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贺西矿3413综采面回风隅角综合瓦斯治理技术研究

2024-06-12 72 上传者：管理员

摘要：由于贺西煤矿在上隅角处单独实施一种瓦斯治理技术时，无法达到工作面在高强度回采时上隅角瓦斯体积分数不超限，提出在工作面上隅角实施插(埋)管和高位定向钻孔联合抽采瓦斯的方案。现场试验结果表明：实施综合瓦斯治理技术后，总抽采纯量为3.38～6.19 m3/min,平均抽采纯量为4.89 m3/min;工作面上隅角瓦斯体积分数保持在0.31%～0.53%,平均瓦斯体积分数为0.41%,上隅角瓦斯体积分数明显降低，取得了良好的瓦斯治理效果。

关键词：
上隅角
插(埋)管
瓦斯抽采
高位定向钻孔
高强度开采
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在煤矿开采过程中，由于上隅角位置特殊，上隅角空气流通不畅使得开采过程中产生的一氧化碳、瓦斯等气体在此处积聚，瓦斯等气体不易吹散，产生严重安全隐患[1,2,3]。

当前，学者丁洋等[4]利用响应面法，通过模拟及现场验证等双重方法，得出对上隅角瓦斯体积分数影响由小到大的因素分别为风量、错距、高抽巷抽采负压。张吉昌[5]对工作面进行现场试验，通过合理布置钻孔可以达到高效率抽采瓦斯，保障工作面安全。许江涛[6]通过对采动井分层布置，并对采动前后数据进行对比，发现采动井可以有效降低瓦斯含量。宋鑫等[7]提出，通过向工作面注气驱动瓦斯等气体抽采，比普通抽采可提高3～4倍的工作效率。

随着煤矿开采深度不断加大，煤层间瓦斯涌出及采空区遗煤增多，上隅角瓦斯含量不断增大，普通钻孔抽采等技术已无法满足大采高、高强度的开采需求及安全要求[8,9]。因此，设计出一种上隅角插(埋)管辅助高位定向钻孔的综合瓦斯抽采方法在工作面实施，从而最大限度地减小上隅角瓦斯体积分数[10],保证开采安全。

1、工作面概况

山西焦煤汾西矿业贺西煤矿生产能力为3×106 t/a, 井田面积为18.908 km2,主要开采山西组3号、4号煤层，属低硫中灰特低磷主焦煤，3号煤层和4号煤层间距为4.4～9.2 m.矿井通风方式采用分区式，矿井瓦斯绝对涌出量为71.14 m3/min, 相对瓦斯涌出量为18.63 m3/t, 属于煤与瓦斯突出矿井。煤尘具有爆炸性，自燃倾向性为III类不易自燃煤层。

3413工作面回采4号煤层，煤层倾角为5°,煤厚平均为4.4 m, 钻孔流量衰减系数为0.042～0.048 d-1,煤层透气性系数为1.116 m2/(MPa2·d),属于可以抽采煤层。百米钻孔初始瓦斯流量为0.049～0.060 m3/(min·hm)。原始瓦斯含量为8.23 m3/t, 最大绝对瓦斯涌出量为10.1 m3/min, 最大相对涌出量为9.87 m3/t, 回风隅角瓦斯体积分数在0.8%以上，经常发生瓦斯超限问题。

2、现场试验

上隅角插(埋)管抽采瓦斯是指沿着采煤工作面回风巷安设抽采管路[11,12],一直铺设到工作面上隅角，末端处产生一定的负压作用，将积聚在上隅角瓦斯抽吸至管路内，另外在抽采管路的抽吸影响下产生一定的负压，破坏回风隅角处的涡流，抽走瓦斯，最终减少回风隅角积聚的瓦斯[13]。因此在工作面回风巷根据抽采设计掘进钻场，借助大扭矩、大功率定向钻机沿着开切眼方向布置高位定向钻孔，在定向钻进工艺的保障下，确保抽采钻孔的实际轨迹始终保持在采空区裂隙带内，源源不断地将采空区高浓度瓦斯抽出[14,15]。工作面采取综合抽采瓦斯措施如图1所示。

图1 工作面实施综合抽采瓦斯措施

2.1 回风隅角插(埋)管抽采

通过数值模拟确定上隅角插(埋)管瓦斯抽采合理地点，数值模型按照工作面两巷宽度为4 m、长度为20 m, 工作面宽度为6 m、走向为300 m、倾向为250 m构建。抽采前后采空区瓦斯体积分数数值模拟，如图2所示。

图2 抽采前后采空区瓦斯体积分数数值模拟

从图2发现：工作面上隅角未抽采时，上隅角周围区域存在高浓度瓦斯，经常发生瓦斯超限；在上隅角向采空区埋管2 m抽采时，测得上隅角瓦斯体积分数大于1.0%;在上隅角向采空区埋管5 m抽采时，测得上隅角瓦斯体积分数为0.81%～0.89%;在上隅角向采空区埋管10 m抽采时，测得上隅角瓦斯体积分数已经超过0.9%.可以发现：在上隅角向采空区埋管5 m抽采时，瓦斯体积分数最低，抽采效果最好。

图3为上隅角布置插(埋)管示意图。顺着3413工作面的回风巷道安设直径为426 mm、壁厚为3.6 mm的瓦斯管路，利用长度为6 m的薄壁钢管连接形成瓦斯抽采管路。将竖向埋管安设在抽采管路的末端，管型为筛管，尺寸选择直径为Φ273 mm、高度为2 m, 向采空区方向埋入约5 m开始抽采。距管路末端12 m位置，将L型插管与抽采管路连接好，插管上安设DN250阀门，将直径400 mm负压风筒与插管水平连接在一起。利用钢丝绳悬吊固定负压风筒，控制负压风筒与工作面回风巷顶板之间的距离为1 m.负压风筒的出风口安设于上隅角切顶线处，在负压风筒的抽吸影响下产生一定的负压，提高上隅角抽采效果。

图3 上隅角插(埋)管布置示意

2.2 高位定向钻孔

采用《“三下”采煤规程》中的公式计算垮落带和裂隙带高度，具体见公式(1)和(2):

式中：HM为垮落带高度，m; HL为裂隙带高度，m; M为煤层厚度，m.

结合3413工作面回采煤厚为4.4 m, 通过计算发现，工作面的垮落带HM变化范围为14.93～19.93 m, 工作面的裂隙带HL变化范围为51.54～69.34 m.

由于HM<HS<HL,所以高位定向钻孔终孔位置HS到顶板的垂直距离变化范围为19.93～51.54 m, 与回风巷的水平距离小于工作面倾向距离的1/5,即不得超过50 m.

借助中煤科工集团西安研究院有限公司生产的ZDY12000LD型定向钻机，按照该钻孔设计参数施工钻孔，终孔位置为顶板目标层位，钻孔施工至目标层位后，借助随钻测量技术保证定向钻孔轨迹始终处于目标层位中，此型号钻机性能优良，最大转矩高达17 500 N·m, 最高转速为150 rpm, 给进力为20 kN.钻孔施工工艺为“定向先导孔+扩孔”,也就是先将定向钻孔施工完毕(直径为101 mm),之后开始扩孔，借助扩孔钻头进行扩孔，确保钻孔的终孔直径达到133 mm.具体分施工步骤如下。

1) 施工套管段：

借助内凹保直钻头配合摩擦焊钻杆钻具开始钻进，终孔点需要施工至煤层顶板稳定岩层区域3 m深度，钻头选用Φ194 mm, 摩擦焊钻杆钻具选用Φ73 mm; 接着使用塔式扩孔钻头、满眼保直扶正器、摩擦焊钻杆钻具进行扩孔，一直扩孔到孔底为止，其中塔式扩孔钻头选用尺寸为98/153/193 mm, 满眼保直扶正器选用尺寸为193 mm, 摩擦焊钻杆钻具选用Φ73 mm; 之后下放套管，将封孔材料注入进行封孔凝固，套管孔径选用168 mm.

2) 施工定向钻进段：

选用定向钻头、探管外管、通缆钻杆钻具进行钻进，其中定向钻头、探管外管、通缆钻杆钻具的尺寸分别为Φ101 mm、Φ73 mm、Φ73 mm, 且探管外管需要在内部安设随钻测量仪器，当施工到钻孔预定长度后进行提钻，最终钻孔直径为101 mm.

3) 导向扩孔段：

选用导向扩孔钻头配合摩擦焊钻杆钻具进行扩孔，其中导向扩孔钻头选择Φ101/133 mm, 摩擦焊钻杆钻具选择Φ73 mm, 最终钻孔成孔直径为133 mm.

钻场内一共施工4个高位定向钻孔，其中设计钻孔和实际施工钻孔参数见表1,设计的钻孔轨迹如图4所示。

表1 钻孔设计和实际施工参数

图4 钻孔设计轨迹

由于地质条件影响工作面钻孔施工，高位定向钻孔的实际轨迹和最初钻孔设计轨迹产生一定的差别，钻孔实际轨迹如图5所示。

图5 高位定向钻孔的最终轨迹

3、抽采效果分析

2023年6月16日至9月22日对上隅角瓦斯体积分数、高位定向钻孔和埋管抽采的瓦斯抽采纯量进行监测。高位定向钻孔于7月6日、7月15日、8月21日进行人为停止抽采，上隅角插(埋)管于6月26日、8月15日进行人为切断，通过实施人为切断抽采管路的方法研究这两种瓦斯抽采工艺的效果，如图6所示。仅实施上隅角插(埋)管抽采手段时，瓦斯体积分数高达0.79%,几乎达到设置的瓦斯超限报警值；只采取高位定向钻孔抽采手段时，瓦斯体积分数依然较高，高达0.72%.表明工作面实施一种瓦斯抽采手段时，上隅角瓦斯体积分数难以减小。

图6 两种瓦斯抽采手段下抽采效果对比

实施综合瓦斯抽采方法后，3413工作面抽采效果如图7所示。

图7 实施综合瓦斯抽采手段后的抽采效果

从图7发现：6月16日至7月16日总抽采纯量逐渐升高，由1.33 m3/min增加到3.81 m3/min, 7月17日至9月22日总抽采纯量变化范围为3.38～6.19 m3/min, 总抽采纯量的平均值为4.89 m3/min; 上隅角瓦斯体积分数发生大幅度减少，其中6月16日至8月7日，上隅角瓦斯体积分数最大值为0.79%,平均瓦斯体积分数为0.66%;8月8日至9月6日，上隅角瓦斯体积分数逐渐减少，波动范围为0.42%～0.61%,平均瓦斯体积分数为0.55%;9月7日至9月22日，上隅角瓦斯体积分数大幅度减少，波动范围为0.31%～0.53%,平均瓦斯体积分数为0.41%.

4、结语

通过在综放面高强度开采时，上隅角位置实施综合瓦斯治理措施，即布置高位定向钻孔、上隅角插(埋)管综合抽采瓦斯，工作面总抽采纯量最大值为6.19 m3/min, 上隅角瓦斯体积分数减小到0.31%～0.53%,上隅角瓦斯超限难题得到明显改善。

参考文献:

[1]段会军.高强度开采综放工作面上隅角瓦斯联合抽采实践[J].工矿自动化,2020,46(2):1-5,38.

[2]陶云奇,张剑钊,郭明功,等.采动卸压瓦斯抽采以孔代巷技术研究与工程实践[J].矿业安全与环保,2022,49(5):43-48.

[3]韩文娟.低位抽放巷上隅角瓦斯治理技术及其应用[J].煤矿机械,2022,43(12):153-155.

[4]丁洋,谭军红,林海飞,等.响应面法优化综放面上隅角瓦斯治理参数[J].煤炭技术,2023,42(10):119-123.

[5]张吉昌.兰花宝欣煤业高位钻孔抽放采空区瓦斯技术研究[J].煤,2023,32(9):37-39.

[6]许江涛.分层综采工作面采动井层位优化及高效抽采研究[J].煤炭工程,2023,55(7):16-21.

[7]宋鑫,舒龙勇,王斌,等.低瓦斯赋存高强度开采煤层驱替促抽技术研究[J].采矿与安全工程学报,2023,40(4):847-856.

[8]段会军.复杂顶板岩层大直径高位定向钻孔装备与技术[J].煤炭技术,2023,42(7):112-115.

[9]高登云,李瑞群.神东矿区综采工作面上隅角瓦斯治理技术研究[J].煤炭工程,2023,55(4):87-91.