山腳樹礦1.2 Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖.zip,山腳樹礦1.2,Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖,山腳,1.2,Mta,設(shè)計(jì),CAD 淺析礦井瓦斯抽采工藝及山腳樹礦二次封孔技術(shù)應(yīng)用 摘要：隨著我國各大產(chǎn)煤礦區(qū)開采歷史延續(xù),開采深度和強(qiáng)度的加大,瓦斯問題已經(jīng)成為制約煤礦安全生產(chǎn)和高產(chǎn)高效“雙高”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的最大瓶頸,因此積極推進(jìn)“十二五”我國煤礦瓦斯綜合治理工作體系建設(shè),有效遏制高瓦斯礦井瓦斯事故,確保煤礦安全生產(chǎn)意義重大,在由傳統(tǒng)的“風(fēng)排”瓦斯保安全向“抽采”煤層瓦斯治理瓦斯隱患方面已經(jīng)成為一種技術(shù)和思維的方向性的轉(zhuǎn)變,本文根據(jù)目前煤礦抽采瓦斯實(shí)際講訴了抽采瓦斯的相關(guān)可行性方案,對(duì)于有效治理瓦斯隱患,確保安全生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。 關(guān)鍵詞：瓦斯抽采、綜采工作面、高瓦斯礦井、鉆孔布置、瓦斯治理 0 引言 廣義的礦井瓦斯是指井下有害氣體的總稱,其主要來源是煤層和圍巖內(nèi)賦存并能涌入到礦井的氣體，是腐植型有機(jī)物在成煤過程中的伴生物。近幾年來, 隨著煤礦開采深度的增加和開采強(qiáng)度的增大,地應(yīng)力越來越大，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜,瓦斯災(zāi)害嚴(yán)重地威脅著礦井工作人員的生命安全,制約著礦井生產(chǎn)的發(fā)展。同時(shí),瓦斯又是一種經(jīng)濟(jì)的可燃?xì)怏w,是一種清潔、方便、高效的能源,研究表明，瓦斯的主要成分CH4 也是一種溫室氣體，其溫室效應(yīng)比CO2 要強(qiáng)很多，大力抽采瓦斯,既可以充分利用地下資源, 又可以改善礦井安全條件和提高經(jīng)濟(jì)效益, 并有利于保護(hù)環(huán)境和遏制溫室效應(yīng)。因此,如何更有效地開發(fā)和利用煤層瓦斯,一直以來都是廣大的科研工作者努力的方向和目標(biāo)。 煤炭是我國的主要能源,要充分發(fā)揮高產(chǎn)高效工作面的優(yōu)勢(shì),首當(dāng)其沖的問題是必須解決高產(chǎn)高效工作面瓦斯綜合治理技術(shù),提高煤礦防止瓦斯災(zāi)害能力,減少瓦斯事故的發(fā)生。在全國目前現(xiàn)有的高產(chǎn)高效礦井中,有67%的工作面存在嚴(yán)重或嚴(yán)重的瓦斯問題。 瓦斯災(zāi)害隨著煤礦開采深度加大會(huì)進(jìn)一步嚴(yán)重,現(xiàn)已成為制約煤礦高產(chǎn)高效開采的主要問題,低透氣性煤層的瓦斯強(qiáng)化抽采技術(shù),對(duì)治理礦井瓦斯至關(guān)重要。國內(nèi)外大量的研究結(jié)果證實(shí):釋放煤體應(yīng)力、抽排煤中瓦斯和提高煤體強(qiáng)度均能有效地防治瓦斯災(zāi)害。因此在煤礦傳統(tǒng)由通風(fēng)解決瓦斯問題向由抽采瓦斯解決礦井瓦斯是一個(gè)觀念和技術(shù)以及管理方面的很大轉(zhuǎn)變。高瓦斯礦井首先需要對(duì)采、掘工作面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè),分析抽采瓦斯必要性和工作面瓦斯來源和涌出構(gòu)成,然后制定采掘面的瓦斯抽采方法,通過對(duì)國內(nèi)先進(jìn)煤層瓦斯抽采技術(shù)的考察,一般采取以下三種瓦斯抽采技術(shù)對(duì)煤層瓦斯進(jìn)行抽采治理:(1)本煤層瓦斯抽采方法;(2)采空區(qū)瓦斯抽采方法;(3)本煤層、裂隙帶和采空區(qū)綜合瓦斯抽采方法。 1 我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的新進(jìn)展及問題 1.1我國礦井瓦斯抽采現(xiàn)狀及方法分類 1.1.1我國礦井瓦斯抽采現(xiàn)狀 我國煤礦瓦斯抽采始于1938 年，1952 年開始工業(yè)應(yīng)用，上世紀(jì)50 年代在撫順、陽泉、天府和北票局開展礦井抽采瓦斯，50 年代末瓦斯抽采量約為100 Mm3；60 年代又相繼在中梁山、焦作、淮南、松藻、峰峰等局的礦井開展了抽采瓦斯工作，抽采瓦斯量達(dá)到170 Mm3；70 年代至90 年代末期，抽采礦井總數(shù)和抽采總量都穩(wěn)步增加。隨著煤炭工業(yè)的發(fā)展，礦井?dāng)?shù)量及煤炭產(chǎn)量迅速增加，礦井向深部延伸過程中，一些低瓦斯礦井變?yōu)楦咄咚沟V井和突出礦井，因此需要抽采瓦斯的礦井越來越多，由此帶動(dòng)了我國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的迅速發(fā)展，目前瓦斯抽采技術(shù)在煤礦生產(chǎn)中得到了普遍的推廣應(yīng)用。2000 年底我國國有重點(diǎn)煤礦中共有141 對(duì)礦井建立了地面永久瓦斯泵站進(jìn)行瓦斯抽采，年抽采量達(dá)8.76 億m3。，2002 年抽采礦井?dāng)?shù)193 對(duì)，年抽采量11.46 億m3，2006 年全國重點(diǎn)煤礦抽采礦井達(dá)到264 對(duì)，年抽采量達(dá)到26.14 億m3。到2009 年全國重點(diǎn)煤礦抽采礦井達(dá)到300 多對(duì)，年抽采量達(dá)64.5 億m3。 1.1.2 瓦斯抽采方法分類 煤礦瓦斯抽采方法目前尚無統(tǒng)一分類。俞啟香在《礦井瓦斯防治》一書中將瓦斯抽采方法分為:開采層抽采、鄰近層抽采、采空區(qū)抽采和圍巖抽采。于不凡在《煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊(cè)》中將瓦斯抽采方法分為:未卸壓煤層和圍巖抽采、卸壓煤層和圍巖抽采、采空區(qū)抽采和綜合抽采。以兩種分類方法主要依據(jù)開采煤層和鄰近煤(巖) 層的空間關(guān)系,程遠(yuǎn)平教授提出了先以煤層開采時(shí)間為依據(jù)，第2 層次再以煤層開采的空間關(guān)系為依據(jù)的分類方法，這里只對(duì)第一種分類方法做一介紹。 煤礦瓦斯抽采按抽采瓦斯源的不同可分為四個(gè)類型，包括本煤層瓦斯抽采；鄰近層瓦斯抽采；采空區(qū)瓦斯抽采；圍巖瓦斯抽采。 1 本煤層瓦斯抽采技術(shù) 本煤層瓦斯抽采主要包括穿層鉆孔、平行鉆孔、交叉布孔、穿層網(wǎng)格式鉆孔、水力割縫、水力壓裂、水力鉆孔等方法。 2 鄰近層瓦斯抽采技術(shù) 鄰近層瓦斯抽采方法源于層外開采卸壓，隨著煤層的開采，邊采邊抽鄰近層的大部分卸壓瓦斯。按其與開采層的位置關(guān)系，可分為上鄰近層抽采方法和下鄰近層抽采方法兩大類。這兩類采用的抽采方法類似，包括鉆孔抽采、巷道抽采及巷道- 鉆孔混合抽采等方法。 3 采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù) 采空區(qū)瓦斯雖然來源于開采層丟煤瓦斯、鄰近層和圍巖向采空區(qū)涌出的瓦斯，但由于各種瓦斯源積聚在一起，從采空區(qū)涌向開采空間，形成了二次瓦斯源，因此應(yīng)采取獨(dú)立的瓦斯抽采措施。目前有巷道抽采、密閉抽采、埋管抽采、地面鉆孔抽采等采空區(qū)瓦斯抽采方法。 4 圍巖瓦斯抽采技術(shù) 圍巖瓦斯涌出的方式有兩類：一類是受開采層采動(dòng)影響，開采層頂?shù)装鍑鷰r中卸壓瓦斯涌出；二是圍巖裂隙中瓦斯噴出。第一類可采用鄰近層瓦斯抽采方法，涌入采空區(qū)的則有采空區(qū)抽采系統(tǒng)抽采，對(duì)于第二類可采用鉆孔抽采、封閉巷道插管抽采等方法。 1.2 瓦斯抽采的理論基礎(chǔ) 微孔隙、低滲透、高吸附是我國大多數(shù)煤層的主要特點(diǎn), 這使得煤層采前預(yù)抽效果較差。由于我國含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動(dòng), 煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)遭到破壞, 塑變性大大增強(qiáng), 因而成為低透氣性的高可塑性結(jié)構(gòu)。對(duì)于原始煤體, 可認(rèn)為瓦斯在煤層中的流動(dòng)符合達(dá)西定律,一般采用穿層鉆孔或順層鉆孔進(jìn)行煤層瓦斯抽采。在一定時(shí)間內(nèi),煤層瓦斯向鉆孔的流動(dòng)視徑向流動(dòng)。預(yù)抽煤層瓦斯效果與煤層透氣性系數(shù)、抽采負(fù)壓、鉆孔直徑等因素有關(guān),但影響效果的程度不同?，F(xiàn)場測(cè)定和實(shí)驗(yàn)研究表明, 不論原始滲透系數(shù)怎樣低的煤層,在采動(dòng)影響煤層卸壓后, 其滲透系數(shù)會(huì)急劇增加,煤層內(nèi)瓦斯?jié)B流速度大增, 瓦斯涌出量也隨之劇增。因此，利用井下的采掘巷道, 并盡量利用煤層采動(dòng)影響, 通過打鉆孔和其它各種有效技術(shù)強(qiáng)化煤層的瓦斯抽采, 比如深孔松動(dòng)爆破、孔群水利增透、鉆割一體化等措施將煤層瓦斯徑向流動(dòng)改善為煤層- 裂隙- 鉆孔的混合流動(dòng),可有效增加煤層瓦斯抽采效果。再保證一定的預(yù)抽時(shí)間, 可降低煤層瓦斯含量, 消除其突出危險(xiǎn)性。 1.3 我國礦井瓦斯抽采技術(shù)的新進(jìn)展 我國煤炭資源總量5.57 萬億t，其中埋深在1 000 m以下的為2.95 萬億t, 占煤炭資源總量的53%；隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)煤炭資源的需求也在不斷增大，隨著淺部資源的不斷開采，煤炭行業(yè)的開采深度不斷加大，隨之而來的高地應(yīng)力，高瓦斯，高地溫等災(zāi)害越來越嚴(yán)重，其中瓦斯災(zāi)害更是重中之重。為了有效解決瓦斯問題，實(shí)現(xiàn)煤炭行業(yè)安全高效生產(chǎn)，以中國礦業(yè)大學(xué)和淮南礦業(yè)集團(tuán)為代表的一批科研院校和煤炭企業(yè)進(jìn)行了大量的理論研究和現(xiàn)場試驗(yàn)，取得了較好的成效，下面介紹幾種新的抽采技術(shù)。 1.3.1 大間距上部煤層卸壓瓦斯抽采技術(shù) 研究發(fā)現(xiàn)首采層卸壓開采后，上向卸壓范圍為走向卸壓角80.8°~84.7°，傾向卸壓角83°~85°，上向卸壓層間距達(dá)10~150 m，采用在被卸壓煤層底板彎曲下沉帶預(yù)先布置巷道鉆孔抽采卸壓瓦斯的技術(shù)方法，抽采率達(dá)65%以上［5］。巷道鉆孔布置如圖1 所示。 前期在彎曲下沉帶布置巷道，并使其隨著下向首采層的推進(jìn)很好的保留下來是此技術(shù)成功的關(guān)鍵。 圖1-1大間距上部煤層卸壓瓦斯抽采示意圖 圖1-2 多重開采下向卸壓增透瓦斯抽采示意圖 1.3.2 多重開采下向卸壓增透瓦斯抽采技術(shù) 研究發(fā)現(xiàn)多重卸壓開采后，下向卸壓范圍為走向卸壓角99.3°~100.1°，傾向卸壓角為102°~110.0°，下向卸壓距離達(dá)15~100 m，采用預(yù)先布置巷道和穿層鉆孔抽采卸壓瓦斯，瓦斯壓力可以大幅度降低，煤層透氣性系數(shù)也可以增加五百多倍，抽采率可達(dá)50%以上，巷道布置示意圖如圖2所示。 1.3.3 沿空留巷煤與瓦斯共采技術(shù) 所謂沿空留巷是隨著采煤工作面的推進(jìn)，采用適當(dāng)?shù)南锱猿涮罘椒?，隔絕采空區(qū)，沿采空區(qū)留下巷道，采用這種方法可以在回采工作面，采空區(qū)側(cè)留下一條尾巷，形成Y 形通風(fēng)，通過這條巷道排放瓦斯和熱量，在瓦斯涌出量比較大時(shí)，有利于安全生產(chǎn)和改善工人的勞動(dòng)環(huán)境。另外，在所留的尾巷里可以布置瓦斯抽采鉆孔，實(shí)現(xiàn)前面開采本煤層煤炭資源，后面同時(shí)抽采上下鄰近層卸壓解吸瓦斯的煤與瓦斯共采布局。沿空留巷瓦斯共采技術(shù)示意圖如圖3 所示。 圖1-3 Y 型通風(fēng)和沿空留巷煤與瓦斯共采示意圖 采用Y 型通風(fēng)，將空氣壓力場能位和瓦斯場流動(dòng)運(yùn)移向采空區(qū)后方挪移，很好的解決了上隅角瓦斯治理的問題。通過對(duì)Y 型通風(fēng)采空區(qū)頂?shù)装逋咚節(jié)舛燃巴咚箞龇植家?guī)律的研究，確定瓦斯抽采鉆孔技術(shù)參數(shù)，通過淮南礦區(qū)現(xiàn)場試驗(yàn)，上向被卸壓煤層瓦斯抽采率72％以上，瓦斯壓力降至0.2～0.4 MPa 以下; 瓦斯抽采濃度達(dá)60%～95%。下向卸壓煤層瓦斯抽采濃度85%～100%；采一層被卸壓煤層，瓦斯抽采率46％以上，多層開采后可達(dá)70%以上。 另外，采用沿空留巷留下的巷道還可作為開采下一個(gè)工作面的順槽，一巷兩用，節(jié)省掘進(jìn)巷道的費(fèi)用，避免采掘失調(diào)、接續(xù)緊張。同時(shí)省去了工作面的煤柱，大大提高了資源回收率。 上面幾種技術(shù)是針對(duì)煤層群開采條件下的瓦斯抽采技術(shù)，下面介紹幾種針對(duì)單一的低透氣性煤層的瓦斯抽采技術(shù)。 1.3.4 鉆割一體化增透卸壓抽采技術(shù) 我國煤層基本上都是低透氣性煤層，瓦斯抽采困難，特別是單一的低透氣性煤層，常規(guī)的瓦斯抽放方法難以發(fā)揮作用，主要存在的問題是：鉆孔有效影響范圍小，工作面鉆孔施工工作量大，抽放效率低，需要采取卸壓增透的方法，擴(kuò)大鉆孔有效影響范圍，提高瓦斯抽放效果。 鉆割一體化技術(shù)是將高壓磨料射流技術(shù)與鉆孔施工技術(shù)相結(jié)合在鉆機(jī)鉆進(jìn)過程中，由鉆機(jī)配合鉆桿內(nèi)送入的風(fēng)或者低壓水進(jìn)行排粉，與鉆機(jī)共同完成鉆進(jìn)作業(yè)。鉆進(jìn)結(jié)束后，鉆機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，只進(jìn)行退鉆作業(yè)，高壓泵站加壓，水壓達(dá)到預(yù)定壓力值后，清水與高壓磨料發(fā)生裝置產(chǎn)生的磨料粒子相混合，與此同時(shí)鉆頭壓控裝置完成射流直向鉆孔到側(cè)向割縫的切換，進(jìn)行割縫作業(yè)。通過閥門控制高壓磨料射流水的開、關(guān),達(dá)到隨時(shí)鉆進(jìn)隨時(shí)割縫的要求,從而實(shí)現(xiàn)鉆割一體化。具體現(xiàn)場布置如圖4 所示。 圖1-4 鉆割一體化卸壓抽采示意圖 此項(xiàng)技術(shù)能夠使鉆孔內(nèi)煤體卸壓、增透，進(jìn)而增強(qiáng)煤層的可抽才性，提高抽采效率。 1.3.5 網(wǎng)格式穿層鉆孔孔群增透瓦斯抽采技術(shù) 目前網(wǎng)格式穿層鉆孔成我國單一松軟低透嚴(yán)重突出煤層防突的主要方法, 此方法需要在進(jìn)行瓦斯抽采的煤層區(qū)域內(nèi)設(shè)定網(wǎng)格式穿層鉆孔位置，對(duì)設(shè)定的網(wǎng)格式穿層鉆孔位置逐個(gè)實(shí)施鉆空，形成孔群，鉆孔直徑一般為90 mm，以煤層中厚面為準(zhǔn)，鉆孔間距為5~8 m，網(wǎng)格式穿層鉆孔布置示意圖如圖5所示： 圖1-5 網(wǎng)格式穿層鉆孔孔群增透瓦斯抽采示意圖 當(dāng)鉆孔施工進(jìn)入煤層后，用水壓為5~10MPa、流量為10 m3/h 的高壓水沖孔，誘導(dǎo)鉆孔噴孔，使煤層孔與孔之間形成裂隙，以增加煤層的透氣性，當(dāng)鉆孔穿透煤層0.5 m 后，退出鉆桿，插入封孔管實(shí)施封孔，封孔長度不小于10 m，封孔管長度不小于12 m、直徑40 mm，通過封孔管、匯流管、集氣箱和支管將鉆孔連入抽采管網(wǎng)，對(duì)煤層進(jìn)行瓦斯抽采。該技術(shù)煤層預(yù)抽率可由原先的20%提高到40%以上，實(shí)現(xiàn)單一低透氣性煤層瓦斯的安全、高效、均勻抽采，變高瓦斯突出危險(xiǎn)煤層為低瓦斯無突出危險(xiǎn)煤層，具有廣泛的實(shí)用性。  2 高瓦斯礦井采掘工作面瓦斯抽采工藝 2.1 高瓦斯礦井采掘工作面瓦斯抽采技術(shù)方案 2.1.1本煤層瓦斯抽采 1 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采 采用預(yù)抽煤層瓦斯降低工作面的瓦斯壓力,減少工作面煤體瓦斯含量,減輕生產(chǎn)過程中煤體瓦斯釋放量。預(yù)抽煤層瓦斯是一種區(qū)域性的防治煤與瓦斯突出的措施,即在煤層采掘工作之前,進(jìn)行大面積的預(yù)先抽放瓦斯,以降低或消除瓦斯災(zāi)害危險(xiǎn)。瓦斯壓力是造成突出的因素之一,當(dāng)煤層瓦斯壓力降到0.74Mpa以下時(shí),就有減小和消除發(fā)生突出的可能。鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯就是預(yù)先抽放煤層中的瓦斯,卸除瓦斯壓力防治突出的一項(xiàng)基本措施。它主要用于單一煤層或無保護(hù)層可采的突出危險(xiǎn)煤層。根據(jù)煤層瓦斯涌出實(shí)際狀況,掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量大于3m3/min的煤巷掘進(jìn)工作面,設(shè)計(jì)采用邊掘邊抽的方法,以提高巷道的掘進(jìn)速度,緩解礦井采掘接替緊張問題。圖1-1為掘進(jìn)工作面邊掘邊抽布置方案,為保證抽采效果,鉆場間應(yīng)留有10m范圍的壓茬。 2 回采工作面煤層瓦斯抽采 煤層瓦斯抽采可分為開采層未卸壓抽采和卸壓抽采兩種方法?；夭晒ぷ髅娌捎眠叢蛇叧榉椒?利用工作面運(yùn)輸順槽向煤層打迎面斜交和平行于工作面的鉆孔預(yù)抽瓦斯。該平面交叉鉆孔可隨著回采工作面的推進(jìn)前方煤體產(chǎn)生的卸壓作用,實(shí)施邊采邊抽煤層瓦斯,從而提高瓦斯抽采率,減少開采層的瓦斯涌出量,見圖1-2。 2.1.2 裂隙帶瓦斯抽采 針對(duì)回采工作面的實(shí)際條件,可以選擇的抽采方案有三個(gè)。 方案一:低位頂板巷道抽采。 在煤層的頂板開一條抽采瓦斯的專用巖石巷道,其方法是:在工作面內(nèi)側(cè)距回風(fēng)巷10m的煤層頂板上方18m巖層位置處,掘進(jìn)道斷面4m2～ 5m2左右,用以抽采采空區(qū)和裂隙帶的瓦斯,以減少工作面上隅角 的瓦斯。見圖1-3。 方案二:裂隙帶鉆孔抽采法。 目前對(duì)裂隙帶瓦斯采取上向鉆孔抽采法。上向鉆孔抽采法其一:鉆孔布置是在回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)煤層頂板上方巖層內(nèi)設(shè)鉆場,見圖1-4。上向鉆孔抽采法其二:鉆孔布置是在回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)煤層內(nèi)設(shè)鉆場,鉆孔沿頂板上方巖層施工。見圖1-5。 方案三:利用放水巷進(jìn)行采空區(qū)半封閉插管抽采法。 為充分提高工作面的瓦斯抽采效果,利用采煤工作面后部留設(shè)的放水巷采用半封閉插管抽采法作為輔助方法進(jìn)行采空區(qū)抽采。半封閉插管抽采法見圖1-6。 圖2-1掘進(jìn)工作面邊掘邊抽鉆孔布置方案 圖2-2 邊采邊抽抽采法 圖2-3 低位頂板巷道抽采方法 圖2-4 裂隙帶抽采瓦斯方案一 圖2-5 裂隙帶抽采瓦斯方案二 圖2-6 采空區(qū)半封閉插管抽采法 2.1.3 抽采鉆場、鉆孔的布置 1 鉆場的位置、間距、鉆場尺寸及支護(hù)形式 設(shè)計(jì)的抽采方法:在裂隙帶抽采瓦斯和在掘進(jìn)工作面邊掘邊抽時(shí)都需開設(shè)鉆場。裂隙帶抽采瓦斯鉆場布置是在回風(fēng)巷一側(cè)的煤層頂板中,鉆場的設(shè)計(jì)高度是在頂板巖層4m～5m處,傾角為45°,傾斜長度為11m,鉆場間距為80m,每個(gè)鉆場內(nèi)布置4個(gè)上向鉆孔。鉆孔深度為100m,鉆孔直徑為91mm。 掘進(jìn)工作面邊掘邊抽是在巷道兩側(cè)開設(shè)鉆場,鉆場之間的間距為80m,鉆場規(guī)格為:寬3.5m,深4m,高與掘進(jìn)巷道的高度相同,采用錨網(wǎng)支護(hù)。 2 鉆孔布置 (1)回采工作面的鉆孔布置。 鉆孔布置方式:施工上向鉆孔,上層鉆孔沿煤層迎面斜交(與順槽成75°);下層平行于工作面沿煤層布置(與順槽成90°),上、下層開孔間距為0.8m。①鉆孔直徑:鉆孔直徑大,暴露煤壁面積就大,瓦斯涌出量相應(yīng)也大,但二者增長并非線性關(guān)系,一般選用φ75～100mm,設(shè)計(jì)選用鉆孔直徑φ91mm。②鉆孔長度:按煤層回采工作面長度200m考慮,設(shè)計(jì)鉆孔長度為170m。從工作面的進(jìn)風(fēng)巷單向布置鉆孔。③抽采負(fù)壓:一般宜選用13.33～ 26.66KPa的負(fù)壓抽采。 (2)掘進(jìn)工作面的鉆孔布置。 掘進(jìn)工作面的鉆孔布置要保證鉆孔始終超前巷道工作面10m,1#孔開孔位置距巷幫3m,所有開孔間距為0.2m～ 0.3m,終孔間距為3m。因此設(shè)計(jì)邊掘邊抽工作面的抽采鉆孔參數(shù)如下: 鉆孔長度:100m; 鉆孔直徑:φ 91mm; 鉆孔夾角:β1＝90°,β2＝87°,β3＝84°;鉆孔仰角:3°～5°。 (3)回采工作面上向抽采鉆孔布置。 ①鉆孔的布置方式:鉆孔穿層布置,鉆孔在水平與垂直方向(沿工作面的推進(jìn)方向)的投影均為扇形,相鄰鉆場的鉆孔搭接長度必須根據(jù)開孔位置的不同來確定。 (4)已采閉的采空區(qū)抽采布置形式。 采用半封閉插管抽采法時(shí),利用回風(fēng)巷與外錯(cuò)回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)巷(建議每120m掘一個(gè))進(jìn)入工作面采空區(qū),把瓦斯管直接插入采空區(qū)上方進(jìn)行瓦斯抽采。每根瓦斯管的末端2m內(nèi)要有孔眼,同時(shí)施工時(shí)要盡量靠近煤層頂板,使之處于高濃度瓦斯帶。 2.2 高瓦斯礦井采煤工作面的瓦斯治理示例 示例礦所采煤層破碎，根據(jù)現(xiàn)場瓦斯參數(shù)測(cè)定及理論分析，煤層瓦斯壓力為0． 4 ～0． 5 MPa，瓦斯含量為7． 18 ～7． 8 m3 /t，局部最大達(dá)到14． 3 m3 /t。在正?；夭蛇^程中，絕對(duì)瓦斯涌出量為30． 36 ～60 m3 /min; 采煤工作面受區(qū)域內(nèi)斷層、破碎帶或異常區(qū)域影響時(shí)，絕對(duì)瓦斯涌出量為50 ～ 100 m3 /min，因此有效治理采煤工作面瓦斯，才能保障集約高效生產(chǎn)。 2.2.1 雙“U”型通風(fēng)系統(tǒng)提高了綜采工作面瓦斯排放能力和抗災(zāi)能力 雙“U”型巷道布置，即工作面采用“兩進(jìn)兩回”方式通風(fēng)，上隅角處采用“沿空護(hù)巷”方式區(qū)段性保留回風(fēng)尾巷，并通過調(diào)節(jié)回風(fēng)巷調(diào)壓設(shè)施控制回風(fēng)巷和瓦排巷負(fù)壓差，依次啟封回、瓦橫貫內(nèi)密閉設(shè)施來保障工作面大量瓦斯沿專用瓦斯巷排放，從而大大增加了工作面瓦斯排放能力，降低了上隅角、工作面及回風(fēng)流瓦斯?jié)舛龋硪部赏ㄟ^建立高抽巷實(shí)現(xiàn)采空區(qū)及上隅角的瓦斯治理，減少了瓦斯積聚和瓦斯超限事故的發(fā)生，同時(shí)“兩進(jìn)兩回”多通道回路有效延緩和衰減了災(zāi)害事故破壞力。 2.2.2 瓦斯綜合立體抽采體系 多種抽采方式因地制宜地治理采煤工作面瓦斯，可采取“超前預(yù)抽與卸壓抽放”、“邊采邊抽”、“臨近采場平行抽放”、“采空區(qū)抽放”、“高位鉆場抽放頂板裂隙帶”、“地面水平分水井進(jìn)行采場抽放”等多種瓦斯抽放技術(shù)，需通過不斷進(jìn)行改進(jìn)和創(chuàng)新，建立瓦斯綜合立體抽放體系。并通過增大瓦斯抽放管路管徑、引進(jìn)長距離、大孔徑鉆車，延長鉆孔服務(wù)時(shí)間，建設(shè)井下臨時(shí)抽放泵站增加抽采負(fù)壓，提高采煤工作面及礦井瓦斯抽放能力和效果，從而在準(zhǔn)備回采前能夠及時(shí)將采煤工作面瓦斯含量降低至規(guī)定量以下。 2.2.3采前預(yù)抽及邊采邊抽 掘進(jìn)期間在綜采工作面兩巷布置平行預(yù)抽鉆孔，第一排鉆孔為垂直孔，距底板1． 2 m，第二排鉆孔為斜平行孔，開口距底板1． 5 m，斜平行孔與垂直孔夾角為5°，呈三花眼布置，鉆孔間距為2． 5 m，仰角為2 ～ 3°，回采期間亦能夠繼續(xù)進(jìn)行瓦斯抽放。另外在工作面切眼往工作面方向間距1． 25 m，仰角2 ～ 3°布置順層鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽，如圖1-7。 2.2.4高位鉆場水平鉆孔抽放頂板裂隙帶 為解決回采過程中采空區(qū)瓦斯大量涌出影響回采，采取布置高位鉆場鉆孔，進(jìn)行回采后采空內(nèi)上方裂隙帶的瓦斯抽放，鉆孔末端位于裂隙帶的下方，不同地區(qū)區(qū)域的煤層頂板裂隙帶應(yīng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)效果分析取得，不建議進(jìn)行參仿。如圖1-8、圖1-9所示。 高位水平鉆孔的層位布置是否合理直接關(guān)系到工作面的瓦斯抽放效果，若把鉆孔布置在冒落帶內(nèi)，工作面推進(jìn)，高位水平鉆孔隨巖層冒落易遭破壞，若高位鉆孔處于矸石自然堆積區(qū)內(nèi)受工作面通風(fēng)量的影響，故此區(qū)域瓦斯?jié)舛炔环€(wěn)定， 抽出瓦斯?jié)舛鹊?，抽出瓦斯量小，抽放效果? 若把高位水平鉆孔布置在彎曲帶巖( 煤) 層內(nèi)，由于巖層保持原有的完整性，透氣性差，則抽不出瓦斯。為此，抽放鉆孔應(yīng)布置于裂隙帶巖( 煤) 層中。而裂隙帶瓦斯主要通過煤體或裂隙，以滲流的形式流入裂隙帶，其受工作面風(fēng)量變化的影響較小，則其內(nèi)瓦斯?jié)舛纫草^大。另外鉆孔布置在裂隙帶，受采動(dòng)影響較小，不易破壞，便于鉆孔長期穩(wěn)定地抽出高濃度瓦斯。 圖2-7采前預(yù)抽鉆孔布置示意 圖2-8高位水平鉆孔布置示意 圖2-9高位鉆孔剖面 2.2.5建立地面水平分水井進(jìn)行采場區(qū)域瓦斯抽放 為了能夠?qū)崿F(xiàn)將煤層瓦斯含量有效降低至可采要求內(nèi)，可通過技術(shù)分析和研究，在每個(gè)綜采工作面上方地面建立了2 個(gè)水平分水井，每個(gè)分水井打至設(shè)計(jì)位置后進(jìn)行散射性打鉆，進(jìn)行抽放，從而實(shí)現(xiàn)地面、井下聯(lián)合抽放。為了盡早對(duì)未開采采場區(qū)域進(jìn)行瓦斯治理，可逐步計(jì)劃在每個(gè)采場地面區(qū)域內(nèi)間距200 m 呈網(wǎng)格式布置壓裂井，全面覆蓋采場進(jìn)行瓦斯抽放。 3 新型封孔工藝 3.1瓦斯抽采中新型封孔材料及工藝 我國南方地區(qū)的煤礦由于礦井煤層賦存條件差、噸煤成本高、經(jīng)濟(jì)效益差，長期以來一直采用傳統(tǒng)水泥砂漿的封孔方式，沒有引進(jìn)和采用新材料、新工藝封孔，隨著礦井開采深度的增加，瓦斯災(zāi)害越來越重，加之南方礦井煤層地質(zhì)條件復(fù)雜，傳統(tǒng)的封孔方式已不能滿足礦井瓦斯治理的需要。新型礦用封孔材料PD 采用了微膠囊化技術(shù)，能在2 ～ 4 h 內(nèi)保持一定的流動(dòng)性，使得材料在體積緩慢膨脹的同時(shí)，漿體強(qiáng)度逐漸增加直至凝固，且在膨脹過程中能向鉆孔周邊裂隙逐漸滲透封堵，再輔以膨博封孔劑，其鉆孔密封效果比傳統(tǒng)方式要好。 3.1.1 密封材料及封孔工藝使用現(xiàn)狀 1 主要密封方法及特點(diǎn) 目前，采用的鉆孔封孔材料及工藝有: 黏土/水泥砂漿封孔、封孔器封孔、水泥砂漿封孔、聚氨酯封孔、馬麗散封孔等。采用以上封孔材料及封孔工藝均存在一定程度的局限性，主要存在封孔長度短、封孔質(zhì)量不易保證、抽采負(fù)壓不大、抽采濃度低、封孔工藝不易操作、封孔成本高、實(shí)用范圍小等缺點(diǎn)。 2 一般煤礦封孔材料及工藝示例 一般煤礦自地面建立永久抽采泵站以來，便開始了井下抽采孔的封孔研究工作。期間通過改變封孔材料、比例等，雖然封孔質(zhì)量、抽采效果取得了一定進(jìn)步，但始終沒有從根本上解決封孔質(zhì)量差、抽采濃度和負(fù)壓低的問題，其主要原因是封孔材料及封孔方式亟待改進(jìn)。一般煤礦現(xiàn)場采用的封孔材料仍以水泥+ 膨脹劑為主，該封孔材料及工藝通過產(chǎn)生一定的限制膨脹能夠補(bǔ)償水泥的收縮，有利于提高鉆孔封孔的飽和度。漿液凝固后強(qiáng)度增加，密實(shí)度及耐久性也有所提高。但是，膨脹劑漿體硬化后其硬度系數(shù)增加，凝固體沒有柔韌性，脆性加大。當(dāng)?shù)V壓顯現(xiàn)時(shí)，壓力對(duì)封孔體的作用容易造成封孔體及抽采導(dǎo)管斷裂?，F(xiàn)場試驗(yàn)表明: 摻入膨脹劑的水泥漿液凝固后，凝固體收縮明顯、吸水性差，水含量達(dá)15%，特別是當(dāng)鉆孔角度較小時(shí)，易在孔內(nèi)上部形成“月牙”形空隙，且對(duì)周圍巖體裂隙的封堵作用也比較有限，影響封孔質(zhì)量。 3.1.2 新型礦用封孔材料PD 及其封孔工藝 1 鉆孔密封材料選擇原則 鉆孔的密封直接影響著瓦斯抽采效果的好壞，因此，在實(shí)際操作過程中，封孔工藝應(yīng)滿足密封性好、操作方便、速度快、材料省等要求。依據(jù)對(duì)鉆孔微裂隙進(jìn)行密封的要求，結(jié)合水泥和聚合物的優(yōu)點(diǎn)選擇抽采鉆孔密封材料要遵循以下原則: 密封材料整體致密，耐老化性、抗干裂性強(qiáng); 密封材料要具有一定的膨脹性，用于密封鉆孔周邊的微裂隙，且其膨脹性主要用于封堵微裂隙; 針對(duì)不同用途的鉆孔( 如正壓和負(fù)壓) ，均能有合適的密封材料;密封材料以水泥為主，應(yīng)用聚合物對(duì)水泥進(jìn)行改性; 密封材料在井下使用方便，操作配比技術(shù)難度低，使操作人員容易掌握; 密封材料的各原料均為日?；げ牧?，來源廣泛; 用于改性的聚合物必須接觸無毒或低毒; 成本易控制。 2 新型礦用封孔材料PD 及膨博封孔劑 針對(duì)現(xiàn)有封孔材料及工藝的缺點(diǎn)，杉木樹煤礦引進(jìn)了新型礦用封孔材料PD。該材料將膨脹水泥與高水材料配方有機(jī)結(jié)合并加入若干種增稠、保水材料，使得新型礦用封孔材料PD 在初成時(shí)溶液稀、容易注漿。漿體注入鉆孔后向鉆孔周邊裂隙高強(qiáng)度地滲透，使得材料與煤體緊密粘合在一起，1 ～ 2 h 后逐漸變稠，體積不斷膨脹，強(qiáng)度逐漸增加，4 ～ 8 h 后漿體凝固為具有一定韌性的柔軟固體，因而能夠避免鉆孔密封后密封材料在地壓作用下產(chǎn)生新的裂隙，并在此狀態(tài)上能夠保持較長時(shí)間，封孔質(zhì)量大幅提高。由于新型礦用封孔材料PD 凝固緩慢，在現(xiàn)場應(yīng)用過程中為實(shí)現(xiàn)封孔的定向和定位功能，在新型礦用封孔材料PD 的現(xiàn)場使用時(shí)，還配合使用了膨博封孔劑。膨博封孔劑為一種高分子膨脹劑，具有反應(yīng)速度快、操作簡便等特點(diǎn)，主要功能是在新型礦用封孔材料PD 注漿過程中作為快速成型的堵頭用( 在新型礦用封孔材料PD 漿體凝固前，堵住漿體防止其流動(dòng)) ，該封孔劑膨脹反應(yīng)時(shí)間1 ～ 5min，膨脹倍數(shù)10 ～ 25 倍，因此定位定型快，可以堵住漿體流動(dòng)，但是由于膨脹倍率大、孔隙較發(fā)育，不能單獨(dú)作為封孔劑封堵瓦斯氣體，只能是一種輔助封孔材料。如圖1 所示，在膨博封孔劑的使用過程中，首先將其置于捆綁好的反應(yīng)袋內(nèi)使其迅速反應(yīng)，并在鉆孔封孔段兩端形成定向定位凝固泡沫狀堵頭，2 個(gè)堵頭中間為注漿腔體，利用預(yù)先埋好的注漿管將新型礦用封孔材料PD 漿體注入封孔段，形成定位定向封孔。 3 新型封孔工藝 新型封孔工藝原理為: 在封孔段兩端利用輔助封孔材料膨博封孔劑的快速凝固定位性能形成堵頭，在2 個(gè)堵頭中間的鉆孔腔體內(nèi)注滿新型礦用封孔材料PD 漿體，從而形成兩端封堵中間注漿的“兩堵一注”的封孔工藝，如圖1 所示，兩端為膨博封孔劑形成堵頭，中間部分為新型礦用封孔材料PD。由于注漿時(shí)，堵頭已經(jīng)凝固定位，兩堵頭中間腔體的體積恒定，因此，新型礦用封孔材料PD 漿體在受限空間內(nèi)體積緩慢膨脹過程中，漿體只能向鉆孔徑向滲透，新型礦用封孔材料PD 的特點(diǎn)與“兩堵一注”工藝的有機(jī)結(jié)合，確保了對(duì)封堵鉆孔周邊微裂隙的目的，封孔效果更好。操作過程為: 封孔時(shí)用反應(yīng)袋包裹好抽采管后，開啟膨博封孔劑黑白料各一瓶，將兩瓶混成一瓶充分搖勻后倒入捆綁好的反應(yīng)袋中，整理反應(yīng)袋使其充分包裹膨博封孔劑，待膨博封孔劑充分反應(yīng)時(shí)迅速將抽采管送入孔內(nèi)。封孔時(shí)應(yīng)需要特別注意的是: 下行孔在堵孔時(shí)，應(yīng)先將2 根抽采管組裝并將反應(yīng)袋捆綁好后，再在送入鉆孔的中; 平行孔在堵孔時(shí)，應(yīng)先在2 根抽采管上面捆綁反應(yīng)袋同時(shí)倒入膨博封孔劑，而抽采管組裝是在送入鉆孔的過程當(dāng)中完成。當(dāng)膨博封孔劑完全反應(yīng)之后，將PD 密封材料、水泥、水按體積比1∶ 3∶ 4 配置好，形成漿體，利用礦用注漿泵將新型礦用封孔材料PD 漿體通過注漿管注入到封孔段內(nèi)( 圖1) ，直至漿體完全充滿封孔段完成注漿過程，即整個(gè)封孔過程完成。新型鉆孔封孔工藝如圖1 所示。 圖3-1 新型封孔工藝封孔示意 3.1.3 新型封孔材料及工藝工業(yè)性試驗(yàn)效果 1 密封效果對(duì)比分析 工業(yè)性試驗(yàn)地點(diǎn)選在杉木樹煤礦N2462 備用工作面，該工作面位于N24 采區(qū)西翼、濫泥坳向斜軸以北，北為已回采結(jié)束的N2482 工作面，東為N2462 上山，西為待布置的N26 采區(qū)，南為待布置的N2442 工作面，井下標(biāo)高+ 269. 4—+ 260. 7 m，地面標(biāo)高+ 610—+ 670 m，埋深350 m 以上。工作面走向長863 m，傾斜長100 m，平均煤厚3. 2 m，62工業(yè)儲(chǔ)量41. 88 萬t，可采儲(chǔ)量31. 41 萬t，屬于向南傾斜的單一構(gòu)造，煤巖層產(chǎn)狀: 傾向140°，傾角4 ～ 6°，平均5°。在N2462 運(yùn)輸巷“機(jī)12”導(dǎo)點(diǎn)以東17 m、以西58 m，由西向東布置了60 個(gè)下行順層試驗(yàn)孔，分2 組采用新型封孔方法及傳統(tǒng)封孔方法對(duì)試驗(yàn)孔進(jìn)行封孔，然后對(duì)試驗(yàn)孔瓦斯自然涌出情況及其投入抽采使用后相關(guān)抽采情況進(jìn)行對(duì)比分析。采用水泥+ 膨脹劑封孔工藝封孔的抽采孔，封孔后鉆孔平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)比封孔前降低了1. 9%，平均自然涌出流量為4. 42 L /min，封孔成功率為83%。而采用新型礦用封孔材料PD + 膨博封孔劑封孔工藝封孔的抽采孔，封孔后鉆孔平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)比封孔前提高了5. 5%，平均自然涌出流量為8. 13 L /min，封孔成功率為100%。采用新型礦用封孔材料PD + 膨博封孔劑封孔的抽采孔，其抽采濃度、負(fù)壓、流量明顯高于采用水泥+ 膨脹劑封孔的抽采孔; 采用水泥+ 膨脹劑封孔鉆孔投入抽采使用2 個(gè)月后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)便降到了30%以下，而采用新型礦用封孔材料PD 及膨博封孔劑封孔的鉆孔投入抽采使用3 個(gè)月后仍能保持較高的抽采負(fù)壓及瓦斯?jié)舛取? 2010 年4—7 月對(duì)試驗(yàn)孔連續(xù)測(cè)定3 個(gè)月，從圖2 可以看出: 傳統(tǒng)封孔工藝的單孔平均瓦斯體積分?jǐn)?shù)為22. 6%、新型封孔工藝為36. 8%，提高了14. 2%。此外傳統(tǒng)封孔工藝的單孔平均抽采負(fù)壓為2. 8 kPa、新型封孔工藝為9. 1 kPa， A—4 月27 日; B—4 月30 日; C—5 月7 日; D—5 月14 日; E—5 月21 日; F—5 月29 日; G—6 月5 日; H—6 月12 日; I—6 月18 日; J—6 月25 日; K—7 月2 日 圖3-2 單孔平均瓦斯抽采負(fù)壓、濃度對(duì)比曲線 提高了6. 3kPa。此外，傳統(tǒng)封孔工藝的單孔平均純瓦斯流量為9. 42 L /min、新型封孔工藝為44. 53 L /min，單孔平均抽采純瓦斯流量提高了35. 11 L /min。 2 不同類型鉆孔抽采效果對(duì)比 各類型鉆孔封孔深度、封孔段長度及封孔成本( 不包括抽采管) 見表3-1。表2 為600 個(gè)不同傾斜角度的順層抽采孔平均抽采瓦斯效果統(tǒng)計(jì)情況，從表3-2 中以看出，采用新型封孔工藝封孔后抽采孔抽采效果明顯提升。 杉木樹煤礦采用傳統(tǒng)封孔工藝封下行鉆孔，抽采時(shí)間一般只有2 個(gè)月左右，瓦斯?jié)舛?、流量衰減較快; 而采用新型封孔工藝，由于堵孔效果好，鉆孔抽采時(shí)間基本不受鉆孔類型影響，抽采時(shí)間6 ～18 個(gè)月，瓦斯?jié)舛?、流量呈緩慢衰減趨勢(shì)。由于杉木樹煤礦順層抽采孔長期封孔質(zhì)量差，鉆孔封孔后采用地面泵站高濃度抽采時(shí)間短，預(yù)抽率只有21%。為使綜采工作面回采區(qū)域瓦斯預(yù)抽率達(dá)到40%的要求，剩余19% 須采用井下移動(dòng)泵站長期低濃度抽采，增加了準(zhǔn)備工作面瓦斯治理時(shí)間，使礦井采掘接替緊張。采用新型密封材料封孔后，抽采孔氣密性增強(qiáng)，抽采負(fù)壓提高，使綜采工作面回采區(qū)域地面泵站高濃度瓦斯抽采率達(dá)到了40% ，大幅縮短治災(zāi)時(shí)間。另外，突出煤層的掘進(jìn)工作面預(yù)抽孔采用膨博封孔劑堵孔后，也大幅縮短了掘進(jìn)工作面預(yù)抽時(shí)間。取得的間接效益主要表現(xiàn)為: 減小采掘工作面的瓦斯涌出量，加快了工作面的推進(jìn)度，提高單產(chǎn)單效; 減少采煤工作面上隅角瓦斯超限及掘進(jìn)工作面炮后瓦斯“三級(jí)報(bào)警”次數(shù)，提高了工作環(huán)境的安全性; 巷道在進(jìn)行擴(kuò)幫、挖底等修復(fù)后，抽采孔易復(fù)用，提高了復(fù)用率; 減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。 表3-1 各類型鉆孔封孔深度等的對(duì)比 表3-2 抽采孔平均抽采瓦斯效果統(tǒng)計(jì)情況 注: 瓦斯抽采負(fù)壓、體積分?jǐn)?shù)、純流量提高值為使用新型鉆孔封孔工藝后測(cè)定值相對(duì)于傳統(tǒng)工藝測(cè)定值的提高量。 3.2 定點(diǎn)定長度新型封孔工藝及工業(yè)性試驗(yàn)研究 　針對(duì)現(xiàn)有封孔技術(shù)因封孔深度和封孔段長度相同，造成不能有效避開巷道松動(dòng)圈、浪費(fèi)封孔材料等現(xiàn)象的問題，在分析鉆孔裂隙帶形成的基礎(chǔ)上，提出了封孔深度為8ｍ、封孔段長度為3ｍ的定點(diǎn)定長度新型封孔工藝。并在貴州山腳樹礦進(jìn)行了工業(yè)性試驗(yàn)，結(jié)果表明：定點(diǎn)定長度新型封孔工藝有效減少了鉆孔漏氣量，封孔成本降低40％，平均瓦斯抽采濃度提高了17.2％，單孔多抽出瓦斯911.9ｍ３／ｍｉｎ。 瓦斯抽采是防治煤礦瓦斯災(zāi)害事故的根本性措施。煤層瓦斯抽采在地下煤層組開采或煤層氣抽采工程中，由于采動(dòng)或抽采引起瓦斯在煤巖中的運(yùn)移，同時(shí)引起煤巖體的固體骨架所承受的有效應(yīng)力變化，導(dǎo)致抽采鉆孔周圍煤層孔隙壓力變化，結(jié)果產(chǎn)生導(dǎo)氣的微裂隙或裂紋網(wǎng)絡(luò)，外界空氣在抽采負(fù)壓的作用下易從這些裂隙通道進(jìn)入抽采鉆孔內(nèi)，從而導(dǎo)致瓦斯抽采濃度下降，縮短了抽采鉆孔的有效抽采壽命，降低了鉆孔的利用率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國約有６５％的回采工作面順層鉆孔的預(yù)抽瓦斯?jié)舛鹊陀冢常埃?。?dāng)前國內(nèi)外采用的封孔技術(shù)主要有黃泥（水泥團(tuán)）封孔、機(jī)械注水泥砂漿封孔、發(fā)泡聚合材料封孔、封孔器封孔、“聚氨酯＋水泥漿”封孔等?？傮w上來看，這些封孔工藝都存在一個(gè)特點(diǎn)：鉆孔密封后，巷道形成裂隙圈的深度超過了封孔的深度，裂隙圈內(nèi)裂隙將會(huì)與抽采鉆孔溝通，構(gòu)成了鉆孔短路風(fēng)流的通道，這些通道影響了抽采鉆孔的氣密性，導(dǎo)致抽采濃度下降，鉆孔的瓦斯抽采率和抽采量不能滿足煤礦安全生產(chǎn)的要求；還有一個(gè)普遍現(xiàn)象：封孔深度和封孔長度相同，浪費(fèi)封孔材料。針對(duì)上述問題，結(jié)合山腳樹礦實(shí)際情況，提出了定點(diǎn)定長密封鉆孔的新工藝，取得了顯著效果。 3.2.1　礦井及工作面概況 山腳樹煤礦是貴州盤江精煤股份有限公司現(xiàn)有的６對(duì)生產(chǎn)礦井之一。礦區(qū)走向長5.3ｋｍ，傾斜寬3.5ｋｍ，井田面積18.3ｋｍ２，生產(chǎn)能力180萬ｔ／ａ。本礦采用斜井分水平分區(qū)式開拓，走向長壁后退式采煤，全部垮落式頂板管理，由上而下的開采方法，礦井通風(fēng)采用機(jī)械抽出式通風(fēng)。礦區(qū)煤層瓦斯含量高，屬煤與瓦斯突出礦井。實(shí)施封孔試驗(yàn)的22185工作面位于山腳樹礦18＃煤層。該煤層距17＃煤層平均距離為14ｍ，煤層厚度平均3ｍ，傾角8°，煤層穩(wěn)定。18＃煤層煤體密度1.39ｔ／ｍ３，絕對(duì)瓦斯壓力為0.82ＭＰａ，透氣性系數(shù)為0.17805ｍ２／（ＭＰａ２·ｄ），百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)為0.1422d－１，堅(jiān)固性系數(shù)為0.78，瓦斯放散初速度Δｐ為600Ｐａ，瓦斯含量平均為7.263ｍ３／ｔ。 3.2.2　新型封孔工藝技術(shù)原理 1　鉆孔裂隙場的形成 抽采鉆孔周圍裂隙場的產(chǎn)生主要分兩個(gè)階段：第一階段是采煤工作面形成過程中產(chǎn)生的巷道松動(dòng)圈裂隙；第二階段是鉆孔形成過程中產(chǎn)生的裂隙。第一階段是在采煤工作面形成過程中巷幫由外到里存在巷道寬３～５倍的松動(dòng)圈。松動(dòng)圈內(nèi)原始煤體節(jié)理構(gòu)造被破壞，受到的拉力和剪切應(yīng)力增加，煤體結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性破壞，由于非連續(xù)性小裂紋、煤體內(nèi)孔隙、大型非連續(xù)地質(zhì)界面、小型非連續(xù)結(jié)構(gòu)面等的存在，這種脆性破壞更為嚴(yán)重。由于受到這種脆性破壞，原始存在于煤體中的小裂紋將沿著與最大拉應(yīng)力呈直角的方向擴(kuò)展、起裂，繼而發(fā)育，彼此導(dǎo)通。第二階段是鉆孔形成過程中，鉆頭的機(jī)械鉆進(jìn)破壞了煤體的完整性，不管是使用水力還是風(fēng)力排渣，都會(huì)對(duì)孔壁周邊煤體造成破裂損傷從而產(chǎn)生裂隙。鉆孔成型以后，受到鉆孔松動(dòng)影響，煤體原有應(yīng)力場平衡被破壞，鉆孔周邊煤體產(chǎn)生新的損傷和破壞，鉆孔徑向一定范圍內(nèi)也形成卸壓松動(dòng)圈。鉆孔周圍的裂隙帶見圖3-3。 圖3-3　鉆孔周圍裂隙帶分布 2　封孔深度的確定 鉆孔周圍存在像巷道松動(dòng)圈一樣的裂隙帶，它周圍的漏風(fēng)不可避免。在封孔過程中，只能使封孔深度達(dá)到巷道裂隙帶以外的地方，避開巷道裂隙帶對(duì)封孔效果的影響。沿煤層掘進(jìn)巷道后，巷道周圍煤體由外向里依次形成卸壓帶、應(yīng)力集中帶和原始應(yīng)力帶（簡稱為巷道“三帶”）。巷道裂隙帶所處的位置是卸壓帶，煤體應(yīng)力的變化會(huì)造成不同深度煤體的鉆屑量變化，因此采用向巷幫打鉆的方法，測(cè)定不同深度煤體的煤屑量Ｓ值，可以初步確定巷道卸壓帶所處的深度，從而確定鉆孔封孔深度。在２２１８５運(yùn)輸巷每隔１０ｍ選擇５個(gè)地點(diǎn)，每個(gè)地點(diǎn)用煤電鉆向兩幫施工１個(gè)４２ｍｍ順煤層鉆孔，單孔長度為１０ｍ；鉆孔施工過程中，每鉆進(jìn)１ｍ，用彈簧秤測(cè)定一次鉆屑量Ｓ值，每個(gè)鉆孔的鉆屑量Ｓ隨深度變化如圖3-4所示。由圖２可以看出，鉆屑量Ｓ在１～８ｍ有逐漸增加的整體趨勢(shì)，而鉆屑量Ｓ取最大值所處的區(qū)域?yàn)椋罚怼埽亍埽福?，反映出巷道卸壓帶在巷道向?nèi)８ｍ范圍內(nèi)，為了提高封孔的效果，防止抽采漏氣，結(jié)合山腳樹礦煤層構(gòu)造裂隙發(fā)育的特點(diǎn)，確定封孔深度為８ｍ。 圖3-4　各鉆孔鉆屑量隨深度變化圖 3　封孔段長度的確定 封孔長度是瓦斯抽采鉆孔密封的一個(gè)重要參數(shù)。在確定抽采鉆孔封孔長度時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持“保證不吸入空氣，又使封孔長度盡量縮短”的原則。經(jīng)過查閱大量資料和現(xiàn)場實(shí)踐，封孔長度確定為３ｍ。封孔段長度的確定，在保證封孔效果的同時(shí)，減少封孔材料的使用量，節(jié)約成本。圖3-5為封孔深度確定為８ｍ和封孔段長度確定為３ｍ后的封孔示意圖。 圖3-5　封孔示意圖 3.2.3　現(xiàn)場應(yīng)用 山腳樹煤礦封孔工藝以前采用的是卷纏聚氨酯藥液法，封孔深度和長度都是５ｍ，由于封孔深度處在巷道裂隙圈范圍內(nèi)，經(jīng)過１５～２０ｄ的抽采，瓦斯抽采濃度由初期的３０％～７０％降低到１０％～３０％，鉆孔有效抽采期偏短，嚴(yán)重影響了民用瓦斯的供應(yīng)，給礦區(qū)附近居民生產(chǎn)生活用氣帶來不便；同時(shí)，大量的瓦斯不能被抽出，在采掘過程中易出現(xiàn)瓦斯超限的現(xiàn)象，給礦井的安全、高效生產(chǎn)帶來隱患。 1　設(shè)計(jì)方案 在２２１８５工作面實(shí)施鉆孔２０個(gè)，其中新型封孔工藝試驗(yàn)組１０個(gè)，對(duì)照組原封孔方法封孔１０個(gè)。封孔時(shí)間同步，濃度觀測(cè)同步。鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì) 見表3-3。 表3-3　鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)表 2　封孔效果分析 在封孔后一個(gè)月時(shí)間內(nèi)，采用高濃度瓦斯測(cè)定儀對(duì)每個(gè)鉆孔瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測(cè)定，利用壓差法對(duì)每個(gè)鉆孔的混合流量進(jìn)行計(jì)算，得出試驗(yàn)組和對(duì)照組平均抽采濃度和單孔平均瓦斯抽采量對(duì)比，瓦斯抽采參數(shù)及對(duì)比結(jié)果見表3-4。 分析表２得出：定點(diǎn)定長度新型封孔工藝比原封孔方法平均瓦斯抽采濃度提高了17.2％，單孔平均多抽采瓦斯911.9ｍ３，煤層瓦斯抽采率增加18.2％；這表明新型封孔工藝有效避開了巷道裂隙圈，鉆孔的漏風(fēng)量減少，提高了瓦斯抽采效果。采用新的封孔工藝，在不增加勞動(dòng)量的情況下實(shí)現(xiàn)了定點(diǎn)定長度封孔，封孔成本降低了40％。 表3-4　瓦斯抽采參數(shù)表  4 二次封孔技術(shù)在山腳樹礦的應(yīng)用 瓦斯抽采是治理礦井瓦斯和防止煤與瓦斯突出事故發(fā)生的根本性措施。我國煤礦瓦斯抽采量大幅度增長，2011 年煤礦瓦斯抽采量達(dá)115 億m3，同比分別增加36． 7%。但是在瓦斯抽采過程中還存在著許多問題，其中封孔質(zhì)量是決定瓦斯抽采效果的關(guān)鍵。目前，我國煤礦瓦斯抽采鉆孔的封孔技術(shù)主要有: 人工或機(jī)械注水泥砂漿封孔、發(fā)泡聚合材料封孔和封孔器封孔等。這些封孔方法都存在:在抽采瓦斯一段時(shí)間后，煤體發(fā)生變形和收縮，巷道中的空氣通過鉆孔周圍的節(jié)理裂隙進(jìn)入到鉆孔中，使瓦斯抽采濃度降低，且衰減速度快，造成煤層瓦斯抽采不達(dá)標(biāo)，嚴(yán)重影響煤礦安全生產(chǎn)，是提高及落實(shí)“先抽后采”瓦斯治理的瓶頸。為此，貴州盤江煤電山腳樹礦根據(jù)其煤層條件，提出了二次封孔技術(shù)，取得了顯著效果。 4.1 礦井及工作面概況 山腳樹礦位于貴州省六盤水市盤縣特區(qū)斷江鎮(zhèn)，距盤縣30 km，水城169 km，貴陽365 km，昆明336 km。隸屬盤江煤電( 集團(tuán)) 公司。根據(jù)貴州省煤炭管理局文件“黔煤生字［2007］452 號(hào)”對(duì)《盤江( 煤電) 集團(tuán)公司煤礦2007 年度礦井瓦斯等級(jí)鑒定報(bào)告》的批復(fù)，山腳樹礦為高瓦斯礦井。2008 年經(jīng)中國礦業(yè)大學(xué)煤與瓦斯突出鑒定，確認(rèn)為突出礦井。實(shí)施封孔試驗(yàn)的地點(diǎn)位于山腳樹礦南井21129工作面運(yùn)輸巷，所在煤層為12#煤層，該工作面相應(yīng)地表位于大白巖村東北部約200 m，工作面距地表垂深434 ～ 514 m，北部為215 石門和21109 外上山，南部為21109 切眼下方，西部為21127 采空區(qū)，東部至+ 1 240 m 標(biāo)高，頂部為已回采完畢的21107 采空區(qū)和21109 采空區(qū)。12#煤層為復(fù)雜結(jié)構(gòu)，含夾矸1-2 層，半亮型，塊狀、粉粒狀，煤層有局部增厚現(xiàn)象。承壓區(qū)內(nèi)瓦斯絕對(duì)涌出量70 m3 /min，卸壓區(qū)內(nèi)瓦斯絕對(duì)涌出量為35 m3 /min，煤塵具有爆炸性。 4.2 二次封孔技術(shù)原理 二次封孔技術(shù)的現(xiàn)場實(shí)施過程中分為兩個(gè)階段，即第一次封孔階段和第二次封孔階段。二次封孔是一種新型封孔技術(shù)，它能在瓦斯抽采濃度下降到一定程度后有效封堵煤層鉆孔附近的裂隙，阻隔外界空氣的進(jìn)入，減少漏風(fēng)，使瓦斯抽采平均濃度提高23． 9%，提高了鉆孔的利用率，保證了工作面回采安全、高效地進(jìn)行。該技術(shù)對(duì)高瓦斯礦井的瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義 4.2.1第一次封孔階段 采用在巷道松動(dòng)圈以外的位置發(fā)泡馬麗散聚氨酯進(jìn)行鉆孔密封，封孔深度一般為8 ～ 9 m，封孔長度為3 ～ 4 m。其工藝為: 打完鉆孔后，在抽采管上卷纏棉紗3 ～ 4 m，然后澆注馬麗散聚氨酯，棉紗充分吸收混合均勻后將其送入鉆孔。馬麗散聚氨酯封孔劑在鉆孔中體積膨脹將鉆孔密封，在鉆孔孔口用棉紗固定住，然后連接瓦斯抽采管路進(jìn)行第一階段的瓦斯抽采。 4.2.2第二次封孔階段 第一次封孔階段結(jié)束后，經(jīng)過短時(shí)間的瓦斯抽采，鉆孔周圍的煤體在受力不均勻的情況下，導(dǎo)致鉆孔周邊煤體裂隙迅速擴(kuò)張、發(fā)育，此時(shí)巷道內(nèi)空氣在抽采負(fù)壓的作用下通過裂隙通道進(jìn)入到抽采鉆孔內(nèi)，導(dǎo)致瓦斯抽采濃度大幅度下降，縮短了有效抽采期。為了大幅度提高瓦斯抽采濃度，延長抽采鉆孔的有效抽采期，提高鉆孔的利用率，還需要進(jìn)行第二次封孔。封孔工藝為: 用一定壓力空氣將微細(xì)膨脹粉料吹入瓦斯抽采鉆孔中，微細(xì)膨脹粉料在瓦斯抽采泵負(fù)壓作用下進(jìn)入鉆孔周邊的裂隙場內(nèi)，裂隙內(nèi)氣體的流動(dòng)阻力增加，漏風(fēng)裂隙減少，巷道內(nèi)空氣導(dǎo)入困難，減少鉆孔漏風(fēng)量，當(dāng)粉料充滿鉆孔后封嚴(yán)孔口，第二次封孔階段結(jié)束。圖4-1 為二次封孔技術(shù)實(shí)施的示意圖。 圖4-1二次封孔示意 1—煤層鉆孔; 2—抽放管; 3—閥門; 4—賽瑞材料; 5—微細(xì)膨脹粉料; 6—裂隙群; 7—煤體; 8—孔口; 9—粉料輸送管 4.3 二次封孔技術(shù)應(yīng)用 山腳樹煤礦封孔工藝采用的是卷纏馬麗散藥液法，封孔深度8 m，鉆孔漏氣嚴(yán)重，經(jīng)過15 ～ 20 d 的抽采，抽采瓦斯?jié)舛扔沙跗诘?0% ～ 70% 降低到10% ～ 30%，鉆孔有效抽采期偏短，嚴(yán)重影響了山腳樹礦附近民用瓦斯的供應(yīng); 同時(shí)，大量的瓦斯不能被抽出，在采掘過程中易出現(xiàn)瓦斯超限，給礦井的安全、高效生產(chǎn)帶來隱患。 4.3.1設(shè)計(jì)方案 在21129 工作面選擇44 個(gè)鉆孔，其中二次封孔技術(shù)試驗(yàn)組22 個(gè)，對(duì)照原封孔方法封孔22 個(gè)。封孔時(shí)間同步，濃度觀測(cè)同步。鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)見表4-1。 表4-1 鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì) 4.3.2實(shí)施方案 山腳樹礦實(shí)施二次封孔技術(shù)，封孔工藝示意圖見圖4-2。 圖4-2 二次封孔現(xiàn)場實(shí)施示意 1—抽采管; 2—粉料輸送管; 3—除塵管; 4—閥門; 5—觀察孔; 6，7—擋板或棉紗; 8—花管段; 9—鉆孔 ( 1) 第一次封孔階段。①把封孔材料聚氨酯、吸料棉紗、瓦斯抽采管和鐵絲運(yùn)到煤礦井下的封孔地點(diǎn)，待鉆到設(shè)計(jì)深度后立即進(jìn)行密封; ②按圖2 所示，在抽采管4 ～ 8 m 處纏繞4 m 棉紗( 即L2段) ，然后用鐵絲綁緊，吸料棉紗要蓬松且粗細(xì)適中，以利于吸收聚氨酯封孔材料，易于抽采管送入鉆孔; ③將聚氨酯封孔材料澆在綁好的棉紗上，封孔材料澆透、均勻后送入到鉆孔的指定位置，保證達(dá)到二次封孔要求的設(shè)計(jì)深度，用干棉紗堵住鉆孔孔口; ④鉆孔被密封后，測(cè)定鉆孔的自然流量; ⑤把抽采管接到抽采系統(tǒng)，每天記錄鉆孔的瓦斯抽采濃度和流量，當(dāng)瓦斯?jié)舛冉档蕉畏饪滓鬂舛葧r(shí)進(jìn)行第二次封孔。 ( 2) 第二次封孔階段。①將微細(xì)膨脹粉料輸送管插入鉆孔的預(yù)留段，并用聚氨酯封孔材料將其固定，形成密閉預(yù)留L1段，連接微細(xì)膨脹粉料輸送管連接到粉料輸送機(jī); ②將煤礦井下壓風(fēng)管與粉料輸送機(jī)相連，打壓開風(fēng)管閥門，保持風(fēng)壓在0． 1 ～0． 4 MPa，在高壓氣體作用下微細(xì)膨脹粉料進(jìn)入鉆孔，即第二次封孔; ③繼續(xù)觀察瓦斯抽采濃度和流量，進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，指導(dǎo)下一階段的瓦斯抽采。 4.3.3效果考察及分析 根據(jù)山腳樹礦二次封孔技術(shù)的數(shù)據(jù)記錄，進(jìn)行單孔瓦斯抽采量對(duì)比，見表2。 表4-2 單孔瓦斯抽采量對(duì)比 從表2 的數(shù)據(jù)可以得出，二次封孔技術(shù)實(shí)施以后，后期瓦斯抽采的平均濃度提高了23． 9%，單孔瓦斯抽采流量增加了1 853． 4 m3，說明二次封孔技術(shù)是成功有效的。二次封孔技術(shù)使煤體中可解析瓦斯量達(dá)到《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》( AQ 1026—2006) 標(biāo)準(zhǔn)，有效地解決了山腳樹礦瓦斯抽采困難問題，避免了工作面回采過程中瓦斯超限現(xiàn)象的出現(xiàn)，有效地保證了煤礦安全，為煤礦安全高效生產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。  結(jié)語 瓦斯抽采是治理瓦斯的治本措施，半個(gè)世紀(jì)以來，我國煤礦瓦斯抽采經(jīng)歷了“局部防突措施為主、先抽后采、抽采達(dá)標(biāo)和區(qū)域防突措施先行”4個(gè)階段。瓦斯抽采作為解決煤礦瓦斯問題的有效途徑，在理論和技術(shù)方面都取得了重大進(jìn)展，為煤炭行業(yè)減少瓦斯事故作出了重大貢獻(xiàn)，也對(duì)環(huán)必須清楚的認(rèn)識(shí)到，隨著開采深度的加大，地質(zhì)條件越來越復(fù)雜，瓦斯治理的難度也在進(jìn)一步加大，在目前技術(shù)條件下仍然面臨大量問題，例如：①單一低透氣性煤層的增透問題，雖然現(xiàn)有的一些新技術(shù)比常規(guī)技術(shù)在增透方面有了很大提高，但還沒有達(dá)到理想的要求；②現(xiàn)有的一些抽采技術(shù)雖然能夠很好的提高瓦斯抽采的效率，但是前期的掘進(jìn)工作量大，成本高；③打鉆是瓦斯抽采的關(guān)鍵，如何提高打鉆效率，降低打鉆周期還有待解決；④與瓦斯抽采配套的瓦斯利用技術(shù)，特別是低濃度瓦斯和乏風(fēng)瓦斯的利用技術(shù)；⑤快速高效的瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測(cè)定和卸壓抽采效果檢驗(yàn)技術(shù)；⑥瓦斯抽采長鉆孔施工及定向技術(shù)等，以上問題，需要科研院校和煤炭企業(yè)的共同努力，繼續(xù)進(jìn)行理論研究和科技攻關(guān)，使我國的瓦斯抽采技術(shù)得到進(jìn)一步的發(fā)展，為我國煤炭行業(yè)安全高效生產(chǎn)保駕護(hù)航。 采用新型封孔工藝封孔，提高了采掘工作面的瓦斯預(yù)抽率，減少了煤體向采掘空間的瓦斯涌出量，同時(shí)也降低了采掘工作面的瓦斯超限、“三級(jí)報(bào)警”的次數(shù)及發(fā)生煤與瓦斯突出的可能性，大幅提高了采掘過程中的安全性; 抽采孔的抽采效果提升后，增加瓦斯利用量，減少瓦斯對(duì)大氣的污染。對(duì)于掘進(jìn)工作面，減少了抽采時(shí)間，增加了有效掘進(jìn)時(shí)間，從而緩解了高瓦斯煤礦綜采工作面采掘接替緊張的局面。 二次封孔是一種新型封孔技術(shù)，它能在瓦斯抽采濃度下降到一定程度后有效封堵煤層鉆孔附近的裂隙，阻隔外界空氣的進(jìn)入，減少漏風(fēng)，使瓦斯抽采平均濃度提高23． 9%，提高了鉆孔的利用率，保證了工作面回采安全、高效地進(jìn)行。該技術(shù)對(duì)高瓦斯礦井的瓦斯抽采具有指導(dǎo)意義。  參考文獻(xiàn)： ［1］　俞啟香．礦井瓦斯防治［Ｍ］．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992 ［2］　周福寶，李金海，昃璽等．煤層瓦斯抽采鉆孔的二次封孔方法研究．中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009 ［3］　劉春，宋小林，周福寶等．帶壓定向注漿封孔技術(shù)在比德煤礦的應(yīng)用．中國煤炭，2011 ［4］　王兆豐．我國煤礦瓦斯抽放存在的問題及對(duì)策探討．焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2003 ［5］　丁守垠，李德參．煤層抽放鉆孔合理封孔深度的確定．淮南職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009 ［6］　龔敏，劉萬波，王德勝等．提高煤礦瓦斯抽放效果的控制爆破技術(shù)．北京科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2006 ［7］梁棟，王繼仁，葉光巖．采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植家?guī)律的試驗(yàn)研究．煤炭科學(xué)技術(shù)，1992( 3) : 16-18，59． ［8］王繼仁，馬平．半封閉采空區(qū)瓦斯運(yùn)移的示蹤分析．阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1995． ［9］齊慶杰，馮圣洪，白福臣，等．采場三維穩(wěn)定滲流和瓦斯分布的數(shù)學(xué)模型及有限元解法．阜新礦業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，1990． ［10］繆協(xié)興，劉衛(wèi)群，陳占清．采動(dòng)巖體滲流理論．北京: 科學(xué)出版社2004． ［11］國家煤礦安全監(jiān)察局. 《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》讀本．北京: 煤炭工業(yè)出版社，2009． ［12］石智軍，姚寧平，葉根飛. 煤礦井下瓦斯抽采鉆孔施工技術(shù)與裝備．煤炭科學(xué)技術(shù)，2009． 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