进钻机时矿运输部门负责井下运输，将钻机运到2106回风巷口，矿生产队配合我队将钻机运到作业地点。钻机卸车时要注意安全。

4、在施工地点机电科在巷道低洼处安设一趟排水系统，防止造成巷道积水。

四、钻机稳固：

1、将现场的浮煤清理干净，将钻机稳定实底上。

2、当一切准备工作就绪后，全面检查钻机各部位完好及液压单体是否牢固，确认各项准备工作无安全隐患后，方可试机开钻。

五、开钻前的准备：

1、由班长负责安排全面检查钻机，对机器各部件进行检查，如有漏油现象先进行处理。

2、通风科负责在打钻地点安设瓦斯传感器（瓦斯传感器必须每周调校一次，保证瓦斯传感器的灵敏，准确），瓦斯传感器必须吊挂在钻机下风流不大于5m的位臵，距顶不大于300㎜，距帮不小于200㎜，预报警值设臵为1%，断电值设臵为1%，断电范围为2106回风顺槽所有电气设备，并实现“瓦斯电闭锁”装臵。

3、施工邻近层瓦斯抽采钻孔时，通风科在2106回风顺槽打钻处增设正规瓦斯检查点，保证打钻地点风流中瓦斯浓度在1%以下，并安排专职瓦斯员随时在打钻地点检查瓦斯及二氧化碳浓度。

六、施工安全技术措施：

1、钻孔人员必须经培训合格后，持证上岗。

2、严格按2106工作面钻孔设计施工。

3、严格按《钻机操作规程》操作。

4、上、卸钻杆时，必须等上、卸钻杆好后，人员离开1米以外，钻机司机方可进行旋转钻进，防止发生钻杆伤人事故。

5、施钻过程中，要时常观察液压单体是否漏液，以防单体伤人。

6、打钻时不得急躁，做到轻压慢打。

7、打钻时，要按操作规程进行施工，必须是打钻时先旋转后给进，退钻时先旋转后后退。

8、若在打钻过程中，钻孔突然出现涌水量时，立即停止作业，汇报矿调度。若水量较大情况危急时，应立即切断电源，将 人员撤到安全地带，但不得拔出钻杆。

9、在打钻过程中，钻孔出现瓦斯异常涌出，喷孔，顶钻时，必须立即停止作业，将开关打到“零位”，待孔内瓦斯压力降下后再施工。

10、若本班施工不完一个钻孔时，下班前必须将钻杆退出3—5米，并将孔内煤渣排除干净，防止抱钻或掉钻杆。

11、施工完一个钻场后，要及时封孔，并保证钻孔气密性。

12、钻孔施工时，如遇到钻杆卡到孔内或钻头堵塞时，严禁反转，3 防止反转将钻杆或钻头掉入孔内。

13、钻孔作业时或退杆作业时，严禁敲打钻杆，防止因敲打产生的明火引起瓦斯爆炸。

14、在施工完一钻场后，搬运钻机或支钻过程中，要注意人身安全，防止在搬运钻机或支钻时砸伤人员。

15、打钻作业过程中，所有人员不得正对钻杆滞留或作业，必须站立在钻机两侧，尤其接、卸钻杆人员必须侧身作业，防止夹止器及卡盘失效，造成钻杆伤人。

16、打钻作业中，上、卸钻杆人员要正确使用管钳，防止使用不正确，导致管钳伤人。

17、作业过程中，班长要时刻观测钻孔内压力情况，发现异常，应立即停止作业，采取有效措施进行处理。

18、钻孔作业过程中，必须带水作业，严禁干打眼，待水返出孔口时，方可旋转作业。

七、钻孔封孔工艺：

（1）邻近层抽采钻孔采用4m的2寸PVC管作为封孔器，封孔器前后两端采用聚胺脂封至少800㎜，封孔器外露为300—500㎜。

1将封孔所用的材料如麻袋、聚胺脂、铁丝、PVC管等搬运到作业○地点。

2割麻袋时，必须按要求进行割，同时两人配合好。○3绑麻袋时，绑麻袋必须要绑扎实，大麻袋片要按规定进行绑。○4封孔时，在距封孔器两端200—300㎜处绑麻袋，把A、B两种聚○胺脂药液按1:1的比例均匀配比后倒在麻袋上，然后将麻袋缠绕在封孔器上，送入孔内。

八、机电及检修：

1、每天由专职电工或机电队长对本队供电系统，详细检查一遍。

2、确保各种保护装臵齐全、灵敏、可靠，电气设备完好无失爆后方可送电作业。

3、电气设备不准超过额定值运行。

4、电缆尽量减少接线盒，且严格按《规程》469条进行敷设。防爆电气设备的运行，维护和维修必须符合防爆性能的各项技术要求。防爆性能遭受破坏的电气设备必须立即处理或更换，严禁继续使用。

5、班中或班后不使用钻机时必须把所有设备开关打到零位，并闭锁。

6、不得带电检修，开关手把在“零位”时必须闭锁，并挂好警示牌，检修电气设备时，必须派专人看守开关，防止其它人员送电。

7、挪动电气设备后需对供电系统包括电缆、电机、开关等接线完好进行彻底检查。

8、钻机各设备供电开关须安装在打钻地点上风侧，并在打钻地点安 5 装远程控制按钮，打钻及其他有关人员须站在打钻地点上风侧。

九、避灾路线及其它：

1、避水灾路线：

2121回风顺槽→东皮带巷（东轨道巷）→主斜井（副斜井）→地面

2、避火、瓦斯、煤尘灾害路线：

2121回风顺槽—→切眼—→2121运输顺槽—→北皮带巷(北轨道巷)→东皮带巷（东轨道巷）—→主斜井（副斜井）—→地面

3、入井人员必须配带隔离式自救器及人员定位装臵。不得携带烟火入井。

4、本措施未涉及处严格执行《煤矿安全规程》及“一通三防”管理制度中的相关规定。

钻孔瓦斯抽采 篇6

关键词:采空区 瓦斯分布 抽采方法

中图分类号:TD7文献标识码:A文章编号:1674-098X(2012)04(a)-0005-01

1 采空区瓦斯涌出概述

采空区的瓦斯涌出主要来自现采区与已采区这两个部分,目前我国多数矿井的采空区瓦斯涌出量都在全矿井瓦斯涌出总量的20%～45%左右,然而随着煤矿生产规模的不断扩大与开采能力的提升,采空区瓦斯涌出问题日渐严重,一些矿井采空区瓦斯涌出量已经超过全矿井的50%,个别矿井甚至达到了70%,极大地增加了矿井作业的通风负担与潜在危险隐患。因此,管理人员必须在深入理解采空区瓦斯涌出成因的基础上,全面掌握其分布规律,并采取技术成熟、高效可靠、有针对性的抽放措施,以保障井下作业能够顺畅、安全地进行。

2 采空区瓦斯分布的规律分析

采空区瓦斯的分布规律主要与煤层开采情况及赋存条件有关,下面将分别对生产采空区与封闭采空区的瓦斯分布规律做一简单分析。

2.1 生产采空区瓦斯分布规律分析

由于煤层和围岩在开采过程中会发生移动变形,使煤层在卸压后透气性增加,同时也使围岩的裂隙呈扩张的趋势,此时瓦斯便可能通过围岩裂隙渗入开采工作面与采空区。岩层随生产采动作用沿倾斜方向发生移动,并逐渐引起缓慢下沉及破坏,促使底层应力的分布发生改变,并最终导致弯曲下沉带、裂隙带及冒落带自上而下依次出现。通常弯曲下沉带的煤层与岩层都是非破坏性的,而仅仅呈现出整体的弯曲下沉和弹塑性形变,其瓦斯涌出至采空区的量也非常低。裂隙带中的煤层中部分瓦斯在压力作用下通过贯通裂隙进入采空区,其涌出强度由上至下逐渐增强,大量聚积在采空区顶板附近。而处于冒落带的煤与岩层则常由于垮落使瓦斯直接进入采空区。数据显示,采空区瓦斯涌出量在工作面正常开采时可占工作面总涌出量的50%左右,而检修时其占总涌出量的比例还要更高(可达65%以上)。当采空区距工作面＜20m时,其瓦斯浓度偏低而波动明显,在距工作面20m～50m时,其浓度以一定比例逐渐升高,因此综合考虑抽采效果及抽采安全等因素后,应将抽采位置确定在与工作面相距30m至60m的范围内。实际作业中常使采空区沿钻孔、以裂隙为通道形成负压环境加速其解吸,再采用钻孔、导入、埋管等抽采方法将高浓度的瓦斯抽离采空区。抽采时应首先分析弯曲下沉带、裂隙带及冒落带的分布情况,再根据瓦斯涌出量及采面产量、风量、气压等参数确定抽采强度。

2.2 封闭采空区瓦斯分布规律分析

作为矿井开采工作的副产物,大面积封闭采空区本身就具有积蓄瓦斯气体的特性,一旦其中的高浓度瓦斯随着气压的改变或通风负压的作用从煤柱裂隙或密闭墙渗入到巷道或采区,就极有可能导致严重的安全事故。因此,必须选用适宜的方法,将其中的高浓度瓦斯抽离。该类采空区瓦斯的抽采方法一般是以插管法直接抽采,其抽采效果主要受到密闭墙气密性的影响,因此应保证密闭墙具有良好的气密性,并设置好泄水管与观测管。瓦斯抽采量通常取决于采空区的范围及其封闭时间,通常抽采初期浓度较高,并随着抽采工作的进行而逐渐降低。抽采中应注意避免漏风等操作引起的残留煤自燃问题。密闭采空区抽取的高浓度瓦斯可作为煤层气产业的能源产品加以利用,以达到提高开采效率,降低生产成本的节能减排目的。

3 采空区瓦斯抽采的具体措施

目前采空区瓦斯抽采的方法很多,选取时应结合工作面的巷道布置与开采方法等实际生产特征,优选技术较为成熟的方法,并做好相应的安全保护措施。

3.1 引导排放法

引导排放抽采法的工作原理是利用相邻层采空区的瓦斯对现采空区中的瓦斯进行引排。其使用条件的要求是工作面的煤层不存在自然发火的可能性,当该现采空区上段存在采空区时,可首先考虑采取引导排放法,通过对上段采空区的瓦斯进行强化抽采,在上段形成一负压区域,以改变两采空区之间的压力平衡,从而使先采空区中的瓦斯因负压作用向上区段流动,间接排除了现采空区的瓦斯,具有安全、对现阶段生产作业影响小等优点。

3.2 顶板走向钻孔抽采

顶板走向钻孔抽采法可以控制采空区上隅角瓦斯的涌出状态,通常情况下采用顶板走向钻孔抽采和上隅角埋管抽采联合的抽采方法。采用顶板走向钻孔法时,钻场距离煤层顶板上方约1m～2m,钻场深度5.5m左右,钻场间距70m～80m,为长短、高低两排孔,终孔位于距离煤层顶板10m～20m、距风巷的水平距离为5m～30m处,钻孔终孔间距为5m～10m,长孔为110m,短孔为75m,钻场间钻孔压茬长度在30m～40m之间。该抽采方法的抽采效果关键在于高位钻孔终孔位置的合理选择。综采工作面的顶板钻孔层位布置应根据工作面的推进速度、老顶来压步距、顶板岩性等综合考虑确定。工作面裂隙带最大发育高度通常为采高的7倍左右,钻孔终孔布置在煤层顶板6倍左右的高度时,钻孔抽采瓦斯浓度可达60%以上,但抽采流量小、阻力大,抽采泵负压达50kPa以上,抽采流量仅为额定流量的10%。而合適的钻孔位置在冒落拱的顶部,抽采浓度不高,但抽采流量大。因此,钻孔终孔应布置在3～6倍的采高处,即距煤层顶板10m～20m的位置。在采空区流场中,瓦斯聚集区一般位于风巷下10m左右,布置在该区域内的钻孔瓦斯浓度较大,因此钻孔在倾向上应布置在该区域,对邻近层瓦斯和采空区瓦斯进行拦截,减少上隅角瓦斯涌出。

3.3 采空区埋管抽采

采空区埋管抽采通过安装管路直接抽采采空区瓦斯,尽量减少采空区瓦斯流入工作面。该方法预先在回风巷安装金属抽采管路与矿井抽采系统相连,金属抽采管直径一般为200mm～300mm。随着工作面向前推进,管路的末端进入采区。

参考文献

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[2]孟祥春.采空区瓦斯涌出特点与抽放方法[J].山东煤炭科技,2010(3).

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钻孔瓦斯抽采 篇7

矿井瓦斯是影响煤矿安全生产的重大灾害之一。在煤层群的开采中, 邻近层的瓦斯涌出是造成回采工作面瓦斯超限的重要原因之一, 瓦斯抽采是解决煤矿瓦斯灾害的治本措施。由于传统的钻场抽采, 效果较差, 专用的高抽巷, 成本太高, 而通风能力又处于极限状态, 为了降低工作面瓦斯涌出量、减少瓦斯超限次数, 需寻求新的瓦斯抽采技术。采用掩护抽采巷高位钻孔抽采邻近层和采空区瓦斯, 是一项经济可行的新技术。

1 试验工作面概况

淮南矿业集团潘一矿13-1煤层属突出煤层, 试验区1521 (3) 工作面属未保护区域。工作面走向长1 315 m, 倾斜长189 m。试验区域内13-1煤层总厚3.4～5.0 m, 平均4.3 m, 煤层倾角5°～23°, 平均9°。煤层结构较复杂, 普氏系数f=0.3～0.5。试验区内地质构造复杂, 共发育10条断层, 其中有1条断层对回采影响较大, 5条断层有一定影响。复杂的地质构造和突出危险性给工作面的安全开采带来一定的困难。

由于受邻近层及采空区瓦斯影响, 工作面绝对瓦斯涌出量达到30～33 m3/min。工作面配风量1 340 m3/min, 风排瓦斯量约为8 m3/min。为了保证工作面能安全顺利回采, 拟尝试采用掩护抽采巷高位钻孔抽采邻近层及采空区瓦斯。

2 掩护抽采巷高位抽采钻孔设计

2.1 高位钻孔抽采原理

当工作面回采过后, 引起上履岩层冒落、移动、变形, 形成拱形的卸压区, 使上履岩层与煤层发生离层, 孔隙和裂隙增加, 形成层间孔隙。这些层间孔隙, 不仅是邻近层卸压瓦斯的储存地点, 也是邻近层卸压瓦斯和采空区瓦斯的良好流动通道。随着工作面回采, 在一定范围内沿走向和倾斜方向应力状态相应发生变化, 根据岩层移动和应力状态的不同, 将上部划分不同的区带, 如图1、2所示。

瓦斯抽采必然涉及到瓦斯在煤层中的运移规律。煤层瓦斯的运移是一个复杂的运动过程, 与煤层结构和瓦斯赋存状态相关。煤层处于集中应力带时, 孔隙空间减少, 煤层透气性系数大大降低;煤层处于卸压带时, 煤体膨胀, 孔隙空间增大, 可使煤层透气性系数大大增加。因此在选择瓦斯抽采方式时要结合瓦斯在煤层中的运移规律, 分析其流动特性。利用掩护巷道在采空区的卸压区范围内对卸压的瓦斯打钻进行大面积的集中连续抽采, 可以大量抽出采空区的高浓度瓦斯。

2.2 布孔层位对抽采效果的影响

要合理地确定钻孔的布孔层位, 需要研究钻孔抽采情况下邻近层和采空区瓦斯的越流规律。为此, 建立了瓦斯越流的动力学模型, 并通过模型的求解, 对瓦斯越流规律进行了研究。

从研究结果可以看出:钻孔的布孔层位对采空区瓦斯抽采的影响, 在于对抽采阻力的影响;抽采钻孔向采空区靠近, 则抽采采空区瓦斯的渗透阻力明显地降低, 从而明显地提高抽采采空区瓦斯的效果。而当抽采钻孔的布孔层位降低时, 钻孔抽采邻近层瓦斯的效果将减弱, 但影响较小。因此, 钻孔的布孔层位在一定高度的范围内变化时, 对采空区瓦斯抽采的影响较为明显, 而对邻近层瓦斯抽采的影响较小。

2.3 合理布孔层位的确定

由前面的分析可以看出, 抽采钻孔距离采空区越近, 抽采采空区瓦斯的效果就越好, 而对钻孔抽采邻近层瓦斯影响较小。而且, 邻近层瓦斯需经过采空区才能涌入工作面。因此, 确定抽采钻孔布孔层位的原则是:在保证钻孔成孔完好不垮孔的前提下, 尽量降低抽采钻孔的布孔层位。从以上的原则出发, 结合顶板岩层“三带”划分[1]、上邻近层赋存状况以及离层裂隙的发育状况, 确定将钻孔布置在顶板第九层岩层即厚6.50 m的深灰色细砂岩中, 距开采层26.0 m的高度上。

3 高位钻孔成孔工艺

抽采钻孔为布置在顶板岩层中的高位钻孔, 以代替高抽巷抽采邻近层和采空区瓦斯, 设计孔深60 m。钻孔设计为2级结构:成孔直径为93 mm, 孔口扩孔段直径120 mm以便下套管。

由于抽采钻孔不需要取芯, 故采用普通回转不取芯钻进法。按所设计的钻孔结构, 采用不取芯回转钻进法一次成孔很难实现。因此采用二次成孔工艺, 即先用和钻杆直径接近的φ75 mm导向钻头接稳定组合钻具钻出一个导向钻孔, 然后用扩孔钻头扩孔, 并达到设计要求。这种成孔工艺不但有利于钻孔轨迹的控制, 而且能加快施工进度, 缩短了裸孔时间, 从而可以避免钻孔掉块卡钻。

布置钻孔的深灰色细砂岩层为中硬岩石, 钻进中采用了复合片钻头。钻杆采用特制的有足够强度的65 mm外平钻杆, 可使测斜仪能从钻杆中顺利通过。钻进施工中, 采用不同结构的稳定组合钻具, 并适当调整钻进工艺参数, 从而达到控制钻孔方向的目的。

4 抽采效果现场试验

国内外抽放瓦斯的经验表明, 在距回风巷水平距离为0.2～0.3倍工作面长度的位置进行布置钻孔抽采, 可取得最佳抽放效果[2]。为此设计第一个高位钻孔终孔端距回风巷30 m, 以后依次每隔8 m施工一个高位钻孔。试验工作面掩护抽采巷高位钻孔布置如图3所示。

钻孔抽采试验中, 采用抽采计量装置孔板流量计连续考察了高位抽采钻孔。高位抽采钻孔考察期间初始抽采量为10.67 m3/min, 最大抽采量为23.92 m3/min, 平均瓦斯抽放量19.9 m3/min, 为所要求抽采量的2/3。抽放瓦斯浓度最高达75%, 平均维持在60%左右, 抽采一个月后, 其瓦斯抽采量仍维持在10.8 m3/min的左右。由此可见, 该抽放技术的可行性和抽放效果的持续性。钻孔瓦斯抽采效果考察如表1所示。

通过掩护抽采巷高位钻孔瓦斯抽采技术应用, 实现了对邻近层及采空区瓦斯的集中连续抽采, 其抽采率比传统的高位钻场提高了15%～20%。工作面回风流中瓦斯浓度始终控制在0.6%以下, 极大地提高了工作面的单产效率, 并创造了同等条件薄煤层高瓦斯综采工作面月产92 000 t的新纪录。

5 几点认识

采用煤巷掩护下高位钻孔抽采和联巷埋管抽采的方法抽采采空区瓦斯, 提高了瓦斯抽采量, 有效的降低了工作面的瓦斯浓度, 保障了安全生产, 实现了综采工作面的高效高产, 而且通过掩护抽采巷还可以对上一区段工作面施工顺层孔, 进行提前预抽, 为下一个工作面的瓦斯治理赢得了时间。

采用煤巷掩护下高位钻孔抽采的方法治理邻近层及采空区瓦斯, 虽有许多优点, 但也有不足之处, 主要表现在:巷道受采动影响, 维护困难, 因此必须采用锚网梁索进行加强支护;为避免采动影响破坏钻孔, 钻孔内必须下套管。

所以今后在应用掩护抽采巷高位钻孔瓦斯抽采技术时, 还应有针对性的解决上述两个问题。

摘要：针对采煤工作面在回采过程中, 受邻近层等影响, 采空区瓦斯涌出量巨大, 传统的钻场抽采, 效果较差;专用的高抽巷, 成本太高;采用煤巷掩护方式对采空区进行大面积的集中连续抽采, 是一种既安全又经济实用的抽采方法, 取得良好的效果。

关键词：抽采巷,高位钻孔,瓦斯,抽采

参考文献

[1]钱鸣高, 刘听成.矿山压力及其控制 (修订本) [M].北京:煤炭工业出版社, 1991

顺层钻孔瓦斯抽采有效半径研究 篇8

此矿井生产能力为1.20Mt/a,井田面积11.4075km2,现开采3#煤层3316工作面,最大瓦斯压力为0.66 MPa,瓦斯含量为9.32m3/t,为高瓦斯矿井,煤层赋存稳定,结构简单,矿井采用立井开拓方式,采煤方法为走向(倾向)长壁后退式,采用轻型综采,一次采全高。全部垮落法管理顶板。

1 钻孔有效抽采半径的定义及其指标的确定

煤层瓦斯抽采钻孔有效抽采半径是指在规定时间内以抽采钻孔为中心,此半径范围内的煤层瓦斯压力或瓦斯含量降到安全容许范围。

根据采掘规划及参考相邻工作面情况,3316工作面日产量约为2600 t,根据《AQ1026-2006煤矿瓦斯抽采基本指标》规定,当回采工作面日产量大于2501t低于4000 t时,回采前煤的可解吸瓦斯含量应达到的指标为:可解吸瓦斯含量低于或等于6m3/t,故此次抽采半径测算可选取煤层剩余可解析瓦斯含量为指标来标定有效抽采半径。

2 钻孔有效抽采半径的测定方法及选择

目前,抽采半径的测定方法分为数值模拟法和现场实测法。现场实测法包括瓦斯压力降低法、瓦斯流量法、示踪气体法和瓦斯储量法。

2.1 瓦斯压力降低法

瓦斯压力降低法的原理是煤层瓦斯压力与钻孔孔底负压差克服远处煤体瓦斯运移至钻孔的阻力,煤层内游离的瓦斯向钻孔运移,吸附态的瓦斯转化为游离态的瓦斯,从而为流走的瓦斯提供补给源。假设煤体为各向同性,从钻孔周围至煤体瓦斯压力梯度为0处,即煤层瓦斯抽采影响范围。在规定时间内,煤层残余瓦斯压力降低至抽采指标范围内最远位置处距钻孔中心的距离称为钻孔抽采有效半径。

2.2 示踪气体法

示踪气体法是将示踪气体在预先打好的释放钻孔中释放,这种气体在煤层内流动和扩散,与煤层中气体均匀混合,在混合后运用地面抽采系统将煤层内气体抽出,进行取样分析气体成分,根据不同钻孔的示踪气体的浓度来判断所测煤层的瓦斯抽采半径。

2.3 数值模拟法

数值模拟法是根据煤层原始瓦斯参数和瓦斯流量测定结果,在达西定律的基础上,建立煤层气固耦合数学模型,使用COMSOL Multiphysics模拟软件,计算煤层抽排钻孔的有效抽采半径。

2.4 瓦斯储量法

钻孔瓦斯抽采半径主要与煤层瓦斯含量、透气性系数、抽采钻孔直径及负压、抽采目的及时间等因素有关。瓦斯储量法是在煤层瓦斯含量测定基础上,根据抽采时间,测定出钻孔瓦斯抽采能力,通过三者之间的关系计算分析,确定出钻孔的有效抽采半径。

2.5 测定方法的选择

抽采半径测定方法优缺点分析如表1所示。

依据上述测定方法的优缺点以及根据某矿3#煤层的实际情况,现场采用瓦斯储量法和实验室采用数值模拟法相结合的方法来测定3#煤层的有效抽采半径。

3 钻孔有效抽采半径的测定

3.1 瓦斯储量法测定

3.1.1 试验地点

根据某矿3#煤层具体情况,选定3316工作面作为试验地点,在其轨道顺槽选一无构造煤层赋存稳定区域施工1个考察孔1#,正常封孔后并入抽采管路抽采。每天观测记录钻孔的流量和浓度等参数。具体位置如图1所示。

3.1.2 钻孔抽采量测定与分析

将煤气表安装在考察孔上,测定其瓦斯流量,并连续记录钻孔抽采瓦斯流量和抽采浓度等数据,具体数据见表2,钻孔抽采瓦斯量随时间变化关系如图2所示。

由图2分析可知,钻孔抽采瓦斯流量随抽采时间的延长逐渐降低,同时可将钻孔抽采瓦斯量和对应时间的数据拟合,进而通过以下拟合公式表示二者变化关系:

3.1.3 有效抽采半径的计算

本次采用瓦斯储量法测定钻孔有效抽采半径,其中煤层原始瓦斯含量9.32 m3/t,不可解析瓦斯量为2.85 m3/t,L1、L2为瓦斯含量相同的抽采钻孔控制区域尺寸,m,计算时可取L1为巷道高度5m,L2为钻孔控制宽度即钻孔间距取20m,假密度为1.24 t/m3,钻孔长度80 m。将抽采相关参数带入下列公式中,以可解吸瓦斯含量6 m3/t为目标值,可得抽采60d对应的钻孔有效抽采半径。

(1)3316工作面中钻孔抽采控制区域煤层瓦斯抽采量:

(2)根据拟合曲线计算考察钻孔单孔实际抽采量:

(3)抽采钻孔在控制区域需布置的数量:

(4)可解吸至瓦斯含量将至6m3/t时,经过60d抽采对应的有效抽采半径:

根据以上原理,可以依次推算出抽采时间分别为60天,钻孔抽采影响半径为1.95 m;抽采时间90天时,钻孔抽采影响半径为2.37 m;抽采时间180天时,钻孔抽采影响半径为2.80 m。

3.2 数值模拟法测定

利用COMSOL软件数值模拟单个钻孔在不同时间对应的有效抽采半径,模拟钻孔周围各位置点对应煤层残存瓦斯压力随抽采时间变化关系,如图3所示。

根据临界值分别确定不同抽采时间对应的有效抽采半径,可得到抽采时间分别为60天,钻孔有效抽采半径为1.89 m;抽采时间90天时,钻孔有效抽采半径为2.31 m;抽采时间180天时,钻孔有效抽采半径为2.72 m。

3.3 瓦斯储量法与数值模拟结果对比分析

本次对某矿3#煤层钻孔瓦斯有效抽采半径的测定采用实验室数值模拟法与现场瓦斯储量法相结合的方法,以可解吸瓦斯含量降到6 m3/t为例,两种方法的测得的3#煤层的有效抽采半径结果对比如表3所示。

两种方法的测定结果具有很好的一致性,根据现场测定,本次采用瓦斯储量法的结果:预抽60d,有效抽采半径为1.95 m;预抽90 d,有效抽采半径为2.37 m;预抽180 d,有效抽采半径为2.80 m。

4 结论与展望

(1)通过比较四种方法的优缺点,再根据某矿3#煤层的实际情况,现场采用瓦斯储量法和实验室采用数值模拟法相结合的方法来测定3#煤层的有效抽采半径。

(2)通过对比数值模拟法和瓦斯储量法所测有效抽采半径,测定结果基本相同。预抽60d,有效抽采半径为1.95m;预抽90d,有效抽采半径为2.37m;预抽180d,有效抽采半径为2.80m。

摘要：为高效抽采某矿3号煤层瓦斯,需要合理布置抽采钻孔,而合理的钻孔间距依据有效抽采半径来确定。本文通过比较分析瓦斯压力降低法、示踪气体法、数值模拟法和瓦斯储量法的优缺点,确立了基于瓦斯储量法测定钻孔有效抽采半径,并采用COMSOL Multiphysics对有效抽采半径进行了模拟,结果表明:两种方法测定结果基本相同。预抽60d,有效抽采半径为1.95m;预抽90d,有效抽采半径为2.37m;预抽180 d,有效抽采半径为2.80m。

关键词：瓦斯抽采,有效抽采半径,数值模拟,瓦斯储量法

参考文献

高位钻孔抽采治理综采工作面瓦斯 篇9

关键词：高位钻孔,瓦斯防治,经验

七星煤矿属于高瓦斯矿井。综采采煤工作面的瓦斯涌出量91%。为解决回采过程中工作面和上隅角瓦斯超限问题, 采取在回风做高位钻长, 沿工作面走向布置高位钻孔抽采顶板裂隙带瓦斯的方法, 单孔瓦斯浓度最高100%, 单孔流量最高达到2.76m3/min, 抽放钻孔利用率高, 抽采率最高达到76%, 取得了良好的瓦斯治理效果。

1 概况

龙煤集团双鸭山分公司七星煤矿位于双鸭山市东南50KM。生产能力为130万t/年。矿井可采煤层共有12层, 煤质为气煤, 矿井煤尘具有爆炸性, 各煤层均为易自燃煤层。矿井通风方式为东、西两翼对角抽出式通风, 全矿总排风量:14667m3/min, 东、西翼主扇各2台, 型号均为BDK—NO27, 额定功率2×400KW, 矿井联合等积孔为5.26属于通风容易时期。现有地面永久瓦斯抽采泵站一处, 两台型号:2BZF-52瓦斯抽放泵, 排气量255m3/min, 最大负压为80kpa。

随着开采深度和强度增加, 瓦斯涌出量不断增大, 瓦斯超限成为威胁安全、制约生产的突出矛盾, 瓦斯抽采逐步成为解决此矛盾主要手段。七星煤矿瓦斯矿井, 东三采区和东四采区的瓦斯涌出量较高, 其生产的主要煤层为八层和十二层, 矿重点瓦斯煤层为八层和十二层, 以东四区十二层左四片综采工作面为例, 工作面绝对瓦斯涌出量为14.2m3/min, 通过采用高位钻孔抽采顶板裂隙带瓦斯的方法, 该工作面风排瓦斯量为3.4 m3/min, 抽采瓦斯量为10.8m3/min, 抽采率达76.06%, 回采过程中无瓦斯超限报警发生, 有效地释放了安全产能, 创造了良好的经济。

2 抽采方法选择

根据实测矿井采煤工作面本煤层瓦斯含量占采面瓦斯总量的54%, 而采空区三边释放瓦斯及邻近层瓦斯占46%。

本煤层抽放钻孔施工工程量大, 抽采效果受煤层透气性、及封孔气密性影响较大, 且需要很长的预抽时间。受掘进施工速度制约, 在接续紧张的情况下不考虑采用本煤层抽放。

根据矿压三带理论及抽采低流量高负压特性, 采取采空区裂隙带钻孔抽采的可行性最佳。采空区裂隙带钻孔主要有仰角钻孔和高位钻孔两种

仰角钻孔施工条件要求低, 回风巷50m间距一个仰角钻场, 每个钻场8-10个钻场孔, 通常采用2000扭矩以上的液压钻机施工 (ZDY-2300、ZDY-3200等) , 孔径一般为94mm以上, 孔长一般为100至150m。但在实际应用中其钻孔有效长度短, 利用率较低 (30%左右) , 钻孔需要重叠搭接才能保证抽采效果的不间断, 从而造成钻孔工程量的大大增加。在实际应用中仰角钻孔在回采过程中平均达到的瓦斯抽采率不到50%。

高位钻孔对施工条件要求高一些, 通常需要在回风巷顶板开设高位钻场, 钻场施工工程量比仰角钻场要大, 一般为120-150m一个钻场, 每个钻场6-8个钻孔, 采用ZDY-2300ZDY-3200等钻机施工, 孔径一般为94mm以上, 孔长一般为150-200m。通过实测高位钻孔的利用率可达到80%以上, 钻孔浓度在20-100%之间抽采效果不间断。

通过对比可以发现, 高位钻孔是最佳方案, 高位钻孔单孔瓦斯浓度最高100%, 续单孔流量最高达到2.76m3/min, 也持续时间较长, 抽采钻孔利用率高, 工作面抽采率最高达到76%。经实践证明此方法对改变采空区高浓度瓦斯流动曲线, 避免回风、上隅角超限, 提高抽采率有良好效果。

3 高位钻孔参数确定

3.1 顶板裂隙带瓦斯抽采理论。

3.1.1开采煤层上覆盖层采动裂隙分布成两类:一类为离层裂隙, 是随岩层下沉在层与层间出现的层裂隙。另一类为竖向破断裂隙, 是随岩层下沉破断形成的穿层裂隙。3.1.2上下两巷的离层区通过切眼及工作面侧的离层区而贯通, 形成一个连通的环形圈, 一般情况下开切眼与工作面侧和上下两巷构成的图形为矩形如图1, 2;3.1.3“O”形圈的变化, 离层裂隙分布呈现两个阶段, 第一阶段从开切眼开始随工作面推进, 离层裂隙不断增大, 采空区中部离层裂隙发育。第二阶段采空区中部离层裂隙超于压实离层率下降, 而采空区两侧离层裂隙仍能保持在顶板任易高度的水平内, 在第二阶段时, 位于采空区中部的离层裂隙基本被压实, 而压采空区四周存在一连通的离层裂隙发育区。“O”形圈随工作面的推进而发展变化, 其变化过程如图1, 2;3.1.4瓦斯在采空区上覆岩层裂隙中流动。在“O”形圈周边是裂隙区域, 此区域则是瓦斯移动的通道。由于“O”形圈的存在, 为采空区以及上覆岩层的裂隙带瓦斯流动和贮存提供了通道和空间, 是采空区瓦斯聚集的地方。瓦斯的密度为空气的0.554倍, 因此, 本煤层涌出的瓦斯就会沿顶板破断裂隙向上部离层区运移。瓦斯升浮是瓦斯在采空区、工作面或裂隙带内的向上运动, 造成这种运动的条件主要有两点;一是瓦斯密度比周围气体介质密度小, 而产生一种升力;二是裂隙通道或漏风通道两端有能量差, 具有了使瓦斯沿通道流动的能量。由于条件一的存在, 瓦斯升浮这种运动符合瓦斯气体的浮力律。而满足条件二瓦斯升浮, 其瓦斯运动符合多孔介质流体流动阻力定律。

3.2 有效钻孔垂距的确定。

根据理论分析、钻孔终孔打在顶板裂隙带裂隙发育中、下部效果最佳。理论冒落带高度为4-8倍采高, 但顶板岩性不同, 冒落高度也不同。根据仰角抽放钻孔实测数据分析, 顶板裂隙带一般为采高的8-12倍, 高位钻孔终孔距顶板垂距在10倍采高左右为最佳。

3.3 钻孔距回风巷距离确定。

在于U型通风采煤工作面, 采空区高浓度瓦斯易积聚回风巷硬帮, 理论上钻孔平距与回风巷水平距离超近, 效果越好, 但实际布置高位钻孔时, 要避开矿压造成的裂隙带 (围岩松动圈) 及上下两巷支撑的悬梁作用, 通过多组钻孔实测, 最终确定为“距回风巷10m≤钻孔平距≤工作面长1/3”时效果最佳。

4 经验总结

4.1 减少了回采过程中的风排瓦斯量。

通过统计分析, 工作面瓦斯抽采率达到70%以上, 单孔最高浓度达100%, 使工作面风排量瓦斯下降50%, 可有效减少工作面配风量, 使采面供风趋于经济合理。

4.2 降低了回采面上隅角瓦斯浓度。

由于钻孔始终位于顶板裂隙带, 使得此范围内的高浓度瓦斯通过裂隙被抽出, 原有的采空区, 高浓度瓦斯流动的流场分布状况得到改变, 消除了上隅角超限问题, 减少了瓦斯对安全生产威胁。工作面的安全环境得到保障, 提高采煤工作面正常推进度, 保证采煤面的高产高效。

4.3 环保创效。

低浓度瓦斯抽采到地面后只能被排放到大气中, 不仅是资源的浪费, 而且还会造成严重的大气污染。通过高位钻孔抽采上来的瓦斯浓度较高, 且流量稳定, 可用于低浓度瓦斯发电, 七星煤矿有瓦斯发电站一座, 装备12V190型发电机组4台, 在综采工作面回采期间, 最高日发电量可达到2万千瓦时, 达到了环保创效的良好效果。

参考文献

[1]煤矿瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2003, 6.

[2]煤矿瓦斯灾害防治技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2005, 3.

大直径钻孔在瓦斯抽采中的应用 篇10

杉木树矿于1972年简易投产,原设计生产能力90万t/a,2011年实际产量为115万t/a,为煤与瓦斯突出矿井,矿区开采的煤层为上二叠统宣威组内的B4上、B4、B3+4煤层。根据2008年7月的矿井瓦斯等级鉴定结果可知:矿井瓦斯绝对涌出量116.668 m3/min,矿井瓦斯相对瓦斯涌出量46.477m3/t,二氧化碳绝对涌出量26.219 m3/min,二氧化碳相对涌出量10.445 m3/t。我国在运用小直径钻孔针对不同地质条件下煤层进行瓦斯抽采的技术研究得较多,在大直径钻孔抽采瓦斯方面的理论研究近些年也逐渐增多,在大直径钻孔的实际应用方面也取得了较好的效果。以杉木树矿为例,在采用大直径钻孔进行瓦斯抽采之前,抽采钻孔直径为75mm,钻孔单孔流量较ф120 mm以上的大直径钻孔小,抽采率低;但采用大直径钻孔技术后[1,2,3],钻孔工程量得到明显减少,瓦斯抽采率也有效提高。

1 大直径钻孔施工设备

杉木树矿所使用的大直径钻孔施工设备主要是CMS1-3200/58型全液压钻机、ZDY4000L型和ZDY4000S型全液压钻机,当挂孔高度﹤1.5 m时则使用ZY-750(D)型全液压钻机,通过二次成孔的方式形成大直径钻孔。所用钻杆为ф110 mm螺旋钻杆和ф73 mm外平钻杆;所采用的钻头为三翼合金钻头,选用ф215 mm、ф190 mm、ф153 mm、ф130mm和ф120 mm多种规格的合金螺旋钻头,适用于煤层瓦斯抽放钻进及软岩地层中的地质钻进。

与普通直径的钻孔相比,大直径钻孔的优势体现在:①增加了施工钻孔时排出的煤粉量,在钻孔周围易形成较多的裂隙,解吸瓦斯释放通道多且相互连通,从而大幅度降低煤层内瓦斯压力,并增加煤体的塑性;②大直径钻孔产生裂隙的同时,煤体内积蓄的弹性能部分释放,使掘进工作面前方和两帮的集中应力得到释放,并迫使集中应力带向前和巷帮深部移动,降低了掘进段和巷帮的集中应力,增加了有效卸压范围,减小了发生突出的可能性[4,5,6,7,8,9]。

2 大直径钻孔钻进工艺

2.1 稳定钻机、调整方位角及倾角

先安置CMS1-3200/58型和ZDY4000L型全液压钻机主机,使机身纵轴线与钻孔方位处于同一垂直平面内,主机前端距孔口留够接钻杆距离,主机位置确定后,将钻机四角的4根液压油缸伸出使钻机履带离地,油缸上部接顶。按设计要求调整钻孔倾角,将给进机身、前后横梁、支撑杆等组件之间的盖瓦分别松开,然后根据设计的倾角用调角油缸将机身缓缓调整到设计所要求的角度,再将松开的盖瓦锁紧。

2.2 钻机试运转

连接好各油管,进行通电试运转,钻机试运转正常后,在钻机卡盘内插入ф73 mm主动钻杆并用U型卡插接好螺旋钻杆及钻头或在钻机卡盘内插入ф73 mm外平钻杆及钻头。

2.3 开孔及正常钻进

将给进压力调到最小,将给进手把推到给进位置,再缓慢增加给进压力。当钻具开始移动时,停止增加给进压力,让钻头旋转着慢慢推向岩面进行开孔,待钻头接触岩石后,将给进压力调节到规定值的50%左右钻进约2 min后,将给进压力逐渐调到规定值,开始正常钻进。钻进完1根钻杆后,加下一根钻杆,继续钻进,如此循环钻进。

2.4 钻进工艺流程

当钻机钻进至设计要求深度或者碰到异常情况为了防止孔内事故的发生时,停止钻进,开始退钻杆:操作动力头带动钻具后移,退出1根钻杆后,卸出U型卡,取出螺旋钻杆,操作动力头及主动钻杆前移,接上孔内的螺旋钻杆,插上U型卡,然后再退钻杆。如此循环操作,至退出全部钻具为止,并及时封孔[10,11]。其钻进工艺流程如图1所示。

3 现场应用情况

杉木树矿从2013年开始,实现了瓦斯抽采钻孔全部为ф120 mm以上的大直径钻孔,主要是分布在S30、N30、N24、N26这4个采区。下面分别介绍顺层大直径钻孔在3022工作面和N2492工作面的应用情况。

3.1 N3022工作面的概括

N3022工作面位于N30采区西翼,北为布置的N3042工作面,西为N30采区保护煤柱,南为已经完成回采的S3022工作面,东为N3022-2工作面。煤层厚度为1.2~3.6 m,平均厚2.1 m。N3022工作面位于滥泥坳向斜北翼,属向南倾斜的一单斜构造。煤岩层产状:倾向335°~350°,倾角2°~5°,平均3°。根据掘进施工期间的瓦斯涌出实测资料,推算该巷道的绝对瓦斯涌出量为3.3 m3/min,相对瓦斯涌出量为20.84 m3/t。

3.1.1 钻孔布置方式

钻孔按照三花眼双排布置,间距2 m;钻孔方向垂直于工作面两巷,沿煤层施工(图2)。

3.1.2 应用效果分析

实测资料表明,大直径钻孔瓦斯抽采效果明显,单孔流量显著增加,瓦斯浓度得到较大提高,控制的瓦斯抽采范围增加,配合ZY750D型全液压坑道钻机使得施钻速度更快,施钻孔深更深,遇软煤层打钻过程中的垮孔现象减少,高瓦斯突出矿井瓦斯治理及时有效,大大减少了煤与瓦斯突出事故。在同等负压下,直径为120 mm钻孔流量为0.042 3 m3/min~0.067 6 m3/min,ф120 mm钻孔单孔流量比ф75mm(0.016 2 m3/min~0.019 5m3/min)钻孔单孔流量有显著提高,大大增加了瓦斯抽采率,从而确保了高瓦斯的有效利用,变废为宝。

N3022工作面于2013年3月开始抽采,抽采负压为13 k Pa,工作面瓦斯抽采情况见表1。从表1可以看出,投入抽采后瓦斯抽采浓度高,均在30%以上,其中有16组达到40%以上,初始流量为300~570 L/min。

将同负压情况下ф120 mm钻孔和75 mm钻孔瓦斯浓度、流量参数进行对比可知,75 mm钻孔单孔纯流量为0.008~0.015 m3/min,ф120 mm钻孔单孔纯流量为0.012~0.034 m3/min。可以明显地看到,采用了更大直径的钻孔对煤层瓦斯进行抽采时,瓦斯抽采率显著提高,煤层的瓦斯涌出量减少,消除或降低了煤层的突出危险性,减少了瓦斯超限、煤与瓦斯突出等危险对采掘生产的影响。

除此之外,经现场试验发现ф120 mm顺层平行钻孔的工程量比ф75 mm顺层平行钻孔减少约200个,节约抽采时间约20 d,钻孔施工效率得到了显著提高,且瓦斯控制范围增大。尤其在钻场紧张的情况下,可以缓解钻场布置紧张的压力,为采区、采面巷道掘进赢得时间。

N3022工作面于2013年8月完成钻孔施工,2014年7月抽采瓦斯量1 061 842 m3,现已开始进行回采。

3.2 N2492工作面概况

N2492工作面东至采区保护煤柱(煤柱以西为已结束的N20采区),西至N24采区中部保护煤柱,北为已开采的N24112工作面,南为已开采的N2472工作面,工作面平均走向长1 000 m,南北宽200 m,储量118.4万t。N2492工作面位于滥泥坳向斜北翼,煤(岩)层产状变化不大,倾向135°~155°,煤层倾角9°~15°,平均12°。据已揭露资料推测,该工作面内存在3条对工作面回采有较大影响的断层。

N2492工作面现已在回采过程中,根据DGC瓦斯测定仪测定,该工作面残余瓦斯含量最大为7.889 1 m3/t,结合2009年煤炭科学研究总院重庆研究院对杉木树矿的测定结果,其残存瓦斯含量为2.19 m3/t,计算得出N2492工作面可解吸瓦斯量为5.699 1 m3/t(表2)。根据《N2492工作面回采作业规程》中日产量为3 005 t,可知N2492工作面瓦斯预抽率、残余瓦斯含量及可解吸瓦斯量均符合AQ1026—2006煤矿瓦斯抽采基本指标中的相关要求。

2014年2月和11月,N2492工作面回采过程中出现了29次瓦斯超限和36次防突预测超标的情况,其中每米预测钻孔瓦斯涌出初速度的最大值Qmax=17 L/m;每米预测钻孔钻屑量的最大值Smax=4.2 kg/m。经过杉木树矿对N2492工作面造成超标情况的分析总结,认为其存在问题还是在钻孔设计和施工过程中的管理:①N2492工作面下块分别在中巷和运输巷施工钻孔,但钻孔未能交叉覆盖空挡区域;②钻孔施工过程中钻孔长度不一造成工作面存在三角带;③封孔仍然存在长度不够、不严实情况。N2492工作面ф120 mm及以上钻孔混合流量45.0~56.7 L/min,纯流量27.00~31.75 L/min,分别是ф75 mm钻孔混合流量和抽采纯流量的1.67~2.10倍和3.38~3.92倍。

4 全矿井应用效果总结

2014年1—11月完成打钻进尺197 744 m,其中大直径钻孔进尺163 948 m,12月份打钻进尺计划19 000 m,其中大直径钻孔约16 150 m,则全年杉木树矿完成打钻进尺216 744 m,其中大直径瓦斯抽放孔180 098 m,大直径钻孔进尺占全年总进尺的83.1%(表3)。采用大直径钻孔抽放瓦斯,钻孔施工效率可提高在1~2倍,为采煤工作面治灾赢得时间和空间,缓解掘进工作压力;抽采效果好,能够很好解决生产过程中的瓦斯问题;大功率钻机扭矩大,排渣较容易,可广泛用于低透气性高瓦斯松软厚煤层工作面。

注:N26轴部运输巷、N3042胶带运输巷、N3042回风巷碛头钻孔总进尺包含水力割缝。

5 结语

大直径钻孔投入使用后,杉木树矿N3022工作面瓦斯抽采浓度高,均在30%以上,其中有16组达到40%以上,初始流量为300~570 L/min;N2492工作面ф120 mm及以上钻孔混合流量为45.0~56.7 L/min,纯流量为27.00~31.75 L/min,分别是ф75 mm钻孔混合流量和抽采纯流量的1.67~2.10倍和3.38~3.92倍;S3062回风巷及切眼掘进未出现防突预测指标超标的情况。从而可知,大直径钻孔在杉木树矿的应用情况良好,在地质情况相同或相似的矿井可推广应用该技术,施工大直径钻孔,可有效提高瓦斯抽采率,减少突出事故的发生,有助于矿井的安全生产。

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瓦斯抽采技术在平煤香山矿的应用 篇11

关键词：瓦斯；安全；抽采

中图分类号：TD713 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0046-02

1 地理位置

平煤股份香山矿位于宝丰县周庄镇境内，东距平顶山市区约16 km，西距宝丰县10 km。井田位于平顶山市香山寺西部，东部以55勘探线与平煤集团十一矿相邻，西至凤凰岭逆断层，南至各组煤层露头，北部分别到丙组-300 m、丁组-550 m、戊组-570 m、已组和庚组-500 m水平，戊煤组-550 m，己组和庚煤组-700 m底板等高线与十一矿为界。全矿井绝对瓦斯涌出量为7.90 m3/min，相对瓦斯涌出量为4.02 m3/t，属瓦斯矿井。

2 工作面概况

戊9-10-22200综采工作面东起戊二下延轨道下山保护煤柱，西至郑尧高速保护煤柱线，其上为戊9-10-22180规划面，下部为矿井边界。该采面煤层赋存稳定，走向长度1 852 m，采长185 m，煤层厚度在0.7 m～3.1 m之间，平均煤厚2.4 m，煤层倾角10 °～15 °，一般在13 °左右，可采储量109万t。采用单一走向长壁后退式采煤方法，综合机械化采煤工艺，全部垮落法管理顶板。工作面采用上行风通风，风量为1 800 m3/min，瓦斯绝对涌出量为3.62 m3/min，相对涌出量2.44 m3/t。

3 瓦斯传感器分布情况

戊9-10-22200综采工作面共布置瓦斯传感器4个，分别在采面上隅角，采面上口机尾向外10 m内，风巷中部及距风巷外口10～15 m范围内。传感器垂直悬挂在巷道的上方，距顶板不大于300 mm，距巷帮不小于200 mm，报警浓度为≥0.5%，断电浓度为≥0.8%，复电浓度≤0.5%，断电范围为工作面及其机轨巷内的全部非本质安全型电气设备。传感器每周调校一次。如图1所示。

4 瓦斯安全管理及效果

4.1 瓦斯安全管理措施

①在采面投产前风巷瓦斯传感器必须按规定装备齐全，悬挂在规定位置，且传感器与煤壁之间严禁存放带电设备。

②上隅角及采面上口传感器的外移工作必须由当班班长负责，当班瓦斯检查员负责督促。全队职工都应有责任保护好瓦斯监测传感器，不得随意碰撞和洒水，造成传感器监测数据失真和误断电现象。

③上隅角和下隅角必须使用挡风帘，挡风帘覆盖机巷下帮不低于5 m，采面不低于10 m，上隅角挂风帘长度不低于10 m，避免上隅角瓦斯积聚。

④采煤上、下口老空区必须采取封堵措施，防止漏风。下口老空区使用编织袋配合珍珠盐进行封堵，上口老空区在使用编织袋和珍珠盐封堵之后再使用黄泥涂抹表面进行封闭。

4.2 采取瓦斯管理措施后的瓦斯情况

束管监测系统检测数值，如图2所示。

通过束管监测系统所反映的情况来看，老空区的瓦斯含量最高达到2.1%，最低在1.7%，基本在2.0%上下；上隅角瓦斯含量最高达到1.19%，最低在0.79%，基本在1.0%上下；回风流瓦斯含量则相对较低，最高达到0.65%，最低在0.39%，基本在0.5%上下徘徊。充分说明在采取了相应的瓦斯安全管理措施后仍旧达不到安全生产的要求，因此必须采取瓦斯治理专项措施。结合现场实际情况，瓦斯抽放是最经济、最合理的瓦斯专项治理措施。

5 瓦斯抽放泵的选型、管路布置及抽放方法

5.1 瓦斯抽放泵的参数及组成

根据工作面实际情况，确定选用型号为2BES42型矿用防爆真空泵。排气量：0～150 m3/min，极限真空度：-81 kPa，功率200 kW，电压：660 V，电机型号为YBSS200，外型33 m×2 m×1.5 m。该套泵站所有设备均安装在平板车上，共有设备：水环真空泵1台，气水分离器一套，电动机1台，防爆开关1台，放水器4个，出渣器2个。瓦斯断电使用KG4N监控系统中的2台甲烷传感器，一台安设在泵站回风侧，斯浓度达到0.5%时瓦斯断电仪自动切断泵站的所有电气设备；另一台安设在排放管口下风侧30 m处，局巷道顶板300 mm，报警点、断电点为1%，瓦斯浓度达到1%时瓦斯断电仪自动切断泵站的所有电气设备。

5.2 瓦斯抽放泵的安设

瓦斯泵站安设在回风巷外段新鲜风流内。在旁边设置一个长1.5 m，宽1.2 m，深0.8 m的水箱2个，用于抽放泵的循环用水。抽放泵的用水直接排到水沟内流至-570水仓内，瓦斯浓度观测孔设在排放管侧，排放口设置在戊组总会内。瓦斯抽、排放管均采用φ200 mm的无缝钢管，瓦斯排放管长120 m，排放管路出口设置警示标志，管口下侧设置1个甲烷传感器；瓦斯抽出管路长1 800 m。抽放泵站及管路布置图，如图3所示。

5.3 抽放方法

采用边采边抽的方法。戊9-10-22200综采工作面自然发火期为6～12个月，自燃等级一级，为了防止老空区自然发火，并根据实际经验确定每班抽方瓦斯4～6 h。抽放管路末节使用φ200 mm，长6 m的玻璃钢软管，管口使用钢丝过滤网包裹，以防止渣块进入管路。软管伸入老空区1.5 m左右。采面每推进6 m拆卸一次无缝钢管（一根φ200 mm的无缝钢管的长度），拆卸无缝钢管在停泵期间。

6 瓦斯排放安全浓度校检

该泵排出瓦斯进入戊组总回风巷中，而戊组总回风巷瓦斯浓度必须小于1%。先戊组总回风巷中瓦斯浓度最大为3%，风量最大为1 800 m3/min，按该泵排量最大为60 m3/min，取最大瓦斯浓度4%，则使戊组总回风巷瓦斯浓度增加0.14%，总瓦斯浓度为4.4%，符合《煤矿安全规程》要求。

7 瓦斯抽放泵的操作及注意事项

7.1 开 机

瓦斯抽放泵在开机时要注意以下一些事项：首先要检查瓦斯泵同轴度和轴承架的黄油是否足够，然后再放入清水清洗10分钟，以便放出污水。其次，要检查泵及其他设备能否投入工作，关闭备用泵的进水和进气、排气阀门。第三，要操作电器系统，试启动检查运转方向是否正确，正确即可正常运转，使抽放泵投入正常使用，然后再缓缓开启进气阀门，调节各阀门，使抽放泵各抽放参数达到合理要求。第四，还要保持轴承温度不超过外界温度50 ℃，实测的最高温度不大于75 ℃，并保持供水压力0.02～0.08 MPa排水温度不大于40 ℃。此外，在还要注意注水和水封的情况是否正常以及转速和轴承功率是否稳定等等，要时刻观察抽放泵的运行状况，发现异常时要及时向领导汇报。

7.2 停 机

瓦斯抽放泵在停机时需要注意的事项主要有：首先是停机前先检查各相应设备能否进入停机规程中，切勿操作过急，以免操作不当导致事故和机器的损害。其次是按照操作规程的要求关闭进气阀、切断进气，同时还要及时切断电机电源，使抽放泵处于停机状态。第三要检查好进水管阀门及排水管阀门是否已经关闭到位，这里值得注意的是，当需要停机的时间在两天以上时，还应该放出泵内积水。最后需要强调的是，当遇到紧急情况（比如停电）时，除了要迅速关闭工作系统外，还要立刻向上级单位汇报，以免延误处理时机，影响应急预案的启用。

7.3 放水管理

泵站司机要及时抽放站附近放水器内的积水，确保泵站运转稳定，抽放负压、流量正常，停泵后和开泵前必须放水，保证放火器内无水，方可开泵。

抽放泵停开一天以上须将泵体内的水从泵体下部放完，以免泵体锈蚀。

8 采取瓦斯抽放措施后的瓦斯情况

通过束管监测系统所反映的情况来看，采取瓦斯抽放措施后老空区的瓦斯含量最高达到1.2%，最低在1.02%，基本在1.1%上下；上隅角瓦斯含量最高达到0.7%，最低在0.32%，基本在0.4%上下；回风流瓦斯含量则相对较低，最高达到0.35%，最低在0.18%，基本在0.22%上下徘徊。说明在采取了瓦斯抽放措施后达到安全生产的要求。

9 结 语

通过瓦斯抽放措施前后瓦斯情况对比，充分说明了瓦斯抽放措施起到的重要作用，有效的降低了采面回风流中的瓦斯含量，达到了采面安全生产要求，保证了采面的安全生产，值得煤炭系统的工程技术人员做进一步的探讨和研究

参考文献：

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2008，（36）.

钻孔瓦斯抽采 篇12

关键词：定向钻孔,瓦斯抽采,千米钻孔

0 引言

随着矿井开采深度、开采强度的增大, 地质构造愈加复杂, 矿井瓦斯涌出量、瓦斯突出危险性增加, 瓦斯涌出呈不规律性。但是, 瓦斯又是经济的可燃气体, 是一种清洁、方便、高效的能源, 其发热量33.5~36.8 MJ/m3, 并且不存在环境污染问题。大力开发煤层气, 既可以充分利用地下资源, 又可以改善矿井安全条件, 提高经济效益, 并有利于改善地方环境质量和全球大气环境[1]。矿井目前瓦斯抽采钻孔施工效率较低, 和煤矿瓦斯灾害治理对瓦斯抽放的要求相比, 我国煤矿瓦斯抽放效果亟待提高[2]。钻孔施工设备不足, 施工过程和打钻深度受采掘的制约, 影响了矿井瓦斯的高效抽采。矿井瓦斯抽放是从源头上防止瓦斯事故的治本措施, 是减少瓦斯向采掘空间涌出, 降低井下空气中瓦斯浓度的有效方法[3]。但是我国目前的平均抽放率仅有23%, 低于俄罗斯、美国、澳大利亚等主要采煤国家的50%[4。因此需要先进的瓦斯抽采技术用于区域瓦斯治理, 提高瓦斯抽采率, 解决煤矿高瓦斯区域工作面瓦斯安全问题。

1 矿井概况

神华乌海能源公司乌达矿区目前有黄白茨、五虎山两个高瓦斯矿井, 拥有煤炭储量1.3×108 t, 瓦斯地质储量1.1×109 m3。五虎山煤矿主采9#、10#、12#煤层, 核定生产能力为200万t/a, 矿井绝对瓦斯涌出量为87.43 m3/min, 相对瓦斯涌出量38.2 m3/t, 采面最大绝对瓦斯涌出量为23.8 m3/min。黄白茨煤矿绝对瓦斯涌出量为50.81 m3/min。

钻孔施工设备为澳大利亚威利朗沃集团有限公司的VLD-1000系列长距离定向钻机, 是世界煤层钻进最先进的千米定向钻机。该钻机在钻机定位、钻具安装、煤层钻进、完孔接抽等方面具有完备、系统的技术工艺。每根钻杆直径70 mm、长3 000 mm;钻头直径96 mm, 钻孔实际直径110 mm, 封孔管直径108 mm, 长8 00 mm。

2 治理瓦斯钻孔施工总体方案

2.1 钻孔布置参数设置

瓦斯治理大致可分为本煤层瓦斯、邻近层瓦斯及采空区瓦斯, 要根据不同的瓦斯来源采取相应的技术进行瓦斯治理, 如图1所示。本项目针对乌达矿区五虎山和黄白茨煤矿开采煤层进行钻孔参数设置, 其中以五虎山矿12#煤层的瓦斯钻孔设计为例进行说明。

施工采用VLD-1000型定向钻机, 开孔直径145 mm, 然后用长度为6 000 mm, 直径100 mm孔管封孔, 壁间采用专用水泥密闭凝固后用直径96 mm钻头, 钻进至终孔。钻孔设计情况如图2所示。

采用千米定向钻孔对开采煤层进行瓦斯抽采具有工程量小、工期短的优点, 从而比普通钻孔技术获得更长的瓦斯抽采时间。1205工作面钻孔设置情况如表1所示。

2.2 钻孔施工工艺

采用VDL-1000型定向钻机, 其具体施工工艺为: (1) 钻机定位。根据推测煤层倾角, 按设计开孔方位和设计钻机开孔倾角定位钻机, 使用专用的液压支柱及拉力为1.5 t的机械式紧线器固定钻机; (2) 煤层开孔。使用直径150 mm三牙轮岩石钻头开孔, 煤层中开孔深度6~12 m。成孔后使用直径100 mm专用封孔管和专用水泥注浆封孔, 封孔结束后4 h安装孔口设施; (3) 钻具安装。安装孔底马达、DGS钻杆和无磁铜钻杆, 校正马达弯头方向; (4) 岩石钻进。使用96 mm三牙轮钻头进行岩石钻进, 从孔口开始一般每6 m (2根钻杆) 测量1次孔底参数; (5) 煤层钻进。钻孔揭煤后洗孔, 待返水稳定后退出钻杆, 更换成96 mm (PCD) 钻头按设计方位及倾角进行钻进, 一般每6 m进行1次孔底参数测量; (6) 措施孔钻进。一般煤矿缺乏详细的煤层资料, 为保证实现煤层钻进, 在钻进中每75~100 m间距探煤层顶板一次, 以确定煤层状况并指导钻进。探顶结束后退钻杆至预留的分支点, 继续主孔钻进; (7) 钻孔封孔。钻进开孔时采用直径150 mm的钻头开孔, 然后下长6 m、直径100 mm的孔管封孔, 管壁与煤壁之间用专用水泥封闭。采用注浆机向壁间灌注水泥, 水泥凝固后, 用直径96 mm的钻头钻进; (8) 完孔接抽。完孔后安装孔板流量装置并将钻孔并入矿井主抽放系统进行联网抽放。接抽后第一个月内每周5次对钻孔流量进行测量, 从第2个月开始每周至少2次对钻孔瓦斯流量进行测量, 直到项目结束, 测量结果形成抽采日报表及月报表。

3 千米定向钻孔抽采效果及优势

千米定向钻孔技术分别应用在黄白茨、五虎山的瓦斯治理上, 所施工钻孔抽采效果良好, 平均抽采瓦斯浓度为61%, 最高达90.1%。由表2、3可知, 矿区瓦斯抽采效率达40%, 抽采瓦斯3.152×107m3, 对神华乌海能源公司的瓦斯治理工作起到了积极的作用。

104m3

煤层中的瓦斯主要有吸附和游离两种状态, 其中吸附态瓦斯占煤层瓦斯含量的80%~90%, 吸附状态与游离状态瓦斯处于一种动态平衡。定向钻孔可沿钻孔长度方向在周围煤体内形成一个卸压圈, 能够改变煤体原有的应力平衡状态, 从而打破煤体内瓦斯吸附-解析的动态平衡。由于钻孔负压与煤体的孔隙形成一定的压力梯度, 处于正压状态下的瓦斯会通过卸压圈裂隙不断流向钻孔空间, 补充流失的游离瓦斯以达到新的平衡。煤体吸附瓦斯向游离状态转换, 使周围煤体瓦斯得到有效排放, 引起煤体发生收缩变形、坚固性系数增大、透气性系数大幅增高、地应力与瓦斯压力梯度减小, 而千米定向钻孔影响范围扩大, 对提高抽采效果起到积极作用。

千米定向钻孔与普通倾向钻孔的抽放流量、抽采浓度效果比较如图3、4所示。从图3、4中可以看出千米钻孔最大瓦斯流量和瓦斯浓度分别是普通钻孔的3.6倍和8.5倍, 千米定向钻孔抽放效果大大优于普通钻孔。

4 结论

(1) 乌达矿区高瓦斯矿井五虎山煤矿和黄白茨煤矿应用千米定向钻孔技术大大提高了瓦斯抽采效率, 由以前的平均不足30%提高到40%以上, 瓦斯抽采浓度平均为61%, 单孔最大浓度达90.1%, 为乌达矿区高瓦斯煤矿安全生产提供了技术保障。

(2) 千米定向钻孔施工方便, 操作简单, 施工工期短, 一定程度上可提高煤层透气性系数, 相对于普通钻孔, 施工能够提供较长的瓦斯抽放时间, 有利于提高瓦斯抽采率。

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