SDQ－73型深孔取样装置在松软高突煤层中的适用性研究∗

晁建伟吕伟伟耿延辉

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆市沙坪坝区,400037; 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆市沙坪坝区,400037)

★煤矿安全★

SDQ－73型深孔取样装置在松软高突煤层中的适用性研究∗

晁建伟1,2吕伟伟1,2耿延辉1,2

(1.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室,重庆市沙坪坝区,400037; 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司,重庆市沙坪坝区,400037)

煤层瓦斯含量井下直接测定结果的准确性很大程度上取决于所取煤样的质量。针对松软高突煤层中取样问题的现状,展开了SDQ－73型深孔取样装置在松软高突煤层的适用性研究。通过在首山一矿二1煤层12050、12061工作面的井下试验,分别完成了SDQ－73取样适用性试验及孔口接粉取样试验,并对两种取样方法的测试结果进行对比分析,得出该深孔快速取样装置可实现在松软高突煤层中的深孔、定点、快速取样,且取样质量明显高于传统的孔口接粉取样,完全符合GB/T23250《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》的取样要求。

SDQ－73型深孔取样装置 松软高突煤层 瓦斯含量测定 直接测定 适用性

目前煤层瓦斯含量测定工作大多以现场取样测定为主,取样的质量将直接影响测定结果。但现有的取煤样装备及工艺普遍存在取样速度较慢、所取煤样定点性没有保证的问题,很难实现《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》的要求(定点取样且取样时间不大于5 min)。

松软高突煤层具有煤层松软、透气性差和瓦斯压力大等特点,为了更准确把握工作面的突出危险性,区域突出危险性预测指标瓦斯含量的准确测定就显得尤其重要,而取样工作是直接测定此类煤层瓦斯含量的关键。SDQ－73型深孔取样装置为实现深孔、定点、快速取样而研发,通过对其在松软高突煤层中的适用性进行研究,可为此类煤层瓦斯含量井下直接测定工作提供相应支持。

1 工程概况

1.1 试验工作面概况

结合首山一矿实际生产情况,SDQ－73型深孔取样装置适用性研究和传统的孔口接粉取样考察试验选择在12050工作面运输巷、回风巷和12061工作面运输巷进行。12050工作面平均走向长度1546 m,平均倾斜长度212 m,12061工作面平均走向长度1294 m,平均倾斜长度239 m;两个工作面同采二1煤层,煤层厚度1.80～4.71 m,平均3.5 m,倾角为5°～13°,平均8°,坚固性系数0.1～0.4,煤层较为松软、破碎,瓦斯含量3.6～19.5 m3/t,瓦斯压力0.49～3.6 MPa。煤层中间有夹矸1～2层,夹矸厚度0.03～0.65 m,一般0.15～0.3 m,平均0.27 m,夹矸岩性为泥岩及炭质泥岩。工作面采用爆破落煤,走向长壁式开采,全部垮落法管理顶板。

1.2 工作面区域预抽钻孔施工概况

12050工作面采用在运输巷、回风巷和中间底板巷施工顺层和穿层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯。其中运输巷采用顺层钻孔预抽,钻孔长度85 m,钻孔间距2.4 m;回风巷采用顺层钻孔预抽,钻孔长度75 m,钻孔间距2.4 m;中间底板巷采用穿层钻孔预抽,预抽范围80 m,钻孔间距4.8 m×4.8 m。

12061工作面共布置3条煤巷,分别为运输巷、回风巷和中间巷,采用顺层钻孔预抽工作面煤层瓦斯。其中运输巷顺层预抽钻孔长度65 m,钻孔间距3.2 m;回风巷顺层预抽钻孔长度75 m,钻孔间距2.4 m;中间巷顺层预抽钻孔长度75 m,钻孔间距2.4 m。

2 SDQ－73型取样装置

SDQ－73型深孔取样装置由中煤科工集团重庆研究院有限公司研发,该装置采用孔口和孔底两级引射技术,可有效提高取样质量。正常钻进时,接上矿井压风,待孔口返风正常钻进,正常钻进示意图如图1所示;取样时,卸下打钻尾辫换上取样尾辫,接上矿井压风,待孔口返风后正常后钻进取样,取样过程示意图如图2所示。

图1 正常钻进示意图

图2 取样过程示意图

3 影响取样效果因素分析

根据GB/T23250《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》要求,所取煤样须为定点取样且取样时间不大于5 min。取样工作面煤层特点、取样装备及取样工艺技术都会对所取煤样质量产生较大影响。

3.1 取样工作面煤层特点

试验工作面为松软高突煤层,钻进过程中容易发生塌孔、堵钻现象,增加了取样难度;工作面已采用较为密集的顺层和穿层钻孔预抽煤层瓦斯,煤体内已产生大量的孔洞和空隙,取样过程中易发生串孔,也增加了取煤样的难度,影响取样效果。

3.2 取样装置

取样装置对所取煤样的质量有直接影响。目前我国的取煤样装置主要有普通煤芯管取样装置、双层取芯管取样装置、保压取芯装置及集气式取芯装置,普通煤芯管取样装置、双层取芯管取样装置和保压取芯装置都用岩芯管取样。而岩芯管取样装置较笨重,取样过程中需要来回退钻杆,不利于井下的快速取样;集气式取芯装置取样成功率低,现已很少使用。

SDQ－73型深孔取样装置采用先进的航天喷射技术和多级引射技术,可实现不撤钻杆取样,随钻随取,能有效缩短取样时间,实现定点取样,提高所取煤样的质量。

3.3 取样工艺

矿井原采用孔口接粉进行取样,但所取煤样定点性没有保障。

SDQ－73型深孔取样装置的取样工艺技术对取样效果也有较大影响。由于试验工作面的特点及施工了大量顺层钻孔,钻孔内的钻屑能否被正压风吹出,取决于孔内的风速及取样过程中所使用矿井压风供给的进风量,操作不当很容易发生堵钻或取样不足,因此,取样过程中应控制好钻进及旋转速度,调整合适的矿井压风,改进取样工艺,使煤样顺利排出。

4 井下现场取样

由于煤层松软,取样过程中严格控制钻头钻进和旋转的速度,保障顺畅排渣,不发生堵钻。

利用SDQ－73型深孔取样装置共施工取样钻孔23个,取样深度为30～73 m。其中在12050工作面回风巷施工下向顺层钻孔11个,钻孔直径95 mm,取样风压0.5 MPa,取样深度50～73 m;在12050工作面运输巷施工上向顺层钻孔4个,钻孔直径95 mm,取样风压0.5 MPa,取样成功3个,失败1个,取样深度47～57 m。在12061运输巷施工上向顺层钻孔8个,取样9个,钻孔直径95 mm,取样风压0.5 MPa,取样成功8个,失败1个,取样深度37～63 m。

在使用SDQ－73型深孔取样装置取样紧邻处,采用孔口接粉的方法进行孔口取样,以便对两种取样方式的测试结果进行对比分析,具体取样位置见图3,取样情况记录见表1。

图3 取样位置平面示意图

表1 取样情况记录表

注:钻孔倾角“＋”为上向孔,“－”为下向孔;超差为深孔定点取样所测瓦斯含量超出孔口接粉所测值的百分比;1＃钻孔在30 m处遇到二1煤层顶板,5＃钻孔由于密封垫破损,造成取样量不足

5 取样效果分析

两种取样方式所取煤样均在实验室进行相应测试,根据测试结果绘制出相应可解吸瓦斯含量对比图,如图4所示。

图4 两种取样方式所测可解吸瓦斯含量结果对比

从表1和图4可知:在现有进风管取样风压不小于0.5 MPa时,采用SDQ－73型井下深孔取样装置取样共施工23个取样钻孔,取样倾角－12°～12°,取样次数24次,取样成功22次,最大成功取样深度73 m;取样孔深度为30～73 m,取样时间小于5 min,取样成功率为91.7%;达到了GB/ T23250《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》的取样要求。

通过SDQ－73型深孔取样装置取样所测得的瓦斯含量普遍大于孔口接粉取样所测数据,且超出孔口接粉所测瓦斯含量值的3.8%～42%,平均21.2%。因此,通过SDQ－73型深孔取样装置的压风引射取样所测瓦斯含量更加准确,其取煤样质量明显高于传统的孔口接粉取样。

综上所述可知,SDQ－73型深孔取样装置在松软高突煤层中的取样效果较好,取样成功率较高,能够达到GB/T23250《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》的要求,且所取煤样的质量要远高于传统孔口接粉取样方式,所测瓦斯含量更接近煤层瓦斯含量的真实情况。SDQ－73型深孔取样装置能够满足在松软高突煤层中深孔定点取样要求。

6 结论

(1)SDQ－73型深孔取样装置在风压不小于0.5 MPa时,可实现在松软高突煤层中定点取样,且取样时间小于5 min,取样成功率达到91.7%。

(2)SDQ－73型深孔取样装置在松软高突煤层中所取煤样测定瓦斯含量值远大于传统的孔口接粉取样方式,更接近真实值, 取样质量较高,达到了GB/ T23250《煤层瓦斯含量井下直接测定方法》的要求,可在类似条件矿井推广使用。

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Research on adaptability of SDQ－73 type deep-hole sampling device in the soft and high outburst coal seam

Chao Jianwei1,2,Lv Weiwei1,2,Geng Yanhui1,2
(1.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Shapingba,Chongqing 400037,China; 2.China Coal Technology&Engineering Group Chongqing Institute Co.,Ltd., Shapingba,Chongqing 400037,China)

The accuracy of gas content determined directly in the coal seam of the underground mines depends largely on the quality of coal samples.For the soft and high outburst coal seam sampling problem,this paper did the research on the applicability of SDQ-73 type deep-hole sampling device in the soft and high outburst coal seam;the sampling tests were done respectively by the SDQ-73 type deep-hole sampling and the orifice powder sampling in 12050 and 12061 working faces of 21coal seam in Shoushan No.1 Coal Mine,and the test results by the two sampling methods were compared and analyzed.the SDQ-73 type deep-hole samplings device can sample fast in the deep hole and the targeted location of the soft and high outburst coal seam and the sample quality was significantly higher than that of the traditional orifice powder sampling, and was fully in line with the sampling requirements in GB/T23250＂the direct determination method of underground coal seam gas content＂.

SDQ-73 type deep-hole sampling device,soft and high outburst coal seam,gas content determined,direct determination,adaptability

TD712.3

A

晁建伟(1978－),男,河南临颍县人,助理研究员,硕士,从事巷道矿山压力及其控制和煤矿瓦斯灾害防治技术的研究工作。

(责任编辑 张艳华)

“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAK04B01),重庆市自然科学基金项目(cstc2012jiA90002)