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      大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯治理技術(shù)研究

      2022-02-09 08:09:16李棟龍
      西部探礦工程 2022年12期
      關(guān)鍵詞:上隅角負壓瓦斯

      李棟龍

      (太原市宏宇煤炭技術(shù)咨詢有限公司,山西 太原 030000)

      隨著礦井采掘年限和開采深度的不斷增加,開采深度及開采難度均呈增大趨勢。在煤層開采過程中,由于工程擾動,使得工作面極易出現(xiàn)礦井災(zāi)害,所以如何解決限制礦井開采的難題成為了學(xué)者重要的研究課題。瓦斯災(zāi)害作為礦井常見問題一直困擾著礦井的正常開采,瓦斯問題一旦出現(xiàn)將會造成極為嚴(yán)重的安全事故,所以及時將瓦斯進行抽采關(guān)系這礦井的安全生產(chǎn)。采空區(qū)的瓦斯是回采工作面瓦斯的重要組成部分,上隅角的瓦斯治理是礦井生產(chǎn)的重中之重[1],目前我國對采空區(qū)上隅角瓦斯治理的技術(shù)主要有高位鉆孔抽采、埋管抽采等,上述方法雖然能夠一定程度上解決瓦斯問題,但均存在一定的局限性[2],所以本文以曹家山礦80103工作面為工程背景,采用大直徑鉆孔瓦斯抽采技術(shù),以孔代巷對工作面采空區(qū)上隅角瓦斯進行抽采,有效降低了工作面上隅角瓦斯?jié)舛?,為礦井安全生產(chǎn)做出一定的貢獻與借鑒。

      1 礦井概況

      曹家山礦位于山西呂梁柳林縣城東南7km處曹家山村一帶,井田面積8.45km2,設(shè)計年生產(chǎn)能力90×104t,可采煤層共有開采4#、8#、10#煤層,80103工作面現(xiàn)主要開采8#煤層,煤層平均厚度5.9m,平均傾角4°,正常生產(chǎn)期間礦井絕對瓦斯涌出量為15.08m3/min,相對瓦斯涌出量為7.71m3/t,采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為8.50m3/min,掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.27m3/min,測定為高瓦斯礦井。

      大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采技術(shù),是通過臨近巷道向回風(fēng)巷道定距離施加大直徑鉆孔,通過鉆孔與瓦斯抽采系統(tǒng)的連接,改變上隅角瓦斯流場特性,從而降低上隅角瓦斯?jié)舛?,達到瓦斯抽采的目的。

      2 數(shù)值模擬研究

      首先對鉆孔抽采上隅角瓦斯進行數(shù)值模擬研究,采用fluent 數(shù)值模擬軟件進行順層鉆孔瓦斯抽采模型的建立,模型的鉆孔直徑設(shè)定為90mm,鉆孔長度為200mm,對模型進行網(wǎng)格劃分,為了保證計算精度同時降低計算時間,將鉆孔周邊進行細化分,在距離鉆孔較遠位置進行粗劃分,完成網(wǎng)格劃分后共計14532個節(jié)點及20083個網(wǎng)格單元。將模型設(shè)定為多孔介質(zhì)模型,對不同參數(shù)下的瓦斯抽放效果進行分析[3]。

      首先對不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量進行分析,選定抽采負壓為-15kPa、-30kPa、-45kPa,不同負壓下鉆孔瓦斯流量如圖1所示。

      從圖1可以看出,不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量隨時間的變化趨勢大致相同,隨著時間的增加,鉆孔內(nèi)部瓦斯流量逐步降低,當(dāng)抽采負壓為-15kPa 時,在第5d 鉆孔瓦斯流量為0.073m3/min,而當(dāng)時間來到30d時,此時的鉆孔瓦斯流量為0.05m3/min;當(dāng)抽采負壓為-30kPa時,此時在第5d鉆孔瓦斯流量為0.053m3/min,而當(dāng)時間來到30d 時,此時的鉆孔瓦斯流量為0.051m3/min;當(dāng)抽采負壓為-45kPa時,此時在第5d鉆孔瓦斯流量為0.096m3/min,而當(dāng)時間來到30d時,此時的鉆孔瓦斯流量為0.054m3/min??梢钥闯鲭S著抽采負壓的增大,此時鉆孔內(nèi)部瓦斯流量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢,當(dāng)抽采達到平穩(wěn)后,鉆孔內(nèi)部瓦斯流量相差不大,所以在保證鉆孔密封性的同時,盡量增大抽采負壓,考慮到當(dāng)抽采負壓為-45kPa 時,此時密封要求難以達到,所以選定最佳抽采負壓為-30kPa。

      圖1 不同負壓下鉆孔瓦斯流量圖

      對不同鉆孔直徑下瓦斯流量進行分析,選定抽采負壓為-30kPa,鉆孔直徑為90mm、110m、130mm,不同鉆孔直徑下瓦斯流量如圖2所示。

      圖2 不同鉆孔直徑下瓦斯流量圖

      從圖2可以看出,不同鉆孔直徑下鉆孔內(nèi)部瓦斯流量隨著時間的增大呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。在抽采初期,鉆孔直徑對于瓦斯抽采影響較大,當(dāng)抽采時間來到20d時,此時的瓦斯流量與鉆孔直徑之間的影響關(guān)系減弱。當(dāng)鉆孔直徑為90mm 時,此時的第5d 鉆孔瓦斯流量為0.083m3/min,而當(dāng)時間來到30d時,此時的鉆孔瓦斯流量為0.051m3/min;當(dāng)鉆孔直徑為110mm 時,此時的第5d 鉆孔瓦斯流量為0.099m3/min,而當(dāng)時間來到30d 時,此時的鉆孔瓦斯流量為0.061m3/min;當(dāng)鉆孔直徑為130mm時,此時的第5d鉆孔瓦斯流量為0.12m3/min,而當(dāng)時間來到30d 時,此時的鉆孔瓦斯流量為0.063m3/min??梢钥闯鲭S著鉆孔直徑的增大,瓦斯抽采效果較佳,所以在條件允許下,盡量將鉆孔增大,達到組鉆孔瓦斯抽放效果[4]。

      3 試驗效果分析

      為驗證大直徑鉆孔代替上隅角懸管抽采效果,曹家山礦在80103 工作面對大直徑鉆孔抽采瓦斯進行工業(yè)性試驗,首先布置大功率EH260 鉆機進行預(yù)抽孔設(shè)置,鉆孔的直徑選定130mm,鉆孔的間距設(shè)定為2m,鉆孔深度最大值為30m,當(dāng)鉆孔深度達到30m時,立即停止鉆孔。在鉆孔完成后進行套管下放,在鉆成的鉆孔內(nèi)放入套管,避免出現(xiàn)鉆孔塌陷等問題,對鉆孔進行封堵,選定JD-WFK-2 型速膨脹封孔劑進封孔,保證鉆孔氣密性,設(shè)定抽采負壓為-30kPa,進行鉆孔內(nèi)部瓦斯抽采監(jiān)測,大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測曲線如圖3所示。

      圖3 大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測曲線

      抽采管路內(nèi)濃度、上隅角瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪侩S時間變化趨勢如圖3所示,當(dāng)抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.1%左右時,此時隨著80103工作面的不斷推進,使得空區(qū)范圍逐步擴大,此時抽采管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出增加的趨勢,當(dāng)抽采時間達到一定時間后,此時的抽采管管路內(nèi)部瓦斯?jié)舛染S持在1.2%左右;上隅角的瓦斯抽采量初始時為0.1m3/min左右,隨著工作面的推進上隅角瓦斯抽采量呈現(xiàn)快速增大的趨勢,與抽采管管路在相同時間位置瓦斯抽采濃度達到平穩(wěn)[9]。此時抽采濃度維持在1m3/min,可以看出,當(dāng)使用大直徑鉆孔進行上隅角瓦斯抽采時,上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2%,抽放效果較佳。

      對大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽放的經(jīng)濟效益進行分析,按照抽采平均瓦斯量為2000m3/min 進行計算,每年可抽采730000m3,同時抽采的瓦斯可以作為能源使用。掘進巷道1m需要成本5000元,一條高抽巷需要投入資金230 萬元,同時需要每隔50m設(shè)置瓦斯聯(lián)絡(luò)巷,所以成本將近300 萬元,而大直徑鉆孔施工時,每個鉆孔需要4000 元,100 個鉆孔共計需要40 萬元,可以看出,選定大直徑鉆孔對上隅角瓦斯進行抽放共計可以節(jié)省260萬元,所以以孔代巷不僅可以有效解決上隅角瓦斯問題,同時在資金方面,大直徑鉆孔具有更大的優(yōu)勢[5]。

      4 結(jié)論

      (1)為驗證抽采效果,曹家山礦對不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量進行分析,發(fā)現(xiàn)隨著抽采負壓的增大,此時鉆孔內(nèi)部瓦斯流量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢,選定最佳抽采負壓為-30kPa。

      (2)對不同鉆孔直徑下瓦斯流量進行分析,看出隨著鉆孔直徑的增大,瓦斯抽采效果較佳,所以在條件允許下,盡量將鉆孔增大,達到組鉆孔瓦斯抽放效果,本文選定最佳鉆孔直徑為130mm。

      (3)當(dāng)使用大直徑鉆孔進行上隅角瓦斯抽采時,上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2%,抽放效果較佳。同時通過對比經(jīng)濟效益驗證了大直徑鉆孔瓦斯抽采的優(yōu)越性。

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