23-我国煤矿地下瓦斯抽放方法

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我国煤矿地下瓦斯抽放方法

王义林

(中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083)

[摘要]瓦斯治理在煤矿尤其是高瓦斯矿井的安全生产中占据着重要的地位,如何高效开采

和利用井下瓦斯是煤与瓦斯共采工作中的研究重点。通过对相关学者研究的整理,以文献综述的形式,从开采方式、开采参数、开采效果和开采影响等角度对煤矿井下瓦斯抽放方法的发展进行了总结,概述了顺层钻孔抽放、高位钻孔抽放、岩层水平长钻孔抽放、高抽巷抽放及埋管抽放在我国的研究历程与现阶段成果,对各抽放方法自身存在的问题进行了评述,重点对布孔布巷方式及其参数进行研究,并对各学者研究过程与研究结果进行讨论与完善,分析了现阶段各抽放方法研究中存在的遗漏,对各方法现阶段及未来的研究与发展方向提出展望和设想。

[关键词]

瓦斯抽放;地下抽放;钻孔抽放;巷道抽放;埋管抽放

[中图分类号]TD712.6

[文献标识码]B

[文章编号]1006-6225(2018)03-0006-04Coal Mine Underground Gas Drainage Method in Domestic

[收稿日期]2018-03-13

[DOI ]10.13532/11-3677/td.2018.03.002[作者简介]王义林(1996-),男,山东威海人,硕士在读,研究方向为矿井瓦斯防治。[引用格式]王义林.我国煤矿地下瓦斯抽放方法[J ].煤矿开采,2018,23(3):6-9.

我国大部分煤田在成煤阶段经历了地质构造运

动,煤体结构被破坏,煤层渗透率下降,打钻成孔困难,瓦斯抽放尤其是地面瓦斯抽放效果很差,少数可进行地面抽放的高渗透率煤层多集中于河东煤

田和沁水盆地[1]

,其他低渗透性煤层瓦斯难以治理,对煤矿安全生产提出了极大的挑战。

自二十世纪四五十年代,我国开始瓦斯抽放试验,发展至今应用较广的抽放方法包括:顺层钻孔抽放、高位钻孔抽放、岩层水平长钻孔抽放、高抽巷抽放及埋管抽放。这些方法极大地改善了井下瓦斯治理状况,为煤与瓦斯共采提供了技术支持和实现途径。

当前的研究解决了瓦斯抽放中的很多难题,但仍存在诸多问题未能解决,如普适性的最优参数计算模型的建立,各抽放方法对高产高效矿井适应性优化等。笔者对各抽放方法取得的成就和存在的问题进行总结,对现阶段研究结果进行分析与评述,为今后的研究提供参考。1

本煤层瓦斯抽放方法

本煤层瓦斯治理主要采用顺层钻孔抽放方法,

这是一种在上下平巷向煤体内打孔,利用钻孔卸压来抽放瓦斯的方法。1954年,抚顺龙凤矿进行了钻孔抽放试验获得成功;九十年代初期,焦作矿区及平顶山矿区开展了交叉布孔抽放突出煤层瓦斯的

试验[2]

。目前,对顺层钻孔抽放方法的研究主要

从布孔方式和布孔参数进行。

顺层钻孔抽放布孔方式主要有3种:扇形钻孔、平行钻孔和交叉钻孔。陈金刚等在焦作韩王矿通过现场实验和数学模拟对比平行面割理和垂直面割理布置钻孔的效果,发现后者抽放量(2.61倍)

与抽放率(4.34倍)均高于前者[3]

;陈国新等在

平顶山十矿采用相同孔径孔深进行交叉钻孔和平行钻孔抽放效果的对比试验,交叉钻孔的百米抽放量(1.52倍)和抽放率(1.16倍)均高于平行钻孔,

但钻孔数与钻孔长度高于平行钻孔(2.07倍)[4]

。在布孔参数方面,谢雄刚等对比150m 单向钻孔与60 70m 双向钻孔的百米钻孔抽采量,发现后者是前者的2倍多

[5]

;姜文忠等建立了防突型、减风型

和复合型合理预抽期评价模型,结合平顶山十矿的煤田地质条件与交叉布孔参数进行预抽时间设计并

进行了现场应用验证[6]

结合各学者的研究可以发现,顺层钻孔抽放在现阶段的发展中具有以下特点:

(1)3种布孔方式各有其优劣,交叉布孔效果最优,平行布孔成本最低,扇形布孔劳动强度最低。

(2)垂直面割理进行斜孔布置可明显提高顺层钻孔抽采效果,双侧斜孔、密集布孔、立体布孔能有效强化抽采。

(3)150mm 以上孔径钻进和护孔技术快速发展,大直径钻孔是现阶段发展趋势。6

第23卷第3期(总第142期)

2018年6月煤矿开采

COAL MINING TECHNOLOGY

Vol.23No.3(Series No.142)

June

2018

顺层钻孔抽放能有效处理本煤层瓦斯,目前对顺层钻孔抽放的研究中存在以下未尽之处:

(1)当前的抽采参数研究中对不同参数的强化作用与相互对比的研究尚存在不足,如缺乏对双向长钻孔及对应两孔的重叠长度的理论研究与试验等。

(2)现阶段对孔内负压的研究缺少现场实验的验证,对具体负压最优值及其与钻孔其他参数的相关性的研究未得出统一结论。

2临近层瓦斯抽放方法

临近层瓦斯治理主要包括高位钻孔抽放、岩层水平长钻孔抽放和高位抽放巷抽放3种方法。下面将就此展开论述。

2.1高位钻孔抽放瓦斯

高位钻孔抽放方法,是一种从回风平巷开钻场向采空区顶板打高位长钻孔,利用顶板裂隙抽放瓦斯的方法,其关键在于准确定位裂缝带高度和选择钻孔位置[7]。20世纪50年代中期,采用穿层钻孔抽放上邻近层瓦斯的试验在阳泉矿区首先获得成功[2];近几年,高位钻孔抽放方法逐渐成熟,在阳泉等矿区应用普遍,瓦斯抽放率超过50%[8]。目前学者对高位钻孔抽放方法的研究主要从裂隙理论、三带测量方法和布孔参数着手。

高位钻孔抽放主要依据顶板裂隙理论,在关键层理论与“横三区”、“竖三带”划分的基础上,钱鸣高等结合采动裂隙场与卸压瓦斯抽放,建立“O形圈”理论[9];袁亮等以顾桥矿为试验点进行模拟,建立高位环形裂隙体的概念及其参数确定方法[10]。在理论研究的基础上,结合现场经验,学者们总结出了一系列测量垮落带和裂缝带范围的方法。张彬等使用多匝矩形发射线框对宁夏红柳矿进行探测,精确地探测出顶板裂缝带高度、宽度[11]。在布孔参数方面,王海峰等于祁南矿开采有坚硬岩层顶板的煤层时,提出将钻孔布置在垮落带,并通过实践验证[12];吴建亭在平煤四矿应用193mm高位钻孔,使用全液压坑道钻机,最长钻孔超过200m,采用改良封孔技术后取得良好抽采效果[13]。

当前研究表明,高位钻孔抽放的发展存在以下特征:

(1)裂隙发展理论正经历由面到体的过程,裂隙理论模拟向着精准定量方向发展。

(2)裂缝带测定方法中,观察法简单易行,但需要观察周期;数值模拟法最为安全,但建模复杂,精准度低;三维地震勘探法探测精准,但设备复杂,数据处理困难。

(3)200mm孔径与200m孔深的钻进工艺发展较为成熟,大直径一次成孔、复合扩孔和筛管完孔成为新的发展方向。

尽管高位钻孔抽放的理论与技术都较为成熟,但在以下方面的研究还不够深入:

(1)传统的理论和方法对于一些特厚煤层及高产高效矿井存在不适应性,对此的研究有待深入。

(2)在大直径大孔深的钻孔布置下,先进有效的护孔技术亟待研发。

(3)三维地震物探的设备设计生产仍依赖进口,且后期数据整合处理研究不足。

2.2岩层水平长钻孔抽放瓦斯

岩层水平长钻孔抽放,是一种从巷道向预抽区域的上覆岩层施工水平定向长钻孔来抽放瓦斯的方法,最先应用于石油开采和地质勘探行业。国内外煤矿引进了定向钻孔技术进行水平长钻孔抽放试验,瓦斯抽放率可达50% 80%;近年来,我国多家企业引进千米钻机等先进设备,取得了良好效果[7]。目前对水平长钻孔的研究主要从钻孔施工技术和钻孔布孔参数着手。

该方法的成孔工艺主要有先导孔+扩孔工艺和大直径一次成孔工艺,钻进工艺主要有回转钻进和定向钻进。赵建国等针对200mm以上孔径钻孔,需进行2次以上扩孔的问题,提出引入液动(气动)冲击钻进技术辅助扩孔[14];彭旭等将回转钻进进尺快以及定向钻进轨迹可控的优点结合,提出利用回转钻进提高效率、利用定向钻进调整轨迹的混合钻进工艺,在唐家会煤矿进行试验并取得良好效果[15]。在钻孔参数方面,谢生荣等在高瓦斯煤层群研究利用顺层千米大钻孔实现煤与瓦斯共采技术,对沙曲矿综采面进行了模拟,并于此进行了200mm孔径大钻孔试验,解决了长期制约沙曲矿的上隅角及回风流瓦斯超限问题[16]。

综合各学者的研究结果,可以将水平长钻孔抽放研究的进展归结为以下几点:

(1)先导孔+扩孔工艺可完成150mm孔径长钻孔,经二次扩孔可实现200mm孔径以上的长钻孔。

(2)大直径一次成孔工艺操作简单,目前可实现120mm孔径,对150mm孔径以上一次成孔技术和机械的研究是目前的发展方向。

(3)回转钻进难以施工超过500m的长钻孔,

7

王义林:我国煤矿地下瓦斯抽放方法2018年第3期

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