1、矿井水患防治与瓦斯抽采的双赢共用 李继民 张铁昽 张基铭 柳东明 铁法煤业(集团)有限责任公司大兴煤矿 煤科集团沈 阳研究院有限公司 摘 要： 探放水钻孔的通透性、封孔严密程度, 直接影响探放水及瓦斯抽采效果。上部采 空区与开采层采空区导通互联后, 开采前施工的探放水钻孔可利用于上邻近层 卸压瓦斯抽采。探放水钻孔的瓦斯抽采一般具有瓦斯浓度高、抽采量稳定、持续 时间长等特点。上部采空区探放水钻孔既防治矿井水害, 又兼顾瓦斯抽采利用, 另外上向卸压瓦斯钻孔对上部采空区的疑似积水有着超前探测预警作用。 关键词： 探放水钻孔; 上向卸压瓦斯钻孔; 瓦斯抽采; 双赢共用; 作者简介：李继民 (1967-
2、) , 男, 大专学历, 工程师, 现在铁法煤业 (集团) 有限责任公司大兴煤矿从事通风安全工作。 对于煤层群上保护层开采方式的矿井, 在开采下部煤层前, 应超前探放上部采 空区积水, 防止上部采空区积水对开采煤层造成威胁。探放水钻孔的通透性、封 孔严密程度, 直接影响探放水及瓦斯抽采效果1-3。在下部煤层的开采期间, 上部采空区与下部开采层的采空区互为导通, 可利用探放水钻孔进行瓦斯抽采。 通过超前施工下部开采煤层上向卸压瓦斯钻孔, 可以超前探测上部采空区积水 4-5。经过大兴煤矿多年实践应用, 上部采空区探放水钻孔和下部开采煤层上 向卸压瓦斯钻孔, 在矿井水患防治和瓦斯治理方面起到了长效、
3、互补、双赢的作 用。 1 工作面概况 N2901-1 工作面可采走向长度 332m, 倾斜长度 233m。工作面煤岩形态总体为舒 缓向斜构造, 煤层产状南部为 2555, 北部为1496。煤层厚度为 1.20m4.27m, 一般为 3.61m。 本工作面9煤层北部最厚为 4.27m, 南部 9煤层分 为8、 9 两个煤层, 9 煤层变薄为1.20m。 工作面煤层赋存较稳定, 平均采高 2.1m, 煤层自然发火期为 13个月, 煤尘爆炸指数为 33.81%。工作面采用后退式走向 长壁综合机械化采煤, 全部垮落法管理顶板, 工作面采用“U”形通风。 2 上部采空区积水防治 2.1 上部采空区探放钻
4、孔设计 N2901-1 工作面邻近上部 7煤N1E708、N1E707 和9煤N2902采空区。7煤与9 煤层间距为40m53m, N2901-1 工作面与N2902 采空区邻近距离为8m105m。预 计采空区积水量为 4300m, 水压0.5MPa0.6MPa。 N1E708采空区设计施工 4个探放水钻孔, 在 2处探放积水。N1E707 采空区设计 施工3 个探放水钻孔, 在2处探放老空积水。钻孔设计如图 1所示, 参数如表1 所示。 图1 探放水设计图 下载原图 表1 探放水设计参数表 下载原表 2.2 上部采空区探放钻孔施工 钻孔孔径94mm, 封孔孔径 193mm, 封孔管直径 10
5、8mm, 封孔长度10m, 采用水泥 封孔工艺, 水泥浆液在管壁固结 24小时后钻进。水泥封孔工艺如图 2所示。施 工钻孔前, 要安装止水设施。止水设施有封孔管变径、止水三通、钻杆止水密封 件、水压表、止水阀门和导流管组成, 见图 3所示。 图2 水泥封孔工艺示意图 下载原图 图3 止水设施安装示意图 下载原图 3 探放水钻孔的双赢共用效益 3.1 探放水量 N1E708-1#钻孔探放 N1E708老空积水估算量为 450m, N1E708-2#钻孔为确认钻孔, 打透采空区后, 钻孔仅有少量淋水溢出。 N1E707-1#钻孔探放N1E707 老空积水估 算量为280m, N1E707-2#钻孔
6、探放N1E707老空积水估算量为 550m, N1E707-3# 钻孔为确认钻孔, 打透采空区后钻孔仅有少量淋水溢出。 3.2 探放水钻孔的瓦斯抽采 大兴煤矿N2901-1采煤工作面的上保护层已回采, 当工作面推进到95m处时, 回 风流出现瓦斯超限现象, 将探放水钻孔连接到抽采系统进行瓦斯抽采后, 工作 面及回风流瓦斯浓度得到明显控制, 瓦斯浓度由 0.98%持续下降, 最终稳定控 制在0.4%以下。 探放水钻孔连续抽采 116天, 平均瓦斯抽采混量 12.46m/min, 平均瓦斯抽采纯 量8.03m/min, 平均瓦斯抽采浓度 64.4%, 最高瓦斯抽采纯量 18.27 m/min, 最
7、 高瓦斯浓度达95%。瓦斯抽采总纯量达 134.1 万m, 瓦斯抽采总混量达 208.1万 m, 产生经济效益达156万元, 投入资金预算为1.8万元, 实现利润154.2万元。 N1E708探放水钻孔抽采情况见表 2, 图4、5所示。 表2 N1E708 探放水钻孔抽采量统计表 下载原表 图4 抽采量变化曲线图 下载原图 图5 抽采浓度、钻孔与工作面距离变化曲线 下载原图 从上述图表可以看出, 利用上部采空区探放水钻孔进行瓦斯抽采, 使用效果非 常好。探放水钻孔采用了水泥封孔技术抽采瓦斯浓度较高, 瓦斯流量稳定持久, 在钻孔推进到工作面上方以后, 受采动压力影响, 钻孔与开采层导通, 抽采浓
8、 度迅速降低。 采用探放水钻孔治理瓦斯措施后, 对开采层采空区斜交卸压瓦斯钻孔的设计进 行调整, 每个钻场的钻孔数量由7个减至34个钻孔, 大大降低了瓦斯抽采成本 投入。 3.3 上向卸压瓦斯钻孔对疑似积水区域的探测作用 采煤工作面运、 回顺施工上向斜交卸压瓦斯钻孔, 在某种程度上可以对上部疑似 积水区域起到超前预警、 超前探测的作用, 认为是可以间接补充完善探放水措施, 达到双赢互利。 2012年11月N2902采煤工作面回采到距停采线543m时, 回顺34#钻场上向施工 的斜交钻孔出现涌水现象, 随后在35#、36#及工作面施工探放水钻孔 9个, 探 放水量约为5300m。 2014年1月
9、Sv708采煤工作面回采到210m时, 运顺6#钻场施工上向采空区导入 瓦斯抽采钻孔出现涌水现象, 随后在运顺7#11#钻场之间向Sv四层采空区施工 19个探放水钻孔, 共探放水量约为11000m。 4 结束语 施工上部采空区探放水钻孔, 既实现了消除采煤工作面水害威胁, 又能利用其 持续稳定地进行上邻近层瓦斯抽采。 上部采空区探放水钻孔可以作为瓦斯治理一 项优先考虑的措施, 其具有高效、持久、节能的优点。探放水钻孔的通透性、封 孔严密程度, 直接影响探放水及瓦斯抽采效果。 上向卸压瓦斯钻孔对疑似积水区 域的探测作用, 虽然有着偶发概率, 但不失为“有疑必探”的补救措施, 将任 何钻孔出现的涌
10、水信息进行甄别确认, 对预防矿井水害有着积极的预警作用。 对探放水钻孔进行抽采期间, 要及时对钻孔的抽采气体进行取样化验分析, 防 止钻孔因长期抽采导致自燃。当钻孔出现一氧化碳、乙烯等标志性气体成分时, 可参考限抽、 停抽、 消火、 封闭等措施, 充分利用好探放水钻孔, 实现双赢共用。 参考文献 1张朋伟.两堵一注封孔工艺在瓦斯抽采中的应用研究D.内蒙古科技大学, 2016. 2宋海兵.单孔探放水快速封孔新技术的应用J.能源技术与管理, 2011, (04) :72-74. 3石浩, 张杰.煤矿井下精确定向探放水技术J.煤矿安全, 2015, 46 (2) :64-67. 4周福宝, 等.瓦斯安全抽采及其建模J.煤炭学报, 2014, 39 (8) :1659-1666. 5程远平, 等.保护层卸压瓦斯抽采及涌出规律研究J.采矿与安全工程学报, 2006, (01) :12-18.
