巴 全 斌

(1.瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國家重點實驗室,重慶 400037;2.中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司,重慶 400037)

0 引 言

鉆孔瓦斯抽采是目前煤礦井下瓦斯抽采的主要方式之一,是治理煤與瓦斯突出的根本措施[1]。受鉆孔施工工藝、水文地質(zhì)條件等因素影響,含水煤巖層的下向瓦斯抽采鉆孔中一般會積存大量的水,當(dāng)抽采負(fù)壓不足以將水完全帶出時,鉆孔中積水的不斷累積形成堵孔,造成有效氣流斷面減小,抽采負(fù)壓損耗,鉆孔瓦斯運移產(chǎn)出通道阻塞,抽采效果受到嚴(yán)重影響[2]。此外,由于積水的浸泡,鉆孔周圍煤巖體穩(wěn)定性也將受到影響,如黏土層吸水膨脹,造成鉆孔孔壁坍塌堵塞[3]。文獻(xiàn)[4-6]研究了水對煤中瓦斯解析影響,證實水的后置侵入具有損害作用;陳勇[7]針對管路積水對瓦斯抽采效果影響展開研究,得出鉆孔積水是抽采管路的主要來源,易在管路低洼處形成管路堵塞;王良金等[8]研究了下向鉆孔積水煤渣堵孔致使鉆孔失效作用機(jī)理,并對含水下向及近水平鉆孔抽采效果進(jìn)行評價,得出當(dāng)抽采純量下降至標(biāo)準(zhǔn)鉆孔同期60%以下或泥巖封堵段超過50%時,需要進(jìn)行排水操作。

目前下向抽采鉆孔的排水方式主要是利用井下壓風(fēng)進(jìn)行排水,一種是在鉆孔施工完成前利用井下壓風(fēng)對鉆孔積水和煤渣進(jìn)行吹排,但只能暫時排出一定量的積水,無法解決含水煤巖層涌水量較大的下向鉆孔;此外專家學(xué)者展開了相關(guān)的研究,文獻(xiàn)[9-14]通過鉆孔內(nèi)下入排水管路,利用井下壓風(fēng)實現(xiàn)了自動排水目的;翟成等[15]提出了一種多孔并聯(lián)式壓風(fēng)排水技術(shù),實現(xiàn)了封孔、排水和瓦斯抽采的一體化;童碧等[16]研究了下向穿層水力化措施后的排水方式,以上仍是以壓風(fēng)排水為主要方法,雖然可以一定程度上緩解鉆孔積水,但存在壓風(fēng)破壞鉆孔孔壁穩(wěn)定性,鉆孔排出的積水和煤渣造成抽采管路堵塞等問題。

為解決含水煤巖層下向瓦斯抽采鉆孔積水堵孔和上述壓風(fēng)排水存在的弊端,筆者研發(fā)了下向鉆孔自動抽排水系統(tǒng),設(shè)計了多孔并聯(lián)管路布置方式,形成了多孔并聯(lián)自動抽排水工藝,實現(xiàn)了多個下向鉆孔自動循環(huán)排水的目的,有效解決了下向瓦斯抽采鉆孔積水問題,實現(xiàn)了集約化、高效化和自動化的鉆孔排水目的,顯著提高了鉆孔瓦斯抽采效果。

1 多孔并聯(lián)自動抽排水技術(shù)

含水煤巖層下向瓦斯抽采鉆孔排水技術(shù)采用多孔并聯(lián)自動抽排水工藝,主要包括下向瓦斯抽采鉆孔自動抽排水系統(tǒng)和多孔并聯(lián)管路布置方式。自主設(shè)計開發(fā)了下向瓦斯抽采鉆孔自動排水系統(tǒng),利用氣動排水泵的抽排水作用,在礦用隔爆兼本安型可編程控制箱的協(xié)調(diào)下,通過控制礦用電動閥的開閉實現(xiàn)氣動排水泵的啟停,從而完成下向瓦斯抽采鉆孔積水煤渣的排出;同時,利用礦用隔爆兼本安型可編程控制箱擴(kuò)展性和協(xié)同性,設(shè)計了多孔并聯(lián)的管路布置方式,通過在多個鉆孔內(nèi)下入排水管和管路并聯(lián)匯入集排水管路,并在鉆孔內(nèi)排水管路外端和氣動排水泵的壓風(fēng)管安裝礦用電動閥,從而形成多孔并聯(lián)的自動抽排水工藝,在礦用隔爆兼本安型可編程控制箱的控制下,實現(xiàn)多個下向瓦斯抽采鉆孔自動循環(huán)排水過程。

該技術(shù)克服了壓風(fēng)排水工藝對鉆孔穩(wěn)定性影響的弊端,同時有效解決了積水煤渣堵塞抽采管路的問題,在排水過程中不影響鉆孔的正常抽采,從根本上解決下向抽采鉆孔由于積水問題導(dǎo)致的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)低和抽采量小的難題,有效提高鉆孔利用率和抽采效果。

2 下向抽采鉆孔自動抽排水系統(tǒng)

2.1 下向抽采鉆孔排水系統(tǒng)組成

下向瓦斯抽采鉆孔排水系統(tǒng)主要包括礦用隔爆兼本安型可編程控制箱、礦用排水泵、礦用電動閥、排水管路、電源線和信號線等,主要系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。通過在下向鉆孔內(nèi)放置排水管,在礦用隔爆兼本安型可編程控制箱、礦用電動閥和礦用排水泵的協(xié)調(diào)配合下進(jìn)行自動抽排水工作。

圖1 下向抽采鉆孔多孔并聯(lián)自動抽排水系統(tǒng)組成

1)礦用隔爆兼本安型可編程控制箱。下向瓦斯抽采鉆孔自動抽排水系統(tǒng)采用礦用隔爆兼本安型可編程控制箱,其中PLC可編程控制器作為核心設(shè)備,具有較強(qiáng)的適用性、可擴(kuò)展性和通信能力[17-19]。PLC控制箱利用信號線連接安裝在排水管路和壓風(fēng)管路上的電動閥,通過控制若干個電動閥協(xié)調(diào)工作,從而實現(xiàn)多個下向瓦斯抽采鉆孔的自動循環(huán)排水操作。主要技術(shù)參數(shù):供電電壓AC660/127 V;容許最大供電電流32 A(660 V)/5 A(127 V);本安參數(shù)：關(guān)聯(lián)設(shè)備在故障狀態(tài)下的最高輸出電壓Uo為18.5 V,最大輸出電流Io為1 000 mA,允許的最大外部電容Co為2.1 μF,允許的最大外部電感Lo為0.1 mH;規(guī)格尺寸為760 mm×665 mm×925 mm(長×寬×高);質(zhì)量為300 kg。

2)礦用排水泵。礦用排水泵采用氣動隔膜泵為主要抽排水裝備,以井下壓風(fēng)為動力源,通過驅(qū)動腔體內(nèi)的柔性隔膜來實現(xiàn)流體輸送[20],具有強(qiáng)勁的虹吸能力,可以輸送一定大小的煤渣顆粒,方便煤礦井下使用。礦用排水泵的進(jìn)氣端與井下壓風(fēng)管和電動閥連接,進(jìn)水端與集排水管路連接,出水端與氣水分離器連接。主要技術(shù)參數(shù)：最大懸浮物直徑為6.4 mm,最大流量為651 L/min,最大揚程為60 m,干吸高度為8.3 m,質(zhì)量為29.6 kg。

3)礦用電動閥。礦用電動閥采用電動球閥作為管路開閉控制裝置,安裝在鉆孔排水管和礦用排水泵的進(jìn)風(fēng)管路上。礦用電動閥體積小、質(zhì)量小,同時結(jié)構(gòu)簡單、驅(qū)動力矩小,可通過球體旋轉(zhuǎn)快速實現(xiàn)管路開閉控制,工作穩(wěn)定可靠,具有良好的流量調(diào)節(jié)功效和封閉密封特性,可以輸送含煤渣的流體。礦用電動閥安裝在鉆孔排水管和礦用排水泵的進(jìn)風(fēng)管上,從而實現(xiàn)電動球閥控制瓦斯抽采鉆孔管路或排水泵工作,并通過信號線與控制箱連接。

2.2 系統(tǒng)控制及運行方式

系統(tǒng)運行控制利用PLC控制箱協(xié)調(diào)礦用排水泵和礦用電動閥協(xié)同工作來實現(xiàn)自動循環(huán)排水,設(shè)計了3種系統(tǒng)運行控制方式,如圖2所示,運行過程中可以實時修改和設(shè)定單次或循環(huán)排水時間,提高下向鉆孔排水的集約化、高效化和自動化程度。

圖2 系統(tǒng)控制及運行模式

1)全自動模式:系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的時間實現(xiàn)下向鉆孔的自動循環(huán)排水。

2)半自動模式:對選擇的下向鉆孔組依次進(jìn)行排水操作,一次排水完成后自動停止。

3)手動模式:現(xiàn)場電動閥進(jìn)行手動操作,實現(xiàn)對單個鉆孔的一次排水操作。

2.3 下向抽采鉆孔排水操作流程

下向抽采鉆孔排水操作流程如下：①無排水操作時,下向抽采鉆孔排水管路和礦用排水泵壓風(fēng)管路的電動閥關(guān)閉,抽采鉆孔內(nèi)的瓦斯由抽采管路進(jìn)入抽采系統(tǒng),正常抽采;②排水操作時, PLC控制箱開啟排水管路和壓風(fēng)管路電動閥,井下壓風(fēng)→礦用排水泵→下向抽采鉆孔積水→鉆孔排水管和集排水管路→氣水分離器→積水排出,排水過程不影響正常瓦斯抽采,下向鉆孔內(nèi)的瓦斯由抽采管路自行進(jìn)入抽采系統(tǒng),同時排水管路的瓦斯經(jīng)氣水分離器進(jìn)入抽采系統(tǒng),避免造成巷道瓦斯超限;③抽排水一段時間后, PLC控制箱控制關(guān)閉鉆孔排水管路電動閥和壓風(fēng)管路電動閥,排水泵停止工作,進(jìn)入下一個待排水鉆孔的排水操作。

3 多孔并聯(lián)排水管路布置

下向抽采鉆孔排水管路布置采用多孔并聯(lián)的方式,以實現(xiàn)多個下向鉆孔自動循環(huán)排水的目的,主要為多孔并聯(lián)的集排水管路和鉆孔內(nèi)排水管路布置,采用不同管徑的硬質(zhì)聚氯乙烯管。

3.1 集排水管路布置方式

下向抽采鉆孔集排水管路布置如圖3所示,采用多孔并聯(lián)模式,采用硬質(zhì)聚氯乙烯管。集排水管路與礦用排水泵進(jìn)水端連接,礦用排水泵出水端與氣水分離器連接,實現(xiàn)氣水分離,積水和煤渣通過放水器放出,混合的瓦斯通過氣水分離器進(jìn)入抽采管路。

圖3 下向鉆孔多孔并聯(lián)排水管路布置

3.2 鉆孔排水管路布置

根據(jù)下向抽采鉆孔條件和封孔段要求,鉆孔內(nèi)排水管路布置包括排水管、排水管螺紋接頭、排水管孔眼、三通裝置、三通后蓋、密封接頭和密封圈等,如圖4所示,排水管采用小管徑的聚氯乙烯管,要求小于抽采管內(nèi)徑,以便從抽采管內(nèi)通過。

圖4 下向抽采鉆孔排水管路布置

在抽采鉆孔封孔完成后,將排水管通過抽采管內(nèi)部下入鉆孔指定位置,多節(jié)排水管通過螺紋連接,作為鉆孔積水排水通道。同時前端單節(jié)排水管封堵并增加孔眼,方便積水進(jìn)入通道和預(yù)防煤渣堵塞排水管;在抽采管外端安裝三通裝置,三通下端出口與匯流管連接,用于正常瓦斯抽采,三通后端安裝后蓋,后蓋中間開螺紋孔,方便密封接頭連接,同時密封接頭內(nèi)有密封圈,密封圈套在排水管上,通過密封接頭實現(xiàn)鎖緊和密封,最后接入集排水管路。

4 現(xiàn)場試驗及效果

4.1 礦井概況

根據(jù)資料顯示,某礦井田面積為71.39 km2,主采3號煤層,生產(chǎn)能力為4.0 Mt/a,煤層瓦斯壓力為0.42 MPa,瓦斯相對涌出量為6.42～9.42 m3/t,為高瓦斯礦井;礦井正常涌水量為36.78 m3/h,最大涌水量為40.5 m3/h。

工作面抽采鉆孔普遍為下向或近水平鉆孔,由于鉆孔施工時水力排渣及煤巖層涌水量較大等因素,鉆孔內(nèi)普遍存在較多積水和煤渣,進(jìn)一步堵塞了抽采管路,造成抽采效果差,抽采達(dá)標(biāo)時間長,嚴(yán)重影響了抽掘采的正常接替。

4.2 試驗地點及鉆孔條件

根據(jù)抽采數(shù)據(jù)和現(xiàn)場勘察,3307工作面煤巖層含水量較大,下向抽采鉆孔均有積水,且存在塌堵孔現(xiàn)象,鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采流量低且衰減快,平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)為5.0%～13.8%,抽采效果差。

試驗地點為3307工作面開切眼,如圖5所示,試驗鉆孔共5個,鉆孔傾角3°～15°,鉆孔深度為75～100 m,鉆孔間距為2.5 m,孔徑為113 mm，封孔深度為12 m,抽采管徑為50 mm,因此鉆孔排水管采用管徑為25 mm的礦用聚氯乙烯管,集排水管采用管徑為50 mm的礦用聚氯乙烯管,設(shè)定系統(tǒng)單孔自動排水時間2 min。

圖5 下向抽采鉆孔排水試驗鉆孔位置

4.3 試驗效果

排水效果考察采用對比試驗鉆孔排水前后的瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和絕對瓦斯涌出量變化情況。開始前記錄試驗鉆孔抽采參數(shù)數(shù)據(jù),保持抽采負(fù)壓一致,試驗開始后定期測定鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和絕對瓦斯涌出量等,并對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析,繪制試驗鉆孔排水前后瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和純量變化趨勢圖,如圖6所示。

由圖6可得,試驗鉆孔完成排水后,抽采效果得到明顯改善,鉆孔平均瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)提高到23.3%～53.6%,絕對瓦斯流出量提高為0.028 9～0.052 4 m3/min,對比排水前分別提高了2.19～3.87倍和1.68～2.94倍。通過試驗結(jié)果證明,下向鉆孔排水技術(shù)可以較好地解決下向鉆孔積水不易排出問題,顯著提高了鉆孔抽采效果,確保了鉆孔瓦斯抽采通道暢通。

圖6 試驗鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和絕對瓦斯涌出量變化

5 結(jié) 論

1)針對含水煤巖層下向瓦斯抽采鉆孔積水問題,開發(fā)了下向抽采鉆孔自動抽排水系統(tǒng),以井下壓風(fēng)為動力,通過PLC控制箱協(xié)調(diào)排水泵和電動球閥工作,實現(xiàn)了自動化排水的目的,克服了壓風(fēng)排水對鉆孔穩(wěn)定性影響和煤渣堵塞抽采管路的問題。

2)設(shè)計了多孔并聯(lián)的管路布置方式,通過在下向鉆孔內(nèi)排水管路布置和集排水管路并聯(lián),實現(xiàn)了多個鉆孔自動循環(huán)排水操作,達(dá)到了集約化、高效化和自動化的排水目的。

3)通過開展下向抽采鉆孔排水技術(shù)應(yīng)用研究,結(jié)果證明,試驗鉆孔瓦斯抽采體積分?jǐn)?shù)和抽采純量分別提高2.19～3.87倍和1.68～2.94倍,有效解決了下向鉆孔積水問題,顯著提高了鉆孔瓦斯抽采效果。