基于短孔快速抽采的低透煤层煤巷掘进技术_向真才.pdf

Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 矿井瓦斯是影响煤矿安全生产的主要因素之 一，瓦斯问题一直以来都是制约矿井生产能力和影 响矿井安全及经济效益的重大问题[1-2]。随着矿井开 拓区域向深部延伸，煤层的透气性在地应力影响下 越来越差；煤巷掘进工作面瓦斯抽采效果不佳， 瓦 斯异常涌出日益频繁[3-7]。目前国内部分有条件矿井 已经开展了煤层定向预裂爆破、水利割缝、水利压 裂和水利冲孔等煤层增渗增透措施；并取得不错的 效果[8-11]。但由于经济状况、 技术装备及瓦斯赋存等 条件的限制， 大部分矿井还采用传统的 “耳朵钻场 迎头抽采”的掘进工作面瓦斯治理模式，在透气性 不佳的矿井采用此方法，钻孔深部区域瓦斯抽采效 果不佳。煤巷掘进已经严重制约矿井的安全高效生 产。为此，在现有煤巷掘进工作面瓦斯治理模式的 基础上，结合矿井生产情况，摸清矿井煤层瓦斯赋 存规律及作业工序，开展煤巷掘进工作面短钻孔快 速抽采工艺研究。 1掘进面瓦斯治理现状及瓦斯来源 1．1掘进工作面瓦斯治理现状 霍尔辛赫煤矿为高瓦斯矿井，主采 3 号煤层， 该 煤层位于山西组下部， 煤层厚 4．49～7．17 m， 平均厚 基 金 项 目 “ 十 三 五 ” 国 家 科 技 重 大 专 项 资 助 项 目 （2016ZX05067- 004- 004） 基于短孔快速抽采的低透煤层煤巷掘进技术 向真才 1， 2 （1．瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 2．中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400037） 摘要 针对煤层透气性差、 钻孔瓦斯流量衰减较快、 采取迎头超前长钻孔抽采效果不佳而导致 煤巷掘进速度慢等问题， 提出利用检修班时间采用短钻孔进行掘进迎头快速集中抽采， 通过短 时间、 高强度抽采小范围瓦斯， 减小通风压力， 提高煤巷掘进速度的新思路。通过在霍尔辛赫煤 矿 3605 回风巷应用表明， 在检修班采用短钻孔快速抽采工艺， 在回风流与工作面瓦斯浓度降低 20％的前提下， 工作面月进尺提升 50％， 实现了对低透气性煤层煤巷工作面瓦斯的有效治理。 关键词 低透气性； 抽采效果； 短钻孔； 快速抽采； 流量衰减 中图分类号 TD712文献标志码 B文章编号 1003－496X （2020） 04－0097-04 Coal Roadway Driving Technology in Low Permeability Coal Seam Based on Short Hole Rapid Drainage XIANG Zhencai1,2 （1．State Key Laboratory of Gas Disaster Detecting, Preventing and Emergency Controlling, Chongqing 400037, China; 2.China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China） Abstract Aiming at the problems of poor permeability of coal seam, fast attenuation of gas flow in boreholes, poor effect of long boreholes in advance and slow driving speed of coal roadway, a new idea is proposed that short boreholes should be used for rapid centralized mining in front of coal roadway in overhaul shift time, and small-scale gas should be extracted in short time and high strength to reduce ventilation pressure and improve driving speed of coal roadway． Through the application of 3605 return air roadway in Huoerxinhe Coal Mine, it is shown that under the premise of 20 reduction of return air flow and gas concentration in working face, the monthly advance footage of working face is increased by 50． The effective control of gas in low permeability coal seam roadway is realized． Key words low permeability; drainage effect; short drilling; rapid drainage; flow attenuation DDOI10．13347/j．cnki．mkaq．2020．04．020 向真才．基于短孔快速抽采的低透煤层煤巷掘进技术 ［J］ ．煤矿安全， 2020， 51 （4） 97-100． XIANG Zhencai． Coal Roadway Driving Technology in Low Permeability Coal Seam Based on Short Hole Rapid Drainage ［J］ ． Safety in Coal Mines, 2020, 51 （4） 97-100． 移动扫码阅读 97 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol．51No．4 Apr． 2020 5．65 m， 井田内 3 号煤层东厚西薄， 含泥岩、 灰质泥岩 夹矸 0～2 层， 一般 1 层， 距底板约 0．78 m 左右较为稳 定 （平均厚度 0．30 m ） 。3 号煤层瓦斯含量为 7～14 m3/ t； 钻孔瓦斯流量衰减系数 0．086 1～0．416 1 d-1， 透气性 系数为 0．091 4～0．193 6 m2/ （MPa2 d ） ；瓦斯放散初速 度△p 为 12～18 mmHg （1 mmHg133．322 4 Pa ） ， 煤的 坚固性系数为 0．46～0．47， 孔隙率为 2．13～3．04。 矿井煤巷均沿煤层顶板掘进，巷道断面为 4．8 m3．3 m， 采用综掘工艺， 全断面一次掘进， 生产班 采用 “一掘一支” 施工方式， 每班掘进 2～4 个循环， 每天进尺 4～6 m，平均进尺 5 m，月平均进尺 150～ 170 m。目前掘进面均采用先探后抽再掘的方式 （ “耳朵钻场迎头抽采方式” ） ， 抽采达标后再掘进[12]。 煤巷掘进工作面迎头瓦斯抽采示意图如图 1。 由于掘进工作面掘进速度快，煤层瓦斯释放速 度快， 同时煤巷暴露距离长， 暴露面积大， 导致掘进 面回风流存在超限的风险，煤巷掘进速度较慢， 严 重影响矿井采掘衔接及安全高效生产。 1．2掘进期间瓦斯来源 矿井主采 3 号煤层， 3 号煤层为单一厚煤层， 煤 层平均厚度 5．65 m，从矿井瓦斯涌出特征来看， 采 掘面瓦斯主要来自本煤层；对矿井煤巷掘进工作面 瓦斯涌出情况进行分析，巷道正常掘进时，其回风 流瓦斯浓度波动较大，回风流检修班瓦斯浓度一般 在 0．3～0．5之间， 平均 0．35； 回风流生产班瓦斯 浓度一般在 0．5～0．8之间， 平均 0．65。 由于巷道 较长，煤壁暴露面积大，煤壁瓦斯涌出占回风流瓦 斯近 55～60。 2短钻孔快速抽采原理 目前在高瓦斯矿井煤巷掘进工作面掘进过程 中， 瓦斯抽采是影响掘进进尺的最主要因素， 尤其是 高瓦斯、 低透气性煤层掘进， 抽采时间长、 抽采效果 不佳， 不利于矿井正常采掘衔接， 同时造成掘进人员 的浪费。掘进工作面短钻孔快速抽采工艺是利用检 修班时间采用快速封孔、接抽的方式抽采掘进面瓦 斯， 尽最大可能降低掘进区域瓦斯， 减少掘进过程中 工作面瓦斯涌出， 减轻矿井通风压力， 从而提高煤巷 掘进速度的方法。 首先在掘进迎头采用手持式防突钻机快速施工 多个短钻孔，短钻孔在煤层内呈横向等距或纵向交 叉分布， 短钻孔设计长度约为 12～15 m； 随后采用可 循环利用的快速封孔器进行封孔， 封孔长度 2～3 m； 最后进行快速接抽，利用 1 个检修班的时间进行瓦 斯卸压抽采， 在瓦斯异常增大区域， 可以适当延长抽 采时间， 保障掘进安全。 短钻孔快速抽采控制掘进迎头距离短，控制区 域范围广， 钻孔利用率高； 而且采用专用的短钻孔封 孔器，接抽方式方便快捷。短时间将瓦斯从抽采管 道抽走， 降低矿井通风压力， 提高掘进速度。特别适 用高瓦斯低透气性煤层掘进工作面高效抽采和快速 掘进，更加安全高效的治理高瓦斯掘进工作面及回 风流瓦斯超限问题。短钻孔快速抽采示意图如图 2。 3短钻孔快速抽采设计方案 3．1试验区域概况 短钻孔快速抽采试验位置位于霍尔辛赫煤矿 3605 回风巷内， 回风巷布置在 3 号煤层中， 煤层厚 度为 5．3～5．9 m， 倾角为 0～5， 平均 2．5。从地质超 前探孔探测情况来看，该巷道掘进区域无较大地质 构造。沿煤层顶板掘进， 巷道断面 4．8 m3．3 m。巷 道在东回风大巷开口， 由西向东掘进， 掘进面瓦斯主 要来自本煤层。 原煤瓦斯含量达到 10～13 m3/t。 抽采 达标后， 对掘进瓦斯涌出进行统计分析可知， 巷道正 图 1煤巷掘进工作面迎头瓦斯抽采示意图 Fig．1Schematic diagram of head-on gas drainage in coal roadway driving face 图 2短孔快速抽采示意图 Fig．2Schematic diagram of short hole rapid extraction 98 ChaoXing Vol．51No．4 Apr． 2020 Safety in Coal Mines 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 表 2掘进期间工作面及回风流瓦斯浓度情况 Table 2Gas concentration of working face and return air flow during driving 日期 （日常 ） 掘进 进尺/m 最大瓦斯浓度/ 日期 （试验 ） 掘进 进尺/m 最大瓦斯浓度/ 回风流 工作面回风流 工作面 05-215．600．760．4006-018．800．680．31 05-226．400．780．4206-028．000．640．29 05-234．800．730．4106-038．000．650．31 05-245．600．790．3906-049．600．660．30 05-255．600．710．3806-057．200．620．27 05-265．600．680．3506-068．800．630．33 05-276．400．720．4106-078．800．650．30 05-286．400．650．4006-089．600．600．23 05-295．600．740．3906-098．000．580．28 05-304．800．760．3906-108．000．630．28 常掘进时， 回风流瓦斯浓度为 0．53～0．79， 工作面 瓦斯浓度为 0．33～0．44。 3．2钻孔施工及连接 1） 钻孔施工方法。利用下班交接时间， 采用防突 钻机在掘进工作面迎头施工短钻孔（孔径 75 mm， 孔深 12 m） ， 短钻孔按 2 排布置， 上排钻孔距离底板 2 m 位置， 下排钻孔距底板 1．2 m； 每排布置 4 个抽 采钻孔，单排钻孔间距 0．9 m，钻孔投影间距 0．45 m； 钻孔开孔高度 1．2、 2 m。短钻孔施工参数布置平 面、 剖面示意图如图 3。 2） 钻孔封孔及接抽。已施工的抽采钻孔采用可 循环利用的快速封孔器进行封孔。钻孔接抽时间为 4～6 h 或者更长。快速抽采钻孔有效钻孔较短， 抽采 时间不长， 抽采流量不大； 采用 DN75 的汇流管连接 8 个钻孔， 汇流管末端安装导流管； 设计钻孔较多区 域或者抽采量较大区域可考虑增加汇流管数量， 减 少每个汇流管负担的钻孔数量。 钻孔接抽以后技术人员每天对汇流管抽采的浓 度、 流量、 负压等参数进行实时观测。 4短钻孔应用效果 4．1抽采效果 短钻孔试验期间 （试验 10 d） ， 掘进面抽采总混 合瓦斯量 1．89～3．08 m3/min， 平均 2．33 m3/min； 抽采 浓度 8．78～15．56， 平均抽采浓度 11．90； 抽采纯 瓦斯量 0．24～0．31 m3/min，平均抽采纯瓦斯量 0．27 m3/min， 钻孔抽采时间为 4～5．5 h， 平均 5 h； 单日 1 个循环抽采总瓦斯纯量约 69．10～96．54 m3，单日平 均抽采总纯量 80．32 m3。试验钻孔抽采效果见表 1。 抽采区域内煤层储量 209．8 t， 瓦斯含量 8 m3/t， 钻孔控制范围内煤层瓦斯储量 1 678．4 m3，试验期 间， 单日平均抽采总纯量约 80．32 m3/min， 抽采瓦斯 量占瓦斯储量的 4．78，抽采区域瓦斯含量下降约 0．38 m3/t。 从每分钟瓦斯抽采纯量、抽采浓度及抽采总量 看， 钻孔抽采效果较好， 由于抽采时间较短， 总瓦斯 抽采量偏低， 钻孔瓦斯抽采量及浓度衰减并不明显。 4．2掘进期间工作面及回风流瓦斯浓度 对试验前后掘进工作面及回风流瓦斯浓度分布 情况及每班工作面进尺分布进行统计。掘进期间工 作面及回风流瓦斯浓度情况见表 2。 日期 混量/ （m3 min-1） 浓度/ 纯量/ （m3 min-1） 时间/min 总量/ （m3 min-1） 06-011．9212．540．2430072．23 06-023．059．440．2924069．10 06-031．9815．560．3127083．18 06-042．469．140．2230067．45 06-052．2810．460．2433078．70 06-062．1311．520．2527066．25 06-073．088．780．2730081．13 06-082．3212．610．2933096．54 06-091．8915．150．2933094．49 06-102．2813．760．3130094．12 图 3短钻孔施工参数布置示意图 Fig．3Diagram of short borehole construction parameter layout 表 1试验钻孔抽采效果表 Table 1Test borehole extraction effect 99 ChaoXing 第 51 卷第 4 期 2020 年 4 月 Safety in Coal Mines Vol.51No.4 Apr. 2020 5 月 21 日至 5 月 30 日，未采取短钻孔抽采措 施前，日平均进尺约 5.7 m，回风流平均瓦斯浓度 0.73，工作面平均瓦斯浓度 0.39。6 月 1 日至 6 月 10 日， 快速封孔试验期间， 日平均进尺约 8.5 m， 回风流平均瓦斯浓度 0.63，工作面平均瓦斯浓度 0.29。不考虑风量大小及煤壁瓦斯涌出等因素影 响， 采用短钻孔快速抽采前后， 在日进尺提高 2.8 m 前提下，工作面及回风流瓦斯浓度均下降 0.1， 瓦 斯浓度下降明显。掘进工作面使用短钻孔前后瓦斯 浓度对比如图 4。 4.3掘进速度 短钻孔快速抽采的煤巷累计月进尺 250 m， 掘 进期间回风流瓦斯浓度控制在 0.7以下； 而未进行 短钻孔快速抽采的煤巷累计月进尺约为 170 m， 且 在掘进工程中回风流瓦斯浓度达到 0.79。相比传 统抽采达标后直接掘进，短钻孔快速抽采方法将部 分瓦斯从抽采系统中抽走，减小长距离掘进煤巷通 风压力， 煤巷掘进速度提高了近 50。 5结语 煤巷掘进工作面短孔快速抽采工艺从时间和空 间上克服了现有技术存在的不足，通过利用检修班 时间将掘进面瓦斯抽采由长距离长时间变为短距离 短时间的高效抽采，从而提高掘进效率。煤巷掘进 面短钻孔快速抽采技术通过在山西霍尔辛赫煤矿 3605 回风巷的应用， 抽采效果明显， 煤巷掘进月累 计进尺由 170 m 提高到 250 m， 提高近 50。 短钻孔 快速抽采技术，在高瓦斯低透气性煤层取得良好的 应用效果， 同时为其大范围推广应用提供了参考。 参考文献 ［1］ 付建华， 程远平．中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治 对策 ［J］ ．采矿与安全工程学报， 2007， 24 （3） 253. ［2］ 谢和平， 周宏伟， 薛东杰， 等．我国煤与瓦斯共采理论、 技术与工程 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （8） 1391－1397． ［3］ 高建良， 候三中．掘进工作面动态瓦斯压力分布及涌 出规律 ［J］ ．煤炭学报， 2007 （11） 1127－1131． ［4］ 卢连宁， 王广智．高瓦斯掘进工作面瓦斯治理方法 ［J］ ． 煤炭科学技术， 2007 （7） 30－32． ［5］ 候三中．掘进过程中瓦斯涌出量与掘进速度的关系研 究 ［J］ ．煤炭技术， 2016， 35 （4） 146－149． ［6］ 秦永强．高瓦斯矿井掘进工作面瓦斯综合治理 ［J］ ．陕 西煤炭， 2011， 30 （2） 48－49． ［7］ 申广君．煤巷掘进工作面瓦斯治理技术现状及存在问 题分析 ［J］ ．煤矿安全， 2012， 43 （5） 127－129． ［8］ 徐景德， 杨鑫， 赖芳芳， 等．国内煤矿瓦斯强化抽采增 透技术的现状及发展 ［J］ ．矿业安全与环保， 2014， 41 （4） 100－103． ［9］ 张超， 林柏泉， 周延， 等．多缝线金属射流定向预裂爆 破技术在瓦斯抽采中的应用 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （S1） 100－104． ［10］ 李晓红， 王晓川， 康勇， 等．煤层水力割缝系统过渡过 程能量特性与耗散 ［J］ ．煤炭学报， 2014， 39 （8） 1404－1408． ［11］ 刘明举， 崔凯， 刘彦伟， 等．深部低透气性煤层水力冲 孔措施防突机理分析 ［J］ ．煤炭科学技术， 2012， 40 （2） 45－48． ［12］ 国家安全生产监督管理总局， 国家煤矿安全监察局． 安监总煤装 【2011】 163 号煤矿瓦斯抽采达标暂行规 定 ［Z］ ． 作者简介 向真才 （1987） ， 男， 重庆万州人， 助理研究 员， 硕士， 2010 年毕业于中国矿业大学， 现主要从事瓦斯灾 害防治及煤层气勘探开发方面研究。 （收稿日期 2019-04-19； 责任编辑 王福厚） 图 4掘进工作面使用短钻孔前后瓦斯浓度对比 Fig.4Comparison of gas concentration before and after short drilling in driving working face 100 ChaoXing