煤层钻孔范文（精选9篇）
煤层钻孔 第1篇
1 矿尘的性质及危害
1.1 矿尘的概念及分类
矿尘就是一些悬浮在空中的微小的颗粒, 它是一种溶胶, 能够很长时间地在空气中存在, 它可以与空气一起组成分散体系, 其主要是在生产过程中产生。在煤矿中粉尘主要有煤尘和岩尘两种, 他们的直径一般都在0.75~1mm之间。
矿尘按其不同的种类可以分为以下几种: (1) 粗尘:粗尘的直径比较大, 不容易在空气中存在。 (2) 细尘:细尘相对于粗尘唯一的不同就是直径小, 很容易在空气中存在, 不容易下降。 (3) 微尘:微尘是直径更小的一种颗粒, 一般肉眼是看不到的, 其危害也是很大的。 (4) 超微尘:这种粉尘基本上是看不到的, 只能靠显微镜看到, 能够一直存在空气中。
1.2 矿尘的危害
矿尘的危害极大, 其主要危害是污染, 危害人体的健康。矿上的工人一般会长期地吸入矿尘, 这样就会引起职业病。病情轻者会患呼吸道疾病, 重者就会很严重, 甚至会患皮肤病、尘肺病等, 严重的会有生命危险。根据我国卫生部公布的数据, 2005年全国30多个省市大概有1万多人患有尘肺病。
2 除尘原理及孔口除尘成套装置设计
2.1 孔口除尘器成套装置的组成
本文主要通过调研的形式来完成, 通过对一些煤矿的调研得出的结果来确定孔口除尘装置的组成。初步认定除尘装置由密封器、重力沉降、旋风除尘、喷雾除尘组成, 这是除尘装置的主要部分。其中最重要的部分是旋风除尘和喷雾除尘部分, 它们之所以重要就是能够很快地降低粉尘的浓度, 有助于提高除尘的效率。
(1) 旋风除尘器部分。旋风除尘主要是利用离心率的原理进行除尘。旋风除尘器会产生旋动的气流, 利用气流的离心率原理把液滴和固体小颗粒分离出来。它可以设计成两种机械, 一种是分级器, 一种是分离器, 这种器械对收集粉尘和液滴有很高的效率。由此可以得出用来除去空气中粉尘的旋风分离器就是我们常说的旋风除尘器。
(2) 旋风除尘工作过程及除尘机理。旋风除尘的过程很简单, 其主要是使含有矿尘的气流以很高的速度进入旋风除尘器, 这样可利用旋风除尘器的离心率原理把气流由直线运动变为旋转运动。旋转的速度极快, 这样可以使得气流的大部分沿着筒壁运动, 这种气流被我们成为外滩气流。在旋转器中的含尘气体, 在旋转离心率的作用下, 可以把含尘密度大的气体甩向器壁。这样一些大的尘粒在接触筒壁以后就会随着筒壁下降, 会失去惯性力, 下降以后进入设置的排灰管。由于旋转器的旋转矩是不变的, 当外旋气体到达筒壁下端的锥形管时, 就会向除尘器中心靠拢。转速不断提高, 慢慢地就会产生内旋气流, 最后把粉尘收集以后, 通过净化的空气由排气管排出。这样难免会有一些没有被收集的粉尘, 一般装置还会有一些二次分离的程序。但是经过一次分离以后, 基本上粉尘颗粒就会被收集, 一些没收集的粉尘也是极少数的, 影响不大。
2.2 重力除尘部分
(1) 重力除尘部分的原理及特点。重力除尘也是现阶段发展的一种新的除尘技术, 其主要是通过重力沉降的作用将粉尘和气体进行分离, 有粉尘的气体被风流吸入沉降室。在沉降室中气流的通过面积不断增大, 这样流速就会慢慢地变小。一般来说在沉降室内的气流速度各个层都不同, 在沉降室中气流缓慢会引起气流中的质量与颗粒较大的尘粒以一定的速度下沉, 经过一段时间以后, 粉尘就会降到除尘器的底部, 这样就能把粉尘和气流分离出来。重力除尘有诸多优点, 其中最大的优点就是结构简单、造价低, 运行还是比较稳定的, 而且维护的费用也极低。
(2) 提高除尘效率的途径。重力除尘主要是利用重力的原理来除尘, 但是效率还是不如旋转除尘, 对于提高重力除尘的效率, 可以从以下几个方面入手:1) 将沉降室内的气流速度降低, 这样一些大的颗粒就因重力下降到除尘器的底部, 除此之外, 还可以增大沉降室的横截面积和尺寸。2) 将沉降室的水平距离延长, 这样就能够使得粉尘在沉降室的停留时间加长, 可以使得原来没有沉降的一部分粉尘沉降下来, 提高了沉降的效率。
(3) 重力除尘器的设计。可以根据一些公式来设计重力除尘器的尺寸, 可以通过计算使沉降室内的气流流速降低一些, 使得气流处于层流的状态, 这种状态可以大大提高除尘的效率, 也可以防止流速过高而使得一些大颗粒粉尘二次飞扬。根据以往的实践经验得出, 沉降室内的流速要小于3m每秒, 这样可以保证沉降的效率, 也可以保证粉尘不会再次飞扬。这种设计可以参照表中的一些数据, 这些数据都是在以往经验中积累下来的数值, 根据这种数值设计出的除尘器能够提高除尘的效率。
3 除尘装置的优化
除尘装置的优化必须使得处理的空气量与除尘器入口的速度相适应, 这样才能确定入口的面积。然后根据一些公式来计算出相关的数据, 包括除尘器的一些结构尺寸。此外, 根据经验还可以得出, 旋风除尘装置切向式进口虽然结构简单, 便于加工, 但是分离性能较差, 除尘效率较低。而蜗壳式进口, 由于气体进入蜗壳后的过流面积逐步减少, 使得气体在进人主要分离空间前逐渐加速。并且蜗壳入口半径大于其他结构入口半径, 导致气流入口环量大, 内旋涡核的旋转速度相应增高, 这样就增加了粉尘粒子圆周运动的离心力, 加速了微细颗粒的沉降, 这就提高了除尘效率。此外, 蜗壳式入口可以在筒体和锥体段尺寸结构不变的情况下, 增加处理的气量。综上所述, 优化时采用蜗壳式进口方式可以增加除尘效率。
4 结论
目前我国的采煤量逐年增加, 也使得环境污染逐年加剧。一些重工业城市污染度已经达到了极限, 不但给矿工的生命带来危险, 也使公民的身体健康受到威胁。本文主要是分析了粉尘的危害, 介绍了两种除尘器的设计方法以及各自的优点, 并对其进行了实验。
参考文献
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[3]李泉新.松软突出煤层瓦斯钻孔成孔技术及配套钻具的研究[D].煤炭科学研究总院西安分院, 2007.
[4]冀前辉.松软煤层中风压空气钻进供风参数研究及除尘装置研制[D].西安:煤炭科学研究总院西安研究院, 2009.
煤层钻孔 第2篇
程子华
摘要：结合井下采掘分布情况，对11、21采区采掘范围内二1煤层原始瓦斯压力等瓦斯基本参数进行钻孔测定，以更好的指导矿井瓦斯治理工作。
关键词：煤层原始瓦斯压力；测压钻孔；卸压影响范围；测压管
前言
煤层瓦斯基本参数测定是掌握煤层瓦斯赋存情况的基本途径，通过对瓦斯基本参数的测定，可以准确掌握煤层的瓦斯压力、瓦斯含量、煤的相关物理性质和煤吸附瓦斯的一些情况，从而为煤层的瓦斯抽放可行性论证，煤与瓦斯突出防治措施的制定，瓦斯综合治理方案的确定以及瓦斯抽采和综合利用，瓦斯地质图的编绘等提供依据和基础数据。
1、测压方法
本次煤层瓦斯压力测定采用穿层上向钻孔、水泥浆封孔的井下被动式直接测定煤层瓦斯压力法。选择适宜地点布置测压钻孔，钻孔直径75mm，测压孔施工结束后，将测压管安装在钻孔中预定的封孔深度，并安好注浆管，孔口用木楔固定测压管及注浆管。根据封孔深度确定水泥的数量，并按一定比例配制成水泥浆，用注浆泵一次连续将水泥浆注入孔内，经24h凝固，然后上压力表。上表后即开始每天观察并记录表值的变化，直到表压值稳定5～7天方可卸压力表，结束测压工作。
2、测压钻孔布置及施工（1）测压钻孔的布置原则
测定地点应优先选择在石门或岩巷中，选择岩性致密的地点，且无断层、裂隙等地质构造处布置测点，其瓦斯赋存状况要具有代表性。应避开含水层、溶洞，并保证测压钻孔与其距离不小于50m；应避开采动、瓦斯抽采及其它人为卸压影响范围，并保证测压钻孔与其距离不小于50m；应保证测压钻孔有足够的封孔深度，采用注浆封孔的上向测压钻孔倾角应不小于5°。同一地点应设置两个测压钻孔，其终孔见煤点或测压气室应在相互影响范围外，其距离（除石门测压外）应不小于20m。（2）测压钻孔位置分布
根据《煤矿安全规程》、行业标准《煤矿井下煤层瓦斯压力的直接测定方法》的有关规定，11采区瓦斯压力测点分别布置在11采区西翼轨道上山的3#钻场、7#钻场和11141底板抽放巷上帮3#钻场；21采区瓦斯压力测点布置在21采区辅助总回风措施巷和21采区皮带下山。测压钻孔参数（3）测压钻孔施工
钻孔施工采用西安煤科院生产的MKD-4S全液压钻机进行钻孔的施工，采用地锚稳固方法固定钻机。钻孔先用113mm钻头开孔，施工10米后，下入108mm套管6-8米，并对下入套管采用聚氨酯和水泥沙浆进行固孔，以便于安装和连接孔口防喷装置，后钻孔改用75mm钻头继续施工，直至终孔并进入煤层顶板0.5米。
钻孔在岩孔段采用压水进行冲洗岩粉，进入煤层底板后，改用压风排粉孔口除尘。
钻孔在穿煤前必须安装连接好孔口防喷装置，使用抽放管路对钻孔进行抽放，抽放负压不低于18KPa，并有专人负责穿煤期间防喷装置的清渣工作。（4）测压钻孔封孔深度
注浆封孔测压法的测压钻孔封孔深度应满足下式：
L封L1Dctg
式中：L封——钻孔封孔深度，m；，m； L1——钻孔所需最小封孔深度（有效封孔段长度）D——钻孔的直径，m；
——钻孔的倾角，º，5º90º
根据以上公式计算，钻孔倾角按30 º施工，钻孔施工深度为52m，封孔深度不小于12.16m。
3、钻孔封孔要求
提高封孔质量是确保钻孔准确测定煤层瓦斯参数的重要因素。为了提高封孔质量，采用水泥浆封孔，封孔深度为封至煤层底板。封孔在钻孔施工完成后1天内完成。封孔前需制定相关安全技术措施。
（1）封孔前期准备
调整封孔泵的位置，尽量水平放置，保证其稳定性，放置在安全位置，不严重影响巷道行人。接引水路，正常供水。封孔材料准备齐全。
（2）向钻孔送测压管
每个钻孔采用2根筛孔管，筛孔管在最前端（第一根筛孔管前端要打扁，两根筛孔管都要用纱窗布缠紧，以防止煤渣堵塞筛孔管），依次连接测压管，并用管子钳上紧，逐步送入钻孔内。在连接测压管过程中，管接头处要缠生料带以加强气密性。在送入测压管的过程中，既要保证管路连接正常，又要注意安全，防止测压管沿钻孔掉下伤人、损坏设备等。
当全部管路送入钻孔后，用钻杆或木条等支撑住孔口木塞，地面用木板垫实。支撑钻杆或木条要维持到水泥浆凝固后方可撤去，其间不要随意移动。
按照设计，同一地点施工两个测压钻孔，可两个钻孔同时封孔，先将两个钻孔的测压管输送完毕后再注浆。
***1－煤层 2－筛孔管 3－纱窗 4－岩层 5－水泥浆 6－测压管 7－木楔 8－压力表 9－注浆泵 10－闸阀 11－注浆管 12－测压室
图1 上向测压钻孔封孔示意图
(3)注浆
在搅拌桶中将足量水泥、“U”型膨胀剂与清水均匀混合（水泥与水的质量比约为2：1），搅拌成糊状，“U”型膨胀剂的用量为水泥的10％左右。
在注浆过程中应注意观察测压管孔口情况，若出现水泥浆溢出的情况说明水泥浆已注到预定深度。
4、注意事项
（1）测压钻孔在位置选择时，必须选择在未受采动影响和在测压期间不受采动影响的地点施工。（2）在测压钻孔施工时，必须严格按照钻孔设计参数进行施工，在进行钻孔穿煤时，必须穿透全煤层并在起钻时，及时对岩孔段进行冲洗，以更好的封孔。
（3）钻孔在起钻前，应提前准备封孔材料及工具，起完钻杆后，必须在8h内对钻孔下管和封孔结束，保证钻孔测压效果。在下入测压管时，必须保证筛孔管下入煤层不少于2米，各测压管必须连接紧密、不漏气。
（4）钻孔在封孔注浆时，必须保证钻孔的有效封孔深度，使钻孔岩孔段封满填实，使钻孔正常返浆，封孔注浆结束凝固24h后必须进行耐压试验，耐压试验压力不小于6MPa。
5、结论
煤层钻孔 第3篇
关键词：突出煤层 立体交叉 抽放瓦斯
煤矿瓦斯抽放是解决高瓦斯涌出，防治灾害事故的根本性措施。我国矿井瓦斯抽放工作虽经过40多年的发展，目前在科研和生产实践中已经建立了一套适应各种不同地质条件和采掘布置的抽放瓦斯方法，并有成套的装备可供应用，但抽放工艺和技术仍待发展。为减少瓦斯灾害，提高瓦斯抽放效果，鹤煤十矿通过抽放方式、方法的改变，达到顺层钻孔与穿层钻孔立体交叉布置相结合，预抽、边采边抽、采空区抽放、保护层卸压抽放相结合，形成在时间上、空间上的立体交叉综合抽放。
1 所研究矿井的现状
1.1 抽放系统现状
鹤煤十矿井深达729.5m，地压大、瓦斯含量高且有突出危险，目前瓦斯抽放系统分为地面及井下两部分，地面泵站安装两台2BEC42型水环式真空泵，目前抽放负压40kPa，抽放浓度9%～12%，抽放纯量5～8m3/min。井下设有两个移动抽放泵站，一个是-575地区抽放泵站。目前该泵站装备两台2BE-303型水环式真空泵，抽放负压55.18kPa，抽放纯量2～4m3/min；二是-250移动泵站，装备两台SK-60型水环式真空泵。但是瓦斯抽放率较低，一直是影响矿井安全生产的重大威胁。
1.2 煤层瓦斯基础参数进行测试
2002年5月经抚顺煤科院鉴定为突出矿井。2007年矿井瓦斯等级鉴定结果为：绝对涌出量25.9m3/min，相对涌出量为27.5m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。2008年矿井瓦斯等级鉴定结果为：绝对涌出量25.33m3/min，相对涌出量为24.32m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。2009年矿井瓦斯等级鉴定结果为：绝对涌出量24.83m3/min，相对涌出量为21.32m3/t，为煤与瓦斯突出矿井。
1.3 瓦斯地质规律
根据测试可得不同的标高所对应的瓦斯含量：
煤层底板标高-215m处的瓦斯含量趋势值是5m3/t。
煤层底板标高-343m处的瓦斯含量趋势值是8m3/t。
煤层底板标高-513m处的瓦斯含量趋势值是12m3/t。
煤层底板标高-641m处的瓦斯含量趋势值是15m3/t。
十矿瓦斯含量梯度为2.1m3/t·100m。
2 针对1307工作面进行立体交叉钻孔瓦斯抽放设计
鹤煤十矿二1煤层开采时，考虑到煤层瓦斯含量较大，采掘工作面均需要实施瓦斯抽放，根据采区的地质情况、开采的巷道布置以及施工条件选择采用本煤层钻孔和底板巷穿层钻孔立体交叉抽放的综合瓦斯抽放方法。工作面形成系统前，底板巷穿层钻孔与顺槽钻场边掘边抽钻孔形成立体交叉，抽放煤巷条带煤层瓦斯。工作面形成系统后，底板巷穿层钻孔与工作面顺层钻孔形成立体交叉，抽放回采区域煤层瓦斯。
2.1 1307底板抽放巷穿层钻孔瓦斯抽放
穿层钻孔抽放是煤矿进行瓦斯抽采的一种方法。根据钻孔用途和施工方法的不同，穿层钻孔可分为2类：
①穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯。②穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯。以上两种方法全部在1307工作面进行使用，其钻孔示意图如图1所示。
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图1 穿层钻孔布置示意图
2.2 本煤层钻孔瓦斯抽放
本煤层瓦斯抽放，又称开采层瓦斯抽放，主要是为了减少煤层中的瓦斯含量和回风流中瓦斯浓度，以确保矿井的安全生产。本煤层抽放方法有巷道预抽本煤层瓦斯、钻孔法预抽本煤层瓦斯和边采（掘）边抽本煤层瓦斯。具体布孔方法：利用工作面轨道顺槽，向回采工作面打迎面平行钻孔，如图。
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图2 本煤层抽放示意图
2.3 顺槽掘进期间边掘边抽进行瓦斯抽放
通过在巷道两帮施工钻场，在钻场内沿工作面走向方向施工长钻孔抽放瓦斯，以达到消除突出危险、保证工作面掘进进尺的目的。首先，通过长钻孔抽放可减少由煤体涌入巷道空间的瓦斯，降低风排瓦斯量；其次，采取抽放措施后，煤体的瓦斯压力得到释放，地应力也显著降低，即通过降低诱导瓦斯突出的地应力和瓦斯压力来消除煤与瓦斯突出危险。
3 对1307工作面瓦斯抽放效果进行考察、分析和研究
分别对1307工作面抽放瓦斯浓度、负压、瓦斯量（本煤层顺层钻孔抽放和底板巷穿层钻孔抽放总量）、风排瓦斯量（上、下顺槽风排瓦斯量）、抽排瓦斯量等进行了考察研究，具体考察结果详见图3所示。
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4 主要结论
4.1 以煤层瓦斯基础参数测试结果为基础，结合1307工作面地质构造等具体情况，对顺槽本煤层瓦斯抽放、底板抽放巷穿层孔抽放等瓦斯抽放方法进行分析论证，并结合附近采区瓦斯治理方案，提出了适合1307工作面的综合瓦斯抽放技术，并进行了瓦斯抽放设计。
4.2 实施本煤层及底板抽放巷穿层钻孔交叉抽放后，煤层的瓦斯含量有了明显降低，测定结果显示，1307工作面残余瓦斯含量为2.86m3/t～6.36m3/t之间。
4.3 为解决工作面防突问题，通过实施底板抽放巷穿层钻孔及顺层钻孔立体交叉抽放技术，即在工作面形成系统前，底板巷穿层钻孔与顺槽钻场边掘边抽钻孔形成立体交叉，抽放煤巷条带煤层瓦斯。工作面形成系统后，底板巷穿层钻孔与工作面顺层钻孔形成立体交叉，抽放回采区域煤层瓦斯，明显降低了煤层瓦斯含量，保证了风流瓦斯浓度不超限，抽放效果良好。
参考文献：
[1]张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M].北京：煤炭工业出版社，2001：10-20.
[2]俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，1992：45-
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[3]卢鉴章，刘见中.煤矿灾害防治技术现状与发展[J].煤炭科学技术，2006（5）：29-32.
钻孔预抽煤层瓦斯影响规律研究 第4篇
1 钻孔瓦斯抽采物理假设
煤在形成过程中受到很多因素的影响,使煤层具有非均质性,但在一个较大的区域内,除断层等地质构造带外,煤层可以看作是均质的,其内的原始瓦斯压力在一定的区域内也可以看作是均匀的。为方便问题简化,按以下假设来推导瓦斯流动方程:
1) 煤层顶底板透气性比煤层要小得多,因此,可以将煤层顶底板视为不透气岩层;
2) 煤层各向同性,透气性系数及孔隙率不受煤层中瓦斯压力变化的影响,但在钻孔周围的卸压范围内增大;
3) 瓦斯可视为理想气体,瓦斯渗流过程按等温过程来处理;
4) 吸附瓦斯符合朗格缪尔方程,煤层中瓦斯解吸在瞬间完成;
5) 瓦斯在煤层中的流动服从达西定律。
2 钻孔瓦斯抽放数学模型
2.1 钻孔瓦斯流动方程
煤体抽采钻孔瓦斯流动为径向流动[5],如图1所示。在以上假设的基础上,根据流体在多孔介质中的质量守恒定律,得到如下方程组:
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式中:ρ为瓦斯压力p时的瓦斯密度,t/m3;v为瓦斯流动的速度向量,m/d;M为单位体积煤体所含的瓦斯量,t/m3;k为煤的渗透率,m2; μ为瓦斯的绝对黏度,MPa·d; ρN 为瓦斯压力pN 时的瓦斯密度,t/m3;pN 为1个标准大气压,MPa;p为煤层瓦斯压力,MPa。
考虑瓦斯在煤层中流动时的连续方程、运动方程和状态方程[6],可得:
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式中:undefined; t为瓦斯在流动过程中的温度,℃;λ为煤层透气性系数,m2/(MPa2·d),λ=K/2μpu 。
令式(2)中的p2=U,得:
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式中undefined。
井下大多数瓦斯流场都可以简化为一维平行流动、一维径向流动和二维平面流动的有限流场及无限流场或它们的组合[7]。顺层预抽钻孔抽采瓦斯流场是二维平面流动的有限流场,因此有:
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式中λ=f(x,y)。
2.2 瓦斯流动方程的定解条件
瓦斯流动属于弹性驱动方式下的渗流,特点是流动最先发生在煤层的暴露面,然后流动不断向纵深发展。设煤层暴露面外界压力为常压p1;在原始状态,煤层内各点瓦斯压力为p0。在t=0时刻,层内各点瓦斯压力为p0。在开始流动的一个极短瞬间,煤壁上的瓦斯压力由p0降至p1,与此同时,在煤层内部形成一个降压区域。瓦斯流动有限流场的外边界没有瓦斯源,即当流场影响到边界以后,始终有∂p/∂xx=t=0。该流场的定解初始条件:t=0,U=U0=p02。其边界条件为
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式中:r为钻孔半径,m;U为煤层中原始瓦斯压力的平方,MPa2;U1为钻孔中瓦斯压力的平方,MPa2;p0为煤层中原始瓦斯压力,MPa;p1为钻孔中的瓦斯压力,MPa;m为煤层厚度之半,m。
3 煤层瓦斯抽采效果影响规律数值研究
对于模拟复杂流场结构的不可压缩/可压缩流动来说,FLUENT是很理想的软件。对于不同的流动领域和模型,FLUENT公司还提供了其他几种解算器,其中包括NEKTON,FIDAP,POLYFLOW,IcePak以及MixSim。
3.1 模型的建立
以工作面顺层预抽钻孔为例,取垂直于钻孔的单位厚度的截面作为计算的平面模型,钻孔位于模型中心处,采用三角形单元共划分10 028个节点,19 572个单元。
3.2 模拟结果分析
3.2.1 抽采时间的影响
在煤层渗透率为4.5×10-16 m2,钻孔直径75 mm,瓦斯压力0.25 MPa,抽采负压30 kPa的情况下,不同抽采阶段煤层瓦斯压力分布见图2—5。根据《煤矿安全规程》规定,有效性指标定为抽采率大于30%,则把当煤层瓦斯压力降低30%时等压线位置距钻孔中心距离确定为抽采半径。由图2—5可得到不同抽采时间下的抽采半径,如图6所示。由图6可知随着抽采时间增加,抽采影响区域逐渐增大,但是抽采流量呈负指数规律逐渐减小并趋于平稳。
3.2.2 抽采负压的影响
同理可以模拟得到煤层渗透率4.5×10-16 m2,钻孔直径75 mm,瓦斯压力0.25 MPa,抽采负压15,30, 45 kPa情况下煤层压力分布及抽采量变化规律,见图7。由图7可知,抽采负压对抽采半径的影响不大,但对瓦斯抽出量有较大影响,因此,在保证钻孔封孔质量的基础上,应在设备允许的情况下,尽可能提高抽采负压来增加瓦斯抽采量。然而抽采瓦斯的实践经验表明,由于受管路及钻孔密封性的影响,提高负压会增加巷道空气的漏入;另外由于抽瓦斯泵所能达到的负压值也有一定的限度,要把抽采负压提得很高是有困难的。因此选择合理的抽采负压是必要的,根据模拟结果,钻孔的抽采负压应保持在15～30 kPa。
3.2.3 渗透率的影响
钻孔直径75 mm,瓦斯压力0.25 MPa,孔口负压30 kPa时,不同煤层渗透率下(分别取4.5×10-16 ,4.5×10-17 ,4.5×10-18 m2)瓦斯压力及抽采量的变化规律模拟研究结果见图8,煤层渗透率对钻孔抽采半径及瓦斯抽采量有较大影响,渗透率大的煤层比渗透率小的煤层瓦斯流量随抽采时间降低得快。
3.2.4 煤层瓦斯压力的影响
数据模拟煤层渗透率4.5×10-16 m2,钻孔直径75 mm,抽采负压30 kPa,瓦斯压力在0.25,0.50,0.95 MPa情况下煤层压力分布及抽采量变化规律研究表明,煤层瓦斯压力对于钻孔的抽采半径影响不大,但对钻孔的抽采量影响较大,如图9所示。根据朗格谬尔方程可知,在其他条件相同的情况下,瓦斯压力越大,煤层瓦斯含量也就越大,相应的钻孔抽采量也增加。
3.2.5 钻孔直径的影响
煤层渗透率4.5×10-16 m2,抽采负压30 kPa,瓦斯压力在0.25 MPa情况下,不同钻孔直径(100,110 mm)的瓦斯压力分布及抽采量变化规律研究结果表明,在时间相同时,钻孔直径对抽采半径及抽采量影响较大,如图10—12所示,随着直径的增大,抽采半径及抽采率越高,而其增长的幅度远比直径增长的幅度小。结合现场实际钻孔直径取75～100 mm较合适;随着钻孔直径的增大,孔壁煤的暴露面亦增大,瓦斯涌出量也会增加,因此有条件时可采用大直径钻孔抽采瓦斯。
(抽采半径10.5 m)
(抽采半径12 m)
4 结论
1) 随着抽采时间增加,抽采影响区域逐渐增大,但是抽采流量呈负指数规律逐渐减小并趋于平稳。
2) 抽采负压对抽采半径的影响不大,但对瓦斯抽出量有较大影响。因此,在保证钻孔封孔质量的基础上,应在设备允许的情况下,尽可能提高抽采负压来增加瓦斯抽采量,至少抽采实践中应选择适当的抽采负压值来保证瓦斯抽采量。
3) 煤层渗透率对钻孔抽采半径及瓦斯抽采量有较大影响,渗透率大的煤层比渗透率小的煤层瓦斯流量随抽采时间降低得快。因此,实践中要通过充分利用开采引起的渗透率变化或采用各种技术手段提高渗透率来保证较高的瓦斯抽采量。
4) 煤层瓦斯压力对于钻孔的抽采半径影响不大,但对钻孔的抽采量影响较大。因此,对于不同地质赋存条件的原始煤层,实践中设计预抽煤层钻孔时不要企望较高的煤层瓦斯压力就一定能获得在较大范围内较高的瓦斯抽采量。
5) 在时间相同时,随着钻孔直径的增大,抽采半径及抽采率越高,而其增长的幅度远比直径增长的幅度小。因此,结合现场实际,钻孔直径取75～100 mm较合适;随着钻孔直径的增大,孔壁煤的暴露面亦增大,瓦斯涌出量也会增加,因此有条件时可采用大直径钻孔预抽本煤层瓦斯。
参考文献
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交叉钻孔预抽煤层瓦斯效果分析 第5篇
1 工程概况
保利平山煤矿3#煤层位于山西组中下部。煤层厚度3.70m~6.23m, 平均5.22m, 煤层倾角0~5°。顶板为灰黑色粉砂岩、细砂岩夹灰黑色泥岩, 其中伪顶为砂质泥岩, 上距K8砂岩30.25m~51.38m;底板岩性为灰黑色砂岩、泥岩夹煤线, 下距K7砂岩0.67m~14.21m。煤层结构简单, 煤质优良, 为高发热量的优质无烟煤, 煤尘无爆炸性, 煤层自燃倾向性为不易自燃。
2 试验条件及试验方案
2.1 3#煤层瓦斯赋存及涌出规律概况
2.1.1 3#煤层瓦斯赋存规律
为了客观准确地揭示保利平山煤矿煤层瓦斯含量沿倾向的分布规律, 对煤层瓦斯含量与基岩厚度的关系以及煤层瓦斯含量与煤层底板标高的关系进行了对比研究。经回归分析可知3#煤层瓦斯含量与底板标高相关性较好, 随着煤层底板标高的减小, 瓦斯含量线性增大, 两者间的相关程度可达0.7754, 回归关系为:
式中:W-煤层瓦斯含量, m3/t.r;H-煤层底板标高, m。
根据3#煤层瓦斯赋存规律, 可以算出保利平山煤矿井田内3#煤层瓦斯含量最大值为9.99m3/t·r (标高为+450m) , 折算成原煤瓦斯含量为8.17m3/t。
2.1.2 煤层瓦斯压力分布规律
国内外研究人员对煤层瓦斯压力大量的测定结果表明, 在甲烷带内, 煤层瓦斯压力随深度的增加而增加, 多数煤层呈线性关系。根据这一规律对测定结果, 得出3#煤层瓦斯压力与煤层底板标高之间的关系为:
式中:P-煤层瓦斯压力, MPa;
H-煤层底板标高, m。
2.1.3 矿井瓦斯涌出源分析
回采工作面瓦斯来源包括:采落煤炭、采场丢煤、围岩涌出及邻近层瓦斯涌出。保利平山煤矿先期开采的3#煤层, 对3#煤层有影响的邻近煤层有1#、5#, 其他煤层或局部赋存的煤层 (如7#、8#、9#) , 在这里不予考虑。故开采3#煤层期间回采工作面瓦斯涌出量主要来自于本煤层及邻近层。
2.2 试验方案
为了考察交叉钻孔的瓦斯抽放效果, 在保利平山煤矿3#煤层11013工作面施工了2组交叉钻孔 (孔径为Φ94mm, 间距分别为5m与7.5m, 斜向钻孔长230m, 平行钻孔长200m) , 钻孔布置见示意图1。根据上述瓦斯赋存、压力分布规律及涌出源分析可知, 两组交叉钻孔地点间隔很近, 可认为其赋存、压力与涌出规律是一致的, 而其抽放量的差别只取决于钻孔间距的不同。
3 试验结果分析
3.1 瓦斯抽放量随时间变化规律
交叉钻孔瓦斯抽放量随时间的变化规律考察方法是根据各组钻孔的抽放瓦斯总量、抽放混合瓦斯浓度和组内钻孔总长, 计算每100m钻孔平均瓦斯抽放纯量 (qc) , 见表1。qc0和β值可根据 (t, qct) 数组按下式回归分析求得, 并绘制曲线, 见图2。
式中:qct—抽放时间t时每100m钻孔平均瓦斯抽放量, m3/min.hm;
qc0—100m钻孔初始瓦斯抽放量, m3/min.hm;
β—钻孔瓦斯抽放量衰减系数, d-1;
t—钻孔组抽放瓦斯时间, d。
从图2可以看出, 5m间距和7.5m间距在开始 (即t=0) 时, 钻孔初始瓦斯抽放量分别为0.047m3/minnhm和0.048m3/min.hm, 相差很小, 说明两处试验地瓦斯赋存条件基本相同, 钻孔瓦斯抽放量只取决于钻孔的布置方式。5.0m间距瓦斯抽放量随时间衰减较7.5m间距快, 而瓦斯抽放总量较7.5m小, 分别为2417m3和2548m3, 这是由于不同间距时钻孔与钻孔间的瓦斯赋存总含量造成的, 鉴于5.0m和7.5m间距衰减系数相差较小, 建议采用7.5m间距进行瓦斯抽放布置方式, 以减少打钻成本。
3.2 交叉钻孔预抽率与时间的关系
根据不同抽放时间按照下式计算对应的预抽率, 得出11013工作面交叉钻孔不同间距下钻孔预抽率与时间的关系曲线, 见图3。
式中:η—瓦斯预抽率, %;
Q抽—时间t内钻孔抽出纯瓦斯量, m3;
L—钻孔控制范围走向长度, m;
l—抽放钻孔平均长度, m;
m0—平均煤厚, 取7.0m;
r—煤容重, t/m3;取1.43 t/m3
W0—煤层原始瓦斯含量, 1.91m3/t。
从图3可以看出, 从预抽率方面可以看出, 5m间距和7.5m间距的预抽率相差较大, 前者最大约为19%, 后者最大约为13%, 这是因为随着间距的增大, 其抽采率将逐渐减小, 在其他条件相同的情况下, 抽采率与钻孔间距成反比的关系。
4 结论
(1) 在地质条件相同的情况下, 瓦斯抽采总量与钻孔间距关系较小, 瓦斯抽采量随时间的衰减系数也与钻孔间距相差较小, 从这点考虑, 钻孔间距应采取较大值, 以减小钻孔成本。
(2) 瓦斯预抽采率与钻孔布置间距关系较大, 大致成反比关系, 因为, 若要提高瓦斯预抽采率, 应降低钻孔布置的间距。应综合考虑瓦斯抽放总量和瓦斯预抽采率, 选择合理的钻孔布置间距。
参考文献
[1]于不凡, 等.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2005.
[2]王显政.煤矿安全新技术[M].北京:煤炭工业出版社, 2002.
高地应力突出煤层平行钻孔预抽瓦斯 第6篇
在国内外突出矿井预抽本煤层瓦斯过程中, 由于抽放钻孔设计不合理、抽放时间不足, 使本煤层的预抽率较低, 抽放效果不明显, 生产过程中时有突出事故发生。随着瓦斯抽放技术的日益成熟和完善, 本煤层钻孔预抽瓦斯在国内外许多矿井的成功应用, 有效地缓解了突出矿井生产过程中由于瓦斯带来的压力。尚庄煤矿煤层埋藏深度达700 m, 地应力较大, 煤的坚固性系数f较小, 且有明显的软分层, 其厚度为0.2～0.6 m。在以往的本煤层预抽中, 该矿采用交叉钻孔, 由于地应力较大, 钻孔塌孔、垮孔严重, 钻孔工程量较大, 同时钻孔施工过程中, 时常发生夹钻、卡钻现象, 钻孔成孔率较低, 钻孔平均抽放浓度为18%, 钻孔抽放量为0.013 6 m3/ (min·hm) , 钻孔抽放效果不理想。采用平行钻孔进行本煤层瓦斯预抽可以减少钻孔工程量, 减少钻孔间的交叉影响, 提高钻孔成孔率, 进而提高钻孔抽放效果。为此, 对尚庄煤矿本煤层平行钻孔预抽瓦斯的预抽参数和合理预抽期等问题进行研究。
1 工程背景
江西丰城矿务局尚庄煤矿是丰城河西煤田坞社里矿区的一部分, 东北以无煤区与八一矿相邻, 西南以F9断层、西北 (深部) 以F13断层为界, 东南 (深部) 以-750 m煤层底板等高线为界。矿区走向长约5.1 km, 倾斜宽约2.65 km, 面积约为13.288 km2。主采B4煤层为中厚煤层, 煤厚2.0～3.0 m, 平均厚2.2 m, 倾角10°～23°。煤层结构复杂, 井筒以西煤层分叉为B4a和B4b。B4b煤层结构复杂, 赋存稳定, 全井可采;B4a煤层结构简单, 赋存不稳定, 局部可采。矿井相对瓦斯涌出量为37.50 m3/t, 相对CO2涌出量为12.97 m3/t, 该矿为煤与瓦斯突出最严重的煤矿之一, 1977年11月24日发生首次突出后, 至今共发生了61次突出事故, 累计突出煤量5.817 kt, 最大突出强度为895 t, 平均突出强度104 t。
尚庄煤矿367工作面位于矿井井筒东部, -650 m水平东翼采区, 其上部回风巷邻近365工作面采空区, 西边为368工作面, 东南面为未采动的B4煤层, 标高为-540.1～-637.4 m, 垂深为582～671.1 m, 工作面可采走向长度为550 m, 平均倾斜长150 m, 煤层厚为1.4～4.0 m, 平均厚为3.2 m, 平均倾角为14°, 煤的坚固性系数为0.4, 其具体位置见图1。
2 抽放钻孔瓦斯涌出特征
在抽放负压相对稳定的条件下, 钻孔的初始瓦斯抽放量 (qc0) 和瓦斯抽放量衰减系数 (β) 决定着钻孔瓦斯抽放效果。qc0越大, β越小, 则钻孔瓦斯抽放效果越好;反之则越差[1]。
为了考察平行钻孔本煤层预抽瓦斯效果, 对表征钻孔瓦斯抽放量随时间变化规律的特征参数qc0和β进行测定。为了保证测定结果的准确性和代表性, 采用了按钻孔间距分组测定的方法[2]:测定时根据各组钻孔的抽放瓦斯总量、抽放混合瓦斯浓度和组内钻孔总长度, 计算每100 m钻孔平均瓦斯抽放纯量 (qc) , 并根据组内钻孔的平均抽放时间 (t) 形成测定数组 (t, qct) 。qc0和β值可根据数组 (t, qct) 按照负指数关系进行回归拟合, 负指数关系式为
qct=qc0e-β t (1)
式中:qc0为钻孔初始瓦斯抽放量, m3/ (min·hm) ;qct为 抽放时间t时每100 m钻孔平均瓦斯抽放量, m3/ (min·hm) ;β为钻孔瓦斯抽放量衰减系数, d-1;t为钻孔组平均抽放时间, d。
对式 (1) 积分, 可以得到任意时间t内钻孔瓦斯抽放总量:
Qct=Qc∞ (1-e-β t) (2)
式中:Qct为时间t内钻孔组瓦斯抽放总量, m3;Qc∞为时间t→∞时钻孔组极限瓦斯抽放量, m3。
3 试验方案及抽放效果分析
根据367工作面的实际情况以及矿井的生产接替安排, 在工作面运输巷内按不同间距进行分组布置钻孔。沿工作面切眼向运输巷口方向分别布置3种不同间距的钻孔 (见图1) , 钻孔布置参数见表1, 采用水泥砂浆封孔, 其深度为10 m, 抽放负压为3～10 kPa, 采用孔板流量计测量抽放管路中的流量。
施工8组不同间距钻孔, 采用各组钻孔分别计量的方法, 根据监测数据可得:钻孔平均抽放浓度为35.6%, 平均抽放量为0.048 m3/ (min·hm) 。分析计算出钻孔抽放量与抽放时间的关系 (见图2) , 同时可以得出各组钻孔的极限抽放量。图2 (a) 为第1组钻孔 (钻孔间距为4 m) 区段, Qc∞为93 520 m3, β为0.011 7 d-1;图2 (b) 为第5组钻孔 (钻孔间距6 m) 区段, Qc∞为106 608 m3, β为0.011 8 d-1;图2 (c) 为第8组钻孔 (钻孔间距8 m) 区段, Qc∞为106 167 m3, β为0.010 8 d-1。
4 平行钻孔预抽参数确定
煤层瓦斯合理预抽期是在合理的抽放方式和钻孔参数条件下, 为达到预定的瓦斯抽放效果所需的预抽瓦斯时间, 达到消除煤层突出危险性。合理预抽期不是一个常量, 而是一个受很多因素影响的变量, 其主要影响因素有[3,4]:
1) 煤层开采所需抽放率。
对具有突出危险性煤层开采而言, 为了防止煤与瓦斯突出事故的发生, 需要预抽瓦斯率由下式确定:
式中:η为防突预抽要求的预抽率, %;M为煤的水分, %;q为煤的孔隙率, %;ρ为煤的密度, t/m3;p0为煤层原始瓦斯压力, MPa;p1为煤层不发生突出时的临界瓦斯压力, 若无实测临界瓦斯压力, 按照《防治煤与瓦斯突出细则》取0.74 MPa;a, b为煤对瓦斯的吸附常数。
2) 预抽钻孔实际瓦斯抽放率。
在预抽方式一定时, 预抽钻孔实际瓦斯抽放率主要受煤层透气性系数、100 m钻孔初始抽放量、钻孔瓦斯抽放量衰减系数、钻孔密度、钻孔长度和煤层原始瓦斯含量等因素的综合影响, 钻孔实际瓦斯抽放率为
式中:ηs为预抽钻孔实际瓦斯抽放率, %;t1为预抽钻孔平均预抽时间, d;L1为预抽钻孔平均单孔长度, m;W0为煤层原始瓦斯含量, m3/t;L0为工作面长度, m;d1为巷道预排瓦斯等值宽度, m;M0为煤层厚度, m;z为钻孔间距, m。
3) 采掘接替和巷道维护。
预抽钻孔的合理预抽时间受到采掘接替的直接影响和巷道维护方面经济上的影响, 采掘接替允许最长抽放时间为360 d。
通过对式 (3) 和式 (4) 联合求解, 可以得到合理预抽时间:
将367工作面具体参数代入式 (5) 研究分析发现, 抽放负压在3～10 kPa, 钻孔间距为4 m时, 合理抽放时间不小于80 d;钻孔间距6 m时, 合理抽放时间不小于140 d;钻孔间距为8 m时, 合理抽放时间不小于250 d。预抽消除煤层突出危险性, 使煤层残余瓦斯压力降至0.74 MPa, 残余瓦斯含量降至7.44 m3/t, 其抽放率达48%, 这与实测结果相吻合。实测钻孔合理抽放时间与抽放率的关系见图3。
5 结语
根据对高地应力突出煤层进行平行钻孔预抽本煤层瓦斯试验发现, 平行钻孔在此条件下进行瓦斯预抽能提高其钻孔成孔率和抽放效果, 使钻孔平均抽放浓度提高2倍, 平均100 m钻孔抽放量提高3倍。同时根据实测数据分析得出平行钻孔预抽煤层瓦斯抽放参数, 确定不同间距钻孔合理的预抽期, 消除矿井工作面回采期间煤层突出危险性, 保障矿井安全生产。
摘要：结合矿井实际, 在综合分析平行抽放钻孔瓦斯涌出规律的基础上, 在高地应力突出煤层中进行平行钻孔预抽本煤层瓦斯, 并对钻孔抽放效果进行分析, 最后通过钻孔抽放效果评价得出平行钻孔预抽高地应力煤层瓦斯的合理预抽时间, 对矿井合理安排采掘接替、消除工作面突出危险性具有指导作用。
关键词：高地应力,煤与瓦斯突出,平行钻孔
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穿层钻孔施行煤层消突的应用 第7篇
平岗煤矿始建于1970年, 1972年正式投产, 通风方式为中央分区式, 通风方法为抽出式。矿井运转主扇2台 (东风井1台、南风井1台) , 矿井总入风量13 328 m3/min, 总排风量13 553 m3/min。2012年瓦斯鉴定结果:瓦斯绝对量72.7 m3/min, 瓦斯相对量81.1 m3/t, 鉴定为煤与瓦斯突出矿井。
2 实施区域防突的必要性
沈阳研究院在平岗煤矿下延采区14#左一巷测定煤层瓦斯压力达7.2 MPa, 煤层瓦斯含量为15.93 m3/t。煤矿瓦斯治理工程中心测得下延采区左二巷瓦斯压力达1.4 MPa、含量达到12.54 m3/t, 在右一巷石门揭煤处测定瓦斯压力为7.2 MPa。下延采区14#煤层软分层厚度为0.1 m, 瓦斯放散初速度为△P为4.2~9.5, 坚固性系数f值为0.25~0.45。以上数据充分说明平岗煤矿下延采区14#煤层为突出煤层, 在进行采掘进作业前必须采取消除突出危险性措施。根据14#层煤层产状、瓦斯压力、含量及附近采面回采和巷道的布置关系, 决定对下延采区14#右二巷掘进采用穿层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯方式进行消突。
3 项目实施的技术理论依据
3.1 钻孔预抽煤层瓦斯
钻孔预抽煤层瓦斯可以从减弱煤层突出的主动力和增强抵抗突出的能力两个方面起到消除或消弱煤层突出的危险性。煤层抽采钻孔的施工, 造成了钻孔周围煤层的局部卸压, 通过抽排煤层中的瓦斯, 可以使具有突出危险煤层中的瓦斯压力和含量大幅度降低, 使煤体内的瓦斯潜能得到释放并降低。由于瓦斯的排放可以引起煤层的收缩变形, 使煤体在一定程度上降低了导致突出发生的主动力和能量。同时, 煤体中的瓦斯释放后, 煤层透气性增大, 煤层应力减小, 使得煤体的强度增大, 这样就增强了煤体的机械强度和煤体的稳定性, 使得发生煤与瓦斯突出的阻力增大。
3.2 项目条件
下延采区14#煤层倾角在19°~22°, 施工的穿层钻孔角度在3°~10°, 孔长在33~63 m。钻孔的参数在平岗煤矿现有钻机ZDY3200S的可施工范围内, 钻孔施工具备可行性。
4 穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯措施
4.1 技术内容
在14#煤层右三高抽巷施工穿层钻孔, 对右二采面的下巷 (运输巷) 进行预抽煤层瓦斯, 达到消突目的, 从而进行煤巷掘进。如图1所示。
4.2 技术特点
第一, 从岩巷施工穿层钻孔对煤层进行消突, 消突过程作业安全, 消突效果好。第二, 所施工的岩石巷道为下一个采面的顶板高抽巷, 一巷两用, 为下一个采面的瓦斯治理创造条件。第三, 消突工作和煤巷掘进工作面不在同一地点作业, 消突与煤巷掘进可同时进行, 既保证了煤巷掘进的安全, 又提高了掘进作业的速度。如图2所示。
4.3 钻孔设计参数
右三工作面高抽巷距右二下顺槽垂高13 m, 平距44 m, 钻孔方向垂直巷道90°, 每隔5 m施工7个钻孔, 布置在14#右二高抽巷, 钻孔深33~63 m穿过煤0.5 m, 抽放范围在右二巷上帮20 m、下帮15 m。穿层钻孔从停采线外15 m开始, 到切眼以南15 m止。使用ZDY3200S型钻机, 孔径75 mm, 有关钻孔参数见表1。
5 取得的效果分析
平岗煤矿掘进工作面区域防突在没有采用穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯前, 主要采用顺层钻孔预抽煤巷条带瓦斯 (区域60 m长钻) , 与顺层钻孔预抽比较起来, 穿层钻孔预抽主要有以下优点。
5.1 提高工作面的进尺速度
打钻施工与工作面前进不在同一地点作业, 实施防突措施不影响工作面进尺, 大大提高了工作面的掘进速度。在施工穿层钻孔预抽后, 右二巷4个月掘进680 m, 平均月进170 m, 最快一个月施工220 m。下延采区同一煤层左三巷采用区域60 m长钻防突措施施工。600 m长的巷道施工9个月, 平均月施工65 m。
5.2 消突效果好
穿层钻孔预抽钻孔布置均匀, 预抽时间长, 防突效果好。采用穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯, 对工作面的防突可靠性大大提高, 煤层瓦斯压力降到0.5 MPa以下, 含量在5 m3/t以下, 消突后的工作面回采过程也未出现瓦斯超限现象。
5.3 防突可靠性提高, 保证了作业人员的安全
煤层钻孔 第8篇
抽采钻孔形成后受采动影响和钻孔周围煤体发生蠕变等作用[2],使钻孔及周围煤体处于动态形变过程中。对钻孔及其周围煤体而言,一次性静态密封远不能满足其变形需要,抽采过程中的钻孔和周围煤体受应力平衡作用不断生成新裂隙,形成漏风,缩短钻孔有效抽采寿命。因此,如何对钻孔变形形成自适应的动态密封技术成为瓦斯抽采钻孔密封的关键。许多学者对钻孔的密封进行了大量的研究: 林柏泉[3]研究了钻孔的流体密封机理及其影响因素,提出三相泡沫流体密封技术; 翟成[4]在林柏泉的基础上提出了柔性膏体封孔材料密封钻孔技术; 李敏[5]、李国法[6]对聚氨酯材料密封瓦斯钻孔做了详细研究; 周福宝[7]采用发泡聚合材料及微细膨胀粉料,提出了分别对钻孔进行变形前与变性后的二次封孔技术。其他学者也对瓦斯抽采钻孔提出了不同的密封技术,包括封孔器[8,9]、膨胀水泥[10]、PD材料[11]等,均取得一定成果,但这些技术都局限在钻孔的静态密封基础上,无法真正对钻孔及周围煤体实施动态实时密封,使抽采效果差,抽采浓度下降速度快,严重影响了抽采瓦斯的利用。对钻孔动态密封技术的研究,基于主动式密封“固封液,液封气”的原理,翟成[12]提出了应用柔性膏体及补充密封液进行钻孔密封。该技术无法采用高压力注入密封液,使密封液向钻孔周边渗流距离远,无法将煤体裂隙完全密封,且每次的补充繁琐。张超[13]应用膨胀水泥、PB聚氨酯和密封液提出了动态密封机制。该技术短期内效果相对较好,但随着长时间的瓦斯抽采,水泥固化后不能再适应钻孔形变,无法对密封液进行更好的高压封存。本文在前人的成果上,采用新型封孔器与密封液相互配合的方式,提出瓦斯钻孔的固液耦合动态密封机理,形成区域煤层钻孔动态密封系统,实现钻孔的动态密封,并对其效果进行现场试验。该技术对实现煤矿安全及瓦斯的高效利用具有重要意义。
1 钻孔自适应动态密封技术
瓦斯抽采钻孔密封主要取决于对钻孔本身及周围裂隙的密封,而单纯的一次性静态密封的钻孔服务时间较短,随着采动影响往往对钻孔及周围煤体产生动态形变,因此“固封液,液封气”自适应动态密封技术成为钻孔密封相对优越的方法。
1. 1 “固封液”密封机理
对煤层钻孔,由于钻孔壁面呈凹凸不平状,且钻孔形成后不断发生动态形变,钻孔密封除了要考虑封孔材料对钻孔壁面的贴合程度与自适应钻孔的动态形变,还要考虑“液封气”对密封液的密封能力。因此,封孔材料不仅要具有很好的承压能力,还要有良好的弹变形能力,以自适应钻孔形状。根据所需达到的指标,利用受限膨胀原理研发了封孔器,使其在具有稳定承压能力的基础上,其壁面的柔软特性不但能贴紧钻孔周围煤体,而且随钻孔形变产生自适应变形贴合,使高压密封液无法通过封孔器与煤壁之间形成的缝隙通道漏入钻孔内,对密封液起到完全保压密封的效果,为密封液向周围煤体裂隙内渗流提供了可靠基础。封孔器的设计采用“两睹一注”模式,设计原理见图1。
注:1.瓦斯抽采管;2.高压注液管;3.封孔器密封液出口;4.空腔密封液单向压力控制出口;5.膨胀弹性层;6.高压约束层;7.柔性贴合层;8.扣压圈;9.直角弯通;10.密封液。
1. 2 “液封气”密封机理
钻孔的密封除了需要对钻孔自身进行密封外,对其周围煤体裂隙的密封是决定钻孔密封的关键,这样才能实现正真的高负压瓦斯抽采,保证抽采瓦斯的较高浓度。根据作者针对密封液在钻孔周围煤体内的渗流规律提出的不可压缩流体径向驱气稳定渗流物理模型与密封液径向渗流运动数学方程可知,密封液渗流半径的大小主要取决于煤层孔裂隙率、煤层瓦斯压力、注液压力和密封液的分子大小。在密封钻孔周围煤体裂隙时,除了要考虑对钻孔已形成裂隙进行封堵外,还要对其受随时采动、钻孔发生蠕变等形成的细微裂隙进行实时密封。因此,钻孔密封除了要求密封液分子粒径大小与合理黏度外,还要保持粘液的压力,以保证注液动力的实时补充,实现对煤体裂隙的动态密封,有效阻止巷道空气的漏入与煤层瓦斯涌出。
1. 3 钻孔自适应动态密封技术技术
该技术以“固封液”和“液封气”系统为基础,充分利用封孔器固体封孔段壁面良好的柔软性、弹性和充胀后的承压性,使封孔器不但能适应钻孔表面各凹凸不平的形状,而且对钻孔后续发生形变、缩径与塌孔都具有很好的自适应带压密封效果,保证空腔内注入的高压密封液向周围煤体内渗入,从而在钻孔径向方向形成渗流圈,充填各应力作用形成的漏风圈裂隙,达到单个钻孔的最佳密封效果。在此基础上,根据煤层条件、钻孔有效抽采半径等参数合理布置钻孔结构,使每个钻孔渗流密封圈相交并持续扩散,最终在钻孔周围煤体内形成一堵固液耦合的立体壁式封面,从而实现对巷道与钻孔采动松动圈裂隙的密封,抽采钻孔粘液扩散见图2。这样不仅有效阻止了高负压下巷道空气的漏入和煤层中瓦斯向巷道空间的涌出,保证抽采瓦斯的浓度及良好的工作环境,防止钻孔失效等因素带来的瓦斯抽采遗留带,增加煤层回采的安全保障,为实现矿井瓦斯高效抽采及利用提供了有力途径。
注:1.抽采钻孔;2.密封液;3.渗流半径。
2 钻孔自适应动态密封系统
2. 1 单一钻孔密封系统
单一钻孔密封系统主要由封孔器、密封液、移动注液设备与附属装置组成。其中,封孔器以丁基橡胶和阻燃抗静电等复合材料为基础,配合瓦斯抽采管、高压注液管等附属部件,应用受限空间膨胀原理制成中间带有压力控制出液口的双胶囊状结构外套密封设备,其中压力控制出口阀采用限压触发控制,使其在额定压力下打开阀门形成同通路,实现向密封空腔及周围煤体裂隙注液,封孔器各部件额定工作参数见表1。
密封粘液主要成分由高分子阴离子型纤维素醚及稳定添加剂组成,易溶于水,溶液透明,在p H = 7 时性能最佳,在碱性溶液中很稳定,遇酸则易水解,且对热稳定。在实验室及煤矿生产中应用得出,粘液的水料比一般为70∶ 1—100∶ 1[14],加入1% —4% 的苯甲酸钠作为稳定剂后,取代度较高的HV—PAC型纤维素醚密封液保质期可达8—10 个月以上,充分保证了抽采期内密封液的稳定性。该材料不但避免了纯水的低粘度和大卸流量,而且解决了压注水泥浆的高阻力、易凝固、易形变、保水性差等缺点,同时具有粘度可调、适应性广、稳定性好、无毒、无腐蚀性及其他副作用等特点,满足煤矿矿井特殊环境材料使用规范的基本要求,粘液见图3。移动注液设备由气动注液泵,粘液容器及注浆管路组成,其中气动注液泵以巷道高压气管内的高压气体作为动力气源,以压力表数据对注入粘液压力进行监测,以保证注入额定内所需压力,具体单孔密封系统见图4。
注:1.气动注液泵泵体;2.压风接口;3.注液泵出液口;4.吸液口;5.密封液容器;6.压力表;7.高压注液管;8.快插截止阀;9.直角弯通;10.煤壁;11.压力表;12.封孔器固体段;13.密封液;14.封孔器密封液出口;15.空腔密封液单向压力控制出口;16.支撑花管。
2. 2 区域钻孔自适应动态密封系统
区域钻孔动态密封系统是在单一钻孔密封系统的基础上,以上山或顺槽等为模块,建立钻孔密封系统。该系统通过对已密封完好的单一钻孔进行分组、分区管理,统一注入一定压力的密封液,进而持续密封由钻孔形变产生的裂隙与孔隙形成自适应动态密封体系,以保证抽采钻孔长时间、高效抽采瓦斯的效果。通过该系统的实施,不仅能实现煤层的高负压抽采,同时还能保证其所需浓度,提高瓦斯的利用率,节省资源及抽采成本。区域钻孔动态密封系统主要有区域注液池、高压注液泵、分流三通、过流量报警仪、高压注液管和相关附属装置,系统构建见图5。
3 钻孔自适应动态密封系统现场试验
3. 1 试验工作面概况
义煤集团新安煤矿15051 工作面属山西组二1煤层,煤层厚度0—18. 88m,平均4. 22m,煤层倾角5—15°。现场实测15051 工作面煤层平均原始煤层瓦斯含量10. 51m3/ t,煤层瓦斯压力为0. 29—1. 51Mpa,平均0. 71MPa。现场实测结果显示,二1煤层为发育构造软煤,煤体破坏类型为Ⅲ—Ⅴ类煤层,煤体坚固性系数f值一般在0. 2—0. 46 之间,瓦斯放散初速度 ΔP值在15—42 之间,煤层透气性系数 λ 在0. 0052—0. 0083 之间,钻孔瓦斯流量衰减系数为0. 878 /d。从煤体结构参数来看,新安煤矿二1煤层是具有透气性差、瓦斯衰减速度快、煤与瓦斯突出的高危险瓦斯松软构造煤层。
3. 2 技术实施
本现场试验采用6 个钻孔作为一组试验孔。根据上述煤层条件,在15051 工作面皮带顺槽距开切眼360m处进行抽采钻孔施工,钻孔分上下两排,下排钻孔距底板1. 2m,钻孔水平间距2m,垂直间距1m,上下钻孔连线与水平夹角呈45°或135°,共布置试验钻孔6对,布孔参数见表1。
根据上述布孔参数及布孔位置完成钻孔后,由于煤层为松软煤层,塌孔严重,需在钻孔有效封孔段内接入支撑管,支撑管采用PE花管。首先将连接有PE支撑花管和瓦斯抽放管的封孔器送入钻孔6—10m处,连接好各管路系统并检查气密性; 准备就绪后,通过外接高压注液管注入高于煤层瓦斯压力0. 7—0. 8MPa的密封液,使封孔器双囊袋膨胀并挤压煤壁; 20—30min后,继续缓慢提高注液压力继续注液,此时封孔器内置单向控制阀打开,开始向钻孔中间的煤壁空腔内注入力高于煤层瓦斯压力0. 1—0. 2MPa至1. 4—1. 5MPa的密封液,直至密封液泄流量很小时,说明钻孔密封液渗流达到暂时动态平衡,并连接持续注液管路,设定压力表注液压力后,钻孔密封完毕。袋密封稳定3 天后,开始并入抽采管路抽采瓦斯,同时测定记录抽采数据。
3. 3 瓦斯抽采数据及效果分析
本试验工作面钻孔#1—#6 采用聚氨酯封孔袋配合密封液密封,为矿上主要钻孔密封方法,抽采负压为5—10k Pa,完成日期2012 年8 月27 日。试验地点钻孔#7—#12 采用封孔器配合粘液进行密封,瓦斯抽采负压均为15—25k Pa,完成日期2012 年9 月3 日,密封3 天后进行瓦斯抽采。新安煤矿15051 工作面皮带顺槽采用聚氨酯封孔带配合密封液与封孔器配合密封液的自适应动态密封技术密封钻孔的瓦斯浓度实测数据见表3。
根据表3 所测定的各钻孔的瓦斯浓度,可以得到两种密封密封技术下的平均抽采瓦斯浓度曲线,见图6。
根据表3 和图5 可见,“固封液,液封气”密封瓦斯抽采钻孔总体效果相对比其他密封方式好。其中,采用聚氨酯配合密封液密封钻孔初始效果相对较好,但由于聚氨酯承压性较弱且为多孔介质材料,不能进行高负压抽采,本例中也只在3—10KPa之间,且随着抽采时间的推进,强度逐渐降低,再加上聚氨酯在反应期间的流动不能很好地压挤和胀满钻孔,其流动和反应的随机性不但对密封液的有效约束具有了随机性,而且由于固体聚氨酯的抗压强度低,密封液也不能给予高压力注入,从而导致钻孔周围煤体不能完全密封,漏风依然存在,瓦斯抽采浓度仍较低,平均仅为35. 7% ,且具有随机性。采用自适应动态密封技术密封瓦斯钻孔,由于封孔器承压能力强,壁面柔软,对高压密封液具有很好的约束能力,密封液渗透范围较大,形成的固液耦合封面不但将瓦斯密封于煤层,而且有效阻止了巷道空气的漏入,适合高负压抽采,使单孔平均瓦斯的抽采浓度相对较高,达到93 . 21 % ,是聚氨酯及密封液密封钻孔单孔瓦斯浓度的3—5 倍。抽采过程中瓦斯浓度变化范围较小,抽采浓度相对稳定,说明该技术真正实现了对煤层瓦斯的密封效果。
4 结论
研究了钻孔及周围煤体裂隙形变规律及密封的关键技术,提出了煤层钻孔自适应动态密封理论,并以封孔器和密封液为基础,建立了单孔钻孔密封系统及区域钻孔密封系统,实现了钻孔及煤壁裂隙的自适应动态密封效果。
突出煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术 第9篇
由于突出煤层多是构造煤, 煤层结构复杂, 施工现场普遍存在抽采钻孔密封效果差、泄漏严重的技术难题, 钻孔瓦斯抽采半径较小, 从而导致钻孔工程量大, 瓦斯抽采难度大。突出煤层钻孔密封效果差, 钻孔瓦斯抽采流量小、衰减快, 严重制约着钻孔瓦斯抽采工作的顺利开展[1,2]。为了确保煤矿安全, 对突出煤层瓦斯抽采钻孔封孔技术进行了研究, 提出了组合封孔器和与之相配套的带压封孔新技术, 并在平煤十三矿己15-17-13041工作面进行了应用试验。试验结果表明, 钻孔瓦斯抽采浓度明显提高。
1工作面概况
平煤十三矿位于平顶山市东北19 km, 井田东西走向长15 km, 南北倾斜宽2.3～5.0 km, 井田面积45 km2, 2005年鉴定为突出矿井。
己15-17-13041工作面位于矿井己三采区西翼第2区段, 工作面设计长1 850 m, 标高-630～-690 m, 采深719～779 m。工作面瓦斯压力1.6～2.4 MPa;瓦斯含量7～10 m3/t;相对瓦斯涌出量6～8 m3/t;透气性系数0.966 m3/ (MPa2·d) 。
2瓦斯抽采钻孔泄漏机理分析
理论分析表明, 瓦斯抽采钻孔密封段泄漏裂隙由钻孔周围裂隙圈、煤 (岩) 体裂隙、密封体本身裂隙3种裂隙组合而成 (图1) 。
一般而言, 提高钻孔封孔的成功率, 必须解决3个问题:①钻孔裂隙圈内的裂隙封堵问题;②钻孔壁与封孔材料的间隙封堵问题;③封孔材料凝固后自身产生的微裂隙问题。特别是对于较松软煤岩体的钻孔, 由于松软煤层裂隙发育、极易塌孔等不利因素的影响, 常用的封孔器、封孔管等器材难以下到指定的封孔段 (位置) , 封孔失败率极高。对于密封体本身的裂隙而言, 则需要研究专门的高强度、低膨胀封孔材料, 以减少裂隙[2]。
3瓦斯抽采钻孔封孔设计
常规的瓦斯抽采钻孔封孔技术包括采用有机材料或无机材料直接封堵、封孔器封堵等技术, 其基本特点都是靠材料自身凝固、膨胀变形封堵钻孔。由于钻孔周围裂隙圈存在大量裂隙, 传统的封孔器、水泥砂浆和有机药物封孔材料封孔, 密封体裂隙少, 但是材料自身膨胀压力有限, 难以进入钻孔周围裂隙圈中, 影响整体密封性能。
综合考虑常规封孔胶囊、水泥砂浆及有机药物的封孔效果, 针对松软突出煤层的特点, 研制组合式封孔器及与之相配套的带压封孔工艺, 可从根本上解决钻孔裂隙圈、封孔材料与孔壁接触缝隙及材料凝固后自身微裂隙的封堵难题, 以达到提高封孔成功率、降低成本的目的 (图2) 。
4带压封孔工艺
现场试验表明, 由于钻孔周围裂隙圈的存在, 在煤体裂隙较发育区域带压封孔时, 大量浆液在压力作用下进入煤体裂隙网络中, 其扩散范围可控性极差、用料多, 将大幅度增加封孔成本。使用组合式封孔器进行带压封孔的工艺核心是把封孔范围有效控制在钻孔抽采半径以内。
现场操作中, 封孔器要与其他有 (无) 机封孔材料配套使用, 在2个封孔封堵胶囊间形成密闭空间, 封闭注浆材料, 限制其扩散范围。①准备动力风源, 要求风压0.20～0.65 MPa;②把原料和气动泵运到施工现场;③吹净孔内钻屑, 把组合式封孔送入孔内指定位置;④连接抽采管和封孔埋管;⑤安装气动泵, 连接注浆管;⑥将吸浆管分别放入吸浆桶中, 开启气动泵, 把浆料按1∶1的比例通过出浆管、单向逆止阀、三通混合器送进注浆管内;⑦注浆压力达到0.3 MPa时, 1#和2#单向阀打开, 浆料进入胶囊1和胶囊2内, 使胶囊膨胀直至注浆压力上升到0.55 MPa, 用胶囊封严孔壁;⑧泵压升至0.55 MPa 时, 3#单向阀打开, 控制浆料流速 (不大于0.05 L/min) , 待注入钻孔密封段裂隙圈内的浆液缓慢流动达到初凝状态时 (4～5 min) , 以正常注浆压力、流量注浆至规定量, 停止注浆;⑨施工完毕后用机油清洗泵和管路, 并清理现场。
5应用效果分析
平煤十三矿己15-17-13041工作面两巷均采用预抽煤层瓦斯措施进行瓦斯治理, 瓦斯抽采钻孔沿煤层倾向布置, Ø89 mm, 孔深80 m, 孔间距2 m。抽采钻孔采用组合式封孔器带压封孔工艺进行封孔。
根据现场实际情况, 在相同区域分别采用组合式带压封孔技术与传统封孔工工艺封孔, 2种封孔方式交叉布置。封孔后连续进行抽采参数测定, 综合分析瓦斯抽采浓度等相关参数的变化情况 (图3) , 并对封孔效果进行分析。
实测数据对比分析显示, 采用新的封孔工艺进行封孔后, 钻孔瓦斯抽采浓度明显提高。钻孔瓦斯抽采平均浓度值在37.0%～78.2%, 提高28%～88%。由于钻孔密封性能的提高, 进一步改善了瓦斯抽采效果, 为工作面瓦斯治理工作奠定了良好基础。
6结论
现场应用表明:使用组合封孔器带压封孔技术, 可有效改善钻孔密封性能、减少泄漏, 提高钻孔瓦斯抽采效果。
(1) 由于突出煤层松软, 钻孔周围裂隙圈与煤体内破碎区域裂隙相互沟通, 带压封孔时, 将导致大量浆液进入裂隙网络中。合理控制注浆料的初凝时间是有效控制浆液扩散范围的基础, 是实现封孔范围可控、封孔成本可控的前提。
(2) 使用组合封孔器带压封孔施工工艺核心是合理控制注浆压力及流量, 把浆液扩散范围控制在钻孔抽采瓦斯半径以内, 这样, 不仅能有效提高钻孔密封性能, 而且也能有效控制封孔成本。
(3) 对于大多数突出矿井而言, 预抽煤层瓦斯是防突工作的必要手段之一。采取先进合理的瓦斯抽采钻孔封孔技术, 是提高钻孔密封性能、改善抽采效果的基本要求。
组合式带压封孔新技术的研究与实践, 对进一步改善突出煤层瓦斯抽采钻孔密封性能进行了有益探索, 具有相应的借鉴意义。
参考文献
[1]袁亮.煤矿总工程师技术手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2010.