集贤煤矿高瓦斯煤层瓦斯抽采方法研究与应用.pdf

西安科技大学 硕士学位论文 集贤煤矿高瓦斯煤层瓦斯抽采方法研究与应用 姓名孙全喜 申请学位级别硕士 专业矿业工程 指导教师 论文题目集贤煤矿高瓦斯煤层瓦斯抽采方法研究与应用 专业领域矿业工程 硕 士 生孙全喜 （签名） 指导教师陈晓坤 （签名） 陈一光 （签名） 摘 要 集贤煤矿瓦斯涌出量比较大，威胁着矿井安全生产。开展了集贤煤矿瓦斯抽采技术 研究，设计了瓦斯抽采方案，并在实践中解决了瓦斯抽采问题，对保障矿井安全起到了 重要作用。 本文研究了集贤煤矿煤层瓦斯含量及分布规律， 建立了采空区上履层顶板裂隙带模 型。通过钻孔研究确定集贤煤矿 9 层采空区上履裂隙带裂隙带高度，据此确定仰角钻孔 的终孔高度不要超过此高度为 312 米，终孔距隔离煤柱的距离为 1035 米，当钻场间 距为 40 米时，其钻孔长度为 120 米。 确立了高瓦斯工作面采用下行通风时瓦斯抽放的方法， 研究了邻近层瓦斯斜角钻孔 抽采、本煤层瓦斯扇形钻孔抽采、隅角瓦斯仰角钻孔抽采、工作面采空区埋管抽采、掘 进过程中的瓦斯抽采等抽采技术方案，通过多种方法联合使用，取得了良好的瓦斯抽采 效果。 本论文研究对双鸭山矿区瓦斯治理有重要的指导意义， 对同类生产矿井也有一定的 参考价值。 关 键 词高瓦斯；煤层；瓦斯抽采 论文类型应用研究 Subject Study of Gas Extraction s of High-Methane Coalseam and Its Application in Jixian Coalmine Program fuild Safety Engineering Name Sun Quanxi （（Signature）） Instructor Chen Xiaoqun （（Signature）） Chen Yiguang （（Signature）） ABSTRACT Firedamp content of JIXIAN coanmine is fairly high and threatened coal production seriously. Gas extraction technique is studied and the blue print of gas extraction in the coalmine is designed. The technique is employed to solve the problem of firdamp and make sure safety production in the mine successfully. Regulation of methane content and its distribution in JIXIAN coalmine are studied. A theoretical model of cranny zone distritution in the gob is set up. The distribution of the cranny zone in above the gob of No.9 coal seam of JIXIAN mine is determined by means of drilling. Gas extraction parameters like angle, direction and length are designed considering the range of the cranny zone. It desighed that the hight of the bore end should be no higher than 312m above the bottom of the coal seam and 1030m away from the coal pillar. The length of the bore is designed to be 120m if the distance between the drilling bases is 40m. The of gas extraction from the on condition of up-to-down ventilation is determined. The s of extracting firedamp of the neiboring coalseam withh cross bores, extracting the mining seam gas with fan-shaped boes, extracting the congregated upper corner gas with elevation bores, extracting the gas in the mined out area with pre-burried pipelines, and extracting gas during diging laneway are studied systematically. By combining all the above mentioned s, firedamp problem is solved well in JIXIAN coalmine. The study is important for directing gas fathering problem in SHUANGYASHAN coal field and also in other coalmines of similar conditions. Key words High Methane Coalmine Gas Extraction s Thesis type Application Study 1 绪论 1 绪论 1.1 本课题研究的背景及意义 双鸭山矿业集团公司位于黑龙江省东北部，是国家 520 家国有重点工业企业之一。 七星煤矿是双鸭山矿业集团的主要生产矿井，2006 年，集贤矿开采的 4109 采区已出现 瓦斯升高的趋势，随着开采深度的增加，集贤矿瓦斯涌出量不断增加，目前处在低瓦斯 向高瓦斯的过渡时期，预计不久将成为高瓦斯矿井。2009 年，集贤煤矿已经作为高瓦斯 矿井管理。2009 年双矿集团瓦斯鉴定情况如表 1.1。 表表 1.1 双矿集团各矿双矿集团各矿 2009 年瓦斯鉴定情况年瓦斯鉴定情况 矿 井 东荣二 矿 集贤 矿 东保 卫矿 七星 矿 双阳 矿 新安 煤矿 东荣 三矿 安泰 煤矿 绝对瓦斯涌出 m/min 2.02 19.3019.1927.595.5818.54 0.81 3.28 相对瓦斯涌出量 m/t 0.470 8.6158.4849.0963.7763.704 0.202 4.165 鉴定等级 低 高管高管高 低 高管 低 低 双鸭山矿业集团公司 2009 年矿井瓦斯绝对涌出量为 96.31m/min，其中 4 个高瓦斯 （高管）矿井绝对涌出量为 84.62m/min，占全公司涌出总量的 87.85。 高瓦斯矿井七星矿在掘进过程中瓦斯涌出很大，因而发生瓦斯事故也增多，如高瓦 斯的七星矿曾经发生了多起掘进工作面瓦斯事故， 低瓦斯的集贤矿采煤工作面也发生了 机组割煤时着火事故等。由于集贤矿是不易自然发火矿井，所以在抽采时减少了因抽采 漏风引起煤层自然发火的危险，因此，可以对集贤矿进行多种抽采形式的研究，对于双 矿集团公司的其他矿最后可参考集贤矿的抽采形式， 找出适合自己矿的抽采方法。 所以， 研究集贤煤矿的瓦斯抽采对指导双矿集团公司有着十分重要的意义。 1.2 研究现状及发展趋势 1.2.1 煤岩瓦斯渗流和煤层卸压瓦斯抽放研究现状 煤层瓦斯， 以吸附和游离两种状态赋存在煤体中， 形成固气并存的二相介质， 因此， 研究煤层瓦斯渗流和瓦斯抽放问题必须考虑气体（CH4、CO2等）对煤岩体本身的变形 和强度造成的影响。 固液（气）两相变形与运动研究是从土力学中固结问题开始，Darcy（1856）从均 1 西安科技大学工程硕士学位论文 质砂土的恒定均匀渗流试验中得到著名的 Darcy 定律，K.Terzaghi（1923，1925）认识 到孔隙水逸出后土体孔隙会缩小，提出了有效应力的概念，对土力学的研究发挥了重要 作用；Jacob（1940）研究了岩层发生竖直弹性变形的地下渗流运动的连续性微分方程； 陈宗基（19531957）最先考虑了土骨架蠕变引起的时间效应；Verruijit（1965）将孔隙 流体压力作为数学模型，对岩体内流体流动规律进行分析；Robinson（1959）和 Handin （1963） 通过试验得到了当岩石具有连续的连通孔隙系统时， 有效应力控制岩体的破坏， 在一般情况下，需要对 Terzaghi 有效应力公式进行修正。许多学者研究了煤岩变形对岩 体渗透性的影响，认为变形岩体的渗透系数随孔隙压力及围岩而变化，周世宁院士等在 20 世纪 80 年代通过大量实验室试验，研究了瓦斯的孔隙压力、围岩与渗透率之间的关 系，以及含瓦斯煤的力学性质；鲜学福院士、余楚新博士等（1989）在假设煤体中瓦斯 吸附与解吸过程完全可逆条件下，建立了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程。 国内外煤层瓦斯抽放方法大体分为采前预抽和卸压瓦斯抽放。 煤岩体内裂隙发育程 度和煤层透气性对瓦斯抽放起关键作用，我国煤田大多属于低透气性煤层，所以预抽瓦 斯效果往往不好。煤层开采引起岩层移动，形成采动裂隙并使一定范围内煤层卸压，引 起卸压区煤层透气性显著增大，卸压瓦斯抽放往往取得较好效果。煤层卸压瓦斯运移与 采动裂隙的动态分布特征有着紧密的关系，覆岩采动裂隙分为两类一类为沿层离层裂 隙，主要是煤层卸压膨胀所致；另一类为竖向破断裂隙，主要是煤层受拉压破坏所致， 它是上覆邻近层卸压瓦斯流向开采煤层工作面及其采空区的通道， 此类裂隙仅在覆岩一 定高度范围内发育，其高度（导气裂隙带）与保护层采高及覆岩岩性有关，处于“导气 裂隙带”以上的覆岩区煤层卸压瓦斯不流动到开采煤层工作面或采空区。卸压瓦斯分为 ①本煤层卸压瓦斯；②邻近层卸压瓦斯；③远距离煤层卸压瓦斯。其中本煤层卸压瓦斯 和邻近层卸压瓦斯流向开采煤层工作面及采空区，引起工作面上隅角瓦斯超限，而远距 离煤层卸压瓦斯一般不能流向开采煤层。对采动卸压瓦斯进行抽放，一方面可实现煤层 气资源有效开发和利用，另一方面可防止煤层开采时大量瓦斯向工作面涌出，实现工作 面高产高效。 卸压瓦斯抽放在国内外煤层群开采的高瓦斯矿井广泛采用， 其技术关键是根据采动 裂隙场分布规律合理布置抽放钻孔，我国从 60 年代开始，开展了保护层开采与卸压瓦 斯抽放试验，取得了显著成效，至今已形成了以阳泉矿区和淮南矿区为代表的比较完善 的卸压瓦斯抽放技术。卸压瓦斯抽放研究不足表现在其一，对覆岩采动裂隙场分布特 征缺乏整体把握与理性认识，影响到抽放钻孔布置的优化；其二，国内外卸压抽放是从 开采煤层工作面安全出发，主要研究本煤层与邻近层卸压瓦斯抽放，而对上覆远距离煤 层卸压程度及卸压瓦斯抽放效果缺乏系统研究。基于岩层移动关键层理论，钱鸣高、缪 协兴、许家林等将覆岩移动及其裂隙场分布规律应用于卸压瓦斯抽放研究中，初步建立 了卸压瓦斯抽放“O”形圈理论的钻孔布置基本原则， 即 “O” 型圈相当于一条 “瓦斯河”， 2 1 绪论 周围煤岩体中的瓦斯 解吸后通过裂隙不断地汇集到这条“瓦斯河”中，当卸压瓦斯抽 放钻孔布置在采动裂隙 “O” 形圈内，可以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽放范 围、较高的瓦斯抽放率。 1.2.2 采动覆岩移动变形及裂隙演化研究现状 地下矿体的采出必定会引起采场围岩体内的应力重新分布，引起围岩的变形、破坏 及运动，从而导致围岩裂隙状态的变化。岩层移动与开采沉陷是采矿学科的基础之一， 也是保护层开采防突作用考察的基础。参与研究的学者与研究成果众多，提出了多种假 说与理论，其中具有代表性的有压力拱假说、悬臂梁假说、预成裂隙假说、铰接岩块假 说、砌体梁理论（钱鸣高院士） 、传递岩梁假说（宋振骐院士）等。钱鸣高院士根据砌 体梁理论对煤层开采后覆岩移动规律提出 “横三区”、 “竖三带”， 即沿工作面推进方向上 覆岩层将分别经历煤壁支承影响区、离层区、重新压实区，由下往上岩层移动分为垮落 带、断裂带、整体弯曲下沉带，实践表明，上覆岩层的岩性对岩层移动、变形和断裂有 很大的影响。 钱鸣高院士、许家林博士利用相似材料模型实验，采用离层率指标 F 定量研究离层 裂隙的发育程度， 定性研究了煤层开采后位于垮落带和断裂带内的上覆岩层裂隙分布特 点，对研究其中的瓦斯运移具有一定的指导作用。F 值表示单位厚度岩层内离层裂隙的 高度（或岩层的膨胀率） ，若 F＞0，表明上、下岩层离层；若 F0.05 30m3/min 的采煤工 作面。淮南矿区近年的实践表明，对位于弯曲下沉带的远程邻近层也可以实现高效大流 量抽放卸压瓦斯。 5）采空区瓦斯抽放/地面钻孔抽放采空区瓦斯方法 采空区瓦斯抽放的方法主要有顶板岩石钻孔、采空区埋管或插管抽放等，其中顶板 岩石钻孔抽放采空区冒落拱上方的卸压瓦斯效果显著。 对采空区埋管或插管抽放方法来 说，抽瓦斯管口的位置越高、离工作面越远、采空区与工作面之间的隔离越好，其抽放 效果也越好。为保证一定的抽放量，埋管和插管的管径应不低于 150mm，为了降低管 路费用，可使用菱镁土等管材。 对于铁法矿区而言，采空区瓦斯抽放是矿井瓦斯灾害防治的重要方法和途径。 地面钻孔抽放采空区瓦斯是美国采空区瓦斯抽放技术中应用最为成功的方法之一。 在澳大利亚的许多矿井，以及我国的铁法矿区、淮北局芦岭矿， 都成功地对该方法进 行了应用。该方法通常是从地面向工作面打垂直钻孔。钻孔一般打到开采层上方 5m 至 10m，这样当顶板垮落后，即可利用钻孔从具有大量裂隙的直接顶冒落带抽放瓦斯。钻 孔的上部完全使用套管加固， 而底部则使用槽管， 地面钻孔的数量应根据工作面的长度、 采空区瓦斯涌出及开采速度、钻孔的抽放半径等合理确定，并合理确定地面钻孔的其它 相关参数。 6）低透气性煤层强化抽放瓦斯方法 针对低透气性高瓦斯和突出危险煤层，近 30 年来国内外探索研究了多种强化抽放 开采层瓦斯方法，如煤层水力压裂、水力割缝、水射流扩孔、松动爆破、控制预裂爆破、 密集钻孔（穿层孔、顺层孔、大直径孔）与立体交叉钻孔、高压气体压裂等方法。其中 密集钻孔或立体交叉钻孔抽放法、深孔控制预裂爆破或水力割缝增透抽放法，设备与工 艺较简单，抽放效果也较好。 从设备、技术、工艺、工期、安全、效果以及经济等方面综合考虑，目前最为可行 的低透气性煤层强化抽放方法是立交钻孔法、大直径立交钻孔或密集钻孔法。 1.2.4 实际抽采过程中常采用的瓦斯抽采技术 不同矿井煤层的赋存条件、开采条件差异较大，应根据矿井具体条件，确定瓦斯抽 5 西安科技大学工程硕士学位论文 采方法、抽采工艺、合理的抽采参数等。 虽然双鸭山矿业集团没有瓦斯抽采，但我国的瓦斯抽采已进入了综合发展阶段。近 年来，随着瓦斯抽采矿井的增多，瓦斯抽采条件的多样化促使瓦斯抽采工艺技术的不断 进步。从抽采方法上，更进一步丰富了本煤层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯 抽采的内容，建立了综合抽采瓦斯方法理论。 1）开采层瓦斯抽采 对开采层瓦斯涌出量大或有突出危险的煤层，主要采用开采层瓦斯抽采技术。开采 层瓦斯抽采包括巷道抽采和钻孔抽采。 （1）巷道抽采 巷道预抽已不再被用作开采层主要的瓦斯抽采方法（抚顺龙凤、焦作李封、淮北芦 岭、靖远魏家地等矿曾经用过） 。只在部分煤巷暂时不用或有异常瓦斯涌出巷道的矿井 作辅助方法应用。 （2）钻孔抽采 钻孔抽采以施工危险性小（突出煤层在施工巷道时有突出的危险） ，速度快，成本 小，可提前预抽以及较灵活等优点，所以现多以打钻孔形式进行抽采。 钻孔布置方式有钻场扇形钻孔，顺层长钻孔，水平羽状钻孔，井下长距离水平定 向钻孔等。 （3）钻场扇形钻孔抽采 如图 1 所示，在掘进回采工作面的回采巷道时，在相距一定长度布置钻场，在钻场 内以扇形布置煤体抽采钻孔。 10 2 3 4 5 6 7 8 9 1 1 12 13 1415 I I 4 3 2 1 1 11 I 3 4 5 6 7 8 9 10 1415 12 13 8 7 6 5 4 3 11 10 9 12 11 14 15 13 连采机 多巷掘 进面 22 回采布置工 作面煤体 回采布置工 作面煤体 图 1.1 扇形钻孔抽采瓦斯示意图 （4）顺层长钻孔 沿工作面的倾斜方向，按一定距离（按小于或等于抽采半径） ，打贯穿整个工作面 或接近工作面长度的钻孔。 （5）水平羽状钻孔 水平羽状钻孔布置如图 1.2 所示。地面钻井一个开孔位置，多个分支进入煤层，使 6 1 绪论 煤层钻孔长度极大增加，加大钻井控制范围和抽瓦斯量。 图 1.2 水平羽状钻孔示意图 此种布置方式多为瓦斯利用时使用，能提高单点瓦斯抽出率。 （6）井下长距离水平定向钻孔 利用井下千米定向钻机和 DGS 导向系统、顶底板定位系统，在岩层穿层钻进至目 标煤层，再在煤层水平钻进成孔，利用矿井瓦斯抽采系统，进行抽采瓦斯。 2）临近层瓦斯抽采 在近距离煤层群开采条件下，采用冒落法管理顶板时，顶板岩层在采动后由下而上 通常形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带，这三带的高度由回采煤层的厚度、顶板围岩的 硬度及区域情况存在不同，如图。在阳泉矿区缓倾斜煤层中等硬度岩石性质的条件下， 冒落带高度为采高的 6～8 倍、裂隙带的高度为采高的 10～30 倍、弯曲下沉带位于裂隙 带以上直至地表。 邻近层瓦斯抽采是利用下部低瓦斯煤层或非突出煤层开采时， 对上部高瓦斯或突出 煤层产生裂隙，而对上部的高瓦斯煤层或突出煤层进行抽采。 临近层瓦斯抽采分为钻孔抽采和巷道抽采， 抽采钻孔和巷道根据三带的分布规律进 行布置。 3）巷道抽采 顶板岩石巷道抽采上邻近层瓦斯技术在阳泉等局取得成功经验。 巷道呈倾向或走向 布置在顶板裂隙带中。 沿走向布置时， 巷道位于离风巷三分之一至四分之一采面长位置； 沿倾向布置时，巷道由风巷侧进入工作面 40m～50m 范围，每隔 150m～200m 布置一条 倾向顶板岩石巷道。回采时，巷道全部密闭抽采。阳泉矿区采用走向顶板巷道时，单巷 7 西安科技大学工程硕士学位论文 平均可抽出 40m3/min～90m3/min 瓦斯，抽采瓦斯浓度平均为 65％，抽出率可达 90％； 使用倾向顶板岩石巷道抽采时，单巷抽采量达 10m3/min～40m3/min，瓦斯抽出率可达 60％～80％。阳泉曾试验研究以顶板水平长钻孔代替顶板走向岩石巷道，其“开始抽出 距离”是决定第一个抽采钻孔位置。 4）底板巷钻孔抽采 钻场设在开采层底板岩巷内，由钻场向邻近层打穿层钻孔或在巷道、开采层尾巷向 上邻近层打大直径钻孔代替顶板倾向岩石巷道的抽采技术。 阳泉五矿 8108 工作面试验从开采层尾巷向上邻近层打大直径瓦斯抽采钻孔，钻孔 开孔直径 273mm、终孔直径 230mm，钻孔倾角 50～59，钻孔迎向回采工作面方向、 进入工作面范围 20m～30m。 采用这种高仰角大直径钻孔， 当工作面采过钻孔 16m 时开始抽出瓦斯， 单孔平均抽 出瓦斯量为 30.95m3/min，最大抽采量达 47.43m3/min，抽出率达 89.11％。试验表明， 当钻孔间距控制在 100m 左右时，能够达到顶板岩石巷道的瓦斯抽采效果，但施工成本 却降低 31.2％。 5）采空区瓦斯抽采技术 在瓦斯矿井采煤时，尤其是开采煤层群和厚煤层条件下，邻近层、未采分层、围岩、 煤柱和工作面丢煤中都会向采空区涌出瓦斯。 采空区瓦斯不仅在开采过程中向工作面涌 出，而且在工作面采完密闭后也仍有瓦斯涌出。采空区瓦斯涌出，一般新建矿井投产初 期所站比例不大，随着开采范围的不断扩大，相应地采空区瓦斯的比例逐渐增大，特别 是一些开采年限久的老矿井， 采空区瓦斯多数可达 25～30， 少数矿井达 40～50。 采空区抽采归为两类半封闭采空区抽采和全封闭采空区抽采。半封闭采空区抽采 主要采用埋管抽采、采空区靠切眼侧密闭抽采、顶底板钻孔抽采、仰角或高位钻孔抽采 等方法；全封闭采空区抽采主要采用密闭插管抽采。 对老采空区主要采用密闭插管和地面钻孔抽采的办法，但对有自然发火的煤层，应 加强火灾标志气体和温度的监测， 目前正在研制监测火灾标志气体并自动控制调节投放 负压和流量的装置，解决瓦斯抽放与自燃的矛盾。 对开采工作面采空区抽采有埋管抽采和仰角抽采及高位钻孔抽采。 采空区埋管抽采 方法和理论已成型，仰角抽采和高位抽采是近几年来才成型的方法，在有些矿井应用得 很好，其理论和方法现在是在研究或初步应用阶段，在各地区，各种煤层中方法还不太 统一。 1.2.5 煤层气开发技术研究存在的问题 1）目前，中国煤矿区煤层气开发技术研究存在的问题是理论研究与实践应用的脱 节，地面煤层气开发与井下瓦斯抽采不能同步进行，造成安全、资源、效益相冲突、相 8 1 绪论 矛盾， 不能使地面煤层气开发既能解决井下安全生产问题又能兼顾地面煤层气利用紧张 的矛盾，造成人力、财力、物力的大量浪费与资源的破坏。国外在煤层气开发技术研究 问题上多是从商业化开发角度出发，考虑的主要问题是每一个项目所带来的利润。本论 文针对煤矿区煤层气开发的特点，紧紧围绕采矿活动影响这一突出特点进行深入的研 究。 2）煤矿区对井下走向长壁采煤工作面采空区的瓦斯运移规律，尤其是在矿井通风 作用下的情况还不十分清楚，因此造成井下瓦斯抽采、地面煤层气开发技术选择、确定 时还存在困难。 3）煤矿区地面煤层气利用高、低浓度不均匀、不平衡，造成热值不稳定、热效率 不高，大量矿井抽采瓦斯（CMM）被排空，不能被充分利用。 1.3 研究目标、内容及拟解决的关键问题 1.3.1 研究目标 1）研究集贤煤矿瓦斯赋存规律； 2）研究适合集贤煤矿的瓦斯抽采技术，解决瓦斯超限问题 1.3.2 研究内容 1）集贤煤矿瓦斯赋存规律研究； 2）集贤煤矿瓦斯抽采方法及技术研究； 3）现场进行瓦斯抽采，解决瓦斯超限问题。 1.3.3 拟解决的关键问题 1）高瓦斯低渗透性煤层开采瓦斯抽采技术优化方案及实践。 1.4 研究方法、技术路线 采用现场调研、瓦斯抽采实验相结合的方法开展本项目研究。 首先通理论分析， 确定瓦斯在煤层中流动的数学模型及瓦斯从煤体中涌出的数学模 型，采空区采动裂隙带区域及传质模型。并研究确定本煤层瓦斯抽采方案，并通过对本 煤层瓦斯抽采方案的实施，通过煤层钻孔抽采，观测其抽采效果，优化实施方案。 其次， 通过采空区采动裂隙带区域范围确定回采工作面布置仰角钻场及仰角钻孔参 数，研究确定采空区瓦斯抽采方案，采用多种形式采空区抽采方法，实施这些方法，监 测并分析其实施效果，确定合理的方案。 再次，综合采用几种形式抽采方法，研究这些方法联合使用效果。 9 西安科技大学工程硕士学位论文 最后，通过实验和理论分析并结合现场观测，建立采空区瓦斯抽采方案，根据不同 环境和条件下，几种形式抽采方法联合使用效果研究和分析，提出场可操作的、切实可 行的瓦斯抽采技术方法。得到适合集贤矿瓦斯抽采方案。 10 2 集贤煤矿瓦斯赋存及运移规律研究 2 集贤煤矿瓦斯赋存及运移规律研究 2.1 集贤煤矿概况 集贤煤矿位于黑龙江省双鸭山市东北， 距市中心十八公里， 有 5.25 公里矿区铁路与 矿区中心站相接，北有矿区公路与哈同公路相接，南与依饶公路相接，交通运输方便快 捷。矿田内地势平坦，全部为耕地，平均标高为80m -- 110m，井田东部有一条季节 性河流 （二道河子） 流经矿田南部边缘， 井田走向长 9Km， 倾斜宽 3.5Km， 面积约 28.8km2。 图 2.1 集贤煤矿位置图 集贤煤矿是 1968 年由矿务局自行设计、自筹资金、自己施工的年产 60 万吨的中型 矿井。1974 年 10 月 1 日简易投产后，由于生产系统不配套，采掘生产严重失调，生产 处于被动局面，一直没有达产。1984 年开始经过了四年的改扩建，设计能力由原来的 60 万吨提高到 120 万吨。1988 年完成 80 万吨，1989 年完成 100 万吨，1990 年完成 110 万吨，以后的几年里产量一直在 115119 万吨上下波动，2000 年产量达到了 105.08 万 吨，2001 年完成产量 130.7 万吨，实现了达产。以后产量连续上升，到 2004 年，产量 达到 148.8 万吨，2005 年产量完成 161 万吨。2005 年矿井核定能力为 180 万吨/年， 核 定通风能力为 180 万吨/年。 集贤煤矿矿井开拓方式为立井分水平开拓， 矿井分两个水平开采， 一水平标高-150 米，二水平标高为-450 米。目前为第一生产水平（-150 米）水平剩余储量 1800 万吨左 右，有 4 个生产采区，分别为 2116 采区、4105 采区、4309 上山采区和 5117 采区，二 11 西安科技大学工程硕士学位论文 个准备采区，分别是 4309 下山采区和 4109 采区，一个开拓区共计 7 个区。有采煤工作 面四个，其中一个综采工作面，三个高档普采工作面。掘进工作面 27 个，矿井共有可 采煤层 6 层，即 3 号层、5 号层、9 号层、15 号层、16 号层和 17 号层，其中，3 号层为 薄煤层，15 号层由于无顶板而无法开采，5 号层只剩 4105 采区部分煤量，到 2007 年就 全部采完。现剩余地质储量 1.31 亿吨，可采储量 0.785 亿吨，剩余服务年限 35 年。 矿井通风方式设计为两翼对角式通风，由中央副立井和斜井入风，北风井和东风井 回风。目前处在通风系统改造时期，由于两台主扇运转通风阻力高，北风井 355mmH2O 柱，黎明风井 385mmH2O 水柱，为减少通风阻力，目前采用 3 个风井回风，即北风井、 东风井和黎明风井。矿井总进风量为 9276m3/min，总需风量为 8330 m3/min，总排风量 为 9936 m3/min。到 2008 年将改造成北风井和东风井 2 个风井回风，形成对角式通风。 2007 年矿井瓦斯鉴定结果为低瓦斯矿井。CH4绝对涌出量 10.7933 m3/min ，相对 涌出量 5.088 m3/T，CO2绝对涌出量 12.4933 m3/min ，相对涌出量 8.573m3/T。煤层无 自然发火倾向，煤尘有爆炸危险性，爆炸指数 42.84。 2.2 集贤煤矿地质及瓦斯含量情况分析 1）集贤煤田构造分布特征 集贤煤田位于三江盆地的西部，绥滨坳陷的南部（见图 2.2） 。区内主要以大型的 NE、NW 向两组断裂为主，EW 向、NS 向亦有分布。其相互切割关系是NE 向断层切 割 NW 向断层为主，但部分地区也存在 NW 向断层切割 NE 向断层的现象。EW 向、NS 向被 NE、NW 向两组断裂切割。由于 NE 向和 NW 向两组断层的控制作用，使坳陷的 区域构造展布呈 NE 成带、NW 分块的特征。东荣矿区位于绥滨新安镇坳陷带中的东 辉东荣向斜东翼。集贤矿处于索利岗背斜与集贤背斜之间的集贤向斜北翼。 2）集贤煤田构造演化及控制特征 集贤煤田煤系地层沉积于早白垩时期，发育于南北向的挤压环境，形成了部分东西 向构造。早白垩末期，三江盆地发生了区域性的逆冲褶皱作用，盆地发生了差异隆升剥 蚀，使得前进地区侏罗白垩纪沉积被剥蚀殆尽。晚白垩世随着完达山地体向西的斜向 拼贴碰撞，形成自东向西的逆冲推覆构造，盆地西部绥滨地区继续处于隆升剥蚀状态。 晚白垩世末，形成了北西向逆断层及其伴生的褶皱构造。四川中晚期、华北期以及喜马 拉雅早期， 受到太平洋向亚欧大陆持续脉冲作用， 三江地区遭受 NWW 向缩短挤压作用， 发育有普东北断裂、普东断裂、永生断裂、马架屯东林断裂、四方林子断裂。在绥滨 集贤坳陷南部发育东荣向斜、索利岗背斜、兴安镇向斜、中伏屯背斜等。在早白垩纪 晚期受顺时针走滑应力场及热隆起作用， 发育有走向 NW NNW 的逆断层和相关背斜、 断背斜。始新世末，太平洋板块对欧亚大陆俯冲的方向由 NNW 向转为 NWW 向。新生 代，特别是渐新世以后，由于太平洋板块对欧亚大陆由东向西俯冲，在近东西向最大水 12 2 集贤煤矿瓦斯赋存及运移规律研究 平挤压应力作用下，使得东北地区已存在的北北东向、北东向断裂发生右旋扭动，在此 右旋走滑过程中，北东向、北北东向断裂扭张拉开。从上新世以来，受 NWSE 向拉 张构造应力场作用，先期一些 NNE 向断裂转变成正断层，如富锦断裂、勤得利二龙山 断裂转变为正断层，受拉张应力作用，整个三江下降接受沉积，形成了现今的地貌。 东 荣 向 斜 兴 安 镇 向 斜 中 伏 屯 背 斜 腰 林 子 向 斜 索 利 岗 背 斜 北岗断层 F1 F11 F16 F5 F10 F9 F2 F8 F7 F0 F48 F19 F20 F23 F15 绥 滨 集 贤 坳 陷 佳 木 斯 隆 起 富 锦 隆 起 松 花 江 北 图 2.2 绥滨-集贤地区构造纲要图 发生在晚白垩世的自东向西的逆冲推覆构造，绥滨地区处于隆升剥蚀状态，特别是 绥滨东部剥蚀严重，有利于集贤煤田瓦斯释放。 在敦密、依舒两条深断裂控制下发生的伸展构造运动，对瓦斯释放极为有利，但是 在伸展构造同期的岩浆活动在部分地区阻碍了煤层瓦斯的释放； 或是岩墙的侧向封闭作 用，或是岩浆岩的烘烤作用使得煤层变质程度提高。 3）集贤矿煤层瓦斯含量 集贤矿 9 煤层平均厚度 1.55m，原煤水分平均含量 Mad＝1.8，灰分平均含量 Aad ＝10.72，工作面长度按 L200m，根据瓦斯地质图，采用瓦斯地质统计法，集贤煤矿 9 煤层绝对瓦斯涌出量与煤层底板标高的关系 y-0.0957x-26.754 相关系数 R20.8618。 则不同煤层底板标高条件下对应的绝对瓦斯涌出量如下 煤层底板标高-332m 处的绝对瓦斯涌出量趋势值是 5m3/min； 煤层底板标高-384m 处的绝对瓦斯涌出量趋势值是 10m3/min； 煤层底板标高-436m 处的绝对瓦斯涌出量趋势值是 15m3/min； 13 西安科技大学工程硕士学位论文 煤层底板标高-489m 处的绝对瓦斯涌出量趋势值是 20m3/min。 集贤矿中一下采区 9 层煤回采标高为-170～-450 米。目前回采标高为-385，正处在 应抽采的范围内。西二采区 9 层煤回采标高为-450～-600 米。16 层煤为-450～-600 米。 2.3 煤层瓦斯运移规律 地壳中没有受到人类工程活动影响的岩体称为原岩体，简称原岩。天然存在于原岩 内而与任何人为原因无关的应力场称为原岩应力场。 当井下采煤工作面自开切眼向前推 进，破坏了原岩应力场的平衡状态，引起了煤层围岩在三维座标空间上的应力再分布， 从而影响到瓦斯运移。 2.3.1 沿开采煤层法线方向Z轴上的移动规律 煤层群中，某一个煤层首采后，受采动影响，围岩发生不同程度的破坏和变形，在 开采层的上部，依次出现冒落带 H1、裂隙带 H2、弯曲下沉带 H3。距开采层越近，卸压 越充分，解吸出的卸压瓦斯量越大。如图 2.3 所示，为沿煤层法线方向 Z 轴座标上的顶 板分带与瓦斯分区图。 图 2.3 沿煤层法线 Z 轴方向上顶板分布带与瓦斯分区图 1）冒落带 H1位于开采层的上方，由于它与采空区漏风带大气相通，难以采用打 钻孔的方式抽放冒落带瓦斯，但可以用封闭采空区的方法进行抽放，其抽出的瓦斯浓度 较低、抽放率也不高。 2）裂隙带 H2此带紧接冒落带之上，靠近冒落带的为大裂隙带，距冒落带越远则 裂隙越小，裂隙带是抽放上邻近层瓦斯的最佳地带，而小裂隙带的抽放效果又比大裂隙 带更佳，一般井下斜交钻孔的设计，终孔垂高按 HH1＋1/3H2考虑。如图 4-2 所示，为 采空区顶板冒落三带与瓦斯浓度分布的情况。 3）弯曲变形带 H3在顶板裂隙带的上方为弯曲变形带，此带的高度一般可达地表， 由于距开采层越远卸压程度越低， 所以靠近裂隙带的弯曲变形带还能有较好的瓦斯抽放 效果，越往上发展，抽放率越低。但是，由于煤层受卸压作用影响，煤层透气性有所增 14 2 集贤煤矿瓦斯赋存及运移规律研究 加，从而使抽放卸压瓦斯量比原始煤体高。另外，又由于弯曲变形带没有能产生与大气 相通的裂隙，所以能抽出浓度较高的瓦斯。 上述沿开采煤层法线 Z 轴方向上， 采空区的瓦斯分布规律与第 3 章图 3-5、 3-6 的数 值模拟结果一致。这一结果表明，无论是井下打钻还是地面布井，H11/3H2高度是抽取 高浓度、稳流量瓦斯的最佳层位。 2.3.2 沿开采煤层走向方向X轴上的移动规律 煤层开采后， 沿煤层赋存走向 X 轴方向上所开采的煤层也得到卸压， 煤层开采后形 成的冒落空间，顶板岩石冒落而使采空区与地表之间以及底板岩石卸压的伸张变形。在 工作面采空区达到一定距离和时间后，伸张的岩石又逐渐被压实为压缩变形，但不能压 缩到原始状态，还存在着残采膨胀系数，由开始卸压经过充分卸压最后达到稳定期的 3 个区段，如图 2.4 所示，也正是邻近层从开始期经过活跃期最后达到衰退期而向采空区 涌出过程的反映。 图 2.4 沿工作面走向 X 轴方向上卸压示意图 实践中积累的资料统计分析表明，沿工作面走向方向，煤壁前方（超过 30m）至工 作面后方 40m 左右，约 2 个煤层垂直层间距为开始期；30～80m 左右，约 2 倍层间距 为活跃期；80m 以后为衰退期。当抽放瓦斯的钻孔布置其终孔落在活跃期时，抽出的瓦 斯浓度高（一般在 80以上） ，而且流量稳定（一般在 4m3/min 纯流量以上） ，服务时间 较长（5～7 天） 。 沿煤层走向 X 轴方向上的这一瓦斯分布规律与第 3 章 图 3-7、3-8 的数值模拟结果 也相一致。因此，井下抽取瓦斯钻孔要足够长，以使其落入活跃期内。 2.3.3 沿工作面倾斜方向Y轴上的移动规律 沿倾斜方向， 岩层移动变形受开采范围的影响， 对邻近层瓦斯排放也有一定的限制， 从而形成一定的卸压范围。这个卸压带是指受采动影响增大了煤层的透气性。