含水煤岩层下向钻孔多孔并联自动抽排水技术

巴 全 斌

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

0 引 言

钻孔瓦斯抽采是目前煤矿井下瓦斯抽采的主要方式之一,是治理煤与瓦斯突出的根本措施[1]。受钻孔施工工艺、水文地质条件等因素影响,含水煤岩层的下向瓦斯抽采钻孔中一般会积存大量的水,当抽采负压不足以将水完全带出时,钻孔中积水的不断累积形成堵孔,造成有效气流断面减小,抽采负压损耗,钻孔瓦斯运移产出通道阻塞,抽采效果受到严重影响[2]。此外,由于积水的浸泡,钻孔周围煤岩体稳定性也将受到影响,如黏土层吸水膨胀,造成钻孔孔壁坍塌堵塞[3]。文献[4-6]研究了水对煤中瓦斯解析影响,证实水的后置侵入具有损害作用;陈勇[7]针对管路积水对瓦斯抽采效果影响展开研究,得出钻孔积水是抽采管路的主要来源,易在管路低洼处形成管路堵塞;王良金等[8]研究了下向钻孔积水煤渣堵孔致使钻孔失效作用机理,并对含水下向及近水平钻孔抽采效果进行评价,得出当抽采纯量下降至标准钻孔同期60%以下或泥岩封堵段超过50%时,需要进行排水操作。

目前下向抽采钻孔的排水方式主要是利用井下压风进行排水,一种是在钻孔施工完成前利用井下压风对钻孔积水和煤渣进行吹排,但只能暂时排出一定量的积水,无法解决含水煤岩层涌水量较大的下向钻孔;此外专家学者展开了相关的研究,文献[9-14]通过钻孔内下入排水管路,利用井下压风实现了自动排水目的;翟成等[15]提出了一种多孔并联式压风排水技术,实现了封孔、排水和瓦斯抽采的一体化;童碧等[16]研究了下向穿层水力化措施后的排水方式,以上仍是以压风排水为主要方法,虽然可以一定程度上缓解钻孔积水,但存在压风破坏钻孔孔壁稳定性,钻孔排出的积水和煤渣造成抽采管路堵塞等问题。

为解决含水煤岩层下向瓦斯抽采钻孔积水堵孔和上述压风排水存在的弊端,笔者研发了下向钻孔自动抽排水系统,设计了多孔并联管路布置方式,形成了多孔并联自动抽排水工艺,实现了多个下向钻孔自动循环排水的目的,有效解决了下向瓦斯抽采钻孔积水问题,实现了集约化、高效化和自动化的钻孔排水目的,显著提高了钻孔瓦斯抽采效果。

1 多孔并联自动抽排水技术

含水煤岩层下向瓦斯抽采钻孔排水技术采用多孔并联自动抽排水工艺,主要包括下向瓦斯抽采钻孔自动抽排水系统和多孔并联管路布置方式。自主设计开发了下向瓦斯抽采钻孔自动排水系统,利用气动排水泵的抽排水作用,在矿用隔爆兼本安型可编程控制箱的协调下,通过控制矿用电动阀的开闭实现气动排水泵的启停,从而完成下向瓦斯抽采钻孔积水煤渣的排出;同时,利用矿用隔爆兼本安型可编程控制箱扩展性和协同性,设计了多孔并联的管路布置方式,通过在多个钻孔内下入排水管和管路并联汇入集排水管路,并在钻孔内排水管路外端和气动排水泵的压风管安装矿用电动阀,从而形成多孔并联的自动抽排水工艺,在矿用隔爆兼本安型可编程控制箱的控制下,实现多个下向瓦斯抽采钻孔自动循环排水过程。

该技术克服了压风排水工艺对钻孔稳定性影响的弊端,同时有效解决了积水煤渣堵塞抽采管路的问题,在排水过程中不影响钻孔的正常抽采,从根本上解决下向抽采钻孔由于积水问题导致的瓦斯抽采体积分数低和抽采量小的难题,有效提高钻孔利用率和抽采效果。

2 下向抽采钻孔自动抽排水系统

2.1 下向抽采钻孔排水系统组成

下向瓦斯抽采钻孔排水系统主要包括矿用隔爆兼本安型可编程控制箱、矿用排水泵、矿用电动阀、排水管路、电源线和信号线等,主要系统构成如图1所示。通过在下向钻孔内放置排水管,在矿用隔爆兼本安型可编程控制箱、矿用电动阀和矿用排水泵的协调配合下进行自动抽排水工作。

图1 下向抽采钻孔多孔并联自动抽排水系统组成

1)矿用隔爆兼本安型可编程控制箱。下向瓦斯抽采钻孔自动抽排水系统采用矿用隔爆兼本安型可编程控制箱,其中PLC可编程控制器作为核心设备,具有较强的适用性、可扩展性和通信能力[17-19]。PLC控制箱利用信号线连接安装在排水管路和压风管路上的电动阀,通过控制若干个电动阀协调工作,从而实现多个下向瓦斯抽采钻孔的自动循环排水操作。主要技术参数:供电电压AC660/127 V;容许最大供电电流32 A(660 V)/5 A(127 V);本安参数：关联设备在故障状态下的最高输出电压Uo为18.5 V,最大输出电流Io为1 000 mA,允许的最大外部电容Co为2.1 μF,允许的最大外部电感Lo为0.1 mH;规格尺寸为760 mm×665 mm×925 mm(长×宽×高);质量为300 kg。

2)矿用排水泵。矿用排水泵采用气动隔膜泵为主要抽排水装备,以井下压风为动力源,通过驱动腔体内的柔性隔膜来实现流体输送[20],具有强劲的虹吸能力,可以输送一定大小的煤渣颗粒,方便煤矿井下使用。矿用排水泵的进气端与井下压风管和电动阀连接,进水端与集排水管路连接,出水端与气水分离器连接。主要技术参数：最大悬浮物直径为6.4 mm,最大流量为651 L/min,最大扬程为60 m,干吸高度为8.3 m,质量为29.6 kg。

3)矿用电动阀。矿用电动阀采用电动球阀作为管路开闭控制装置,安装在钻孔排水管和矿用排水泵的进风管路上。矿用电动阀体积小、质量小,同时结构简单、驱动力矩小,可通过球体旋转快速实现管路开闭控制,工作稳定可靠,具有良好的流量调节功效和封闭密封特性,可以输送含煤渣的流体。矿用电动阀安装在钻孔排水管和矿用排水泵的进风管上,从而实现电动球阀控制瓦斯抽采钻孔管路或排水泵工作,并通过信号线与控制箱连接。

2.2 系统控制及运行方式

系统运行控制利用PLC控制箱协调矿用排水泵和矿用电动阀协同工作来实现自动循环排水,设计了3种系统运行控制方式,如图2所示,运行过程中可以实时修改和设定单次或循环排水时间,提高下向钻孔排水的集约化、高效化和自动化程度。

图2 系统控制及运行模式

1)全自动模式:系统根据设定的时间实现下向钻孔的自动循环排水。

2)半自动模式:对选择的下向钻孔组依次进行排水操作,一次排水完成后自动停止。

3)手动模式:现场电动阀进行手动操作,实现对单个钻孔的一次排水操作。

2.3 下向抽采钻孔排水操作流程

下向抽采钻孔排水操作流程如下：①无排水操作时,下向抽采钻孔排水管路和矿用排水泵压风管路的电动阀关闭,抽采钻孔内的瓦斯由抽采管路进入抽采系统,正常抽采;②排水操作时, PLC控制箱开启排水管路和压风管路电动阀,井下压风→矿用排水泵→下向抽采钻孔积水→钻孔排水管和集排水管路→气水分离器→积水排出,排水过程不影响正常瓦斯抽采,下向钻孔内的瓦斯由抽采管路自行进入抽采系统,同时排水管路的瓦斯经气水分离器进入抽采系统,避免造成巷道瓦斯超限;③抽排水一段时间后, PLC控制箱控制关闭钻孔排水管路电动阀和压风管路电动阀,排水泵停止工作,进入下一个待排水钻孔的排水操作。

3 多孔并联排水管路布置

下向抽采钻孔排水管路布置采用多孔并联的方式,以实现多个下向钻孔自动循环排水的目的,主要为多孔并联的集排水管路和钻孔内排水管路布置,采用不同管径的硬质聚氯乙烯管。

3.1 集排水管路布置方式

下向抽采钻孔集排水管路布置如图3所示,采用多孔并联模式,采用硬质聚氯乙烯管。集排水管路与矿用排水泵进水端连接,矿用排水泵出水端与气水分离器连接,实现气水分离,积水和煤渣通过放水器放出,混合的瓦斯通过气水分离器进入抽采管路。

图3 下向钻孔多孔并联排水管路布置

3.2 钻孔排水管路布置

根据下向抽采钻孔条件和封孔段要求,钻孔内排水管路布置包括排水管、排水管螺纹接头、排水管孔眼、三通装置、三通后盖、密封接头和密封圈等,如图4所示,排水管采用小管径的聚氯乙烯管,要求小于抽采管内径,以便从抽采管内通过。

图4 下向抽采钻孔排水管路布置

在抽采钻孔封孔完成后,将排水管通过抽采管内部下入钻孔指定位置,多节排水管通过螺纹连接,作为钻孔积水排水通道。同时前端单节排水管封堵并增加孔眼,方便积水进入通道和预防煤渣堵塞排水管;在抽采管外端安装三通装置,三通下端出口与汇流管连接,用于正常瓦斯抽采,三通后端安装后盖,后盖中间开螺纹孔,方便密封接头连接,同时密封接头内有密封圈,密封圈套在排水管上,通过密封接头实现锁紧和密封,最后接入集排水管路。

4 现场试验及效果

4.1 矿井概况

根据资料显示,某矿井田面积为71.39 km2,主采3号煤层,生产能力为4.0 Mt/a,煤层瓦斯压力为0.42 MPa,瓦斯相对涌出量为6.42～9.42 m3/t,为高瓦斯矿井;矿井正常涌水量为36.78 m3/h,最大涌水量为40.5 m3/h。

工作面抽采钻孔普遍为下向或近水平钻孔,由于钻孔施工时水力排渣及煤岩层涌水量较大等因素,钻孔内普遍存在较多积水和煤渣,进一步堵塞了抽采管路,造成抽采效果差,抽采达标时间长,严重影响了抽掘采的正常接替。

4.2 试验地点及钻孔条件

根据抽采数据和现场勘察,3307工作面煤岩层含水量较大,下向抽采钻孔均有积水,且存在塌堵孔现象,钻孔瓦斯抽采体积分数和抽采流量低且衰减快,平均瓦斯抽采体积分数为5.0%～13.8%,抽采效果差。

试验地点为3307工作面开切眼,如图5所示,试验钻孔共5个,钻孔倾角3°～15°,钻孔深度为75～100 m,钻孔间距为2.5 m,孔径为113 mm，封孔深度为12 m,抽采管径为50 mm,因此钻孔排水管采用管径为25 mm的矿用聚氯乙烯管,集排水管采用管径为50 mm的矿用聚氯乙烯管,设定系统单孔自动排水时间2 min。

图5 下向抽采钻孔排水试验钻孔位置

4.3 试验效果

排水效果考察采用对比试验钻孔排水前后的瓦斯抽采体积分数和绝对瓦斯涌出量变化情况。开始前记录试验钻孔抽采参数数据,保持抽采负压一致,试验开始后定期测定钻孔瓦斯抽采体积分数和绝对瓦斯涌出量等,并对数据进行统计分析,绘制试验钻孔排水前后瓦斯抽采体积分数和纯量变化趋势图,如图6所示。

由图6可得,试验钻孔完成排水后,抽采效果得到明显改善,钻孔平均瓦斯抽采体积分数提高到23.3%～53.6%,绝对瓦斯流出量提高为0.028 9～0.052 4 m3/min,对比排水前分别提高了2.19～3.87倍和1.68～2.94倍。通过试验结果证明,下向钻孔排水技术可以较好地解决下向钻孔积水不易排出问题,显著提高了钻孔抽采效果,确保了钻孔瓦斯抽采通道畅通。

图6 试验钻孔瓦斯抽采体积分数和绝对瓦斯涌出量变化

5 结 论

1)针对含水煤岩层下向瓦斯抽采钻孔积水问题,开发了下向抽采钻孔自动抽排水系统,以井下压风为动力,通过PLC控制箱协调排水泵和电动球阀工作,实现了自动化排水的目的,克服了压风排水对钻孔稳定性影响和煤渣堵塞抽采管路的问题。

2)设计了多孔并联的管路布置方式,通过在下向钻孔内排水管路布置和集排水管路并联,实现了多个钻孔自动循环排水操作,达到了集约化、高效化和自动化的排水目的。

3)通过开展下向抽采钻孔排水技术应用研究,结果证明,试验钻孔瓦斯抽采体积分数和抽采纯量分别提高2.19～3.87倍和1.68～2.94倍,有效解决了下向钻孔积水问题,显著提高了钻孔瓦斯抽采效果。