低透气煤层增透技术

低透气煤层增透技术（精选7篇）

低透气煤层增透技术 篇1

摘要：我国高瓦斯矿井所采煤层普遍为低透气性煤层, 要对瓦斯充分抽采利用, 必须研究增透技术。本文总结了高瓦斯低透气性煤层增透传统技术, 研究了高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采及增透技术新进展, 提出了瓦斯抽采及增透技术的研究方向。

关键词：低透气性煤层,瓦斯抽采,增透技术

0 引言

煤层气俗称“瓦斯”, 是指赋存在煤层中以甲烷为主要成分, 以吸附在煤基质颗粒表面为主, 部分游离于煤孔隙中或溶解于煤层水中的烃类气体。一方面, 煤矿开采是瓦斯涌出威胁着煤矿安全生产;另一方面, 煤层气燃烧能产生大量的热, 并且几乎不产生任何有毒有害的气体, 是清洁能源。1m3纯煤层气的热值相当于1.13kg汽油、1.21kg标准煤, 其热值与天然气相当, 可以与天然气混输混用, 所以它是非常好的燃料, 可以用作工业燃料、生活燃料等, 是21世纪具有重要战略资源的“绿色能源”。不论是从煤矿开采安全的角度还是从能源利用的角度, 都应在开采前或开采的同时对瓦斯进行抽采利用。但是我国95%以上的高瓦斯矿井所开采的煤层都属于低透气性煤层, 煤层的低透气性导致大部分煤层抽采困难, 严重影响了瓦斯的抽采利用率, 制约着这个清洁能源的开发利用的发展。所以, 研究增加煤层的透气性的技术, 从而加大瓦斯抽采率是非常有必要的。

1 高瓦斯低透气性煤层增透技术研究现状

煤体透气性的影响因素主要有地应力、瓦斯压力、孔隙裂隙结构等因素。为了增加煤层的透气性系数, 国内外的许多研究人员从改变应力状态、卸压、增加孔裂隙发育程度等方面进行了不少探索, 目前高瓦斯低透气性煤层增透技术大致有如下几种:

1.1 高瓦斯低透气性煤层增透传统技术

1.1.1 采动卸压增透技术

采动卸压增透技术主要是指利用临近煤层或临近区域开采、保护层开采, 使本区域煤岩体或位于被保护层上、下层位的煤岩体受到采动的影响, 煤岩体中应力应变状态和瓦斯压力参数发生变化, 使煤体的渗透系数、煤体内瓦斯渗流速度、瓦斯涌出量剧增, 导致瓦斯解吸, 在孔裂隙中扩散渗流, 从而为瓦斯抽采提供有利条件。保护层开采结合被保护层卸压瓦斯抽采已成为优先采用的区域性瓦斯治理技术。另外还有利用采空区卸压增透, 其原理都是煤体受采动扰动, 造成应力重新分布, 卸压, 以达到增透的效果。

1.1.2 钻孔或造穴增透技术

利用钻孔等方法使煤岩体的某些区域形成一定的空洞, 从而改变煤体应力状态, 造成媒体内裂隙、孔隙的重新分布, 使原有裂隙扩大、贯通或形成新的裂缝, 以此提高媒体的透气性系数。比较传统的方法有钻孔卸压增透法, 各项研究或工程实践根据实际开采和地质情况, 采用不同的布孔方式, 常采用的是密集布孔、网格式抽采、立体交叉、斜交与垂直工作面结合等方法, 各大科研机构和工程技术人员也进行了较为广泛的研究。

余长林[1]提出对于单一低透气性、高瓦斯煤层, 采用斜交和垂直工作面布孔方式, 经实践证明可以达到增透, 提高抽采率的效果。目前的研究和应用主要集中在各种布孔方式、不同孔径孔深、不同密集程度等的联合使用上。

另外, 在钻孔的基础上进行掏穴或者称为造穴, 通过二次扩孔的过程, 对周围媒体进行再一次扰动, 加大了煤体的膨胀变形, 使卸压更加充分, 从而使透气性进一步加大, 增透效果更加显著。

蔡如法[2]等在底板巷穿层钻孔中进行了掏穴增透强化抽采技术试验。实践证明掏穴后钻孔中瓦斯浓度可以增长5~6倍, 瓦斯抽采量明显增长, 有些可以达到普通钻孔的5倍左右。掏穴增透强化抽采技术施工简单, 不需要过多的仪器设备, 但是效果很显著, 为提高瓦斯抽采效果提供了一种行之有效的方法, 值得推广应用。

1.1.3 高能液体扰动致裂增透技术

此增透技术主要是利用注入高能液体扰动媒体, 使应力场重新分布, 煤体内的裂缝和裂隙的数量、长度、张开度均得到增加, 增大了煤层内裂隙、裂缝和孔隙的连通面积, 达到卸压进而改变煤层的透气性系数的目的。有关高能流体扰动卸压增透技术主要包括水力割缝、水力压裂、煤层注水、水力掏槽、水力扩孔、水力挤出以及后来兴起的高压磨料射流割缝等。

水力压裂是以水作为动力, 使煤体裂隙畅通的一种措施。水力压裂技术即是通过高压水的劈裂作用, 使煤岩体中原有孔裂隙胀开、扩展和延伸, 增加了煤体孔隙率, 通过原有孔裂隙的延伸、扩展使裂隙之间联通, 形成相互交织的裂隙网络, 增加了瓦斯的扩散、渗流通道, 形成更大范围的卸压区域, 煤体整体均匀卸压, 吸附瓦斯快速解吸, 致使煤体渗透率大大提高[3]。煤体卸压后, 小部分瓦斯解吸随水流出煤体, 大部分瓦斯通过钻孔抽出。水力致裂在井下保护煤层、单一突出危险煤层中大量使用, 实践证明这种技术在这种煤层中提高储层渗透率效果显著, 并且由于水力致裂技术的经济性和易操作性, 使它成为在井下保护煤层、单一突出危险煤层中最常用的增透技术措施。

水力割缝是在减少钻孔数量的同时, 在煤体中切割一定长度的扁平的裂缝, 裂缝上面的煤体垮落后, 煤体内应力重新分布, 导致煤体内裂隙的数目、规模增加, 使煤层达到较好的卸压和增透效果。大量实践证明, 水力割缝措施可使煤层透气系数增加1~2个数量级, 割缝区的钻孔瓦斯抽采量可增加1~2倍[4]。由于水力割缝要求把钻孔之间割通, 具有一定施工难度。有学者[5]通过分析煤层巷道煤与瓦斯突出机理, 提出了整体卸压理念, 开发了高压磨料射流割缝防突技术, 并且在煤层巷道掘进工作面进行了实际应用。此法是在煤层开采过程中, 利用高压磨料水射流对两侧的实体煤进行冲蚀、切割, 随着切割的深入, 在两侧煤体内形成一条扁平槽缝, 槽缝具有一定的深度, 被切割下来的煤体随水流带出钻孔外。通过射流割缝, 钻孔内煤体的暴露面积增加, 一方面槽缝周围的煤体在地压的作用下向槽缝空间移动, 扩大了卸压和排瓦斯的范围;另一方面, 从保护层角度考虑, 槽缝就相当于开采了一层很薄的保护层, 从而层内自我解放, 内部卸压, 为煤体内瓦斯流动和释放创造条件, 增加了煤层的透气性[5]。此技术有几大特点:首先是该技术可用于具有突出或冲击危险的煤层, 使煤体得到充分和快速卸压、增透, 提高抽采瓦斯的能力;同时还能将掘进面前方的更大区域的媒体中瓦斯和地应力进行快速释放, 减少了掘进工作的危险性, 使掘进工作环境更为安全;再次是它用水量相对较少、工艺简单、操作方便等;另外还可以减少用于消突的瓦斯排放钻孔的个数。所以它在技术上、安全上和经济上都具有实际应用价值。

1.1.4 控制爆破增透技术

利用深孔控制爆破技术使爆炸产生的爆生气体对煤体扰动, 利用爆炸冲击波和爆炸应力波的动态冲击使煤体应力场重新分布, 在爆破震裂、高压爆生气体和煤层原始瓦斯压力的尖劈致裂的共同作用下, 克服煤体强度及煤层地应力, 使煤体内的裂缝和裂隙的数量、长度和张开度均得到增加, 增大了煤体内裂缝、裂隙和孔隙的连通面积, 从而改变煤体的透气性系数。如深孔聚能爆破增透技术、深孔松动爆破卸压增透技术、预裂爆破增透技术及水压爆破技术等。

深孔预裂爆破技术是除普通深孔以外, 辅助以控制孔, 实现爆炸孔之间、爆炸孔与控制孔之间及其周围煤体的定向预裂, 从而达到卸压增透的效果。在实际应用和研究中, 发现一般深孔爆破粉碎圈范围大而断裂带半径小, 增透效果不足, 目前也有用深孔聚能爆破和水压爆破, 利用有聚能穴的装药方法和在聚能穴上安装聚能罩, 或者在药柱和炮孔壁之间装水的方法, 进一步增加径向裂隙个数和煤层渗透性。

1.2 高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采及增透技术新进展

1.2.1 可控的煤与瓦斯突出开采技术

煤与瓦斯突出时会大量喷出瓦斯和粉煤流, 虽然煤与瓦斯突出对煤矿开采来说是灾难, 但是煤与瓦斯突出时的巨大能量其实是可以利用的, 可以把灾难变成煤与瓦斯共采的一项技术, 从“防治”改为“控制利用”。

煤与瓦斯突出的过程中瓦斯能粉碎煤体, 使煤岩体发生破坏失稳和抛出, 同时瞬间大量喷出瓦斯。煤与瓦斯突出的动力主要是煤体受地应力作用产生的弹性变形能和煤体内游离瓦斯的瓦斯膨胀能[7]。在低透气性高瓦斯煤层内瓦斯处于封闭状态, 应力集中区的高压瓦斯是具备对外做功的瓦斯膨胀能, 如果瞬间改变煤层内外的瓦斯压力差就可以使煤与瓦斯突出;而注入气体保持煤层内外的压力差, 使煤与瓦斯尽可能地连续发生突出, 就可以连续抛出更为破碎的粉煤流, 形成很大区域的卸压。如果这一过程能够得到很好控制, 那么是可以利用这个煤层中瓦斯自有能力实现煤与瓦斯共采。但是目前的技术难题就是如何控制这一过程, 如何回收突出的煤与瓦斯, 这将是值得进一步深入研究的一项重大课题。

1.2.2 超声激励增透开采技术

早在20世纪五、六十年代, 美国和前苏联就开始了超声波处理油层的研究工作, 并取得了良好的效果, 但是超声波对低渗煤层增透机理研究较少。20世纪90年代, 鲜学福教授提出了利用可控功率超声波通过物理激励的办法来提高煤层气抽采率的理念。此后, 国内众多学者为了探讨超声波对低渗甲烷储层的增透机理研究, 进行了不同地应力场、温度场、静电场、交变电场、声场作用下不同煤质煤岩吸附甲烷特性和储层渗透特性的研究。任伟杰等[8]在空化理论基础上, 通过一系列实验研究了功率超声对煤岩裂隙发育、发展、应力状态的改变以及对煤岩力学性能的影响;于永江、张春会等[9,10]从超声波机械效应和热效应的角度, 采用理论和实验研究方法探讨了声场关键参数对煤层增透效果的影响, 提出了功率超声损伤一机械震碎-热效应耦合的增透机理。国外Kawamura、Kawakata等通过CT三维观测和CT射线观测对冰层中矿石岩样密度, 花岗岩单轴和三轴受载过程的裂纹扩展过程进行观测[11]。这些研究结果都证实了超声波可以达到增透的效果。

虽然超声激励煤层增透技术是一种不受甲烷储层地质条件和气源特性限制, 具有普遍应用价值的增采技术, 但由于煤岩致密和裂隙、孔隙度存在多尺度效应, 甲烷解吸、渗流规律受储层介质尺度效应影响的增透促吸机理尚不明确[11]。所以探寻超声波增透机理, 分析超声激励低渗透煤层前后变化规律, 建立超声激励低渗储层煤层气运移理论, 为设计适合工程现场的超声激励技术提供理论依据和实验基础, 将是此技术将来的研究方向。

2 高瓦斯低透气性煤层瓦斯抽采增透技术发展方向

1) 不断探索煤与瓦斯共采的技术, 合理整合和改进现有增透技术, 多种方法综合使用, 分阶段、分区域合理布置, 以达到最佳增透效果。

2) 不断探索煤与瓦斯突出等灾害发生机理, 研究控制利用“灾害”的新理论、新技术、新方法, 结合实际工程“变废为宝”, 以达到安全和高效的双赢。

3) 不断探索其他领域已成熟技术在煤矿开采、瓦斯抽采和低透煤层增透等方面的应用, 如超声激励增透技术等。

参考文献

[1]余长林.提高低透气性煤层钻孔抽放瓦斯量的途径[J].煤矿安全, 1999, 05:35-36.

[2]蔡如法, 童校长.穿层钻孔掏穴增透强化抽采瓦斯技术研究[J].安徽建筑工业学院学报 (自然科学版) , 2011, 04:47-50.

[3]袁星旭, 钟定云, 董国福.水力压裂增透技术在K_1煤层掘进条带中的应用[J].矿业安全与环保, 2012, S1:39-41+44.

[4]俞启香, 周世宁.我国煤矿瓦斯抽放及21世纪展望[A].中国煤炭学会 (China Coal Society) .21世纪中国煤炭工业第五次全国会员代表大会暨学术研讨会论文集[C].中国煤炭学会 (China Coal Society) :2001:7.

[5]林柏泉, 吕有厂, 李宝玉, 翟成.高压磨料射流割缝技术及其在防突工程中的应用[J].煤炭学报, 2007, 09:959-963.

[6]胡旭强.高压磨料水射流割缝卸压防突技术与应用[J].中州煤炭, 2013, 07:98-100.

[7]谢雄刚, 冯涛, 王永, 黄寿元.煤与瓦斯突出过程中能量动态平衡[J].煤炭学报, 2010, 07:1120-1124.

[8]任伟杰, 袁旭东, 潘一山.功率超声对煤岩力学性质影响的试验研究[J].辽宁工程技术大学学报 (自然科学版) , 2001, 06:773-776.

[9]于永江, 张春会, 王来贵.超声波干扰提高煤层气抽放率的机理[J].辽宁工程技术大学学报 (自然科学版) , 2008, 06:805-808.

[10]张春会, 李其廉, 于永江, 赵全胜.功率超声致煤层瓦斯升温机理[J].辽宁工程技术大学学报 (自然科学版) , 2009, 04:525-528.

[11]肖晓春, 潘一山, 吕祥锋, 杨新乐.超声激励低渗煤层甲烷增透机理[J].地球物理学报, 2013, 05:1726-1733.

低透气煤层增透技术 篇2

1 聚能爆破增透机理

聚能爆破采用不耦合装药, 炸药爆炸产生的爆轰波首先压缩间隙内的空气形成空气冲击波, 而后空气冲击波作用于炮孔壁并在煤体内产生爆炸应力波。爆炸冲击波、应力波、爆生气体综合作用改变了煤体的原始应力状态, 在煤体内的初始裂隙尖端产生应力集中。由于煤体抗拉强度远小于其抗压强度, 在拉应力作用下初始裂隙尖端产生新裂隙或者使原有裂隙进一步扩展, 从而增加煤层的透气性。

2 聚能爆破增透试验

2.1 试验工作面概况

平煤六矿为煤与瓦斯突出矿井, 聚能爆破试验选在二叠系下石盒子组戊8-22310工作面, 工作面走向长1796m, 宽180m, 埋深为783m~882m, 煤厚1.5m~3.0m, 倾角1.8°~9.7°, 局部断层发育, 平均瓦斯含量7.18m3/t, 瓦斯压力0.71MPa, 且随着埋深增加瓦斯参数有增大趋势, 工作面突出危险性较大。

2.2 聚能爆破参数设计

(1) 炮孔直径。聚能爆破时, 既要使爆破后煤体裂隙充分发育, 又要尽量弱化煤体的粉碎性破坏, 因此必须采用径向不耦合装药结构, 即装药直径与炮孔直径不相等, 二者间得留出一部分孔隙。不耦合系数过小, 作用在煤体上的应力波较大, 会导致粉碎区较大;不耦合系数过大则裂隙在煤体中发育程度较小, 不利于增透。试验选取装药直径45 mm, 爆破钻孔为89 mm。

(2) 爆破孔与邻近抽放孔间距。在聚能爆破区域, 通常会布置一些抽采钻孔先进行煤层瓦斯预抽, 等聚能爆破增透之后再继续进行瓦斯抽采;抽采钻孔能起到导向孔的作用, 有利于聚能定向爆破。但是, 如果二者距离太近, 在爆破作用下会引起抽采孔孔壁破碎, 影响瓦斯抽采效果。因此, 瓦斯抽采孔应布置在爆破作用后的应力波不会造成抽采钻孔发生压破坏或拉破坏的位置。即:

式中:σmax为瓦斯抽采钻孔径向应力峰值, MPa;

σcd、σtd为爆破过程中煤体动态抗压、抗拉强度, MPa。

其距离可以通过下式计算:

式中:l为聚能爆破孔与瓦斯抽采孔之间的距离, m;

P为爆破钻孔孔壁的冲击力, MPa;

r1为炮孔的半径, m;

α为应力衰减系数。

试验选取间距为1.5m以上。

(3) 爆破孔与顶底板间距。聚能爆破主要是通过致裂煤体, 增加煤体的透气性, 但当爆破孔与顶底板相距较近时, 可能在爆破作用下使煤层顶底板产生破坏, 给后期支护等过程造成安全隐患。尤其是煤层上部有含水层的情况更应留出更大的安全距离, 通常该距离在0.6m以上。

(4) 爆破孔间距。聚能爆破后, 在爆破孔周围可分为粉碎区、裂隙区及震动区。其中前两者范围内煤层透气性显著提高, 而震动区内的部分区域的透气性有所增加, 因此要合理确定震动区的范围, 保证整个区域充分增透, 通常可按下式进行估算:

式中:R为震动区半径, m;

Q为装药量, kg。

根据震动区半径即可设计出炮孔间距, 通常炮孔间距为10m~20m, 试验中选择15 m。

(5) 轴向装药长度。爆破孔的装药长度通常设计为30m, 装药长度越大, 爆炸所产生的冲击效应越大。在径向装药不耦合系数一定的条件下, 通过调整装药的长度可实现预期的爆破效果。

2.3 聚能爆破钻孔布置

根据戊8-22310工作面实际条件, 以及设计的爆破参数, 在工作面进行了15次聚能爆破试验, 其中14次在机巷, 1次在风巷, 具体钻孔布置图如下所示。

2.4 聚能爆破增透效果

为检验聚能爆破增透效果, 对聚能爆破前后爆破影响区及非爆破影响区的平均瓦斯抽采浓度和平均瓦斯抽采纯量进行了对比。爆破前的瓦斯抽采浓度为23.7%, 瓦斯抽采纯量为0.004 m3/min;爆破后瓦斯抽采浓度为30.2%, 瓦斯抽采纯量为0.015 m3/min, 增量分别为6.5%、0.011 m3/min。非爆破影响区的瓦斯抽采浓度为18.3%, 瓦斯抽采纯量为0.008 m3/min;爆破影响区瓦斯抽采浓度为29.3%, 瓦斯抽采纯量为0.016 m3/min, 分别是非爆破影响区的1.6倍、2.2倍。爆破作用使煤体裂隙大量增加, 煤层透气性显著增加, 瓦斯抽采效果显著提高。

3 结论

(1) 煤层深孔聚能爆破利用爆破过程中所产生的冲击波破坏煤体, 促使煤体内裂隙的发育, 从而增加煤层的透气性, 促进煤层瓦斯抽采效率的提高。

(2) 深孔聚能爆破的主要参数包括炮孔直径、爆破孔与邻近抽放孔间距、爆破孔与顶底板间距、爆破孔间距、轴向装药长度等, 爆破的效果可通过匹配参数获得。

(3) 通过平煤六矿戊8-22310工作面进行聚能爆破工业性试验表明, 聚能爆破能够很好地增加煤层的透气性, 瓦斯抽采效率明显提高, 是一种很好的增透技术。

摘要：针对低透气性煤层瓦斯抽采困难的问题, 采用聚能爆破的方法促使煤体裂隙发育, 从而增加煤体的透气性;同时分析了聚能爆破的钻孔参数与爆破参数。通过在平煤六矿戊8-22310工作面进行聚能爆破工业性试验表明, 聚能爆破能够很好地增加煤层的透气性, 提高瓦斯抽采效果。

低透气煤层增透技术 篇3

根据低透气性煤层的瓦斯地质赋存特点及井巷布置特征,结合现场实际,提出了在杜儿坪煤矿62510综采工作面采掘过程中采用“掘进预抽+回采工作面预抽+高低位倾向顶板裂隙钻孔抽采+联络巷密闭埋管采空区抽采”的瓦斯综合治理技术,大大减少了工作面瓦斯涌出量,实现了矿井瓦斯的综合治理与利用。

1 工程地质概况

62510工作面位于杜儿坪煤矿北五盘区2#煤层东部,东邻62508采空区,西邻62512工作面,南邻中部断层,北邻北五左翼轨道巷,距离下部3#煤层未采区域6~8 m。煤层的透气性系数为0.01 ~0.08 m2/(MPa2·d),属于难抽采低透气性煤层。62510工作面走向长811 m,倾向长210 m,煤厚平均2.15 m。根据相邻的62508工作面回采期间和62510工作面掘进期间的瓦斯情况及产量计划,预计62510综采工作面绝对瓦斯涌出量为23.7 m3/min,相对瓦斯涌出量为12.7 m3/t。

62510工作面采用U型通风方式,回采期间绝对瓦斯涌出量大,采空区裂隙带瓦斯积聚量大,仅凭本煤层顺层钻孔和联络巷密闭埋管抽采,不能充分对裂隙带积聚瓦斯进行抽采,故需采取更为有效的瓦斯抽采技术综合措施。

2 瓦斯抽采综合技术

为了增加低透气性煤层裂隙发育程度,提高煤层瓦斯抽采率,杜儿坪矿62510工作面针对不同开采阶段、不同层位的瓦斯聚积区进行了抽采,具体分为4个方面:①在掘进工作面施工超前于迎头150~200 m的走向和定角度本煤层预抽钻孔,对掘进工作面进行边掘边抽;②在综采工作面施工本煤层顺层钻孔,进行采前本煤层预抽和回采期间的边采边抽;③在综采工作面专用回风联络巷密闭埋管,利用移动泵进行采空区低浓度瓦斯抽采;④在回采工作面裂隙带位置施工高位抽采巷,并在巷道内施工高低位倾向顶板裂隙钻孔,采用巷道加钻孔联合抽采的方式抽采裂隙带瓦斯。

2.1 掘进工作面本煤层预抽钻孔抽采技术

由于瓦斯超限,62510工作面正巷及专用排瓦斯巷掘进至130 m时无法正常施工,决定在掘进工作面前进方向施工瓦斯钻场,在钻场内沿工作面走向施工走向孔和定角度孔,以达到降低掘进施工过程中瓦斯涌出浓度,提高工作面掘进速度的目的。

在巷道130 m处掘进方向施工第1组瓦斯抽采钻场,之后每隔150 m施工1组瓦斯抽采钻场,共计6组。每个抽采钻场规格:长×宽×高=5.0 m×3.0 m×3.4 m。每个钻场施工4个钻孔,设计孔深200 m,孔径113 mm,钻孔呈小扇形布置,如图1所示。

钻孔施工完毕后,使用聚乙烯(PE)管封孔器封孔,封孔器直径50 mm,长4 m。2根封孔器中间用PE管专用胶连接固定,采用毛巾缠绕聚氨酯前后做挡圈、用注浆泵灌注聚氨酯的封孔工艺,封孔深度8 m,封孔长度6.4 m,封孔器伸出煤壁200 mm,如图2 所示。钻孔施工长度比钻场间隔距离多50 m,形成瓦斯预抽叠加区域,每掘进循环钻孔交叉50 m,达到边掘边抽的目的。钻场钻孔每天24 h不间断抽采。

2.2 综采工作面本煤层顺层钻孔抽采技术

综采工作面本煤层顺层钻孔布置在正巷,钻孔采用平行于工作面采长布置,钻孔间距5 m,孔深200 m,孔径113 mm。工作面共布置157个钻孔,总施工量31 400 m,如图3所示。工作面本煤层顺层钻孔在回采前已预抽11个月以上,预计至回采时预抽瓦斯量为102万m3,在回采期间进行边采边抽。

采用2根长4 m的PVC管作为封孔器封孔,其直径为50 mm,封孔器前后两端采用毛巾+聚氨酯卷缠法封500 mm,中间部分采用注浆泵压注聚氨酯封严,封孔器伸出煤壁200 mm,封孔深度12 m,封孔长度10.4 m,如图4所示。工作面正巷铺设有Φ250 mm的聚乙烯瓦斯抽采管,长900 m一趟,抽采本煤层顺层钻孔瓦斯,并随着工作面回采逐步拆除瓦斯管。

2.3 高低位倾向顶板裂隙钻孔抽采技术

工作面顶板裂隙钻孔布置在工作面专用排瓦斯巷,钻孔平行于工作面采长,高低位穿层斜交钻孔间隔布置,钻孔间距5 m,孔深60 m,孔径113 mm,抽采顶板裂隙带瓦斯富集区瓦斯。高位钻孔倾角40°~42°,深入采空区20 m左右,终孔垂高40 m左右;低位钻孔倾角25°~27°,深入采空区30 m左右,终孔垂高25 m左右。工作面切眼往外20 m段连续布置4个低位孔,用以抽采采空区初次垮落的瓦斯,孔间距5 m,孔深60 m,钻孔倾角25°~27°。工作面共布置150个钻孔,总施工量9 000 m,如图5所示。采用2根长4 m的PVC管作为封孔器,其直径为50 mm,封孔器前后两端采用毛巾+聚氨酯卷缠法封500 mm,中间部分采用注浆泵压注聚氨酯封严,封孔器伸出煤壁200 mm,封孔深度12 m,封孔长度10.4 m,如图5所示。工作面专用排瓦斯巷铺设有1趟长1 200 m的Φ315 mm的聚乙烯瓦斯抽采管,利用移动泵站抽采顶板裂隙钻孔瓦斯。

2.4 联络巷密闭埋管抽采技术

在工作面布置井下移动瓦斯抽采系统,联络巷密闭埋管进行采空区和上隅角瓦斯抽采,以降低工作面回采期间采空区和上隅角瓦斯浓度。在工作面专用排瓦斯巷安装1台ZDY260/315-G移动瓦斯抽采泵,同时铺设有1趟长1 200 m的Φ450 mm的聚乙烯瓦斯抽采管,如图6所示。

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 边掘边抽技术效果分析

工作面掘进施工过程中在巷道两帮施工瓦斯抽放钻孔,大大降低了风流中瓦斯浓度,杜绝了瓦斯超限现象。在未实施边掘边抽技术前,瓦斯体积分数平均高达2.20%;在采取边掘边抽措施后,瓦斯体积分数一般不超过0.30%,没有发生瓦斯超限事故。在没有采取边掘边抽措施前,掘进队月进度140~180 m,采取措施后平均月进度能达到260~280 m,最高达300 m/月,掘进率约是采取措施前的2倍,确保了瓦斯预抽的衔接,缓解了采面接替紧张的局面。实施边掘边抽技术前后的瓦斯涌出量对比见表1。

3.2 综采工作面前方钻孔瓦斯抽采效果分析

工作面前方50 m范围内瓦斯抽采钻孔抽采纯瓦斯体积分数变化情况如图7所示,可见工作面前方25 m以内瓦斯抽采量开始增加,增加倍数最大达到几十倍,工作面前方15 m以内瓦斯抽采量增加显著。说明在工作面前方15 m以内煤体卸压效果较好,裂隙发育大大增加,瓦斯流动性增强;原始煤体内的瓦斯在经过一定预抽时间后,单位时间抽出的瓦斯混合量基本不再增加,达到1.20 m3/min,工作面单台抽采泵站瓦斯抽采混合量为15.95 m3/min。为了不影响工作面正常推进,一般提前5~10 m回撤抽采管路。因此,保证工作面前方5~25 m内瓦斯抽采效果,可有效降低工作面瓦斯涌出量。

3.3 工作面瓦斯监测结果分析

工作面开采前,在回风巷、上隅角、机组及专用排瓦斯巷出口处安设GJC4/100(B)智能型高低浓度甲烷传感器,监测风流中瓦斯浓度,各监测点随工作面推进而前移。自工作面开始回采至监测结束,各监测点风流中瓦斯体积分数变化如图8所示。从图8 可以看出,采用瓦斯抽采综合技术后,62510工作面的瓦斯体积分数在0.15%~0.30%变化,故62510工作面采取的“掘进预抽+回采工作面预抽+高低位倾向顶板裂隙钻孔抽采+联络巷密闭埋管采空区抽采”的瓦斯抽采综合技术达到了预期效果,保证了工作面的安全开采。

4 结论

1) 结合杜儿坪矿62510工作面低透气性煤层的瓦斯实际赋存地质情况及井巷布置特征,提出采用“掘进预抽+回采工作面预抽+高低位倾向顶板裂隙钻孔抽采+联络巷密闭埋管采空区抽采”的瓦斯综合治理技术,从工作面巷道掘进和回采两个过程开展了瓦斯的抽排工作。

2) 针对煤层低透气性的特点,若仅采用本煤层顺层钻孔和联络巷密闭埋管抽采不能充分对裂隙带积聚瓦斯进行抽采,故而在此基础上又增加了高低位倾向顶板裂隙钻孔抽采技术,在透气性较好的裂隙区内进行钻孔瓦斯抽采,解决了本煤层低透气性瓦斯抽采困难的问题。另外,采用综采工作面前方钻孔瓦斯抽采技术,工作面前方15 m以内煤体卸压效果较好,裂隙发育增加,从而对本煤层起到增透作用,使瓦斯流动性增强,提高了瓦斯抽采量。

3) 掘进过程中瓦斯体积分数一般不会超过0.30%,月进度达到260~280 m;回采过程中工作面的瓦斯体积分数稳定在0.15%~0.30%,有效地降低了工作面采掘过程中的瓦斯涌出量。

4) 钻孔单孔瓦斯抽采混合量基本稳定在1.20 m3/min,工作面单台抽采泵站瓦斯抽采混合量为15.95 m3/min,抽采率为67.24%,可为矿井瓦斯热能利用提供稳定的气源。

参考文献

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[3]凌志强,彭勇,周宗波,等.沿煤层定向钻进瓦斯抽采技术在宁夏矿区的应用[J].煤炭科学技术,2008,36(11):47-51.

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[7]石琨.综放工作面瓦斯综合治理技术[J].煤炭科学技术,2012,40(5):63-65.

低透气性煤层边掘边抽技术研究 篇4

关键词：低透气性,边掘边抽,RFPA,瓦斯压力

五阳煤矿主要开采沁水煤田3#煤层, 在浅部开采时, 煤层透气性好, 煤层瓦斯易于抽采, 近年来开采深度逐渐延伸到400m以后, 瓦斯含量明显增加, 透气性减小, 抽采难度大, 降低了煤矿瓦斯抽采效率[1,2,3]。为了解决五阳煤矿低透气煤层的瓦斯抽采难题, 优化抽采系统, 利用有限地抽采资源更多的抽采出煤层中的瓦斯, 提高煤矿的安全生产水平, 增加抽采时间和效果[4,5,6,7], 本文对煤层边掘边抽问题进行了研究。

2 瓦斯抽采数值计算与分析

2.1 地质概况

五阳煤矿3#煤层位于二叠系下统山西组, 地质保有储量为14920.5万吨, 煤层标高为100m~700m, 煤层厚度1.50~7.90m, 平均5.75m, 倾角2°~7°, 坚固性系数f为0.30~0.56。煤层顶底板岩性自下而上分别为粉砂岩、黑色泥岩、泥岩、粉砂质泥岩、细砂岩。3#煤层的透气性系数为0.0605m2/ (MPa2·d) ~1.7415m2/ (MPa2·d) , 属于较难抽采煤层, 介于这种情况, 提出采用边掘边抽的抽采方式, 增加抽采时间, 防止掘进工程中瓦斯事故的发生。

2.2 边掘边抽数值计算模型建立

根据五阳煤矿地质条件和煤岩物理力学条件等建立了掘进工作面边掘边抽的计算模型, 建立模型方式从7801巷道中部截取水平面, 模型大小为200m宽, 100m高, 划分40000个网格单元, 模型底边设为固定边界, 左右两边采用铰接固定, 模型采用莫尔-库仑模型, 细观基元的弹性模量和强度服从Weibull统计分布, 建立模型及边界情况如图1, 模型的相关参数见表1所示。

2.3 边掘边抽数值计算与分析

(1) 瓦斯渗流场压力梯度分析

计算求解模型, 随着抽采时间的不同, 瓦斯渗流场压力梯度变化如图2所示。

随着抽采时间推进, 抽采孔的抽采影响范围在逐渐地扩大, 从开始抽采到抽采30天这段时间之内, 抽采孔周围的瓦斯压力梯度变化较大, 抽采效果显著, 但是随着时间的推进, 瓦斯压力梯度变化不是很明显, 煤层内的渗透难度增大。

(2) 边掘边抽条件下钻孔夹角分析

选择平行和垂直于抽采孔前方的结构单元 (L1和L2) , 提取数据进行分析。分析发现:钻孔前方瓦斯压力梯度10天后变化不明显, 影响范围在12m左右, 瓦斯压力为0.734MPa, 为初始瓦斯压力的73%;钻孔垂直方向瓦斯压力梯度15天后变化不明显, 影响范围在18m左右, 瓦斯压力平均下降到0.549MPa。由于边掘边抽是为了抽采本煤层范围内的瓦斯, 煤层厚度约为6m, 在垂直方向上满足要求, 在水平方向上可以适当扩大钻孔之间夹角, 充分发挥每个钻孔的作用, 钻孔角度设计如图3所示。

(3) 瓦斯抽采效果评价

取掘进头前方模型单元, 其瓦斯压力梯度随时间变化规律如图4。

由图可知, 掘进头前方位置的瓦斯抽采效果较好, 受掘进头自身工程扰动的影响, 瓦斯压力梯度变化更大。当抽采10天后, 煤层瓦斯压力降低了40%, 瓦斯压力平均值为0.692MPa;抽采20天后, 瓦斯压力位0.602MPa, 瓦斯压力降低了60%;抽采30天后, 瓦斯压力基本趋于稳定为0.583MPa, 瓦斯抽采影响范围达到20多米, 抽采效果能够满足现场的实际需要。

3主要结论

应用软件系统对瓦斯在煤体中的运移进行耦合求解, 建立边掘边抽模型并进行了计算分析。分析了掘进头在不同位置时的抽采效果, 对边掘边抽的钻孔抽采影响范围进行分析得出抽采孔周围受抽采影响的煤体重叠范围过大, 浪费抽采资源, 经分析得出钻孔布置参数, 每一个平面内的3个钻孔同巷道的夹角分别为9°、19°和25°为宜。为了使钻孔瓦斯抽采量达标, 必须延长抽采时间。

参考文献

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[5]薛德平, 等.低透气性煤层瓦斯综合治理技术实践[J].矿业安全与环保, 2013, 01:81-84.

[6]高宏, 等.五阳煤矿瓦斯抽采参数优化研究[J].矿业安全与环保, 2013, 03:29-32.

低透气煤层增透技术 篇5

郑煤集团现有23对生产矿井, 建立了36套瓦斯抽采系统, 其中地面抽采系统17套, 井下抽采系统19套, 2008年抽采瓦斯3 400万m3。

1 主要抽采技术及适用性

1.1 采空区抽采技术

1.1.1 高抽巷抽采

高抽巷抽采原理就是利用工作面形成的竖向裂隙带和横向环形裂隙圈的卸压作用进行瓦斯抽采 (见图1) 。

A—煤壁支撑影响区;B—离层区;C—重新压实区Ⅰ—冒落带;Ⅱ—裂缝带;Ⅲ—弯曲下沉带;

郑煤集团裴沟、超化等矿在综放工作面常用抽采方法均为沿顶煤层高抽巷抽放, 高抽巷具体设计为与上副巷内错10～15 m, 每段高抽巷长约100～130 m, 两端高抽巷压茬至少15 m距离。采用大断面支护, 扩大了瓦斯积存空间[3] (见图2) 。

1.1.2 高位钻孔

高位钻孔瓦斯抽放又称顶板裂隙带抽放, 主要作用是以工作面回采压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放工作面煤壁及上隅角涌出的瓦斯, 该法是有效解决工作面瓦斯超限问题的一项重要措施。积聚在采空区顶板裂隙带的瓦斯量非常大, 在井下通风压力变化时这些瓦斯容易流动到采煤工作面, 造成工作面瓦斯严重超限。

1.1.3 高抽巷埋管抽采

高位巷能否起到较好的抽放效果, 关键是抽放巷一定要处于采空区裂隙带内, 此处透气性较好, 又处于瓦斯富集区, 能抽到高浓度瓦斯。超化、裴沟两矿均已采用煤层高位抽放巷, 但裴沟矿高位巷抽放浓度较低, 约为2%～7%, 这是由于高位巷顶端处在煤层内, 出口与工作面相接, 在抽放负压的引领下, 工作面的风流吸入高抽巷, 导致瓦斯浓度降低。为此, 该矿实施了高位巷埋管抽采, 使抽放端头直接处于采空区内, 管路布置如图3所示。

1.2 本煤层抽采技术

1.2.1 顺层钻孔抽采

本煤层顺层钻孔瓦斯抽采技术是突出区预抽瓦斯消除突出危险的常规技术方法, 目前已应用于郑煤大平、告成等突出矿井。

1.2.2 卸压区浅孔抽采

在高抽巷和高位钻孔浓度处于周期性较低的时段, 应用本煤层钻孔抽放以补充抽放浓度和流量。攻关过程中, 开发应用了卸压区浅孔抽放技术, 在本煤层卸压区抽放、防突过程中取得了不错的效果[3]。

1.3 煤层底板穿层钻孔抽采

作为先抽后采示范工程之一, 在崔庙矿进行了煤层底板穿层钻孔抽采试验。实施结果表明, 当抽放时间为100 d时, 以煤层瓦斯抽出率30%为抽放有效性指标, 该穿层抽放钻孔的抽放有效半径为2 m, 影响半径为3～5 m。按照常规的钻孔间距布孔, 难以达到区域消除突出危险性的目的, 必须辅以煤层卸压增透等强化抽放技术措施。

2 增透卸压强化抽采技术

2.1 高压磨料射流割缝增透技术

高压磨料射流割缝增透防突技术是对透气性系数低、原始瓦斯含量大、有突出危险的煤层进行超前水力割缝。割缝的目的在于提高瓦斯排放效果, 改变巷道工作面前方煤层的瓦斯动力性质。煤层的超前水力割缝形成的卸压、排瓦斯钻孔槽, 能使煤层的地应力和瓦斯压力重新分布, 从而使煤体中的高应力变形区和高瓦斯压力区得以消失[3]。在郑煤集团大平煤矿16071采煤工作面试验表明, 高压磨料射流在f=0.3的煤层里割缝平均宽度在1 002 mm、平均高度38 mm以上, 每次割缝作业平均能切割出5.2 t煤, 大大增加了瓦斯释放空间;在大平矿16121下副巷试验的330 m巷道中没有发生一次瓦斯突出事故, 最高月进尺74 m, 掘进速度由原来的平均25 m/月提高到49 m/月, 提高96%;单循环掘进时间由原来的平均3～4 d减少为1～2 d, 减少了2～3倍。

2.2 井下高压水力压裂强化抽采技术

2009年初, 郑煤集团与河南省煤层气开发公司合作, 在崔庙煤矿井下开展高压水力压裂强化抽采试验, 已取得初步成功。从崔庙煤矿1号压裂孔和检验孔抽放数据来看, 压裂后, 排水期间浓度较低, 排出水量亦不大, 但当排水结束后, 浓度迅速上升4倍以上 (见图4) 。

3 结论

郑州矿区所采二1煤层为国内少有的极低透气性高瓦斯煤层, 瓦斯抽采工作面临重大的技术障碍。虽然近几年相继开发和推广应用了多种抽采技术, 在实现瓦斯综合治理近期目标、降低瓦斯超限次数和杜绝瓦斯事故方面发挥了重要作用, 但从整体考察, 在抽采总量和抽出率方面效果仍不理想, 综合抽采水平较低, 还不能适应瓦斯综合治理工作的迫切需要。同时现有技术措施大多费时费力, 而且成本较高。郑煤集团在崔庙煤矿开展了近2a的区域治理技术攻关试验, 主要方向是近距离极薄保护层开采技术和底板岩石穿层钻孔抽采条带消突技术。已有工作表明, 保护层开采由于一9煤开采条件限制, 效率低下, 工程成本高, 难以满足正常生产需要;底板岩石穿层钻孔抽采, 以钻孔间距4m实施瓦斯抽采, 尚且难以达到消除突出危险性的目的, 必须辅以有效的煤层增透卸压等强化抽放技术措施。

参考文献

[1]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2001.

[2]何学秋, 申宝宏, 罗海珠, 等.煤矿瓦斯防治技术与工程实践[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2009.

[3]林伯泉, 等.高压磨料射流割缝技术及其在防突工程中的应用[J].煤炭学报, 2007 (9) :959-963.

低透气煤层增透技术 篇6

关键词：高瓦斯,低透气性,顺层瓦斯抽采,“两堵一注”

《防治煤与瓦斯突出规定》要求, 突出危险区回采区域必须执行区域防突措施。对于郑州矿区单一突出煤层来说, 顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯区域防突措施具有钻进速度快、费用低、有效孔段长等特点, 是一种较为经济、合理的选择[1,2]。顺层钻孔封孔质量的好坏直接关系到突出危险区回采工作面防突的效果, 但目前顺层钻孔封孔技术差, 造成了瓦斯抽采浓度低, 抽采效率低。为此, 本文从不同封孔材料、不同封孔段长度、氧含量、瓦斯含量等方面论述改进后的封孔方式及变化后的瓦斯抽采情况。

1 试验区概况

郑煤集团公司裴沟煤矿为煤与瓦斯突出矿井, 矿井绝对瓦斯涌出量28.53 m3/min, 相对瓦斯涌出量7.22 m3/t。主采的二1煤层属三软不稳定煤层。井田范围内地质条件复杂, 全层构造煤, 煤层瓦斯压力大, 含量高, 透气性低, 属难抽煤层。试验地点选取在31采区首采31071工作面回风联巷口以里200 m范围内的煤层 (图1) 。该区域位于突出危险区内, 煤厚4.0～17.3 m, 平均厚9.67 m, 工作面煤层原始瓦斯含量6.03～8.31 m3/t, 煤层透气性系数0.005 6 m3/ (MPa2·d) , 工作面经原封孔方式抽放后, 残余瓦斯含量平均为5.25 m3/t。

2 原封孔工艺及改进

该试验区原采用顺层钻孔进行瓦斯抽采, 顺层

钻孔直径为89 mm, 封孔管直径为25 mm, 封孔段长9 m, 花管长1 m, 封孔材料为聚氨酯。该区域原瓦斯抽采浓度最高18%, 抽采30 d后浓度降至2%以下。通过分析得知, 瓦斯抽采浓度低主要是由于封孔段长度和封孔工艺的影响。原封孔工艺采用聚氨酯封孔, 不能保证封孔管全段封孔, 容易在长期瓦斯抽采过程中造成钻孔壁产生离层裂隙, 与巷道轮廓线外形成的破碎区贯通, 导致瓦斯抽采浓度降低。此外, 钻孔孔径较小, 不能保证孔壁附近形成足够的破碎区, 对孔壁附近的透气性影响较小。针对上述情况, 试验区顺层瓦斯抽采钻孔改进为钻孔直径113 mm, 封孔管直径50 mm, 封孔段长18 m, 封孔材料的选用本着密封性好、速度快、操作简单等原则, 采用树脂材料、P.O42.5普通水泥、膨胀水泥, 采用“两堵一注”封孔工艺 (图2) 。普通水泥按照水灰比1∶1进行配比, 膨胀水泥按照水灰比2∶1进行配比, 注浆压力为0.5～1.0 MPa, 花管长6 m, 实管长18 m, 注 (返) 浆管管径32 mm, 注浆管长16 m, 返浆管长4 m, 注浆管、封孔管材料为PVC管, 树脂材料采用特殊封孔泵分别将A、B原料进行注浆, 注浆管为Ø5 mm塑料软管。采用31采区瓦斯抽采泵进行抽采, 额定抽采流量为60 m3/min, 抽采极限负压80 kPa, 抽采主管路管径300 mm。

3 试验效果对比

3.1 不同封孔段长度对抽采浓度的影响

通过对比不同封孔材料瓦斯抽采的平均浓度, 考察封孔段长度分别为9, 18 m时的区别。通过瓦斯抽采平均浓度变化曲线 (图3) 可以看出, 封孔段长度达到18 m后, 瓦斯抽采浓度增加, 瓦斯抽采速度衰减变慢, 瓦斯抽采浓度相对稳定, 能够对顺层钻孔进行有效封堵。通过对封孔数据对比发现, 封孔段长度达到18 m后, 瓦斯抽采平均浓度最高达35%;封孔段长度9 m时, 瓦斯抽采平均浓度最高达15%, 前者是后者的2.3倍。说明封孔段长度达到18 m后, 能够对顺层钻孔周围的破碎裂隙进行有效封堵, 能够满足瓦斯抽采的需要。

3.2 不同封孔材料对抽采气样影响

3.2.1 瓦斯浓度

瓦斯抽采浓度是衡量瓦斯抽采效果的重要指标之一, 通过考察封孔段长度达到18 m后, 不同封孔材料瓦斯抽采平均浓度变化, 来考察不同封孔材料之间的细微差别以及判断封孔质量的好坏。经过90 d的瓦斯抽采, 全段树脂材料封孔最高瓦斯浓度24%, 普通水泥单孔最高瓦斯抽采浓度46%, 膨胀水泥最高瓦斯抽采浓度26%, 分段聚氨酯封孔最高瓦斯抽采浓度15% (图4) 。通过对比瓦斯抽采平均浓度发现, 利用普通水泥封孔, 瓦斯抽采浓度要略高于膨胀水泥和矿用合成树脂, 前3种封孔材料较分段聚氨酯封孔都有较大幅度的提高。从瓦斯浓度维持时间上看, 前3种封孔材料相对稳定, 聚氨酯变化较大, 这说明进行封孔段长18 m的全段封孔要优于分段封孔, 能增加封孔段密实程度, 普通水泥优于膨胀水泥和树脂材料。

3.2.2 氧含量

瓦斯抽采气样中的氧含量也是判定封孔质量好坏的重要指标之一。因此, 为了考察3种封孔材料的气密性, 分别选取3种材料瓦斯抽采代表钻孔, 对代表钻孔瓦斯抽采气样的考察。分别利用气象色谱仪考察不同封孔材料中瓦斯抽采气样中的氧含量, 来确定不同封孔材料的气密性。不同封孔材料瓦斯抽采气样中氧含量数据见表1。由表1知, 利用膨胀水泥封孔效果最好, 利用普通水泥封孔效果次之, 利用树脂材料封孔效果最差。

3.2.3 瓦斯含量

通过测定煤层残余瓦斯含量来确定3种封孔材料对降低煤层中瓦斯含量作用的大小。分别在采用树脂材料、普通水泥以及膨胀水泥封孔的钻孔进行瓦斯含量测试, 孔深50 m, 孔径94 mm, 结果见表2。通过对比发现, 采用膨胀水泥封孔的瓦斯抽采效果较好, 瓦斯含量在原先的基础上降低了37.52%。

4 结语

(1) 通过分析确定顺层钻孔瓦斯抽采受巷道轮廓线外卸压带的影响, 增加封孔段长度和增强封孔材料的密实性有利于提高顺层钻孔瓦斯抽采浓度。

(2) 通过分析原封孔工艺中存在的问题, 确定了“两堵一注”封孔技术的具体操作工艺。实践表明, 封孔段长度由9 m增加到18 m后, 不同封孔材料的顺层钻孔瓦斯抽采气样中的氧含量和煤层中的瓦斯含量均有所降低, 瓦斯抽采浓度提高了2.3倍左右, 效果明显。

参考文献

[1]于不凡, 王佑安.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.

低透气煤层增透技术 篇7

平顶山矿区由于受成煤因素影响, 煤层节理、裂隙不发育, 主采煤层透气性差。随着矿井采掘深度的增加, 煤层突出危险性在不断加大。研究表明, 矿井瓦斯抽放不但能抽采煤层瓦斯, 降低瓦斯涌出量, 而且还是防止煤与瓦斯突出的重要措施。然而由于受到煤层透气性的影响, 在实际生产过程中煤层瓦斯抽放的数量达不到安全生产的要求。利用工作面前方采动煤体卸压增透效应, 应用卸压区浅孔抽放技术取得了良好效果, 该技术对解决低透气性煤层回采过程中的瓦斯问题具有重要的指导意义。

1工作面概况

戊9, 10-20210采面在北翼戊组中区, 为二叠系石盒子组, 埋深860～1 000 m。戊9, 10煤层顶板为砂质泥岩, 底板为0.3 m厚夹矸、戊11煤和砂质泥岩, 倾角上陡下缓, 倾角10～15°, 平均11°。煤厚3.8～4.5 m, 平均厚度4.2 m。戊9, 10煤层瓦斯压力最大1.45 MPa, 最小0.78 MPa, 煤层瓦斯含量11.2～14.65 m3/t, 处于预测突出危险带, 有较高的突出危险性。

2卸压浅孔抽放瓦斯防突机理分析

2.1煤层卸压瓦斯运移状态分析

煤层开采后, 在工作面前方应力分布依次为卸压区、应力集中区和原始应力区 (图1) 。由于煤体内部至煤壁间存在着瓦斯压力梯度, 加之工作面开采时, 在矿山压力作用下, 工作面前方煤体应力平衡状态遭到破坏, 瓦斯沿卸压带的裂隙向工作面涌出。研究表明:在支承压力的作用下, 工作面前方不同位置煤体渗透系数变化很大, 表现为矿压显现对煤岩体中卸压瓦斯的运移有很大影响[4]。煤壁前方支承压力 (σ1) 为:

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式中, p0为支架对煤壁的反力, MPa;f1为煤层与顶底板接触面间内摩擦系数;x为距煤壁的距离, m;m为开采厚度, m;φ为煤体内摩擦角, (°) 。

工作面推进过程中, 前方煤体支承压力及渗透系数均处于交替变化之中, 而煤层渗透系数 (K) 与煤体状态有直接关系, 即:

K=A1exp (-A2σ1) (2)

式中, A1, A2为实验回归系数。

将式 (1) 代入式 (2) 得:

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根据式 (3) 可得采场前方煤体支承压力及渗透系数随工作面距离变化曲线 (图1) 。

(1) 工作面距煤壁前方0～7

m为应力降低区, 如图1中的Ⅰ区。该区煤层承受的压力减小, 使煤体破碎、强度降低和裂隙发育、渗透性增高;同时, 煤层中瓦斯解析加强, 部分吸附瓦斯变为游离瓦斯, 产生“卸压增流效应”。

(2) 工作面前方7～15

m为应力急剧增高区, 如图1中的Ⅱ区。该区因支承压力作用, 使煤岩体裂隙和孔隙受挤压而收缩、封闭, 煤岩体透气性降低, 改变了瓦斯的正常涌出特性, 潜伏着高能瓦斯压力和数倍于原始应力的地应力。

(3) 工作面前方15～25

m范围为应力缓慢降低区, 如图1中的Ⅲ区。在该区内支承压力达到峰值以后, 逐渐趋于下降, 煤体裂隙和孔隙封闭、收缩, 渗透系数变化梯度逐渐减小, 瓦斯正常涌出特性改变, 致使瓦斯流量趋于减小。

(4) 工作面前方25

m以远的范围为应力稳定区, 如图1中的Ⅳ区。该区煤岩体未受采动影响, 渗透系数变化趋于平稳, 钻孔瓦斯涌出量按负指数规律自然衰减。

2.2卸压浅孔抽放瓦斯防突机理

极限平衡区 (图1中Ⅰ、Ⅱ区) 煤体中的应力状态、瓦斯量大小, 尤其是卸压区的长短及其承载能力, 对煤与瓦斯突出有较大影响。卸压区的存在, 一方面渗透性急剧提高, 有利于瓦斯释放, 另一方面在工作面与集中应力区之间构筑一安全屏障。研究表明:卸压区的大小决定了煤体中储存的弹性潜能和瓦斯内能是否能够释放, 突出是否能够形成, 如果采掘面前方始终存在一定宽度的卸压区, 就不会发生动力现象。

随着工作面的推进, 由于集中应力的转移较缓慢, 当卸压区的宽度不足以抵抗集中应力时, 便发生煤与瓦斯突出事故。如果能将钻孔终孔打入应力集中区一定深度, 使应力集中区内的瓦斯及其潜能得以有效释放, 迫使应力集中区前移, 人为增加卸压区宽度, 使其足以抵抗集中应力, 则可以降低或消除突出危险。

3浅孔抽放钻孔布置参数的确定

3.1钻孔深度

钻孔深度一般应穿过工作面前方的卸压带, 进入极限应力平衡区 (与区域边界相距1～2 m) , 该区宽度一般可由式 (4) 确定[5]。

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式中, X0为极限平衡区宽度, m;k为应力集中系数;γ为覆岩平均容重, kg/m3;H为开采深度, m;C1, C2为煤层与顶底板接触面之间及煤体本身的黏聚力, MPa;f2为接触面及煤体的摩擦系数;σc, σt为煤体的单轴抗压及抗拉强度, MPa。

由式 (4) 可知, 极限应力平衡区宽度与开采深度、开采厚度等均有密切关系, 一般采煤工作面前方的卸压带宽度为7 m左右, 极限应力平衡区宽度为7～25 m, 所以采煤工作面浅孔动压抽放的钻孔深度为24 m。

3.2钻孔间距

钻孔间距取决于钻孔的抽放半径, 其决定了钻孔布置方式、钻进工程量和抽放效果。抽放半径随时间的变化而改变, 抽放时间越短, 抽放半径越小, 反之越大。根据测定结果, 十矿煤层的抽放半径随时间的变化如图2所示。

一般最后一个抽放钻孔的抽放时间不少于120 min, 则煤层的抽放半径为0.784 m, 合理的钻孔间距为1.5 m。

3.3抽放时间

在回采工作面塑性极限应力带内, 煤层裂隙发育, 透气性增大, 钻孔流量明显增高。煤层抽放效果不但取决于钻孔抽放流量, 而且取决于抽放时间。如抽放时间较长, 会影响工作面的正常生产;如抽放时间过短, 不但造成钻孔的浪费, 而且也达不到必需的抽放效果。因此, 应合理确定钻孔的抽放时间。

钻孔的抽放时间主要取决于钻孔流量衰减情况, 根据实测的钻孔流量衰减指标即可确定钻孔的抽放时间。抽放时间分为最短抽放时间和最长抽放时间, 根据观测和计算结果, 该工作面当钻孔间距1.5 m时, 煤层的最短抽放时间为120 min, 最长抽放时间为480 min。

3.4钻孔直径

一般而言, 增大钻孔直径, 可以提高钻孔的抽放量, 但孔径加大, 不利于钻孔施工, 并且发生突出的概率也随之增加。

采煤工作面浅孔动压抽放钻孔要穿过工作面前方的卸压区, 进入应力集中区, 所以钻孔直径不宜超过100 mm, 钻孔直径为75～100 mm最为合适。该工作面钻孔直径为89 mm。

3.5钻孔抽放负压

对于采煤工作面浅孔抽放瓦斯, 工作面前方极限应力平衡区内煤层经受了支承压力的作用, 产生了大量的裂隙并相互贯通, 煤体发生膨胀, 透气性大大提高。因此, 抽放负压起着重要作用, 抽放负压越大, 越有利于抽放。

由于浅孔抽放的钻孔封孔深度一般在1 m左右, 处于工作面前方的卸压带内, 并且浅孔抽放主要采用软管连接, 负压过高容易导致钻孔周围漏气以及引起软管吸扁, 这样会影响抽放效果。根据工作面超前抽放的经验, 抽放负压不低于6.4 kPa即可。

4防突效果

根据浅孔抽放瓦斯机理及相应的钻孔布置原则, 戊9, 10-20210工作面采用Ø89 mm、深24 m、间距1.5 m的浅孔进行抽放瓦斯。在此期间, 钻孔抽放浓度在15%～25%, 抽放混合流量达20 m3/min, 抽放纯流量4～5 m3/min, 工作面最高月产达到7.2万t, 月抽放瓦斯30.5万m3, 采面抽放率在29.1%以上 (表1) , 杜绝了瓦斯超限和煤与瓦斯突出事故。

5结语

(1) 卸压区浅孔抽放瓦斯技术的机理是, 将钻孔终孔打入应力集中区一定深度, 使应力集中区内的瓦斯及其潜能得以释放, 并增加卸压区宽度, 从而降低或消除突出危险。

(2) 采用Ø89 mm、孔深24 m、间距1.5 m的浅孔抽放瓦斯技术, 减少工作面瓦斯涌出量, 降低了回风流及上隅角的瓦斯浓度。

(3) 卸压区浅孔抽放瓦斯技术可提高瓦斯抽放率和正规循环率, 保障了低透气性煤层工作面的安全生产, 取得了良好的经济和社会效益。

参考文献

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