基于預置篩管護孔的松軟低透煤層高效抽采瓦斯技術研究

楊 健

(淮北礦業(集團)有限責任公司技術中心，安徽淮北235000)

淮北礦區突出煤層數量多,瓦斯壓力大,瓦斯含量高,滲透性低,各礦井煤層與瓦斯賦存差異大,且隨著當前礦區開采深度的增加,保護層開采技術的應用逐步受限,如祁南煤礦原采用組合保護層開采,即在煤層平面上至少開采6 煤層(61、62、63)中的一層保護7 煤層;蘆嶺煤礦主要開采8、9、10 煤層,其中8、9 為強突出煤層,且煤層間距小,而下部的10 煤層斷層極度發育,迫不得已開采9 煤層和10 煤層間的泥巖來保護上部的8、9 煤層。 隨著開采深度的增加,可供開采的保護層越來越少,因此,研究適宜于淮北礦區煤層瓦斯地質條件的高效瓦斯抽采技術已成為礦區當前煤炭安全生產所亟須解決的關鍵技術問題。

預抽煤層瓦斯主要有兩種形式,即穿層鉆孔預抽和順層鉆孔預抽。 其中,順層鉆孔是在工作面巷道內開孔,鉆孔均為煤孔,利用率高,因此順層鉆孔應用最為廣泛,大部分的突出煤層均采用此類方法[1-2]。 近年來,淮北礦業集團突出礦井順層鉆孔工程量大,占總鉆孔工程量的40%以上。

為縮短工作面準備時間,順層鉆孔通常布置密集,工程量大(鉆孔間距為2 ～3 m,直徑113 mm 以上)。 這些密集鉆孔雖然消除了煤層的突出危險,但是并沒有完全發揮抽采瓦斯的作用,后續煤炭開采過程中仍有瓦斯突出的危險,亟須開展提高順層鉆孔瓦斯抽采效率的研究[3]。 近年來,淮北礦業集團從自身煤層、瓦斯賦存與瓦斯抽采現狀入手,從導流通道的構建、封孔深度、煤層有限增透3 個方面入手,顯著提高了突出煤層順層鉆孔抽采的數量和質量。

1 試驗工作面概況

淮北礦業集團祁南煤礦位于宿州市南部,是一座年產240 萬t 的大型礦井。 72煤層是礦井主采煤層,煤層平均厚度為2.64 m,平均傾角為10°;-550 m 水平實測煤層瓦斯壓力為3.5 MPa,煤層瓦斯含量12.29 ～15.38 m3/t,煤層原始透氣性系數為0.046 m2/(MPa2·d),是該礦煤與瓦斯突出危險性最嚴重的煤層,曾發生過底板巖石與瓦斯突出、煤與瓦斯突出和延期突出[4]。

此次預置篩管護孔的順層鉆孔抽采試驗位于祁南礦715 工作面。 工作面位于81 采區左翼第三個區段,上鄰已回采的713 工作面,對應地面標高為+22 m,工作面標高為-553 ～-600 m;工作面開采煤層為72煤,煤層傾角3° ～6°,平均5°;工作面走向長800 m,傾斜長150 m;采用輕型放頂煤采煤法,一次采全高,全部垮落法管理頂板,工作面布置圖如圖1 所示。

圖1 工作面布置圖

祁南煤礦81 采區和82 采區的瓦斯壓力為3.4 MPa,祁南煤礦7 煤層瓦斯壓力梯度為0.019 MPa/m,瓦斯含量為14.3 m3/t,工作面具有煤與瓦斯突出危險。 72煤層鉆孔瓦斯流量衰減系數為0.0512/d,72煤層透氣性系數為0.0486 m/(MPa2·d),屬典型的低透煤層。

祁南煤礦前期采用傳統的順層鉆孔抽采煤層瓦斯工藝,但7 煤層松軟致使煤體的流變特性對鉆孔成孔的影響極為顯著。 結合祁南煤礦煤力學參數與煤層力學環境,采用數值仿真的方法獲得了順層鉆孔縮徑特征,如圖2 所示。

圖2 鉆孔孔壁位移隨時間變化關系

由圖2 可知:鉆孔形成后,孔壁移動變形將明顯侵占鉆孔空間,致使孔徑減小,在25 ～30 d 鉆孔基本被周圍煤體的移動變形所完全填充。 結合現場工程實際分析,在鉆孔并網接抽的20 d 以內,瓦斯抽采效果基本能維持在相對較高的水平,但在30 d 后,鉆孔抽采瓦斯量與濃度均呈現極為明顯的衰減特征,90 d 后,多數鉆孔抽采瓦斯量已趨近于0。

2 基于預置篩管護孔的松軟低透煤層高效抽采瓦斯技術

綜合分析,筆者提出了基于預置篩管護孔的松軟低透煤層高效抽采瓦斯技術,該技術是通過在鉆孔內預置壁面開孔的中空管路,且管路具有一定的強度,在孔壁煤體位移至管路時,管路支撐煤體,管路內部空間是瓦斯匯集的通道,起到持續抽采瓦斯的作用。 預置篩管不但能夠應對孔壁煤體位移對鉆孔空間的侵占,還能有效避免塌孔造成的費孔。

預置篩管的方式可以是隨鉆下篩管,也可以是成孔后下篩管。 淮北礦區普遍采用成孔后下篩管的方式,即在順層鉆孔施工完成后立即向鉆孔內部以人工形式推送篩管。 篩管的管材選用適合煤礦井下使用的聚乙烯管,簡稱PVC 管。 篩管外徑29.8 ～35.0 mm,內徑26 mm,具有抗靜電阻燃性。管壁上布有篩孔,篩孔直徑10 mm,間距100 mm,篩管具體尺寸如圖3 所示。

圖3 篩管尺寸

鉆孔內預置篩管可使瓦斯導流通道暢通,帶來源源不斷的瓦斯產出,裸孔和篩管孔的瓦斯抽采量對比如圖4 所示。 由圖4 可看出,裸孔抽采瓦斯量是持續走低的,而篩管孔抽采瓦斯量則能穩定長達5 個月,到抽采的第9 個月仍有瓦斯產出。 篩管連通了鉆孔深處煤體和抽采系統,使瓦斯流動通道保持暢通,有效地延長了瓦斯抽采時間。

圖4 裸孔和篩管孔的瓦斯抽采量對比

3 合理的封孔深度

圍巖松動圈外依次是塑性區、黏彈性區。 從裂隙發育和滲透率特征分析,黏彈性區是瓦斯向巷道流動以及外部大氣進入鉆孔密封空間的天然屏障,合理的抽采鉆孔使封孔深度進入黏彈性區,而不是大力封堵巷道松動圈裂隙[5]。

鉆孔施工初期鉆頭旋轉破巖所需要的壓力低,鉆進速度快,煤體具有破碎區圍巖的特征;而后鉆進速度基本穩定情況下,鉆進壓力顯著增加,并在15 ～20 m 達到相對穩定高值,表明鉆進15 ～20 m間存在應力峰值;20 m 左右后鉆進速度斷崖式下降,具有彈性區外緣和原始應力區特征。 黏彈性區可通過現場鉆孔施工情況來判斷:淮北礦區順層鉆孔施工過程普遍在鉆進15 m 后阻力顯著增加,維持距離5 ～8 m。 鉆孔施工完成后放置篩管,篩管進入鉆孔15 ～20 m 時阻力明顯增大,而后篩管的推進卻相對容易。

結合鉆孔施工反饋和預置篩管分析情況,綜合判斷,集中應力峰值在15 ～20 m 之間。 巷道周圍存在瓦斯排放帶,是最大的封孔深度[6]。 淮北礦區賦存有氣煤、肥煤,巷道瓦斯排放帶為20 m 左右,綜合確定淮北礦區順層鉆孔封孔深度不宜超過20 m?，F場進行了3 種不同封孔深度的抽采效果試驗,具體數據如圖5 所示。 由圖5 可知,3 種情況下瓦斯抽采濃度初期均可保持在80%以上,而后逐漸下降,但下降速率分化嚴重。 封孔深度為15 m 的瓦斯濃度下降最快且幅度最大,封孔深度為20 m 的次之,而封孔深度25 m 的下降最慢且幅度最小。20 m 的封孔深度和25 m 的封孔深度,抽采效果區別不大,因此,20 m 的封孔深度能夠滿足瓦斯抽采需求。

圖5 不同封孔深度下的瓦斯抽采瓦斯濃度

綜合各礦井順層鉆孔施工情況,考慮可接受的瓦斯抽采效果,確定淮北礦區順層鉆孔的封孔深度為17 ～20 m。 同時,結合預置篩管和“兩堵兩注”封孔工藝,鉆孔抽采的有效服務時間達6 個月以上,瓦斯濃度長時間保持在30%以上。

4 順層鉆孔高效抽采技術的瓦斯抽采試驗效果

瓦斯抽采是一項復雜的系統工程,單方面改進瓦斯抽采效果不明顯。 因此,淮北礦區系統結合了上述人造導流通道、合理封孔深度等技術因素,形成了適合松軟突出煤層特點的順層鉆孔護孔-封孔技術體系。 試驗過程中,統計了7 個鉆孔的瓦斯抽采濃度變化情況,如圖6 和表1 所示。 其中71#、185#孔為傳統工藝,即不下篩管護孔;其余5 個鉆孔采用新工藝即下篩管護孔,封孔深度20 m。 從統計結果來看,71#、185#孔封孔后的瓦斯濃度低,兩個月后瓦斯濃度降至30%以下。 其他5 個測試鉆孔瓦斯濃度較高,3 個月內的瓦斯濃度均維持在45%以上,考察時間較長的3 個鉆孔的瓦斯濃度在第6 個月也能達55%以上。 這表明封孔深度20 m是可靠的。

圖6 7 個鉆孔的瓦斯抽采濃度變化

圖7 和表1 為考察鉆孔抽采有效期、抽采活躍期和對應的流量。 原工藝下的71#孔,抽采活躍期60 d,每米鉆孔的平均流量為0.51 L/min;新工藝下的185#鉆孔封孔質量不佳,其抽采瓦斯的活躍期和對應的每米鉆孔平均流量相當。 新工藝下,考察較為完整的233#、235#和46#鉆孔其活躍期達200 d以上,233#鉆孔甚至可達250 d;在抽采活躍期,233#、235#和46#鉆孔的每米煤孔平均流量分別為0.50、0.47、0.82 L/min,略等于或超過71#鉆孔在活躍期的流量。 新工藝下的補53#孔和補208#孔,考察時間短,但結果顯示抽采活躍期至少在90 ～110 d,也超過71#鉆孔;同時,其每米煤孔平均流量達0.8 L/min左右,遠超過71#鉆孔。 抽采活躍期后,鉆孔的抽采仍然是有效的。 原工藝下的71#鉆孔在活躍期后的60 d 仍能抽出瓦斯來,每米煤孔的平均流量達0.18 L/min。 新工藝下,總瓦斯抽采時間可達280 d,每米鉆孔的平均流量達0.17 L/min 以上。

圖7 抽采有效期、抽采活躍期及對應流量

表1 抽采有效期、抽采活躍期及對應流量

可見,采用順層鉆孔高效抽采技術后,鉆孔瓦斯抽采活躍期達200 d 以上,是原抽采鉆孔的3 倍以上,甚至在280 d 還有瓦斯產出,且瓦斯流量與原鉆孔60 ～120 d 的瓦斯流量相當。 原抽采條件下即使是封孔效果較好的鉆孔在60 d 的瓦斯濃度已降至30%甚至更低,而新技術下抽采6 個月后瓦斯濃度仍能保持在30%以上。

4 結論

1)淮北礦區突出煤層順層鉆孔在20 ～25 m 位置容易塌孔,通過孔內下篩管維持鉆孔空間,可保障瓦斯流動通道暢通,延長鉆孔有效抽采瓦斯的時間。

2)巷道側煤體應力重新分布,處于彈性范圍的集中應力區滲透性降低,是阻礙外部空氣進入的天然屏障,通過“兩堵兩注”封堵孔邊裂隙和巷道裂隙,配合自然屏障,可實現有效封孔。

3)系統集成孔內預置篩管維持鉆孔空間、鉆孔施工反饋確定封孔深度,形成了適合淮北礦區突出煤層特點的順層鉆孔預抽技術,現場實踐表明順層鉆孔的抽采活躍期可達200 d 以上,抽采瓦斯濃度維持在30%以上,有效抽采時間達280 d,瓦斯抽采的數量和質量顯著提高。