李雅莊煤礦提高礦井瓦斯抽采濃度試驗方案技術(shù)研究

解俊祥 霍州煤電李雅莊煤礦，山西霍州 031400

李雅莊煤礦提高礦井瓦斯抽采濃度試驗方案技術(shù)研究

解俊祥 霍州煤電李雅莊煤礦，山西霍州 031400

本文以李雅莊礦2-6022掘進(jìn)工作面的鉆孔、支管路濃度、負(fù)壓、流量等相關(guān)抽放參數(shù)測量分析，封孔效果驗證作為主研究對象,利用動壓封孔效果，自制管路流變器，總結(jié)出工作面抽采濃度的提高、下降、衰變的內(nèi)在關(guān)系, 為高吸附、低透氣性的高瓦斯煤層提高抽采濃度指出了方向。

管道流變器；動壓封孔；抽采濃度提高

引言

目前低濃度瓦斯抽采是全國各高瓦斯礦井抽采的主要現(xiàn)狀，各礦井雖能夠?qū)崿F(xiàn)抽采率達(dá)標(biāo)，但不能實現(xiàn)抽采濃度達(dá)標(biāo)（30%以上）。如何提高礦井抽采濃度，杜絕低濃度管道輸送期間發(fā)生事故的可能性，采取相關(guān)針對性的試驗手段分析提高抽采濃度，并在此基礎(chǔ)上積極促進(jìn)低濃度管道三防裝置的安設(shè)與實施，為礦井瓦斯安全奠定了堅實的基礎(chǔ)。

1.概述

霍州煤電集團(tuán)李雅莊煤礦為高瓦斯礦井，絕對瓦斯涌出量為34.53 m3/m in，相對瓦斯涌出量為14.21 m3/t，主采煤層為2號煤層，煤質(zhì)為1/3主焦煤。結(jié)合礦井2－6022掘進(jìn)工作面抽采實際，主要通過采取擴(kuò)大孔徑￠94mm增至￠113mm，將所有管接頭全部纏繞密封膠帶，處理漏氣點，自制管路流變器、開展動壓封孔工藝技術(shù)研究，通過調(diào)節(jié)分析瓦斯抽采負(fù)壓與鉆孔瓦斯抽采濃度和干管瓦斯抽采濃度的關(guān)系，關(guān)閉低瓦斯?jié)舛韧咚钩椴摄@孔與干管瓦斯抽采濃度變化的關(guān)系及兩者共同作用對干管瓦斯抽采濃度的關(guān)系驗證抽采濃度提高的措施及手段，為高吸附、低透氣性的高瓦斯煤層提高抽采濃度指出了方向。

2.抽采濃度提高實施方案

2.1 自制管道流變器驗證瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量之間的關(guān)系。

2.2 實驗室瓦斯原始參數(shù)對抽采濃度的相關(guān)作用。

2.3 改進(jìn)增大鉆孔孔徑分析對提高抽采效果的作用。

2.4 封孔工藝改進(jìn)對抽采濃度的影響，二次封孔的效果考察。

2.5 預(yù)裂爆破、水力沖孔增大煤層原始透氣性對瓦斯抽采濃度影響的因素。

3.試驗相關(guān)結(jié)論

3.1 瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量之間的關(guān)系分析

數(shù)據(jù)采用抽樣的辦法選取了68號、69號、71號、72號、75號、77號6個鉆孔進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

6022 巷抽放支管路與鉆孔抽放示意圖

孔板 “U”型壓差流量計標(biāo)態(tài)下流量計算公式：Q混＝K×δp×b×δt×Δh

其中：K為孔板流量計實驗室測定系數(shù)，δp值為測點的絕對壓力與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓力的比值在開二次方根，b＝其中x值為測點瓦斯?jié)舛戎?；氣?/p>

δ度t值＝

①對6022巷6個鉆孔的瓦斯抽采濃度與見煤長度之間關(guān)系測定，并記錄。

通過以上6個鉆孔記錄數(shù)據(jù)可分析總結(jié)出：在負(fù)壓、封孔工藝、外界環(huán)境等因素相同的條件下，除71#孔的個例外，鉆孔單孔的瓦斯抽采濃度基本上是與見煤長度及鉆孔深度成正比例的。

②關(guān)閉“6022巷抽放支管路與鉆孔抽放示意圖1”虛線部分中的瓦斯抽采濃度低于20%的鉆孔，分析6個觀察鉆孔的瓦斯抽采濃度負(fù)壓及總管路的瓦斯抽采濃度負(fù)壓進(jìn)行測定，并記錄。

表1 鉆孔見煤長度與濃度的關(guān)系分析

表2 關(guān)閉其他低濃度鉆孔前后6個觀察孔濃度的變化記錄

結(jié)論是關(guān)閉低于20%濃度鉆孔之后，抽樣的6個鉆孔整體濃度呈上升趨勢，濃度升高5%—8%，干管濃度提高2.2%且負(fù)壓也增大。

③打開已關(guān)閉的瓦斯?jié)舛鹊陀?0%的鉆孔，恢復(fù)至“6022巷抽放支管路與鉆孔抽放示意圖1”的原始狀態(tài)，開始關(guān)閉示意圖中的“手動碟閥”90度至5度，對6022巷6個觀測鉆孔的瓦斯抽采濃度及負(fù)壓、干管瓦斯抽采濃度及負(fù)壓進(jìn)行測定，并記錄。

表3 關(guān)閉“手動碟閥”90度至5度前后6個觀察孔濃度的變化記錄

當(dāng)6022巷口閥門調(diào)節(jié)從90度到5度時，6022巷支管負(fù)壓上升了30mm Hg，鉆孔負(fù)壓下降了200 mm Hg，支管濃度降低了7.2%至5%，6個抽樣鉆孔濃度呈降低趨勢，濃度降低2.8%～41.2%，負(fù)壓及濃度無變化。

通過以上試驗分析說明了關(guān)閉低濃度瓦斯抽放鉆孔對干管濃度提高有一定效果。試驗期間6個抽樣試驗鉆孔的負(fù)壓、流量、濃度在趨勢上呈現(xiàn)出一致性，即高的時候一致升高，低的時候一致降低，僅在幅度上有差異。負(fù)壓過低，隨著煤層瓦斯抽采的不斷進(jìn)行，瓦斯壓力和含量下降，煤體中瓦斯的彈性潛能不能夠釋放，從而影響鉆孔瓦斯抽采濃度。負(fù)壓過高至一定值，必然導(dǎo)致巷道空氣在抽采負(fù)壓的作用下通過鉆孔周圍煤體裂隙通道進(jìn)入鉆孔內(nèi)從而降低瓦斯抽采濃度。

3.2 煤層瓦斯透氣性與抽采濃度的關(guān)系

采用井下直接測定煤層透氣性系數(shù)法，計算基礎(chǔ)為徑向不穩(wěn)定流動理論。在測壓鉆孔壓力穩(wěn)定后，記錄最終數(shù)據(jù)。卸掉壓力表，安裝煤氣表或孔板流量計測定煤層鉆孔在不同時間間隔的流量。具體方法如下：

利用測壓鉆孔測定煤層透氣性系數(shù)和百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)，卸掉壓力表排放一天，開始測定鉆孔瓦斯流量。由于流量很小，普通孔板流量計量程太大，測不出來，采用沈陽煤科院生產(chǎn)的多級流量計，每天定時測定瓦斯流量。按照要求連續(xù)觀測10天以上時間，具體參數(shù)見下表：

表4 鉆孔流量測定記錄

煤層透氣性系數(shù)計算方法：根據(jù)鉆孔瓦斯不穩(wěn)定徑向流動理論，采用如下公式進(jìn)行試算和驗算：

表5 徑向不穩(wěn)定流動的計算公式

表中 Y——流量準(zhǔn)數(shù)，無因次；

F0——時間準(zhǔn)數(shù)，47.0068

a、b——系數(shù)與指數(shù)，a=0.0 2 4 9 5 b=637.845

P0——煤層原始的絕對瓦斯壓力，（實測表壓力0.57 MPa加0.1MPa=0.67 MPa）

P1——鉆孔內(nèi)排放瓦斯時的瓦斯壓力，一般為0.1M Pa（通大氣時）；

γ——鉆孔半徑，0.037m；

λ——煤層透氣性系數(shù)，m2/ M Pa2.d）；

q——在排放瓦斯時間為t時的鉆孔煤壁單位面積瓦斯流量，m3/m2.d，可由下式確定；

Q——在時間t時的鉆孔總流量，0.2888m3/d；

L——煤孔長度，一般等于煤層厚度，4.2m；

t——從開始排放瓦斯到測量瓦斯流量q時的時間間隔，3 d；

a——煤層瓦斯含量系數(shù)，7.5 3 6 5 9 m3/（m3.M Pa0。5）；

經(jīng)實驗室實際測量2號煤層瓦斯透氣性系數(shù)為0.051（m2/M Pa2·d）～0.0548（m2/M Pa2·d），百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)β介于0.0051～0.0104（d-1）之間，屬于難以或勉強(qiáng)抽放類型。實測百米鉆孔瓦斯涌出量0.00475 m3/m in，礦井抽采達(dá)標(biāo)，抽采瓦斯量13.6 m3/m in，抽采率39.4%，但抽采濃度僅維持在10%左右。

預(yù)裂爆破、水力沖孔增大煤層原始透氣性技術(shù)對瓦斯抽采濃度影響。通過采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)、水力沖孔技術(shù)，瞬時的瓦斯抽采濃度可提高至5～10%，但因煤層本身的衰減量大，過10～20分鐘后恢復(fù)至原始狀態(tài)。與此同時預(yù)裂爆破危險性大，存在封孔不嚴(yán)密或拒爆等安全隱患。水力沖孔因礦井煤質(zhì)較硬，每米鉆孔沖出煤量僅為0.05t，卸壓增透的影響范圍小，無法有效地提高周圍抽放孔的抽采效果。水力沖孔同樣存在有一些安全隱患和人為無法預(yù)防的不安全因素出現(xiàn)，效果也不理想。

3.3 分析鉆孔直徑對瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量之間的關(guān)系

通過將鉆孔抽采孔徑由￠94mm增至￠113mm，測量得到流量由原來的0.00389 m3/m in增至0.00475 m3/m in，流量增加22%以上，但負(fù)壓與抽采濃度并未變化，管徑大只能解決瞬時瓦斯抽放流量的問題，根本上起不到提高濃度的作用。

將6022巷所有管路的連接處使用密封膠帶纏繞、加設(shè)風(fēng)筒膠包裹等措施減小漏氣點后，礦井支管路抽采濃度提高2%～3%，但負(fù)壓相對升高，流量相對下降，抽采每分鐘純流量未增加。

3.4 自制管道流變器測定鉆孔瓦斯通過不同管徑的濃度變化情況

通過自制管道流變器驗證測定鉆孔瓦斯通過不同管徑管路時候的濃度，以此來論證同一個鉆孔瓦斯?jié)舛韧ㄟ^不同管徑是否隨著管徑越大，濃度越低，即濃度與管徑成反比。

3.4.1 將自制件與抽放鉆孔進(jìn)行連接。（自制件如下圖）

圖2

自制件規(guī)格：寸半孔板流量計

管徑：40mm 4寸管 管徑：100mm 1、2、3號孔為瓦斯測量孔

3.4.2 試驗數(shù)據(jù)分析

表6 粗細(xì)管路瓦斯?jié)舛扔涗?/p>

二次封孔示意圖

從實驗數(shù)據(jù)可以看出管徑不同的管路連接到同一鉆孔后，瓦斯抽放濃度基本沒有變化。同時也說明了管徑粗細(xì)僅對流量有影響，但對提高抽采濃度沒有作用。

3.4.3 阿伏伽德羅定律分析

假設(shè)容器1和容器2體積（V）相同且V1+V2=V3, V1、 V2內(nèi)裝有相同濃度的瓦斯，那么標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下容器1和2內(nèi)，瓦斯的質(zhì)量是相同的。

1-煤層鉆孔，2-抽放管，3-花管，4-閥門，5-瑞克，6-微細(xì)膨脹粉料，7-裂隙群，8-煤體，9-速凝水泥

與中國礦業(yè)大學(xué)合作，采用二次封孔技術(shù)研究后，雖然單孔瓦斯?jié)舛瓤捎幸欢ǖ奶岣?，可?0%增加至12～15%等，但相應(yīng)的孔口負(fù)壓增高，單孔流量降低，純流量相對并未增加?？梢姴⑽雌鸬秸嬲岣叩V井瓦斯抽采效果的作用。

圖3

4.效果評價

由阿伏伽德羅定律(A v o g a d r o's hypothesis)同溫同壓下，相同體積的任何氣體含有相同的分子數(shù)，稱為阿伏伽德羅定律?？梢缘弥谙嗤瑝簭?qiáng)與相同溫度下，如果容器1和2 導(dǎo)通的話，氣體體積變?yōu)?倍，同樣氣體分子數(shù)也增加了2倍。

根據(jù)伯努利方程與質(zhì)量守恒原理，PV=n R T（即PV=m/M R T、P=ρ/M R T），在一個平衡氣體流場內(nèi)，瓦斯?jié)舛炔粫l(fā)生變化，也就是說明體積增加后濃度沒有變化，因為供給瓦斯源的狀態(tài)未改變，除非此狀態(tài)被打破（即負(fù)壓、流量、溫度等條件變化）。

3.5 二次封孔技術(shù)對瓦斯抽采濃度影響

一次動壓封孔采用氣動壓風(fēng)封孔技術(shù)，測得鉆孔負(fù)壓在15Kpa左右，孔口瓦斯?jié)舛?0%以上。但由于孔內(nèi)瓦斯?jié)舛人プ冚^快，且圍巖變形裂隙影響濃度平均每3天下降5%左右。采用風(fēng)動動壓封孔，聚銨酯按（1:1）配比、床單布與12m長PVC管，兩根鋁塑管（長根進(jìn)料，短根用于注滿后溢流，以觀察鉆孔是否達(dá)到封孔要求），封孔有效長度為10米。必須保證漿料飽滿，直至泥漿從溢流管流出為止，如果有迸濺和流溢情況時，戴防護(hù)眼鏡或保護(hù)面罩，防止?jié){液迸出傷人。

通過采用自制管道流變器驗證瓦斯抽采濃度、負(fù)壓、流量之間的關(guān)系；實驗測量瓦斯原始參數(shù)對抽采濃度的變化相關(guān)機(jī)理分析；改進(jìn)增大鉆孔孔徑分析對提高抽采效果的作用；實施氣動封孔工藝改進(jìn)對抽采濃度的影響，并對二次封孔的效果考察以及改進(jìn)預(yù)裂爆破、水力沖孔增大煤層原始透氣性對瓦斯抽采濃度影響的因素等多方面試驗分析，總結(jié)出工作面抽采濃度的提高、下降、衰變的內(nèi)在關(guān)系, 即礦井的煤層瓦斯抽采濃度主要與煤層的變質(zhì)程度（即本身的煤層特性）有本質(zhì)關(guān)系，外界工藝手段改進(jìn)甚至強(qiáng)化管理對于高吸附、低透氣、衰變性強(qiáng)的高瓦斯煤層提高抽采濃度作用不大。以上采用的多種方案論證分析對相似情況的高瓦斯礦井抽采濃度提高有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

一次封孔示意圖

利用中國礦業(yè)大學(xué)發(fā)明的二次封孔技術(shù)，在第一次鉆孔封孔階段順利實施并保證封孔質(zhì)量的基礎(chǔ)上，利用MK-2型粉料輸送機(jī)在高壓氣體以一定壓力下將自主研制的微細(xì)膨脹粉料送入煤層鉆孔內(nèi)，微細(xì)膨脹粉料在抽放負(fù)壓的作用下滲入并封堵煤層周圍的網(wǎng)狀裂隙內(nèi)，增加裂隙內(nèi)氣體的流動阻力，有效阻隔外界空氣進(jìn)入抽放鉆孔，完成對抽放鉆孔的二次封孔，使鉆孔內(nèi)的漏風(fēng)量顯著減少，大大提高了抽放濃度和效果，延長了抽放鉆孔的有效抽放期，確保抽放系統(tǒng)安全。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.10.040