浅孔截流瓦斯抽采成套技术与工艺研究.ppt

高瓦斯煤层综掘煤巷浅孔截流瓦斯抽采成套技术与工艺研究,河南理工大学、安阳红岭煤业有限责任公司合作研究项目,,河南理工大学 安阳红岭煤业有限责任公司,汇报人：,汇报提纲,一、矿井基本概况、试验区概况 二、本项目主要研究内容 三、实施效果与经济效益分析 四、主要结论 五、成果的创造性、先进性 六、推广应用前景,,一、矿井基本概况、试验区概况,,,红岭煤业公司为高瓦斯矿井，隶属河南煤化安阳鑫龙煤业（集团）公司矿井设计生产能力为60万吨/年可采煤层为二1煤层，原煤瓦斯含量为10.43m3/t，瓦斯压力为0.499MPa矿井装备2台2K56-N024型通风机，总进风量5237m3/min；矿井瓦斯相对涌出量33.96m3/t，绝对涌出量34.13m3/min一般煤巷掘进工作面绝对瓦斯涌出量平均为2.31～5.22m3/min一）矿井基本概况,,,为了保证采掘工作的正常接替，2009年红岭煤业公司引进一套EBZ200H型综合机械化掘进设备，并在15161工作面试行综合机械化掘进工作首先在15161工作面运输巷采用了“巷帮钻场长钻孔截流瓦斯抽采”措施，该措施实施后，由于长钻孔需要开钻场，容易造成塌孔、卡钻，打钻、抽采占用工时长，再加上综掘速度快，瓦斯抽采还没有达到预期效果时，掘进面已推过抽采范围，造成抽掘支工序难以协调，掘进头和回风流瓦斯浓度经常超限。

后改进措施，采用“迎头长钻孔截流瓦斯抽采”措施，塌孔、卡钻现象仍然出现，打钻、抽采占用工时长，掘进时瓦斯浓度频繁超限，经常造成停工、停产以上问题，严重制约了综合机械化快速掘进效能的发挥，单头月进尺始终在60～70m徘徊，造成矿井采掘生产接替十分紧张局面而后，根据现有矿井通风能力，将配风量由380 m3/min调整到480m3/min时，掘进工作面瓦斯超限问题仍不能得到缓解现实条件表明，仅靠风排是无法解决瓦斯超限问题因此，解决红岭煤业公司综掘煤巷快速推进中的瓦斯超限问题必须提高瓦斯抽采效果于是，2010年3月红岭煤矿工程技术人员与河南理工大学进行了专题讨论和分析，提出了“高瓦斯煤层综掘煤巷快速推进浅钻孔截流瓦斯抽采成套技术与工艺研究”课题，并制定了详细、可行的研究方案并决定在15181接替工作面进行研究试验二）试验工作面慨况,试验点选择在15181工作面下巷该工作面位于红岭煤矿V采区北翼下部，地面标高+214～+243m，底板标高-428～-522工作面走向长为550～582m，倾斜长122～134m，上部为15161采空区该工作面二1煤层稳定，最厚6.63m，最薄5.56m，煤层平均厚度为6.05m，煤层倾角为19°～22º，平均20.5º。

15181回采工作面生产系统布置如下图所示15181回采工作面生产系统图,15181工作面下巷沿底掘进断面宽、高设计为4.0×3.0m半圆拱型，采用29U型钢支护，综合机械化掘进选用FBDNo6.3/2×22型风机，配风量480m3/min据测定，15181工作面煤层原煤瓦斯含量为8.67m³/t，煤层的透气性系数为0.58～0.76m2/Mpa2·d，瓦斯压力为0.23～0.71Mpa，预测掘进工作面最大瓦斯涌出量将达到6.17m3/min巷道断面布置图,二、主要研究内容,二、主要研究内容,,（1）综掘工作面瓦斯涌出规律测定与分析研究； （2）迎头前方和两帮煤体中地应力、瓦斯压力、透气性与“三带”分布规律研究； （3）卸压带浅孔“钻墙”截流瓦斯抽采控制机理研究； （4）瓦斯抽采基本参数与钻孔布置参数的测定与优化选择 （5）浅孔截流瓦斯抽采“紧跟迎头、两掘一抽”成套技术与工艺的集成与优化； （6）现场工业性试验与分析一）综掘工作面瓦斯涌出规律测定与分析研究,利用井下瓦斯监测设备进行多探头、定点与不定点、连续跟踪，考察了高瓦斯综掘煤巷迎头后100m范围内瓦斯浓度分布规律考察结论认为：控制掘进落煤和距掘进头后0～10m范围内两帮煤体的瓦斯涌出量是防止掘进头瓦斯超限的关键。

根据岩石力学理论与瓦斯流动理论，研究认为：综掘煤巷开挖后，在巷道迎头和两帮煤体内的地应力、瓦斯压力、煤层透气性重新分布，并形成了卸压带、应力集中带和原始应力带，其卸压带内的地应力、瓦斯压力急剧下降，煤体的透气性成百倍及上千倍增加，为浅孔抽采瓦斯创造有利条件根据应力极限平衡理论计算和现场实测，红岭煤业公司综掘煤巷开挖后煤体内卸压带深度为3～5m二）迎头前方和两帮煤体中 地应力、瓦斯压力、透气性与“三带”分布规律研究,,（1）巷道迎头前方煤体内“三带”分布图,,（2）巷道两帮煤体内“三带”分布图,,（3）迎头前方煤体内地应力、瓦斯压力、透气性分布图,,（三）卸压带浅孔截流瓦斯抽采控制机理,浅孔截流瓦斯抽采就是充分利用了掘进迎头和两帮卸压带煤体中透气性大大增加的特点，在迎头和两帮新暴露的煤壁上，合理的布置钻孔和选择瓦斯抽采参数在抽采负压作用下，钻孔附近煤层瓦斯的流向发生了变化，煤体卸压带内的瓦斯由平行平面流变为径向流动进入抽采钻孔，当抽采负压作用到达煤层的顶底板和相邻抽采钻孔之间的所有区域时，煤体完全处于抽采负压的作用下，抽采负压对深部煤体向巷道,,,空间运移的瓦斯建立了一道屏障，相当于用钻孔在煤壁卸压带范围内沿煤层全厚构筑了一道瓦斯截流“钻墙”，隔断了卸压带以里深部煤体瓦斯直接向巷道空间运移，该“钻墙”既可以有效的抽出卸压带内煤体中的游离瓦斯，深部煤体内的吸附瓦斯随压力降低转变为游离瓦斯运移到“钻墙”被钻孔连续抽出，从而降低了掘进落煤和两帮煤壁的瓦斯涌出强度。

从而大大提高了抽采效果，降低了落煤和两帮煤体的瓦斯涌出量1）巷道迎头煤壁卸压带瓦斯自然流动规律,,（a)掘进迎头煤体卸压带内瓦斯自然流动规律,（2）巷道两帮煤体卸压带瓦斯自然流动规律,,（b)巷道两帮煤体卸压带内瓦斯自然流动规律,（3）浅孔截流瓦斯流动规律,,浅孔“钻墙”截流瓦斯流动规律（垂直剖面图）,（4）浅孔“钻墙”截流抽采瓦斯流动规律,,浅孔“钻墙”截流瓦斯流动规律（正视图）,（5）浅孔“钻墙”截流瓦斯控制机理,,1、钻孔；2、瓦斯流动方向；3钻孔影响半径浅孔“钻墙”截流瓦斯流动规律（水平剖面图）,（6）卸压区浅孔抽采瓦斯效果考察,考察结果显示：1号钻孔的瓦斯流量很小，为0.05～0.1m³/min甚至测定不出来，2号钻孔瓦斯流量比1号钻孔增加了几倍到几十倍，2号钻孔的瓦斯流量可高达0.3～0.5m³/min以上说明煤层卸压带内煤透气性能大幅度增加，大量的吸附瓦斯转变为游离瓦斯，煤体卸压带内瓦斯极易被抽出四）浅孔截流瓦斯抽采基本参数优化选择,,研究初期抽采钻孔基本参数经验选择,①工作面迎头抽采：布置钻孔18个钻孔深度为15m；钻孔终孔点间距为1.5m；钻孔孔径为60mm；抽采负压为16kPa；最短抽采时间不少于2小时；采用封孔器封孔，封孔深度为1.5m。

②两帮抽采：钻孔滞后迎头15m布孔深度为15m；钻孔间距为2.0m；钻孔孔径为60mm；抽采负压为16kPa；抽采时间为极限抽采；采用聚氨酯封孔，封孔深度为2.0m按照以上经验选择钻孔参数，试验综掘巷道50m，回风流瓦斯超限2次后经科研小组研究分析认为，超限问题是由钻孔抽放参数不合理所致，必须对各钻孔参数进行实测和优化选择后再进行试验围绕钻孔抽采参数优化选择，研究小组在现场进行了大量实测研究工作1、利用井下瓦斯监测设备进行多探头、定点与不定点、连续跟踪，考察了掘进100m巷道范围内瓦斯浓度分布规律优化确定了两帮钻孔滞后迎头打钻抽采时机 2、根据不同的封孔深度的钻孔瓦斯抽采效果，考察验证了卸压带内瓦斯抽采的优越性 3、采用钻孔负压法，测定了抽采钻孔的影响半径，优化了确定了钻孔间距 4、根据极限平衡理论计算结果和对不同深度钻孔的瓦斯流量、浓度衰减规律的测定结果，并结合循环进尺和矿上钻具能力，优化确定了钻孔深度 5、利用瓦斯检测仪器，测定了60mm和75mm的两种孔径钻孔在相同抽采时间内的瓦斯流量和浓度变化规律，比较了两种孔径的抽采效果，优化确定了钻孔的直径 6、利用瓦斯抽放管道气体参数测定仪分别测定和考察了在相同时间内不同孔口负压下的钻孔瓦斯抽采纯量。

优化确定钻孔抽采负压 7、利用瓦斯检测仪器考察了6个钻孔在随抽采时间的瓦斯流量和瓦斯浓度的变化衰减规律，优化确定了迎头浅孔抽采时间主要开展的井下实测工作,（1）钻孔抽采影响半径测定,采用钻孔降压法测定： 利用U型汞柱压差计、煤气表测定结果为：3小时抽采影响半径1.3m；8小时抽采影响半径为2.5m,,（2）钻孔深度,①应力极限平衡理论计算,,或,,,X0—为卸压区宽度； ￠—为煤体内摩擦角，取30°； C—为煤层粘结力，取1.3Mpa； A—为侧压系数，取0.4； K—为应力集中系数，取2； r—为岩石的平均容重，取2.5t/m³； f－煤层界面摩擦系数； ○—煤层或软分层的抗拉强度； H—为开采深度，取600m；m—为煤层厚度，取6.05m计算结果：X0=4.24m,1989.12煤炭学报4期侯朝炯、马念杰 1993.12中矿学报4期林柏泉、周世宁,在新暴露的煤壁上在互不影响范围布置了5个水平考察孔，钻孔的深度为3m、5m、8m、10m、12m封孔深度均为1.0m每一钻孔施工后，封孔连接煤气表加瓦斯浓度测试嘴和阀门，联网并关闭阀门待所有钻孔施工完毕，同时打开阀门，加10KPa负压开始抽采，以后每30分钟观测一次各测试孔瓦斯流量和浓度变化情况。

观测时间为6小时根据现场实测结果：3m、5m深钻孔瓦斯流量、浓度值开始时最大，随后2小时后衰减速度较快， 8m、10m、12m钻孔瓦斯流量、浓度衰减较慢，并且瓦斯流量、浓度值相差不大，并趋于一致性②测定不同深度钻孔抽采效果,,③根据循环进尺确定钻孔深度,最后，按照钻孔穿过卸压带深度原则根据应力极限平衡理论计算结果和新暴露的煤壁上不同深度钻孔抽采效果，并考虑抽、掘循环进尺相配套问题和风动钻具钻进能力问题综合考虑按照每个大循环“抽10m进6m”的原则，最后确定迎头超前抽采钻孔深度为10m；两帮钻孔抽放瓦斯取钻孔深度为8m由于掘进机每掘进6m需要调整一次皮带，其间无法掘进，因此将每大循环允许掘进长度定为6m按循环钻孔压茬4m确定钻孔深度2）钻孔深度,（3）钻孔直径,,相关研究成果显示，对原始低透性煤层，抽采瓦斯钻孔的总瓦斯流量仅与钻孔直径的0.2～0.5次方成正比，抽采时间较长时，钻孔直径的大小对钻孔抽采瓦斯效果影响不大但对于浅孔截流超前抽采瓦斯钻孔，由于浅孔抽采瓦斯时间较短(4～8小时左右)，由于掘进工作面迎头煤体打超前抽采钻孔数目较多(9～12个)，钻孔的直径越大，单孔周围煤体的卸压圈及整个前方煤体的卸压范围增大，增大抽采瓦斯钻孔的孔径，将有利于增大钻孔周围煤体的卸压范围，提高煤壁前方煤体卸压区的煤层透气性，将有利于提高浅孔抽采瓦斯的效果。

2010年10月，在15181工作面下巷掘进头，现场实际考察了直径为60mm和75mm的两种孔径抽采钻孔的瓦斯流量打钻时尽量加大考察钻孔的孔间距，使每个孔成为互不影响的独立孔，直径60mm和直径75mm的钻孔瓦斯流量测定结果表明，在8小时的抽采时间内，钻孔的流量由直径60mm的27～36L/min增加到直径75mm的29～42L/min，直径75mm钻孔比直径60mm的钻孔抽采量增加约7%～15%说明大直径钻孔比小直径钻孔抽采效果好但在生产实践中，使用大直径钻孔在设备及工艺等方面均有困难，钻孔直径越大，越不利于钻孔施工，并且发生塌孔的可能性增加考虑红岭煤矿的实际条件，在保证钻孔影响半径范围内布置时，浅孔截流抽采瓦斯钻孔的孔径以75mm为宜4）抽采负压,,,考察不同负压下钻孔在相同抽采时间内抽采效果测定了孔口负压为： 6KPa、8KPa、10KPa、12KPa、16KPa的5个钻孔在不同抽采负压下对瓦斯抽采效果的影响情况测定方法是：打钻封孔联网后，每30min分别记录一次各钻孔的瓦斯流量、浓度，测定时间为8h测定结果表明，提高抽采负压，有利于瓦斯抽放但从不同抽采负压的每个钻孔8h瓦斯抽采纯量来看，孔口负压为6KPa钻孔抽采纯量较小，孔口负压为8～16KPa的4个钻孔的瓦斯抽采纯量相差不大。

考察分析认为：由于卸压区内煤体产生了大量裂隙并相互贯通，透气性大大提高，负压过高导致空气通过巷道煤壁裂隙进入钻孔，并且容易导致封孔器漏气这些对于提高抽放效果是不利的最后选定：孔口抽采负压以8～10kPa为宜。