劉延保
(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400037;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400037)
煤層瓦斯抽采區(qū)域提濃技術(shù)體系及應(yīng)用
劉延保1,2
(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶400037;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶400037)
為了提高煤礦井下瓦斯抽采的濃度,提出了以高效封孔技術(shù),管路連接、檢漏、堵漏技術(shù),負(fù)壓調(diào)節(jié)、管網(wǎng)運(yùn)行管理“三位一體”的技術(shù)體系,從源頭上提高瓦斯?jié)舛?,保障管網(wǎng)輸送過(guò)程中瓦斯?jié)舛龋鉀Q抽采管網(wǎng)管理的難題。利用該技術(shù)在潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)S2108膠帶順槽煤層進(jìn)行了169個(gè)鉆孔的區(qū)域提濃試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:試驗(yàn)支管在保證不減少抽采的純瓦斯量的情況下,濃度明顯較其他支管有較大幅度提高,試驗(yàn)支管濃度由11%提升至25%;支管瓦斯抽采濃度的提高,使抽采系統(tǒng)運(yùn)行效率顯著提高,降低對(duì)支管管徑、泵站能力的要求,降低了抽采成本;支管提高濃度后使其遠(yuǎn)離爆炸界限,保證了瓦斯輸送過(guò)程中的安全性;同時(shí),可為實(shí)現(xiàn)瓦斯梯級(jí)利用提供技術(shù)保障。
瓦斯;提濃;高效封孔;抽采管網(wǎng);檢漏儀;抽采負(fù)壓
煤層瓦斯抽采是解決高瓦斯礦井煤炭開采中瓦斯災(zāi)害問(wèn)題最有效的技術(shù)措施。當(dāng)前,瓦斯抽采面臨的主要問(wèn)題是如何有效地、大幅度地提高抽采效果和抽采系統(tǒng)的效率。提高瓦斯抽采濃度不僅可以保證抽采效果,極大地解放抽采系統(tǒng)能力、提高整個(gè)抽采系統(tǒng)運(yùn)行效率、減少礦井對(duì)抽采系統(tǒng)的投入、降低抽采成本,還能縮短抽采系統(tǒng)的建設(shè)周期,節(jié)約瓦斯抽采時(shí)間,解決采掘接替緊張的問(wèn)題。同時(shí),提高抽采瓦斯?jié)舛饶苡行ПU陷斔瓦^(guò)程的安全,避免井下瓦斯抽采引發(fā)煤自燃及管網(wǎng)瓦斯爆炸等事故[1-2]。而且,提高瓦斯抽采濃度更是實(shí)現(xiàn)瓦斯梯級(jí)利用的技術(shù)保障。因此,提高瓦斯抽采濃度對(duì)礦井的安全生產(chǎn)和提高經(jīng)濟(jì)效益都具有重要意義。
提高瓦斯抽采濃度的“三位一體”技術(shù)體系路線見圖1。
圖1 技術(shù)體系路線圖
1)采用高效封孔技術(shù)提高源頭的瓦斯?jié)舛?。瓦斯抽采濃度低除受煤層地質(zhì)賦存條件及煤層滲透率等自然因素制約外,抽采鉆孔的封孔質(zhì)量是主要影響因素?;凇皟啥乱蛔ⅰ睅鹤{封孔工藝的技術(shù)原理,采用以HD-Ⅰ型無(wú)機(jī)封孔材料和FKJW型礦用注漿封孔器為一體的“二次封孔”工藝,提高封孔質(zhì)量,延緩衰減速度,從源頭上提高抽采鉆孔內(nèi)瓦斯的濃度。
2)利用管網(wǎng)檢漏、堵漏技術(shù)保障管網(wǎng)內(nèi)瓦斯?jié)舛?。瓦斯抽采管網(wǎng)的作用是連接抽采泵和井下抽采
鉆孔,將地面瓦斯抽采泵運(yùn)行形成的抽采負(fù)壓傳遞至井下各抽采區(qū)域的抽采鉆孔內(nèi)。同時(shí),將抽采的瓦斯輸送至地面進(jìn)行利用或排空。抽采管路連接不當(dāng)或發(fā)生泄漏都會(huì)使空氣在負(fù)壓的作用下進(jìn)入管路,導(dǎo)致管路內(nèi)瓦斯?jié)舛冉档?。因此,采用基于超聲波檢漏原理的瓦斯抽放管道檢漏技術(shù),對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行巡檢,獲得漏氣規(guī)律,完善管路連接方式、并對(duì)漏氣點(diǎn)進(jìn)行堵漏處理。
3)保證合理抽采參數(shù),加強(qiáng)管網(wǎng)運(yùn)行管理。在長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn),提高抽采負(fù)壓會(huì)使抽采效率表現(xiàn)出一定程度的上升,但負(fù)壓過(guò)大時(shí)會(huì)引起抽采濃度降低,從而導(dǎo)致抽采效率下降[3]。因此,可根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定鉆孔合理抽采負(fù)壓,提高抽采瓦斯?jié)舛?。同時(shí),加強(qiáng)管網(wǎng)運(yùn)行管理,對(duì)抽采管路進(jìn)行巡檢,對(duì)管路積水、積渣及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理,減小管道阻力損失,保障管網(wǎng)正常運(yùn)行。
潞安集團(tuán)余吾煤業(yè)有限責(zé)任公司地處山西省屯留、襄垣縣境內(nèi)。該礦井為高瓦斯礦井,主采山西組3#煤層,核定生產(chǎn)能力8.0Mt/a;全井田共劃分12個(gè)采區(qū),工作面采用綜采放頂煤采煤法;礦井采用抽出式通風(fēng),絕對(duì)瓦斯涌出量為294.38m3/min,相對(duì)涌出量為21.8m3/t(2014年實(shí)測(cè)數(shù)據(jù))。隨著礦井產(chǎn)能的不斷提升,瓦斯抽采壓力逐步增大,亟需提高抽采系統(tǒng)濃度,緩解瓦斯泵站抽采能力,滿足抽采達(dá)標(biāo)需要。因此,選擇在S2108膠帶順槽開展區(qū)域提濃工業(yè)性試驗(yàn)。
2.1 試驗(yàn)區(qū)域煤層及鉆孔情況
試驗(yàn)區(qū)域煤層厚度5.32~6.15m,平均瓦斯含量為9.23m3/t,殘存瓦斯含量2.37m3/t,透氣性系數(shù)0.524~1.7446m2/(MPa2·d),煤質(zhì)較松軟,堅(jiān)固性系數(shù)在0.44~0.53之間。巷道沿煤層頂板掘進(jìn),向S2108工作面?zhèn)让后w施工平行預(yù)抽鉆孔,鉆孔間距2.5m,直徑115mm,設(shè)計(jì)深度145m,見圖2。
圖2 S2108膠帶順槽地質(zhì)構(gòu)造
2.2 抽采鉆孔封孔及接抽情況
試驗(yàn)區(qū)域原封孔工藝采用布袋“兩堵一注”封孔,工藝原理見圖3。依次在抽采管上固定2m的長(zhǎng)布袋和0.8m的短布袋,用設(shè)置有單向閥的注漿管將兩個(gè)布袋連通。注漿時(shí),先將兩端布袋注滿,當(dāng)布袋內(nèi)壓力達(dá)到一定值后單向閥自動(dòng)打開,開始對(duì)布袋之間的空間進(jìn)行注漿,待返漿管出漿后停止注漿,封堵好注漿管與返漿管,完成封孔。
巷道內(nèi)敷設(shè)有兩路DN400mm支管,一路帶抽S2108膠帶順槽預(yù)抽鉆孔,另一路是為裂隙鉆孔抽采預(yù)留的支管。鉆孔接抽時(shí),每4~5個(gè)鉆孔為一組連入?yún)R流管,匯流管通過(guò)三通與支管相連,支管平均瓦斯?jié)舛?1%。
為提高試驗(yàn)區(qū)域的瓦斯抽采濃度,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況,制定了技術(shù)方案。
3.1 高效封孔方案
鉆孔抽采濃度低、衰減較快其原因主要是封孔材料不能有效封堵封孔管與孔壁之間的縫隙以及孔壁內(nèi)生裂隙,在負(fù)壓影響下出現(xiàn)漏氣[3-4]。針對(duì)這一情況,基于“兩堵一注”的原理,開發(fā)出了“兩堵一注”二次封孔工藝。其技術(shù)核心是利用專用的封孔注漿設(shè)備和FKJW型封孔器[5]將HD-Ⅰ型封孔材料漿體帶壓注入鉆孔周圍裂隙中,對(duì)鉆孔周圍煤巖體施加主動(dòng)支護(hù),漿體有效滲入到煤體裂隙中,并發(fā)生膨脹硬化反應(yīng);且當(dāng)抽采濃度降低時(shí),可以繼續(xù)進(jìn)行二次封孔,保證抽采瓦斯?jié)舛瘸掷m(xù)穩(wěn)定。優(yōu)化后的封孔工藝如圖4所示。該封孔工藝不但適用于本煤層不同角度的水平孔、俯孔和仰孔,對(duì)于穿層鉆孔同樣適用。
該工藝的連接管路由FKJW型礦用注漿封孔器、抽采管(包括里端花管)、注漿管(一次、二次注漿管)、返漿管等構(gòu)成。注漿、返漿管通過(guò)快速接頭與封孔器連接,結(jié)構(gòu)見圖4。注漿時(shí),將HD-Ⅰ型封孔材料按照水灰比0.6∶1混合均勻后注漿;漿體先被注入封孔器,待脹滿鉆孔且內(nèi)部達(dá)到一定值后,單向爆破閥自動(dòng)打開,開始對(duì)封孔器之間的空間進(jìn)行注漿,直至返漿管中有漿體流出;此時(shí),將返漿管對(duì)折密封,繼續(xù)注漿,待達(dá)到預(yù)定壓力時(shí)對(duì)折密封注漿管;在孔口插入二次注漿管,并用水泥敷住孔口。注漿結(jié)束24小時(shí)后可進(jìn)行接抽。如接抽一段時(shí)間后出現(xiàn)濃度降低,則按上述過(guò)程通過(guò)二次注漿管進(jìn)行二次注漿。
圖3 布袋封孔示意圖
圖4 二次封孔工藝示意圖
方案采用的HD-Ⅰ型封孔材料是專門針對(duì)煤礦瓦斯抽采封孔研發(fā)的一種新型無(wú)機(jī)復(fù)合封孔材料,具有流動(dòng)性強(qiáng)、易攪拌、不沉淀、膨脹率較大且分布均勻、抗壓強(qiáng)度高、致密性好等優(yōu)良特征,物性參數(shù)見表1。
表1 HD-Ⅰ型封孔材料物性參數(shù)表
3.2 管路連接及檢漏、堵漏
1)管路接抽。試驗(yàn)鉆孔采用巷道內(nèi)另一路為頂板裂隙鉆孔抽采預(yù)留的支管單獨(dú)接抽,見圖5。鉆孔采用直徑80mm的高壓管連入?yún)R流管,匯流管通過(guò)三通與支管相連,各管路連接方式為法蘭連接。匯流管與支管之間安裝有負(fù)壓放水器和孔板流量計(jì),鉆孔可單獨(dú)計(jì)量負(fù)壓和濃度。
2)管路檢漏、堵漏。利用YJL40C型煤礦用瓦斯抽放管道檢漏儀對(duì)抽采管路進(jìn)行巡檢,該設(shè)備基于超聲波檢漏原理,通過(guò)檢測(cè)泄漏點(diǎn)的氣體流動(dòng)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)源,從而精確定位氣體泄漏點(diǎn),實(shí)現(xiàn)負(fù)壓抽采管路在線泄漏檢測(cè)[6-8]。巡檢結(jié)果見圖5,泄漏點(diǎn)主要分布在支管法蘭連接處,鉆孔抽采管連接處、匯流管連接處、鉆孔抽采管連接處等,其中,抽采管與高壓管的連接普遍存在漏氣現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況制定了堵漏措施,法蘭連接部位的漏氣采用浸有聚氨酯的棉布纏繞的方式堵漏;鉆孔抽采管與高壓管改用塑料管接頭連接,使用前進(jìn)行氣密性檢測(cè)。
圖5 試驗(yàn)鉆孔接抽及檢漏示意圖
3.3 負(fù)壓調(diào)節(jié)及管網(wǎng)管理
1)負(fù)壓調(diào)節(jié)。采用文獻(xiàn)[9]中的負(fù)壓考察方法,選取10個(gè)典型鉆孔進(jìn)行10k~25kPa負(fù)壓進(jìn)行考察。通過(guò)改變匯流管上的閥門來(lái)調(diào)節(jié)負(fù)壓,負(fù)壓采用從低到高的調(diào)節(jié)方法。根據(jù)監(jiān)測(cè)的單孔負(fù)壓、濃度值以及衰減規(guī)律,判別鉆孔負(fù)壓是否合理。監(jiān)測(cè)結(jié)果表明:鉆孔純瓦斯流量在10k~14kPa范圍內(nèi)隨抽采負(fù)壓增加而增大,當(dāng)負(fù)壓從14kPa增至25kPa時(shí),純流量增長(zhǎng)幅度趨于平緩。由此可見,負(fù)壓過(guò)高時(shí),會(huì)引起鉆孔周圍煤壁漏氣,雖然混合流量增加,但會(huì)降低瓦斯?jié)舛?,造成抽采系統(tǒng)效率不高。因此,確定支管的合理抽采負(fù)壓為14kPa。
2)管網(wǎng)管理。鉆孔與管路管理按照每天對(duì)試驗(yàn)巷道管路進(jìn)行巡檢,對(duì)管路低洼處積水和管路積渣及時(shí)處理,減小管道阻力損失。對(duì)孔口漏氣嚴(yán)重的鉆孔及時(shí)封堵好,對(duì)于漏氣嚴(yán)重?zé)o法處理且抽采量小的鉆孔進(jìn)行關(guān)停或拆除。支管抽采參數(shù)每三天監(jiān)測(cè)一次,單孔抽采參數(shù)每周進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)。
4.1 支管提濃效果
試驗(yàn)時(shí)間持續(xù)6個(gè)月,共完成169個(gè)采面預(yù)抽鉆孔的封孔、接抽、負(fù)壓考察和管路維護(hù)。試驗(yàn)巷道內(nèi)的其他196個(gè)鉆孔由原支管接抽。兩路支管的抽采效果對(duì)比見表2。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)支管濃度明顯高于同一巷道內(nèi)另一支管,試驗(yàn)鉆孔平均百米純瓦斯流量也與巷道內(nèi)其他鉆孔相差不大。
表2 支管提濃效果
4.2 單孔提濃效果
試驗(yàn)6個(gè)月后,根據(jù)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)巷道內(nèi)的抽采鉆孔進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果見圖6。其中,原支管接抽鉆孔因孔內(nèi)水大、抽采管損壞或者串孔的原因關(guān)閉61個(gè),而試驗(yàn)鉆孔因同樣原因關(guān)閉33個(gè)。在正常接抽的鉆孔中,單孔濃度大于30%的原支管接抽鉆孔有76個(gè),占56.3%;而試驗(yàn)鉆孔濃度大于30%的鉆孔有110個(gè),占80.9%。由此可見,試驗(yàn)鉆孔中高濃度鉆孔(濃度大于30%)所占的比例明顯高于非試驗(yàn)鉆孔。
對(duì)抽采時(shí)間較長(zhǎng)(>120d)的鉆孔進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)鉆孔中濃度大于50%的鉆孔占48.3%,而非試驗(yàn)鉆孔同比只占16.4%。以上結(jié)果表明,試驗(yàn)鉆孔單孔濃度得到有效提升。
4.3 試驗(yàn)鉆孔濃度衰減情況分析
選取抽采時(shí)間最長(zhǎng)(180d左右)的8個(gè)典型鉆孔,分析鉆孔的平均抽采瓦斯?jié)舛入S抽采時(shí)間的變化規(guī)律,結(jié)果如見圖7。從圖中可以看出,在抽采的前30d,鉆孔瓦斯?jié)舛乳_始有少量降低,但是很快就上升到最高值;約45d后,濃度開始持續(xù)緩慢下降,中間稍有波動(dòng);到120d后,鉆孔濃度基本穩(wěn)定。該組試驗(yàn)鉆孔初始平均濃度為44.58%,抽采120d后基本穩(wěn)定在40%左右,平均衰減速度為1.79%/月,衰減速度明顯降低,能保持濃度的持續(xù)穩(wěn)定。
圖6 試驗(yàn)鉆孔提濃效果
圖7 試驗(yàn)鉆孔濃度衰減趨勢(shì)
綜上所述,試驗(yàn)巷道在采用抽采提濃技術(shù)后,鉆孔單孔濃度得到有效提升,并且鉆孔單孔濃度的衰減速度明顯降低,能保持濃度的持續(xù)穩(wěn)定;在保證不減少抽采的純瓦斯量的情況下,明顯地提高了支管瓦斯?jié)舛?,最終試驗(yàn)支管的瓦斯抽采濃度達(dá)到25.0%左右,提濃效果顯著。
通過(guò)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的深入分析,總結(jié)了進(jìn)一步提高抽采濃度的措施。
1)提高鉆孔成孔長(zhǎng)度。試驗(yàn)巷道地質(zhì)條件復(fù)雜,從圖2中可以看出,S2108工作面煤層整體為一向斜構(gòu)造,向斜構(gòu)造的底部在試驗(yàn)段內(nèi)距離S2108膠帶順槽的距離近,約60~90m,造成試驗(yàn)鉆孔的深度普遍偏小。169個(gè)試驗(yàn)鉆孔中,只有9個(gè)鉆孔達(dá)到了設(shè)計(jì)深度141m,最小煤孔長(zhǎng)度只有36m,平均煤孔段長(zhǎng)度只有73.8m。因此,應(yīng)盡量提高鉆孔成孔長(zhǎng)度。
2)鉆孔施工及時(shí)排渣。水鉆施工鉆孔時(shí),在鉆桿與煤體之間就會(huì)積聚大量的煤泥,鉆頭拔出后無(wú)法完全排出,能積聚至距孔口10m左右,造成封孔管和封孔器很難安裝到設(shè)計(jì)深度。為了保證封孔效果,在退鉆后改用麻花鉆桿重新鉆進(jìn)20m左右,將鉆孔內(nèi)煤泥排出。同時(shí),鉆孔必須隨鉆隨封。
3)避免鉆孔竄孔。為了加快抽采達(dá)標(biāo)時(shí)間,以鉆孔間距1.25m在原鉆孔之間補(bǔ)打鉆孔。由于鉆孔間距較小,鄰近鉆孔在鉆孔封孔段(0~18m)容易發(fā)生串孔。鉆孔交叉處煤體發(fā)生變形和垮落,導(dǎo)致局部鉆孔斷面過(guò)大,使封孔器囊袋難以形成密實(shí)的擋板,注入的封孔材料通過(guò)縫隙流入孔底或鄰孔,無(wú)法形成有效的密封段,嚴(yán)重影響封孔效果。因此,鉆孔設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)盡量避免串孔的發(fā)生。
4)采取鉆孔日常排水。試驗(yàn)巷道段內(nèi)存在兩個(gè)陷落柱構(gòu)造,構(gòu)造區(qū)域煤體周圍含水量較大,再加上施工的鉆孔為下行孔,造成鉆孔內(nèi)易積水且難以排出,影響抽采效果;同時(shí),另一方面鉆孔接抽后,鉆孔內(nèi)的積水帶著煤泥被抽入抽采管網(wǎng),造成管網(wǎng)堵塞,大大降低鉆孔的抽采負(fù)壓。因此,有必要加強(qiáng)管網(wǎng)日常管理,采取周期性鉆孔排水措施。
1)提出了提高瓦斯抽采濃度的“三位一體”技術(shù)體系。以抽采鉆孔高效封孔為基礎(chǔ),在做好抽采鉆孔的接抽和檢漏、堵漏工作的同時(shí),加強(qiáng)抽采管網(wǎng)的管理,使支管濃度得到提升,進(jìn)而提升全礦井的瓦斯抽采濃度。
2)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用提濃效果明顯,試驗(yàn)鉆孔中高濃度鉆孔所占比例明顯高于非試驗(yàn)鉆孔,濃度衰減速度低,試驗(yàn)支管在保證不減少抽采的純瓦斯量的情況下,濃度明顯較其他支管有較大幅度提高,試驗(yàn)支管濃度達(dá)到25%左右。
3)通過(guò)提濃試驗(yàn)將支管瓦斯?jié)舛?1%提升至25%,使其遠(yuǎn)離爆炸界限內(nèi)(5%~16%),避免了混合流量大、流速高,容易造成氣體與管路的摩擦和產(chǎn)生靜電量增加,可能引起不安全隱患,利于瓦斯安全輸送。
4)支管瓦斯抽采濃度的提升減少了支管的混合氣體流量,從而降低對(duì)支管管徑的要求,節(jié)約管路投入。待該技術(shù)規(guī)?;茝V后還能使泵站達(dá)到設(shè)計(jì)能力,滿足全礦井瓦斯抽采需要,節(jié)約泵站新建和擴(kuò)建投入。
5)隨著山西省瓦斯抽采全覆蓋、構(gòu)建具有山西特色的煤礦瓦斯防治與利用體系工作的穩(wěn)步推進(jìn),該技術(shù)對(duì)潞安礦區(qū)礦井瓦斯抽采、利用水平的提升
具有重要的借鑒意義。
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Study on the technology system of improving gas drainage concentration in regional coal seam and its application
LIU Yan-bao1,2
(1. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China;2. Chongqing Research Institute Co., Ltd., China Coal Technology and Engineering Group, Chongqing 400037, China)
In order to improve the concentration of coal mine gas extraction, the trinity technology system was proposed with efficient hole sealing technology, pipeline connection, leak detection and plugging technology, negative pressure adjustment, network operation and management. It improving the gas concentration from the source, ensuring the gas concentration in the process of network transmission, and solving the problem of extraction pipe network management. Using this technology, the regional tests with 169 boreholes have been carried out in Yu’wu Mining S2108 tape area. The experimental results showed that under the condition of guarantee without reducing the pure volume of the gas extraction in branch pipes test, the concentration of coal mine gas extraction greater than other branch pipe obviously, increased from 11% to 25%. The increase of branch pipe gas extraction concentration improves the efficiency of the extraction system significantly, reducing the ability of the branch pipe diameter and the pumping station, reducing the costs of extraction. After increasing the concentration of branch pipe keeps away from the explosion limit, the safety of gas transport process is guaranteed. Therefore, it provides technical support for realization of gas cascade utilization.
gas;improving gas drainage concentration;efficient hole sealing;gas drainage pipeline network;leak detector;gas drainage subpressure
2016-07-15
國(guó)家“十三五”科技重大專項(xiàng)資助(編號(hào):2016ZX05067-004-004;2016ZX05043-005-003);國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(編號(hào):51574280);重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目資助(編號(hào):cstc2016jcy jA0085)
劉延保(1981-),男,山東淄博人,博士,副研究員,主要從事煤礦瓦斯災(zāi)害治理及煤層氣開發(fā)研究工作。
TD712
A
1004-4051(2017)01-0130-05