穿层钻孔终孔层位对瓦斯抽采浓度的影响分析.pdf

2023 年 10 月Oct.,2023doi：10.3969/j.issn.1672-9943.2023.05.017穿层钻孔终孔层位对瓦斯抽采浓度的影响分析（义煤集团新安县郁山煤业有限公司，河南 洛阳 471800）摘要 为提高突出煤层工作面瓦斯抽采效果，对穿层钻孔终孔层位进行了优化设计，延长了过煤穿岩长度，增加了瓦斯抽采的气室空间，并辅助水力冲孔进行了煤岩层的增透卸压，提高了透气性与流动性，提升了瓦斯抽采浓度，延长了瓦斯衰减周期，缩短了预抽期，确保了采煤工作面的顺利接替。关键词 穿层钻孔；水力冲孔；终孔位置；瓦斯抽采中图分类号 TD712文献标识码 B文章编号1672蛳9943（2023）05蛳0053蛳030引言高瓦斯突出矿井在开展瓦斯治理时，通常采取在底板抽放巷施工穿层钻孔的方法预抽区域瓦斯。但受限于不同煤层的软硬程度、顶底板岩性、瓦斯流动性和抽采半径等因素的影响，穿层钻孔过煤穿岩后的气室空间也决定了瓦斯抽采效果。因此，为了提高钻孔瓦斯抽采浓度、缩短预抽期，通过水力冲孔和抽采对比试验，对钻孔终孔层位选择调整进行了优化设计。1煤层瓦斯地质条件新义矿业井田范围内主要赋存二1煤层和二2煤层 2 层煤，属典型新安“三软煤层”。其中二2煤层厚度 0.30.6 m，赋存不稳定，不具备可采价值，矿井主采二1煤层。对井田范围内的 11 个二1煤层见煤孔进行取样分析，测得原始煤层瓦斯含量为 2.2112.80 m3/t，平均含量为 5.39 m3/t。结合见煤勘探钻孔的分布规律来看，从煤层厚度、取样深度和相邻钻孔的瓦斯含量等关系分析，均没有特定的内在联系，说明瓦斯赋存具有较大差异性，且分布不均咱1暂。二1煤层的原始瓦斯压力为 0.301.41 MPa。二1煤层具有突出危险性。该煤层作为单一开采煤层，不具备保护层开采条件，考虑到具有煤与瓦斯突出危险性，为能够充分抽采煤层瓦斯，设计施工底板抽放巷，通过自下而上的穿层钻孔实现煤层消突。2瓦斯抽采试验工作面选取根据现有采掘作业地点以及瓦斯抽采试验条件要求，选定 11090 工作面轨道底板抽放巷开展试验研究。11090 工作面为矿井 11071 工作面的接替工作面。工作面共设计 7 条巷道，分别为轨道顺槽（设计长度 1 050.9 m）、胶带顺槽（设计长度 1 106.5 m）、切眼（设计长度 191 m）、切眼底抽巷（设计长度191 m）、轨道底抽巷（设计长度 1 064.8 m）、胶带底抽巷（设计长度 1 118.5 m）、中间底抽巷（设计长度1 100.4 m）等。为减少因钻孔施工不到位增加工作面中部瓦斯抽采空白带的范围，特别设计施工中间底抽巷用以补强抽采面积，且选定底抽巷掘进层位为距离二1煤层底板 810 m 的泥岩层。这既可以确保巷道的掘进速度，也可以控制好层位，有利于钻孔施工和封孔质量，减少穿层钻孔过岩石段的工程浪费。11090 工作面作为备采面，其北部为相邻矿井新安煤矿的南部井田边界，南部紧邻矿井东翼回风大巷保护煤柱，西部为 11080 工作面，东部为矿井未采区实体煤。工作面标高为-186.6-298.53 m，对应地表埋深为 390413 m。工作面为条带式布置，倾向长度为 1 030 m，估算可采储量为 1.38 Mt。采面内二1煤层煤厚 1.612 m，平均煤厚 4.8 m，煤层赋存极不稳定，煤层倾角 5毅，且局部含有 12 层炭质泥岩夹矸，坚固性系数f=0.220.65，瓦斯放散初速度q=15.128.3 mL/s，煤体松软，呈粉末状，工作面区域实测原始瓦斯含量为 9.69 m3/t，瓦斯压力1.13 MPa。3瓦斯抽采试验方案3.1穿层钻孔施工参数确定瓦斯抽采试验选在 11090 轨道底抽巷 22#和23#钻场内。为了对比原有施工参数和优化后设计参数对于瓦斯抽采浓度的影响，拟定在 22#钻场使用优化设计方案施工，共设计穿层钻孔 72 个，称为能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.5532023 年 10 月Oct.,2023试验组钻孔。钻场之间距离为 60 m。根据单孔瓦斯抽采半径 2.53 m，确定钻孔施工间排距为 6 m，终孔层位控制在过煤顶板见岩 25 m。由于煤层呈“鸡窝状”赋存，厚度分布不均，根据实际施工期间的见煤厚度要求所有穿层钻孔做好详细单孔记录，明确标注开孔方位、倾角、开孔距顶高度、见煤位置、穿煤长度、瓦斯情况等，避免遇见夹矸未穿全煤段造成误判。在 23#钻场采用原设计方案，钻孔参数与22#钻场相同，共计 8 个钻孔，称为对照组，但终孔层位控制在过煤后穿岩 0.5 m 处停钻。考虑到“三软”煤层的结构特性咱圆原源暂，尤其是煤层自身的松软程度，很容易造成成孔退钻后出现塌孔等现象，导致抽采效果不理想，而且煤体自身赋存瓦斯的流动性较差，通道相对闭合。因此，采用高压水力冲孔的方法提高煤体的透气性，便于瓦斯封孔抽采。要求过煤段冲孔每米的冲出煤量不得少于1 t，且单孔冲煤量不得少于 5 t。完成冲孔任务后，确认孔内没有塌孔堵塞，及时连管封孔实施抽采，并安排专职瓦检员和抽放班人员每天观测记录单孔流量、瓦斯浓度、观测时间等参数，以便分析浓度提升和衰减规律。穿层钻孔设计如图 1 所示。图 1穿层钻孔设计剖面3.2穿层钻孔施工要求虽然在 11090 轨道底抽巷钻场内设置试验组和对照组钻孔，但整体施工区域的煤体均为经过瓦斯抽采治理，打钻过程中可能存在喷孔、塌孔和瓦斯超限等风险。为了提高施工成孔质量，避免因打钻、冲孔而发生瓦斯事故，需注意以下几点：根据每个钻孔的实际见煤厚度以及钻进期间的钻机给进压力等判断煤层的坚硬程度，选择合适的冲水压力和高压喷头，避免薄煤层因使用大流量、高压强水冲孔，造成孔壁垮塌，影响效果；同时，避免对厚煤层冲孔时压力小、流量小也无法有效实现煤层割裂增透，影响瓦斯流动性。水力冲孔时高压经过钻杆中空内径到达指定冲孔区域，且必须保持钻杆以 220 r/min 高速旋转，防止塌孔后卡死成为报废钻孔。接换钻杆时必须将钻杆退出 0.51 m，确保顶部喷头有一定空间，一旦岩粉和煤屑堵塞出水孔，需要将钻杆全段退出清理，然后再套孔冲洗，避免影响冲孔效率。冲孔期间要实时监测孔口瓦斯变化情况，一旦煤层增透开裂，流动通道打开，会导致瓦斯瞬间升高，造成喷孔甚至超限，增加一定危险性。此时需停止冲水，改为向孔内压风，以此稀释孔内瓦斯。待瓦斯浓度下降到 0.5%以下时，继续恢复高压冲孔。3.3钻孔封孔工艺穿层钻孔采用“两堵一注”工艺进行全段注浆封孔咱缘暂。检查确认孔内没有残留碎渣煤屑后，将专用封孔囊袋推向底部，根据施工孔深确定封孔深度，孔底推送花管与筛管，作为抽采瓦斯的专门预留通道。花管与筛管通常采用 PVC 材质制作。该材质既有一定的韧性弯曲度，也有足够强度，抗压抗拉伸。在封孔管孔口初始端和见煤点深度各套取 1个囊袋，里面提前倒入聚氨酯封孔材料，到位后等待化学反应产生膨胀；初步固定好后，在中空部分利用小导管向孔壁注入水泥浆液，水灰质量比为10.8 左右；调整浆液比重由稀到稠，返浆后停止注浆静置 15 min 等待浆液沉淀，以此循环操作，直到孔壁充填满浓稠浆液，压力升高到 1.52 MPa 时视为封孔注浆结束；水泥浆凝固 24 h 开始对单孔抽采量进行观测记录。封孔注浆工艺原理如图 2 所示。图 2封孔注浆工艺原理3.4瓦斯抽采效果分析经过水力冲孔卸压增透后，煤层与岩石裂隙扩张，产生新的流动通道。管路内的负压抽采使得瓦斯浓度由零开始升高需要一段时间，而且随着瓦斯抽采时间的延长，其浓度会产生一定幅度的下降，称为浓度衰减。因此，将 22#和 23#钻场的试验组、对照组钻孔瓦斯抽采浓度做好详细测量记录，便于进行数据统计和对比分析。将对照组的 8 个钻孔与试验组抽取的 12 个钻孔抽采浓度分别按照第 1 个月与第 2 个月的时间轴线进行统计分析，绘制了对比图如图 3、4 所示。陈刚穿层钻孔终孔层位对瓦斯抽采浓度的影响分析0.5 m22#钻场23#钻场预想煤层剖面筛管封孔囊袋孔壁注浆区域PVC 封孔管返浆管注浆管泥岩二1煤542023 年 10 月Oct.,2023（上接第 38 页）4结论通过改变“Three-Phase PI Section Line”模型的参数，可以控制故障发生的地点。由仿真结果可知，距离保护对各种故障都起保护作用。距离保护段所保护的范围为 85 km 之内的输电线路，距离保护段所保护的范围为 150 km 之内的输电线路，距离保护段所保护的范围为全部的输电线路。参考文献1罗信庄.电力系统 220 kV 输电线路施工技术 J.中国新技术新产品，2016（3）：111.2金超亮，周原，李化，等.220 kV 母线高压电抗器投切对电力系统的影响 J.广东电力，2017，30（5）：119-123.3喻泓成.220 kV 以下电力系统继电保护整定探讨 J.魅力中国，2017（3）：60-61.4陈莫勇.110 kV 电力系统继电保护探究 J.通讯世界，2016（11）：167-168.作者简介程秀芝（1975-），女，副教授，工学硕士，长期从事电气工程研究工作。收稿日期：2023-03-20图 3试验钻孔与对照钻孔第 1 个月瓦斯抽采浓度分析图 4试验钻孔与对照钻孔第 2 个月瓦斯抽采浓度分析由图 3、4 分析可知，在第 1 个月的时间轴线上，对照组的 8 个抽采孔的单孔浓度为 5.6%21.3%，平均抽采浓度为 11.5%。试验组抽取的 12 个抽采孔瓦斯浓度为 12.7%33.6%，平均浓度达 23.8%，试验组钻孔平均抽采浓度比对照组钻孔抽采浓度提高 107%，表明取得了较好的抽采效果，且封孔后流量与浓度能够快速升高。在抽采第 2 个月时间内，对照组的 8 个抽采孔的单孔浓度为 1.1%3.7%，平均抽采浓度为 2.2%；试验组钻孔抽采浓度为 0.9%4.4%，平均浓度 2.7%；试验组钻孔比对照组钻孔抽采浓度提高 22.7%。因此，经过优化设计后的试验组钻孔具有更加显著的抽采效果，瓦斯抽采浓度较高，且高浓度抽采时间持续较长。根据瓦斯浓度与时间横轴的分析对比，对照组钻孔在历经 45 d 时出现低浓度的急速衰减，而试验组钻孔经过 55 d 后出现低浓度的衰减拐点，但是此时瓦斯抽采浓度仍高于对照组钻孔抽采浓度。这说明优化设计后，延长了瓦斯的抽采周期，有利于后期进行抽采效果评价。4结论（1）经过对比实验，优化钻孔设计后，将终孔位置控制在煤层顶板以上 25 m 范围，能够提高瓦斯抽采浓度，达到理想的抽采效果。相较于原设计终孔层位为过煤穿岩 0.5 m，抽采浓度在第 1 个月提高了 107%，第 2 个月提高了 22.7%，能够保持较高浓度的抽采水平。（2）优化设计之后，试验组钻孔比对照组钻孔的瓦斯抽采衰减周期延长了近 10 d，且能够保持较高位浓度的抽采，有利于缩短工作面的瓦斯预抽期、快速达到抽采评价条件，确保工作面的顺利接替。参考文献1郭盼盼.穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯布置方式研究 J.能源技术与管理，2021（6）：54-55.2 崔宝库，张根.不同布置方式下穿层钻孔瓦斯抽采数值模拟研究 J.能源与环保，2020（8）：45-49.3 郝从猛.突出煤层水力冲孔卸压消突合理出煤率考察研究 J.华北科技学院学报，2022（4）：60-64.4 柴锡军，杨程涛，熊俊杰.煤层水力冲孔喷嘴的设计研究 J.煤矿机械，2022（11）：15-17.5 王敏.“两堵一注”带压注浆封孔工艺在上社煤矿的试验应用 J.煤炭与化工，2021（5）：97-100.作者简介陈刚（1985-），男，工程师，毕业于河南理工大学采矿工程专业，长期从事煤矿生产技术管理工作。收稿日期：2023-02-15瓦斯抽采天数/d101520253054035302520151050试验钻孔对照钻孔试验钻孔对照钻孔瓦斯抽采天数/d1015202530554.543.532.521.510.50能 源 技 术 与 管 理Energy Technology and Management2023 年第 48 卷第 5 期Vol.48 No.555