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高抽巷下行孔排水優(yōu)化瓦斯抽采技術研究

文檔作者：安東杰文檔來源：河南理工大學		點擊數(shù)：	更新時間： 2022年11月28日
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總第179期
doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2014．07．002
高抽巷下行孔排水優(yōu)化瓦斯抽采技術研究
安東杰
(河南理工大學安全科學與工程學院，河南焦作454003)
摘要：為了解決余吾煤業(yè)高抽巷下行孔瓦斯抽采濃度、流量偏低的問題，分析了影響抽采效果的因素，基
于壓氣排水原理，提出了壓氣排水裝置及相關技術，實現(xiàn)了下行孔高效排水，大大提高了抽采效果，縮短了
瓦斯治理時間，取得了明顯的經(jīng)濟效益。同時，詳細分析了此壓氣排水裝置能高效使用的條件，為此設計
的推廣使用奠定了基礎。
關鍵詞：高抽巷；瓦斯抽采；下行孔；壓風；排水
中圖分類號：TD712 文獻標識碼：A 文章編號：1005—2798(2014)07—0005—03
Gas Extraction Technology Research of High Alley
Pumping Down Hole Drainage Optimization
AN Dong-jie
(Safety Science and Engineering Institute of Henan Polytechnic University，Jiaozuo 454003，China)
Abstract：In order to resolve the problem of high alley pumping down hole gas extraction concentration and flow rate on the low side in
Yuwu Mining Company，it analyze the factors which affect the gas drainage effect and principle based on the compressed air drainage，
and it proposed compressed air drainage device and related technology，which can help realize efficient drainage，greatly improve the ex—
traction effect，shorten the time of gas control，achieved obvious economic benefits．At the same time，the conditions of the device can be
efficiently used are analyzed，which lay the foundation for the promotion of compressed air drainage device．
Keywords：high level suction roadway；gas drainage；down hole；compressed air；water drainage
高抽巷是頂板瓦斯抽排巷道的簡稱，是在待采
工作面煤層上覆頂板巖層中，位于煤層回采后的裂
隙帶下部布置一條頂板巖(煤)巷，在煤層回采后冒
落帶全部冒落．裂隙帶形成后，該頂板巷道與采空區(qū)
連通，由于瓦斯的上浮作用，該頂板巷道充滿高濃度
瓦斯氣體，通過預先安設的管道，運用機械方式使其
形成負壓將采空區(qū)瓦斯抽出?。余吾煤業(yè)在工作面
運輸巷掘進之前，先設計施工下一工作面高抽巷，在
巷內(nèi)施工下向鉆孔預抽煤層瓦斯，擴展了高抽巷的
用途．有利于煤巷掘進工作面的瓦斯災害防治，提高
了工作面運輸巷的掘進速度，節(jié)省了礦井開采成本。
余吾煤業(yè)$2107工作面瓦斯高抽巷作為$2107工作
面回采前和回風巷瓦斯預抽巷道。工作面未形成之
前，高抽巷主要目的是為了預抽回風巷煤層瓦斯，巷
道掘進前預抽率達到30％ 40％ ，確保掘進的安全
和速度。$2107高抽巷沿3號煤層頂板垂直14～
30 m掘進．巷道為全巖巷布置在粗粒砂巖中，平均傾
角+2。，設計長度1 406 m。$2107高抽巷巷道斷面
為矩形：高3．2 in、寬4．8 in、斷面積為15．36 in 。高
抽巷布置見圖1。
28 m
I
， ／
． — ．4． ．k一 I
5m 4．8 m 5m
回風巷 30·2m
圖1 高抽巷布置
1 提出問題
余吾煤業(yè)$2107高抽巷下行孔抽采時，遇到了
水堵嚴重、濃度低、流量小等問題。觀察現(xiàn)場情況，
依據(jù)設計資料分析，余吾煤業(yè)$2107高抽巷下行孔
屬于大角度大高差下行孔抽采．由于打鉆時使用水
收稿日期：2014-03-36
作者簡介：安東杰(1989一)，男，河南駐馬店人，在讀碩士研究生，研究方向為瓦斯災害預測與防治方面。
5
安東杰：高抽巷下行孔排水優(yōu)化瓦斯抽采技術研究 第23卷第7期
鉆且破壞了煤層頂板，水鉆施工過程中所使用的水
與頂板砂巖中的地層水滲入煤層中后聚集到鉆孔
內(nèi)，鉆孔內(nèi)形成一定高度的水柱，此水柱所產(chǎn)生的壓
力雖未高于煤體瓦斯解吸壓力。但其會嚴重影響抽
采負壓的抽采效果，最終導致抽采瓦斯?jié)舛燃巴咚?
流量不理想。基于以上分析，鉆孔深部集水能否及
時排出是關鍵所在[2]。本著設計出一種簡單有效、
適合井下使用排水方案的原則．提出了利用井下壓
縮空氣作為動力源進行壓氣排水的方案。此壓氣排
水方案只需要利用井下0．5～0．7 MPa的壓風管路
風流作為動力源，通過孔口聯(lián)網(wǎng)裝置的巧妙設計，將
高落差下行孔孔底積水順利排出。此方法在余吾煤
業(yè)得到了應用，并取得了良好效果
2 壓氣排水系統(tǒng)工作原理
壓氣排水系統(tǒng)的工作原理如圖2所示．壓氣排
水器由排水管AM和導氣管CD組成．它們借助于托
座在B點處連結。在此圖上管道以三通管相連。這
樣裝配起來的壓氣排水器放進水中并潛人到 的
深度，此深度叫做潛入深度，是自導氣管與排水管連
結處到水面的距離。由壓氣裝置沿導氣管DB往井
中送壓縮空氣?？諝馀c水在管子中形成氣水混合
物，稱為乳狀液。高壓空氣在管子DB中對井內(nèi)液
面形成一定壓力，促使井內(nèi)液體由MA向外排出。
圖2 壓氣排水原理
因為壓縮空氣的壓力遠高于井內(nèi)液面所產(chǎn)生的
靜壓力，管子MA中液面(如同在聯(lián)通的容器中)應
當高于井中的水平面。當管子AM中乳狀液液面上
升很高時，將從管中流出水與空氣的混合物。在適
當?shù)墓ぷ鳁l件下．壓氣排水器可以不斷地往地面上
送水；其能力取決于多種因素，如送氣壓力、乳狀液
密度、井深、井口關井質(zhì)量等f3]。
3 余吾煤業(yè)$2107高抽巷壓氣排水器設計
基于壓氣排水器工作原理，根據(jù)$2107高抽巷
的具體情況，采用井下壓縮空氣作為動力源，進行壓
氣排水，排出瓦斯孔中積水。此方案利用壓氣排水
裝置原理．但依據(jù)現(xiàn)場情況只能將排水管放入壓氣
6
管內(nèi)部，以適應井下施工作業(yè)程序。具體方案見圖
3。
一蓁 魯 (a)裝置剖面 (b)裝置示意
1 氐壓氣管；2一們2 111111三通；3一D32 mm截止閥；
4一三通；5一D51 122i／1截止閥；6一D51 iTlm瓦斯抽排管；
7一瓦斯孔封堵；8一積水抽排管
圖3 下向瓦斯孔積水壓氣抽排方案
圖3中所示瓦斯孔封堵7仍然使用礦上原有水
泥砂漿封孔方式，排水管8使用鋁塑管，壓風管路與
1相連接，壓氣排水時可以關閉截止閥5，打開閥門3
后，緩慢打開壓風管路閥門，隨著注入下行孔內(nèi)的氣
體增加，孑L內(nèi)積水會從排水管8中流出。通常情況
下現(xiàn)場會將7～9個鉆孔作為1組連接到1個匯流
管，以方便統(tǒng)一管理。為了與現(xiàn)場情況相適應，可以
用閥門與高壓管將7～9個鉆孑L的壓風管通過一相
連接，同時也適應了井下每50 m才有1個壓風管路
接口。每次排水完成后，關閉閥門3，打開截止閥5，
即可正常抽采。
4 壓氣排水效果考察
壓氣排水效果的考察標準應該為抽采濃度與排
水深度。抽采濃度的提高是抽采效果考察的首要標
準，提高了瓦斯抽采濃度才能保證抽采效果，讓高抽
巷前期預抽起到預計的作用。排水管的下放深度直
接決定了壓氣排水的實際可排深度，在排水管下放
深度已定的前提下．抽采濃度則是考察排水效果的
最終評價指標。依據(jù)余吾煤業(yè)$2107高抽巷壓氣排
水現(xiàn)場效果，總結對比壓氣排水前后的單孑L瓦斯抽
采濃度變化情況．結果見表1。
在所進行的壓風排水的下行孔中，從首期壓風
排水的下行孔中選取布置位置連續(xù)的20組數(shù)據(jù)進
行對比研究，對比結果見圖4。由圖4數(shù)據(jù)對比可以
看出，壓氣排水前后單孔瓦斯抽采濃度的變化是明
顯的。總結首期觀測鉆孔的抽采數(shù)據(jù)，壓氣排水前
平均單孔抽采濃度為14．7％ ，壓氣排水后平均單孔
抽采濃度變?yōu)?2．4％。單孑L平均抽采瓦斯?jié)舛忍岣?
了51．8％ ：僅總結十七組～三十三組鉆孔的抽采數(shù)
據(jù)．壓氣排水前平均單孔抽采濃度為10．7％ ，壓氣
排水后平均單孔抽采濃度變?yōu)?9．9％ ，單孑L平均抽
采瓦斯?jié)舛忍岣吡?4．7％ ；通過數(shù)據(jù)可以看出，余
吾煤業(yè)高抽巷$2107下行孔壓氣排水提高抽采效果
2014年7月 安東杰：高抽巷下行孔排水優(yōu)化瓦斯抽采技術研究 第23卷第7期
是顯著的。
表1 壓氣排水效果考察
5 壓氣排水系統(tǒng)成功使用條件分析
在將壓氣排水方案推廣使用期間，出現(xiàn)了一些
現(xiàn)象值得思考。
1) 在對14組w，號孔進行壓氣排水時，孑L口
封孔位置有大量的水和氣體噴出，不僅說明了孔內(nèi)
蓄水高度可能已經(jīng)接近了孔口附近，還說明了封孔
效果很影響壓氣排水的效果。
2) 在對14組w，號孔壓氣排水完畢30 min
后．研究人員再次對其進行一次排水，排出1O L左
右的水后．孔口不再有水噴出，只有大量氣體噴出。
由此說明了$2107高抽巷下行孔蓄水能力很強，需
要加強下行孔排水管理．一天兩次的下行孔壓氣排
水必須保證有效落實。
3) 在壓氣排水過程中出現(xiàn)有鄰近鉆孔排水現(xiàn)
象，此現(xiàn)象說明相鄰鉆孔有串孔情況。串孔不僅影
響壓氣排水效果，同時也會大大影響到抽采效果。
因此．下行孔施工的孔間距應適當調(diào)整，以滿足預抽
煤層噸煤鉆孔密度的前提下盡量調(diào)大。
4) 壓氣排水設備安裝過程中，存在排水管下
放深度受限情況，排水管未能下放到下行孑L孔底，這
樣會使得壓氣排水過程中所排出的礦井水并非全部
的孔內(nèi)積水，積水未能及時排出的話，定會影響瓦斯
抽采的效果。分析排水管不能完全下放至孔底的原
因，主要是因為孔內(nèi)存在煤渣與巖屑的緣故。而煤渣
與巖屑又分為兩部分，一部分是懸浮余渣，另一部分
是深部沉渣。建議使用鉆孔深部造口袋方法使深部
沉渣集中到煤層底板部位鉆孔內(nèi) 4]．而懸浮余渣其
實是可以通過排水管順利排出，只需要借助探桿輔
助排水管下放到懸浮余渣深部即可，此方法也已經(jīng)
得到順利實施。下行孔沉渣示意見圖5。
3 5 7 9 11 13151719 21 23 25 27 29 31 3]35 37 3941 43 4547 49 5
孔號
· 排水前單孔濃度；口排水后單孔濃度
圖4 壓氣揚水前后抽采效果對比
圖5 鉆孔內(nèi)部沉渣示意
(下轉(zhuǎn)第20頁)
7
∞ ∞ ∞ ∞ ∞ ∞ 堡越 糕
2014耳7月 滑俊杰等：順層定向長鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯防突技術研究與應用 第23卷第7期
試驗巷遭長度／m
圖5 區(qū)域預抽效果檢驗測定結果統(tǒng)計示意
4．3 掘進工作面突出危險性效果驗證
在3301、3302、3303巷道掘進工作面掘進過程
中進行防突指標檢驗．跟蹤測定巷道500 113．由于
s值都小于臨界值6 kg／m，只對 值測定結果進行
統(tǒng)計， 值臨界值為0．5 mL／(g·min )，掘進區(qū)段
內(nèi)測定269次，其中超標l1次，檢測合格率為95．9％。
防突指標檢測結果見圖6。從圖6中可以看出預抽
效果明顯，為安全掘進打下堅實基礎。
：；
：：
。 o．5
3：；
0 50 lool5O 20o 250 300 350 400 4505130 550
試驗巷道長度，m
圖6 防突指標檢測結果統(tǒng)計示意
5 結語
1) 通過施工順層定向長鉆孔，破壞了煤體原
有應力分布，在應力重新分布過程中形成卸壓帶，從
而增強了煤體透氣性，提高了鉆孔瓦斯抽放效果，降
低了煤體內(nèi)積聚的瓦斯能量。有效消除了煤層的突
出危險性。
2) 順層定向長鉆孔預抽區(qū)段煤層瓦斯防突措
施是利用相鄰上一區(qū)段巷道施工定向長鉆孔預抽下
一區(qū)段的煤層瓦斯，掘進巷道時進行預抽效果檢驗，
同時在掘過的巷道施工下一區(qū)段抽放鉆孔．這樣形
成一個抽、掘、采循環(huán)模式
3) 順層定向長鉆孔是高濃度、大區(qū)域預抽煤
層瓦斯，抽采濃度穩(wěn)定期抽采時間長，預抽區(qū)域殘余
瓦斯含量效果檢驗都不超標，掘進過程中檢測指標
值達到95．9％ 的合格率，充分說明抽采效果顯
著，大大降低了煤層瓦斯壓力和含量，消除了煤層突
出危險性，保障了礦井安全生產(chǎn)。
參考文獻：
[1] 王樹鶴．煤與瓦斯突出規(guī)定讀本[M]．北京：煤炭工業(yè)
出版社．2009．
[2] 王省身，張國樞．礦井火災防治[M]．徐州：中國礦業(yè)大
學出版社．1990．
[3] 聶百勝，劉明舉．順層長鉆孑L預抽煤層瓦斯區(qū)域防突技
術在潘三礦的應用[J]．煤礦安全，2014，43(12)：120—
122．
[4] 林柏泉，周世寧．煤體滲透率的實驗研究[J]．中國礦業(yè)
學院學報，1987(1)：21—28．
[5] 張子敏．瓦斯地質(zhì)學[M]．徐州：中國礦業(yè)大學出版社，
2009．
[6] 林柏泉，崔恒信．礦井瓦斯防治理論與技術[M]．徐州：
中國礦業(yè)大學出版社．1998．
[責任編輯：常麗芳]
(上接第7頁)
6 結語
1) 封孔效果直接影響到了壓氣排水系統(tǒng)排水
的使用，密封嚴密不漏氣才能保證壓風管路提供的
高壓氣動力有效地作用到孔內(nèi)液面．從而將下行孔
孔底積水排出。
2) 合理的布孔間距是為了減少串孔現(xiàn)象。串
孔往往是井下抽采的難癥，串孔不僅會使得鉆孔負
壓在孑L口形成短循環(huán)而影響抽采效果．同樣也會影
響壓氣排水系統(tǒng)的正常使用。串孔使得壓風動力分
散到幾個鉆孔內(nèi)，這樣會導致排水動力不足．無法將
積水從孔底排出。
3) 下行孔的孔深設計也是順利抽采的保障，
在下行孔深部煤層底板處留10 m深的口袋，這樣可
以為無法順利排出的巖屑與煤渣提供一個沉淀的空
間。如此便保證了巖屑與煤渣不會堵塞鉆孔煤層
20
段。也就不會影響鉆孔的瓦斯抽采。
4) 鉆孑L的壓氣排水工作的管理落實同樣重
要．由現(xiàn)場實測的鉆孔蓄水情況來看，余吾煤業(yè)高抽
巷下行孔蓄水能力較強。在排水前期，唯有保證了
每天排水2次以上，才能有效的避免孔內(nèi)積水影響
抽采。
參考文獻：
[1] 武磊，毛桃良，戴廣龍，等．黃巖匯煤礦高抽巷的最佳
位置選擇[J]．中國礦業(yè)，2012，10(15)：15—18．
[21 煤炭科學研完總院重慶分院，松藻礦務局．下向孔抽放
下鄰近層瓦斯的工藝及效果考察的研究[J]．煤炭工
程師，1990(2)：18—24．
[3] 馬鞍山鋼鐵學院．露天礦用深孔壓氣排水器[J]．金屬
礦山，1974(3)：56．
[4] 王建學．鉆井工程[M]．北京：石油工業(yè)出版社，2008．
[責任編輯：常麗芳]

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