韓思華,劉樹輪
(1.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán) 太行礦業(yè)有限公司,河北 邯鄲 056300;2.冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán),河北 邯鄲 056008)
我國所開采的高瓦斯和突出礦井95%以上的煤層屬于低透氣性的煤層,透氣性系數(shù)較低,瓦斯抽采難度非常大,抽采率較低,采空區(qū)瓦斯涌出在礦井瓦斯來源中占有很大的比例,因?yàn)樵诿簩娱_采時(shí),除開采煤層外,鄰近的煤層也會(huì)有大量的瓦斯向采空區(qū)涌出,不僅工作面在開采過程當(dāng)中會(huì)有瓦斯涌出,而且工作面采完,進(jìn)行密閉時(shí)還會(huì)有瓦斯涌出。隨著我國煤層開采深度的增加,地應(yīng)力不斷增大,煤層滲透率隨之減小,從而制約了煤層瓦斯的抽放率和抽放效果,并在很大程度上影響了礦井的正常接續(xù)。解決低滲透煤層的瓦斯抽放問題,已成為確保安全生產(chǎn)、提高礦井生產(chǎn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。鑒于這種情況,假如只依靠通風(fēng)的辦法解決,不但增加了通風(fēng)的負(fù)擔(dān),而且費(fèi)用較高。通過國內(nèi)外的一些實(shí)踐表明,對(duì)采空區(qū)和本煤層瓦斯進(jìn)行抽采,是行之有效的。
龍泉煤礦開采煤層平均厚度為6.47 m,工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為19.35 m3/min。龍泉煤礦4號(hào)煤層瓦斯解析量較大,透氣性系數(shù)為0.692 2 ~1.286 3 m2/(MPa·d),屬于低透氣性高瓦斯厚煤層。目前,隨著礦井開采規(guī)模和開采深度的變化,礦井瓦斯含量在瓦斯梯度和壓力梯度作用下逐步增高,4 號(hào)煤層瓦斯含量為4.09 m3/t,煤層瓦斯含量梯度為1.94 m3/t·100 m。隨著礦井瓦斯含量的升高,礦井瓦斯治理任務(wù)在今后會(huì)更加艱巨,瓦斯治理工作已經(jīng)是礦井能否安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)。針對(duì)礦井低透氣性、厚煤層、高瓦斯困難條件,結(jié)合礦井回采工作面瓦斯主要來源及采用單U 通風(fēng)方式采空區(qū)瓦斯治理難度大等問題,礦井“一通三防”技術(shù)人員制定了本煤層預(yù)抽、中高位裂隙帶抽采、采空區(qū)抽采等瓦斯綜合治理技術(shù)方法研究試驗(yàn),研究分析頂?shù)装鍘r層移動(dòng)規(guī)律與影響瓦斯運(yùn)移規(guī)律,摸索出切實(shí)有效瓦斯抽采方法及關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)本煤層瓦斯的攔截、預(yù)抽,解決工作面瓦斯治理難題。
根據(jù)工作面瓦斯來源,從本煤層、鄰近層卸壓、采空區(qū)抽采解決工作面瓦斯,同時(shí)就龍泉礦井煤層透氣性差的問題、中高位鉆孔層位的確定、本煤層鉆孔封孔等相關(guān)問題進(jìn)行分析,確定工作面瓦斯治理技術(shù)。
2.1.1 本煤層鉆孔施工
龍泉煤礦根據(jù)煤層內(nèi)瓦斯含量,合理確定本煤層鉆孔間距、長度及預(yù)抽時(shí)間,回采工作面采用兩側(cè)巷道垂直煤壁布置順層鉆孔,兩側(cè)鉆孔搭接15 m,鉆孔間距為3 m,鉆孔方位角為垂直于煤壁,鉆孔開孔位置為距離頂板2.3 m。鉆孔開孔采用姿態(tài)儀測量鉆孔傾角和方位角,鉆孔施工完成后采用軌跡儀器對(duì)鉆孔進(jìn)行測量軌跡,保證鉆孔按照設(shè)計(jì)施工。本煤層鉆孔示意如圖1 所示。
圖1 本煤層鉆孔示意Fig.1 Drilling sketch of the coal seam
2.1.2 本煤層鉆孔增透技術(shù)
礦井4 號(hào)煤層采用施工高壓水力割縫(壓裂)增透技術(shù),在保障安全的前提下對(duì)已完成小直徑鉆孔的煤層段進(jìn)行高壓水力割縫擴(kuò)大其直徑,排出大量煤體,促進(jìn)煤體層內(nèi)卸壓,形成大量裂隙;然后對(duì)割縫鉆孔封孔后進(jìn)行水力壓裂,利用割縫裂隙和控制鉆孔控制水力壓裂的方向,割縫鉆孔和控制鉆孔之間煤體被壓開形成貫穿裂隙并通過高壓水?dāng)y帶出煤屑,鉆孔控制范圍內(nèi)煤體卸壓,有效的增加煤層透氣性,預(yù)計(jì)鉆孔間距從3 m 增加至10 m,割縫(壓裂) 鉆孔和控制鉆孔均接入抽放系統(tǒng),提高瓦斯抽采效果和降低預(yù)抽時(shí)間,預(yù)計(jì)鉆孔抽采半徑增加至15 m 左右,鉆孔抽采時(shí)間為180 d。
2.1.3 本煤層鉆孔封孔工藝研究
當(dāng)前龍泉煤礦鉆孔采用三堵二注封孔方式進(jìn)行封孔,即采用囊袋封孔配套專用注漿材料進(jìn)行封孔,封孔管采用承受1 MPa 壓力的φ63 mm 聚氯乙烯煤礦瓦斯抽采封孔管路。對(duì)鉆孔水力割縫前需要對(duì)鉆孔進(jìn)行封孔,即采用封孔器(封孔器的耐壓強(qiáng)度應(yīng)在30 MPa 或者在預(yù)估壓裂壓力的1.5 倍以上,封孔長度10 m 以上,凝固時(shí)間4 h 以上) 或水泥砂漿封孔。水泥砂漿封孔方法:水泥砂漿封孔長度應(yīng)在10 m 以上,封孔后需等待3 d 以上,直至水泥砂漿完全凝固后才可以準(zhǔn)備壓裂試驗(yàn)。變相增加封孔段長度提高封孔質(zhì)量。
2.2.1 千米定向鉆機(jī)中高位鉆孔設(shè)計(jì)研究
龍泉煤礦工作面設(shè)計(jì)為中位鉆孔截流、高位鉆孔抽采頂板裂隙帶瓦斯,中位鉆孔采用普通鉆機(jī)施工,鉆孔施工過程中鉆桿會(huì)存在跑偏,使終孔位置不能達(dá)到預(yù)期位置。為合理優(yōu)化設(shè)計(jì),根據(jù)該區(qū)域煤層情況,距工作面切眼500 m 鉆場內(nèi)施工φ150 mm 大孔徑千米定向中高位鉆孔,并根據(jù)15~50 m不同層位布置分支鉆孔,用于抽采工作面冒落帶和頂板裂隙區(qū)域瓦斯,治理工作面采空區(qū)和上隅角瓦斯。千米定向鉆機(jī)中高位鉆孔示意如圖2 所示,千米定向鉆機(jī)成孔效果圖如圖3 所示。
圖2 千米定向鉆機(jī)中高位鉆孔示意Fig.2 Kilometer directional drilling rig in high drilling schematic
圖3 千米定向鉆機(jī)成孔效果圖Fig.3 Kilometer directional drilling hole effect diagram
圖4 半封閉插管抽采上隅角示意Fig.4 Semi-closed intubation extraction upper corner
(1) 冒落帶高度計(jì)算。
煤層頂板(冒落帶) 由若干層性質(zhì)各異的巖層和煤層組成,采空區(qū)形成后,頂板面積懸露到一定極限時(shí),直接頂板巖層初次垮落(冒落),初次垮落時(shí)工作面煤壁(或放頂線) 至開切眼的距離基本頂平均初次來壓步距為41.53 m。隨著工作面向前推進(jìn),直接頂循環(huán)跨落形成冒落帶。冒落帶縱、橫剖面一般呈拱形或正梯形,從煤壁處作冒落拱的切線稱為冒落線,冒落線向采空區(qū)傾斜,其與煤層傾向線的夾角稱為冒落角,過拱形最高點(diǎn)直線與煤層傾斜面平行的直線稱為冒落高度線,冒落高度線與煤層頂板間的垂距即冒落帶高度。巖層冒落角與巖石性質(zhì)有關(guān)。一般情況巖石越硬,冒落角度越大,一般情況下冒落角可取45°~75°。龍泉礦4 號(hào)煤層的堅(jiān)固性系數(shù)f=1 ~ 2,冒落角取50°~55°。
冒落帶高度與采高和頂板巖石碎脹性能有關(guān),一般是采高3~4 m,巖石的碎脹系數(shù)越大,冒落帶高度越低。4 號(hào)煤層頂板為灰白色中粒砂巖,石英為主,含長石及暗色礦物,分選磨園差,泥質(zhì)膠結(jié)。底部為泥巖,含植物葉片化石。中粒砂巖抗壓強(qiáng)度為52.93 ~ 104.77 MPa;砂質(zhì)泥巖類抗壓強(qiáng)度一般為24.82 ~ 70.54 MPa,根據(jù)采準(zhǔn)巷道頂板分類標(biāo)準(zhǔn),4 號(hào)煤層頂板屬于不穩(wěn)定至中等穩(wěn)定性頂板。
其冒落帶最大高度按式(1) 計(jì)算。
冒落帶內(nèi)根據(jù)冒落巖石的密實(shí)程度和漏風(fēng)狀態(tài),冒落帶內(nèi)巖塊之間孔隙,連通性強(qiáng),瓦斯容易積聚。
(2) 裂隙帶高度計(jì)算。
從煤層頂板起至裂隙帶上部的高度,即裂隙帶高度,一般是采高的5~8 倍,過裂隙帶最高處,且與煤層頂板平行的直線稱為裂隙帶高度線。
裂隙帶內(nèi)是溝通采空區(qū)冒落帶和變形帶的裂隙通道。為瓦斯富集和涌出的創(chuàng)造通道,所以裂隙帶離層區(qū)的中下部是布置鄰層瓦斯抽放鉆孔,截?cái)嗤咚瓜蚬ぷ髅嬗砍龅淖罴盐恢谩?/p>
(3) 彎曲下沉帶高度計(jì)算。
彎曲帶又稱整體移動(dòng)帶或彎曲下沉帶,是指裂縫帶頂部到地表的巖層。根據(jù)前述分析,龍泉煤礦4 號(hào)煤層厚度取6.47 m,煤層傾角取5°,冒落線傾角取55°,卸壓角取79°,經(jīng)計(jì)算冒落帶高度為6.7~11 m,裂隙帶高度為32.35~51.74 m。
2.2.2 千米定向鉆機(jī)設(shè)備功能技術(shù)
結(jié)合鉆孔施工特點(diǎn),通過鉆孔相關(guān)技術(shù)參數(shù)對(duì)鉆孔進(jìn)行設(shè)計(jì), 根據(jù)鉆孔設(shè)計(jì)要求,ZDY-12000LD 型煤礦用履帶式全液壓定向鉆機(jī),適用于巖石堅(jiān)固性系數(shù)f≤10 的各種煤層和巖層。鉆機(jī)具有獨(dú)立行走,360 度轉(zhuǎn)彎等特點(diǎn),鉆機(jī)對(duì)巷道或鉆場的要求:高度大于3 m,寬度大于4.5 m,斷面大于12 m2。相關(guān)配套設(shè)備有孔底馬達(dá)、礦用隨鉆測量裝置、定向鉆桿、擴(kuò)孔鉆桿等。
2.3.1 半封閉插管抽采上隅角瓦斯抽采原理
半封閉插管抽采上隅角瓦斯方法的主要原理是在采煤工作面的回風(fēng)側(cè),同時(shí)靠近回風(fēng)巷上幫和采空區(qū)邊緣的三角地帶形成負(fù)壓區(qū)域,使該區(qū)域內(nèi)瓦斯形成紊流狀態(tài)與空氣充分混合,由抽放管路抽走。
2.3.2 半封閉插管抽采上隅角施工工藝
在4306 工作面上隅角與最后一個(gè)綜采支架回風(fēng)口和4306 回風(fēng)上隅角采空區(qū)處各安設(shè)1 趟直徑600 mm 的骨架風(fēng)筒,與回風(fēng)巷φ508 mm 低負(fù)壓抽采管路相連接,抽采回風(fēng)隅角內(nèi)瓦斯。抽采形成了負(fù)壓區(qū),減少了采空區(qū)向回風(fēng)隅角涌出瓦斯。工作面上隅角插管抽采混量保持在125 m3/min。工作面回風(fēng)隅角插管抽采的方式解決工作面上隅角瓦斯積聚、降低采面回風(fēng)流中的瓦斯?jié)舛葐栴}。龍泉礦在工作面上隅角采用“低負(fù)壓、大流量” 管路,改變上隅角瓦斯流場,充分抽排渦流區(qū)域瓦斯。
低透氣性厚煤層高瓦斯回采工作面瓦斯綜合治理技術(shù)在龍泉能源進(jìn)行了實(shí)際應(yīng)用,該技術(shù)應(yīng)用效果顯著,通過增加水力壓裂技術(shù),鉆孔影響半徑增大,使鉆孔間距增加,減少鉆孔數(shù)量,優(yōu)化抽采設(shè)計(jì)建設(shè)抽采成本。減少了鉆孔施工工程量,鉆孔間距由3 m 變?yōu)?0 m,每100 m 巷道本煤層(鉆孔長度140 m) 可以節(jié)省成本55.6 萬元,同時(shí)使鉆孔抽采濃度和抽采率增加50%。該技術(shù)使煤層的卸壓范圍增大,明顯增大煤層的透氣性,提高了工作面回采前的瓦斯抽放率,從而縮短工作面的投產(chǎn)時(shí)間、減輕瓦斯對(duì)工作面安全生產(chǎn)的威脅,保證工作面的安全高效生產(chǎn)。
通過采用千米定向鉆孔替代普通鉆孔,提高了鉆孔施工效率,減少普通鉆場及鉆孔施工數(shù)量,每一個(gè)500 m 鉆場可節(jié)省成本108 萬,同時(shí)提高了鉆孔抽采濃度,增加了鉆孔抽采量,減少上隅角瓦斯涌出。
該項(xiàng)目的實(shí)施工作面風(fēng)排瓦斯量減少,上隅角瓦斯超限得到控制,消除了安全生產(chǎn)威脅,瓦斯超限斷電導(dǎo)致的頻繁機(jī)械故障減少,工作面勻速推進(jìn),穩(wěn)定高產(chǎn),合適的風(fēng)量和穩(wěn)定的推進(jìn)度利于防火、防塵,回采超前動(dòng)壓影響保持在正常范圍,兩巷斷面變形維護(hù)量大大減少。
龍泉煤礦通過增加水力壓裂技術(shù)、優(yōu)化本煤層鉆孔施工、千米鉆機(jī)定向中位鉆孔替代普通中位鉆孔等瓦斯綜合治理技術(shù),可以使煤層的卸壓范圍增大,能明顯增大煤層的透氣性,提高工作面回采前的瓦斯抽放率,從而縮短了工作面的投產(chǎn)時(shí)間、減輕了瓦斯對(duì)工作面安全生產(chǎn)的威脅,保證工作面的安全高效生產(chǎn)。龍泉煤礦實(shí)施該項(xiàng)目后工作面抽采純量由以前的5.6 m3/min 提高到22 m3/min;工作面瓦斯抽采率由20%上升至60%。該技術(shù)有效解決了工作面低滲透煤層的瓦斯抽放問題,為確保安全生產(chǎn)、提高礦井生產(chǎn)效率提供了重要安全保障。此外,隨著下組煤的順利開采,開展低滲透煤層瓦斯抽放研究具有重要的社會(huì)價(jià)值和經(jīng)濟(jì)效益。