高瓦斯易自燃综放工作面高位瓦斯抽放钻孔位置优选研究

马小辉 王 岩

(1.陕西彬长矿业集团小庄矿业公司,陕西省咸阳市,713600;2.煤炭科学研究总院沈阳研究院,辽宁省沈阳市,110016)

高瓦斯易自燃综放工作面高位瓦斯抽放钻孔位置优选研究

马小辉1王 岩2

(1.陕西彬长矿业集团小庄矿业公司,陕西省咸阳市,713600;2.煤炭科学研究总院沈阳研究院,辽宁省沈阳市,110016)

针对大佛寺矿401采区厚煤层高瓦斯易自燃特点,在40106综放工作面进行了瓦斯治理实践,采用马丽散有效封堵钻孔渗水,并对不同层位钻孔瓦斯抽放效果进行比较分析,结果表明,采后高位卸压钻孔终孔布置在裂隙带,即煤层顶板以上17 m处时抽放浓度高且稳定。

厚煤层 易自燃 高位瓦斯抽放钻孔 瓦斯治理

1 工作面概况

彬长矿业集团公司大佛寺煤矿主采煤层为侏罗纪4#煤层和4-上煤层。4#煤层构造简单,赋存稳定,厚度13.4～16.5 m,平均厚度15.1 m,属硬质透气性较好煤层,瓦斯解吸快。40106综放工作面是大佛寺矿紧贴4#煤层中央辅助运输大巷的综采工作面。回风巷和进风巷及灌浆巷沿煤层走向布置,进、回风巷均沿煤层底板且留2 m左右底煤布置;灌浆巷从辅助运输大巷开掘,平行布置在回风巷外侧,留设30 m净煤柱。工作面巷道采用双U型布置方式。

大佛寺401采区4#煤层原始瓦斯含量6.4 m3/t,煤的孔隙度10.96%,透气性系数0.25 m2/(mPa2·d),百米钻孔瓦斯流量衰减系数0.03 d-1,百米钻孔初始瓦斯流量为0.029 m3/min,40106工作面瓦斯涌出量为76.45 m3/min。工作面初期选用两进一回通风系统,后期选用三进一回通风系统。工作面总配风量为2040 m3/min。

2 采后高位卸压钻孔瓦斯抽放原理

由岩石力学理论可知,煤层随工作面回采,在工作面周围将形成一个采动应力场,在垂直方向上形成3个带,即垮落带、裂隙带和弯曲下沉带,在水平方向上形成三个区,即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。

在横三区,受采动影响煤壁游离瓦斯释放,采空区残煤释放的瓦斯在垮落带与重新压实区形成瓦斯积聚层。在“竖三带”中,裂隙带内的岩层裂隙发育,透气性好,是瓦斯流动的通道,且受外界空气流动影响小,形成瓦斯积聚的空间。

高位钻孔布置在裂隙带内,受采动影响较小,不易受到破坏。在抽放钻孔的负压作用下,瓦斯快速流动,使高位钻孔能够抽出高浓度瓦斯。

3 40106工作面瓦斯抽放

根据实际情况,40106工作面主要采用采前、掘前预抽,采后缷压抽放、上隅角埋管抽放和高位瓦斯抽放巷抽放及风排瓦斯的综合瓦斯治理措施。

3.1 采后高位卸压钻孔设计

在40106灌浆巷中每50 m布置1组瓦斯抽放钻孔,观察钻孔共7组,每组布置7个钻孔,分别布置在4个不同层位。对于层位1,钻孔终孔位置在煤层顶板;层位2钻孔终孔位置在煤层顶板以上4 m;层位3钻孔终孔位置在煤层顶板以上12 m;层位4钻孔终孔位置在煤层顶板以上17 m。钻孔角度为仰角,钻孔直径153 mm,钻孔间距1000 mm,钻孔布置见图1。

图1 钻孔布置示意图

3.2 封孔工艺

4#煤层含水量大、钻孔孔径大,选择合适的封孔材料,对封孔效果和后期的抽放效果都有很大的影响。依据大佛寺矿和其他煤层赋存条件相似矿井封孔经验,对比不同封孔材料,最终选用马丽散封孔。

马丽散是一种由树脂和催化剂两种成分组成的聚亚安酯产品,具有渗透性强、凝固时间短、强度大等特点,在压力的作用下能以液体状态渗透到裂隙中,与水反应形成致密的隔水层封闭水流,有效封闭钻孔水。用它作封堵钻孔及其内渗水裂隙的封孔材料,具有极大的可行性。

马丽散封孔采用卷缠药液法及钻孔内封孔管结构。抽放管为外径50 mm的抗静电塑料管,每根长为6 m。每个钻孔需抽放管长度9 m,即1.5根抽放管,故每个钻孔需要封孔9 m。将第1根抽放管距端部1 m处用铁线缠紧固定1块毛巾布(1.2 m×0.6 m),毛巾上浇淋1.3 kg马丽散裹好并用铁丝缠紧加固。每隔1 m照此方法在抽放管上缠绕1个浇淋马丽散的毛巾。两根抽放管之间用连接管连接紧固。孔口处用水泥砂浆密闭,避免封孔管晃动影响封孔质量。

3.3 钻孔与管路的连接

马丽散封孔后,待完全膨胀凝固后钻孔抽放管便可与抽放管路连接。钻孔与管路连接处应设置流量计和放水装置,每个钻场安设1个孔板流量计。每个钻场的钻孔封孔器与抽放管路的连接处安装1套气水分离器。

4 瓦斯抽放效果分析

40106工作面生产期间,预测瓦斯涌出量76.45 m3/min,工作面配风量为2040 m3/min。在工作面初采初放前期,上隅角在预设瓦斯抽放的情况下,上隅角瓦斯浓度在0.7%～0.9%左右。工作面推进过程中,4个不同层位瓦斯抽放浓度分布见图2～图5。从图2可看出,钻孔终孔在煤层顶板位置时,瓦斯抽放浓度低且起伏大,抽放浓度平均在5%左右,不能有效解决上隅角瓦斯超限问题。

图2 随工作面推进层位1钻孔抽放浓度分布图

图3 随工作面推进层位2钻孔抽放浓度分布图

由图3可知,钻孔终孔在煤层顶板以上4 m时,瓦斯抽放浓度在距工作面28 m前,几乎没有变化,平均在4%,无抽放价值。

由图4可知,钻孔终孔在煤层顶板以上12 m时,距工作面10 m前瓦斯抽放浓度较低,平均为5%,不能有效解决工作面上隅角瓦斯;后期虽然抽放浓度较高,在10%～22%之间,且抽放周期短,给工作面防灭火带来极大不便。

图4 随工作面推进层位3钻孔抽放浓度分布图

图5 随工作面推进层位4钻孔抽放浓度分布图

由图5可知,钻孔终孔在煤层顶板以上17 m时,瓦斯抽放浓度基本稳定在8%～14%之间,平均抽放浓度为10%。显然层位4钻孔抽放浓度高,抽放流量大,且稳定。工作面上隅角瓦斯浓度降低到0.4%～0.5%之间,随工作面推移,瓦斯浓度较为稳定,能有效抽放瓦斯。

5 结论

(1)利用采后高位卸压瓦斯抽放钻孔解决工作面上隅角瓦斯,当钻孔布置在煤层顶板裂隙带内时,抽放浓度高、稳定,有很好的抽放效果

(2)通过钻孔封孔后及抽放期间观察,采用马丽散作为封孔材料能够封堵钻孔渗水裂隙,取得很好的钻孔堵水效果,封孔效果得到很大提高,对后期瓦斯抽放效果的提高起到了很大的作用。

[1] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州:中国矿业大学出版社,1992

[2] 于不凡.提高矿井瓦斯抽采率的途径[J].煤炭工程师,1995(2)

[3] 贾宝财,纪道荣,韩玉发.顶板高抽钻孔抽放瓦斯的应用[J].煤矿安全,2008(6)

Preference on location of high-level gas drainage drilling on fully-mechanized caving mining face in high-gas and spontaneous combustion seam

Ma Xiaohui1,Wang Yan2
(1.Xiaozhuang Coal Mine,Binchang Coal Industry Group,Xianyang,Shaanxi 713600,China;2.Shenyang Research Institute,China Coal Research Institute,Shenyang,Liaoning 110016,China)

Aiming at the characteristics of high gas and spontaneous combustion thick seam in No.401 working area of Dafosi Coal Mine,the corresponding gas control was carried out on No.40106 working face.Malisan was used to seal borehole to avoid water penetration and the gas drainage effects at the different levels were analyzed.The results showed that the gas drainage concentration was high and consistent when the bottom of high-level borehole was located in the fissure zone,namely 17 m above the roof.

thick seam,spontaneous combustion,high-level gas drainage borehole,gas control

TD712.54

A

马小辉(1984-),男,陕西彬县人,2006年毕业于陕西能源职业技术学院采矿工程专业,工程师,主要从事矿山通风及瓦斯治理工作。

(责任编辑 梁子荣)