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【摘 要】东荣二矿1808工作面8#煤层瓦斯含量高、压力大,具有突出危险性。为确保安全回采,实现工作面稳产高产,采用高位钻场顶板走向钻孔抽放瓦斯;为提高钻孔有效长度,达到最佳抽放效果,对高位钻场及顶板走向钻孔技术参数进行优化与确定。
【关键词】高位钻场；顶板走向钻孔；瓦斯抽放；参数优化东荣二矿1995年10月建成投产,设计生产能力为150万t/a,改扩建后生产能力为200万t/a,2003年被鉴定为高瓦斯矿井。煤层开采顺序为先采8#、11-2#、6-1#煤,最后采13-1#煤。采用走向长壁综合机械化开采方法,一次采全高,全部垮落法管理顶板,边角煤采用走向长壁炮采工艺回采。先期在1812工作面回采过程中,平均瓦斯涌出量30.2m3/min,最大可达41.6m3/min,同时偶尔伴随着瓦斯动力现象发生,回风流和上隅角瓦斯经常严重超限,工作面多被迫停产,瓦斯问题成为制约矿井生产能力、影响矿井安全效益和经济效益的重大问题。
为减轻风排瓦斯压力,防止瓦斯事故,保证工作面安全回采,提高生产能力,决定在1808工作面实施高位钻场顶板走向长钻孔抽放采空区瓦斯。
1.1808工作面瓦斯地质概况
1808工作面为一单斜构造,位于矿井东翼,回采面走向长1630 m,倾向长160m,煤层倾角7°～16°,平均12°,其煤层瓦斯含量8.51m3/t,最大瓦斯压力1.40MPa, 煤层透气性系λ=0.1045m2/(MPa2·d),预计该面在回采过程中瓦斯涌出量将达25.62m3/min,具有突出危险性;煤尘具有爆炸危险性,煤尘爆炸指数为36.94%～38.16%,煤层自然发火期为3～6个月。煤以块状为主,粉末状次之,内生裂隙发育,半亮型煤,煤层厚度2.03～4.73m,平均3.52m,煤厚变化不大,结构单一。
2.钻孔施工
按照科研单位提供的研究报告要求,钻场采用顶板石门尽头式,即在工作面回风顺槽向顶板岩石掘一条倾角50°的斜巷,斜巷进入顶板垂高4 m,然后在斜巷末端走向设钻场,钻场规格为6m×4m×2.5m,向工作面推进方向打5～7个呈扇形分布钻孔,控制上隅角以下20m范围,孔长为180m左右,钻场间距为150m,钻孔终孔与8#煤层顶板垂距为20m,位于顶板裂隙带内。1#钻场施工完毕后,先后选用SGZ-ⅢA型钻机和MK-5A型钻机,配以Φ50mm钻杆,采用带岩芯管作导向,硬质合金、复合片钻头或使用潜孔锤钻进,结果孔深最长118m,最短仅93m,达不到设计要求,后在1#钻场前增设0#钻场,补打7个钻孔。
3.封孔及抽放系统形成
每个钻孔施工完毕后,采用Φ108mm钻头自孔口向内进行扩孔,扩孔深度不小于6m,并用木塞将孔口管塞好,待钻场所有钻孔施工完毕,验收合格后,开始用聚氨酯加固孔口管。封孔加固孔口管,采用聚氨酯(PUS-Ⅱ型)封孔,封孔时采用5m长的75mm无缝钢管作为孔口管,在孔口管上包上3m长的聚氨酯封孔材料,快速推入孔内适当位置,待聚氨酯反应、固定好孔口管后,在孔口管安装控制阀门,流量测定装置、放水装置的接头,孔口管接头与风巷Φ219mm管路三通接头之间采用Φ76mm硬质胶管连接,并绑扎牢固、不漏气。风巷Φ219mm管路经8煤东翼回风上山引至-434m总回风巷与主干管路相联,从而形成抽放系统(并入地面永久抽放系统)。
4.高位钻场顶板走向钻孔技术参数优化与确定
顶板走向钻孔抽放实际是通过顶板钻孔抽放采空区冒落带及裂隙带的瓦斯,进而改变采空区流场分布,从根本上解决采空区瓦斯从上隅角一带大量涌出,造成上隅角瓦斯大量积聚和回风流瓦斯超限的问题。
4.1钻孔参数确定
工作面回采临近1#钻场时,对其7个钻孔进行考察。从2005年4月1月开始至4月22日结束,每天中班派专人负责,通过孔板流量计考察钻孔气体流量、瓦斯浓度、瓦斯流量、管道负压以及孔口距工作面距离等参数,并做好记录,据此绘出单孔瓦斯流量、单孔瓦斯浓度和孔口距工作面距离的关系曲线图。通过考察分析表明:钻孔有效作用范围从采面距钻孔终孔位置水平6m左右开始到采面距钻孔开孔位置12m左右为止,水平方向为距上风巷1.8～17.1m;孔口距工作面距离在18.9～69.6m范围内抽放效果最好,与此相对应的钻孔与8#煤顶板法距为5.5～10.2m。因此得出如下结论:抽放孔布置在沿煤层倾斜方向距上风巷20m范围内,钻孔(抽放高度区间确定)布置最佳层位位于距8煤顶板法距为5.5～10.2m处,即冒落带中上部、裂隙带下部,终孔位于煤层顶板的8～10m处。
4.2钻场参数确定
钻场参数主要包括:钻场内钻孔数、各钻孔间距、钻场高度和相邻钻场间距等。
4.2.1钻场内孔数
增加孔数可以增加抽放量和抽放影响范围。1#钻场抽放实践表明,在现有风量的前提下,7个钻孔基本满足本工作面治理瓦斯要求。为提高抽放率,确定每个钻场施工7～9个钻孔。
4.2.2同一钻场内钻孔间距
主要是开孔间距与终孔间距,开孔间距过小,容易造成串孔不利于钻孔施工,影响封孔质量,一般不小于0.5 m,终孔间距4m左右,过密将造成互相干扰,不能达到增加抽放量的目的。
4.2.3钻场高度
为了提高抽放钻孔的有效平距,提高钻孔利用效率,钻场斜巷进入顶板垂高由4m提高到6m,使钻孔开孔在顶板细砂岩内,有利于提高封孔质量。
4.2.4钻场间距的确定
合理的钻场间距应当是相邻两钻场的钻孔有空间上能重叠,并且前钻场的高浓度终点恰好接续本钻场高浓度的起点,即钻孔所用钻机的实际工作能力及煤层顶板岩性,并结合现有的施工水平,设计钻孔深度确定为100～110m,为防止工作面过钻场期间抽放效果下降,工作面瓦斯超限,要求钻孔压茬20～30m,因此确定钻场间距为80～90m。同时在选择钻场时,应考虑构造、采动影响、便于维护、有利于提高封孔质量等,应根据现场情况作适当调整。
因此工作面后续钻场和钻孔采用以上参数,在工作面上风巷内错共施工8#煤顶板高位钻场17个,每个钻场施工8个顶板走向钻孔,孔径Φ91mm,扇形均匀布置,孔深110m左右,见图2。
5.回采面过钻场
工作面推进至鉆场附近,本钻场钻孔由于水平方向控制范围缩小,孔口距8#煤层垂距减小以及钻孔受动压影响,钻孔(塌堵)破坏,导致抽放效果差,抽放量小,下一钻场钻孔,实际施工中有的钻孔达不到设计深度,钻孔压茬不够,以及工作面推至钻场下方后,综采支架顶部形成通道改变了流场分布等原因,工作面过钻场期间,容易造成瓦斯超限,例如本工作面过1#、2#钻场时,就出现过瓦斯超限。
在实践中采取了如下措施:①在下一钻场施工一定向钻孔透过本钻场;②提前用编织袋装黄泥填实;③在钻场内预先埋管,工作面过钻场期间抽放;④在上隅角用编织袋装煤或黄泥充填严实,在靠近风巷帮及8#煤顶板拐角处埋放硬质胶管与主干管三通接头连接,用于抽放上隅角瓦斯。通过采用上述措施,工作面在通过4#钻场后杜绝了瓦斯超限。
6.抽放效果
通过实际观测1808工作面顶板走向钻孔,单孔抽放瓦斯量为0.6～1.5m3/min,高位钻场钻孔平均抽放瓦斯量为10.1m3/min,最大瓦斯抽放量为11.6m3/min,抽放瓦斯浓度一般25%～55%,平均抽放率39.5%,最高月份达45.3%。通过高位钻场顶板走向钻孔抽放采空区瓦斯技术的应用,明显地减少了该工作面的瓦斯风排量和瓦斯超限次数,从4#钻场后杜绝了瓦斯超限,回风巷瓦斯浓度降至0.8%以下,上隅角瓦斯浓度徘徊在0.6%～1.1%,确保工作面安全回采,实现了工作面的稳产、高产。
图2 高位钻场布置平剖面图
7.结论
高位钻场顶板走向钻孔抽放瓦斯技术在1808工作面的成功应用,为东荣二矿瓦斯治理提供了一条有效途径和方法,通过实际考察确定的高位钻场顶板走向钻孔的各项技术参数,为以后8#煤及其它煤层采用顶板走向钻孔抽放瓦斯提供有价值的参考与借鉴。
【关键词】高位钻场；顶板走向钻孔；瓦斯抽放；参数优化东荣二矿1995年10月建成投产,设计生产能力为150万t/a,改扩建后生产能力为200万t/a,2003年被鉴定为高瓦斯矿井。煤层开采顺序为先采8#、11-2#、6-1#煤,最后采13-1#煤。采用走向长壁综合机械化开采方法,一次采全高,全部垮落法管理顶板,边角煤采用走向长壁炮采工艺回采。先期在1812工作面回采过程中,平均瓦斯涌出量30.2m3/min,最大可达41.6m3/min,同时偶尔伴随着瓦斯动力现象发生,回风流和上隅角瓦斯经常严重超限,工作面多被迫停产,瓦斯问题成为制约矿井生产能力、影响矿井安全效益和经济效益的重大问题。
为减轻风排瓦斯压力,防止瓦斯事故,保证工作面安全回采,提高生产能力,决定在1808工作面实施高位钻场顶板走向长钻孔抽放采空区瓦斯。
1.1808工作面瓦斯地质概况
1808工作面为一单斜构造,位于矿井东翼,回采面走向长1630 m,倾向长160m,煤层倾角7°～16°,平均12°,其煤层瓦斯含量8.51m3/t,最大瓦斯压力1.40MPa, 煤层透气性系λ=0.1045m2/(MPa2·d),预计该面在回采过程中瓦斯涌出量将达25.62m3/min,具有突出危险性;煤尘具有爆炸危险性,煤尘爆炸指数为36.94%～38.16%,煤层自然发火期为3～6个月。煤以块状为主,粉末状次之,内生裂隙发育,半亮型煤,煤层厚度2.03～4.73m,平均3.52m,煤厚变化不大,结构单一。
2.钻孔施工
按照科研单位提供的研究报告要求,钻场采用顶板石门尽头式,即在工作面回风顺槽向顶板岩石掘一条倾角50°的斜巷,斜巷进入顶板垂高4 m,然后在斜巷末端走向设钻场,钻场规格为6m×4m×2.5m,向工作面推进方向打5～7个呈扇形分布钻孔,控制上隅角以下20m范围,孔长为180m左右,钻场间距为150m,钻孔终孔与8#煤层顶板垂距为20m,位于顶板裂隙带内。1#钻场施工完毕后,先后选用SGZ-ⅢA型钻机和MK-5A型钻机,配以Φ50mm钻杆,采用带岩芯管作导向,硬质合金、复合片钻头或使用潜孔锤钻进,结果孔深最长118m,最短仅93m,达不到设计要求,后在1#钻场前增设0#钻场,补打7个钻孔。
3.封孔及抽放系统形成
每个钻孔施工完毕后,采用Φ108mm钻头自孔口向内进行扩孔,扩孔深度不小于6m,并用木塞将孔口管塞好,待钻场所有钻孔施工完毕,验收合格后,开始用聚氨酯加固孔口管。封孔加固孔口管,采用聚氨酯(PUS-Ⅱ型)封孔,封孔时采用5m长的75mm无缝钢管作为孔口管,在孔口管上包上3m长的聚氨酯封孔材料,快速推入孔内适当位置,待聚氨酯反应、固定好孔口管后,在孔口管安装控制阀门,流量测定装置、放水装置的接头,孔口管接头与风巷Φ219mm管路三通接头之间采用Φ76mm硬质胶管连接,并绑扎牢固、不漏气。风巷Φ219mm管路经8煤东翼回风上山引至-434m总回风巷与主干管路相联,从而形成抽放系统(并入地面永久抽放系统)。
4.高位钻场顶板走向钻孔技术参数优化与确定
顶板走向钻孔抽放实际是通过顶板钻孔抽放采空区冒落带及裂隙带的瓦斯,进而改变采空区流场分布,从根本上解决采空区瓦斯从上隅角一带大量涌出,造成上隅角瓦斯大量积聚和回风流瓦斯超限的问题。
4.1钻孔参数确定
工作面回采临近1#钻场时,对其7个钻孔进行考察。从2005年4月1月开始至4月22日结束,每天中班派专人负责,通过孔板流量计考察钻孔气体流量、瓦斯浓度、瓦斯流量、管道负压以及孔口距工作面距离等参数,并做好记录,据此绘出单孔瓦斯流量、单孔瓦斯浓度和孔口距工作面距离的关系曲线图。通过考察分析表明:钻孔有效作用范围从采面距钻孔终孔位置水平6m左右开始到采面距钻孔开孔位置12m左右为止,水平方向为距上风巷1.8～17.1m;孔口距工作面距离在18.9～69.6m范围内抽放效果最好,与此相对应的钻孔与8#煤顶板法距为5.5～10.2m。因此得出如下结论:抽放孔布置在沿煤层倾斜方向距上风巷20m范围内,钻孔(抽放高度区间确定)布置最佳层位位于距8煤顶板法距为5.5～10.2m处,即冒落带中上部、裂隙带下部,终孔位于煤层顶板的8～10m处。
4.2钻场参数确定
钻场参数主要包括:钻场内钻孔数、各钻孔间距、钻场高度和相邻钻场间距等。
4.2.1钻场内孔数
增加孔数可以增加抽放量和抽放影响范围。1#钻场抽放实践表明,在现有风量的前提下,7个钻孔基本满足本工作面治理瓦斯要求。为提高抽放率,确定每个钻场施工7～9个钻孔。
4.2.2同一钻场内钻孔间距
主要是开孔间距与终孔间距,开孔间距过小,容易造成串孔不利于钻孔施工,影响封孔质量,一般不小于0.5 m,终孔间距4m左右,过密将造成互相干扰,不能达到增加抽放量的目的。
4.2.3钻场高度
为了提高抽放钻孔的有效平距,提高钻孔利用效率,钻场斜巷进入顶板垂高由4m提高到6m,使钻孔开孔在顶板细砂岩内,有利于提高封孔质量。
4.2.4钻场间距的确定
合理的钻场间距应当是相邻两钻场的钻孔有空间上能重叠,并且前钻场的高浓度终点恰好接续本钻场高浓度的起点,即钻孔所用钻机的实际工作能力及煤层顶板岩性,并结合现有的施工水平,设计钻孔深度确定为100～110m,为防止工作面过钻场期间抽放效果下降,工作面瓦斯超限,要求钻孔压茬20～30m,因此确定钻场间距为80～90m。同时在选择钻场时,应考虑构造、采动影响、便于维护、有利于提高封孔质量等,应根据现场情况作适当调整。
因此工作面后续钻场和钻孔采用以上参数,在工作面上风巷内错共施工8#煤顶板高位钻场17个,每个钻场施工8个顶板走向钻孔,孔径Φ91mm,扇形均匀布置,孔深110m左右,见图2。
5.回采面过钻场
工作面推进至鉆场附近,本钻场钻孔由于水平方向控制范围缩小,孔口距8#煤层垂距减小以及钻孔受动压影响,钻孔(塌堵)破坏,导致抽放效果差,抽放量小,下一钻场钻孔,实际施工中有的钻孔达不到设计深度,钻孔压茬不够,以及工作面推至钻场下方后,综采支架顶部形成通道改变了流场分布等原因,工作面过钻场期间,容易造成瓦斯超限,例如本工作面过1#、2#钻场时,就出现过瓦斯超限。
在实践中采取了如下措施:①在下一钻场施工一定向钻孔透过本钻场;②提前用编织袋装黄泥填实;③在钻场内预先埋管,工作面过钻场期间抽放;④在上隅角用编织袋装煤或黄泥充填严实,在靠近风巷帮及8#煤顶板拐角处埋放硬质胶管与主干管三通接头连接,用于抽放上隅角瓦斯。通过采用上述措施,工作面在通过4#钻场后杜绝了瓦斯超限。
6.抽放效果
通过实际观测1808工作面顶板走向钻孔,单孔抽放瓦斯量为0.6～1.5m3/min,高位钻场钻孔平均抽放瓦斯量为10.1m3/min,最大瓦斯抽放量为11.6m3/min,抽放瓦斯浓度一般25%～55%,平均抽放率39.5%,最高月份达45.3%。通过高位钻场顶板走向钻孔抽放采空区瓦斯技术的应用,明显地减少了该工作面的瓦斯风排量和瓦斯超限次数,从4#钻场后杜绝了瓦斯超限,回风巷瓦斯浓度降至0.8%以下,上隅角瓦斯浓度徘徊在0.6%～1.1%,确保工作面安全回采,实现了工作面的稳产、高产。
图2 高位钻场布置平剖面图
7.结论
高位钻场顶板走向钻孔抽放瓦斯技术在1808工作面的成功应用,为东荣二矿瓦斯治理提供了一条有效途径和方法,通过实际考察确定的高位钻场顶板走向钻孔的各项技术参数,为以后8#煤及其它煤层采用顶板走向钻孔抽放瓦斯提供有价值的参考与借鉴。