煤矿瓦斯抽放管网系统的优化管理技术研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目煤矿瓦斯抽放管网系统的优化管理技术研究 英文题目英文题目Mine Gas Drainage Pipe Network System Optimized Management Technology 学位类学位类别别 硕 士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 高国强 学号学号_201102386_____ 学科学科领域领域名称名称 矿 业 工 程 指导教指导教师师 郝长胜 职称职称 教授 协助指导教协助指导教师师 职称职称 2013 年 6 月 7 日 分类号分类号 TDTD- -7 7 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 独独 创创 性性 说说 明明 本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 内蒙古科技大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并 表示了谢意。 签名日期 关于学位论关于学位论文使用授权的说明文使用授权的说明 本人完全了解内蒙古科技大学有关保留、使用学位论文（纸质版和 电子版）的规定，即本人唯一指定研究生院有权保留送交学位论文在 学校相关部门存档，允许论文在校内被查阅和借阅，可以采用影印、缩 印或其他复制手段保存论文。在论文作者同意的情况下，研究生院可以 转授权第三方使用查阅该论文。 （保密的论文在解密后应遵循此规定）（保密的论文在解密后应遵循此规定） 签名导师签名日期 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 本文的主要研究内容是矿井瓦斯抽放管网的优化管理技术。随着综合抽采技术的成熟 和应用，综采面瓦斯涌出量也越来越大，为了加大抽采力度，保证工作面安全生产，矿井 瓦斯抽放管网的系统性和合理性就显得尤为重要。 本文首先系统的分析了影响瓦斯抽放管网效果的各种因素，并研究提出了提高瓦斯抽 放率的途径；然后着重对单孔的抽放效果优化控制进行了研究，对穿层布孔和本煤层布孔 时，钻孔周围煤体中的瓦斯流动做出了数学模拟，并以推导结果分析了提高单孔抽放效果 的方法。结合实际对小屯矿的煤层瓦斯压力、煤层透气性系数进行了现场测定，为本文的 进一步设计抽放方法奠定了基础；采用理论知识结合现场示数测定确定煤层瓦斯抽采半 径，又通过数值模拟技术模拟钻孔进行抽采作业时在钻孔抽采的不同时间和不同负压下的 抽采情况，底抽巷上向穿层钻孔的抽采效果作为辅助，为该矿的瓦斯抽放现场施工提供了 指导理论依据；由此提出了现场瓦斯抽采应用技术，测试确定了最优抽采负压，以此指导 了抽放瓦斯管径的计算优化使用。并以此为理论，对小屯矿进行了较为全面的瓦斯抽放管 网系统的优化研究。 针对研究需要，现场测定了小屯矿的研究煤层 6 中煤层透气性系数值为 0.326 m2/Mpa2d，瓦斯压力取值 0.95Mpa；并对抽放参数进行优化，同时运用 FLUENT 软件对 钻孔周围媒体中的瓦斯流动进行模拟，以此辅助确定抽采半径，进行了瓦斯抽采技术尤其 是钻孔布置的优化；通过实施改进方案后，6 中煤层的工作面正常掘进期间均未出现瓦斯超 限现象，小屯矿的瓦斯治理取得了良好的效果。 本文的研究成果可以进一步丰富瓦斯抽放管网系统的整体性和合理性，对矿井的安全 生产具有重要意义。同时对于钻场的钻孔合理布置具有一定的参考价值。 关键词关键词矿井瓦斯；数值模拟；改造优化；监测监控 （关键词间用“；”间隔）（关键词间用“；”间隔） 内蒙古科技大学硕士学位论文 II Abstract The main contents of this paper is to mine gas drainage pipe network optimization technology. With the comprehensive drainage technologies mature and fully mechanized mining face gas emission are increasing efforts to ensure that the face of production safety in coal mine gas drainage pipe network system and rationality in order to increase the extraction is particularly important. Firstly, the system analyzes the impact of gas drainage pipe network effects of various factors, and to study proposes ways to improve gas drainage rate;s drainage hole and then focusing on the effects of optimal control has been studied for wear layer fabric Kong the seams and fabric holes, drilled in the surrounding coal gas flow to make a mathematical simulation, and the results were analyzed to derive the effect of improving drainage hole . Combined with practical on Xiaotun mine coal seam gas pressure, seam permeability coefficient on-site measurement, for the present design of drainage further laid the foundation; using theoretical knowledge combined with field shows the number of measurement to determine the radius of coal seam gas extraction, and by numerical simulation technology to simulate drainage boreholes drilled drainage operations in different times and different under negative pressure, the bottom pumping Lane on borehole as a secondary effect of drainage for the site construction of the mine gas drainage provided guidance theoretical basis; thus proposed site gas extraction application technology, tests to determine the optimal vacuum extraction, gas drainage pipe diameter to guide the optimal use of the calculation. And as a theory, a more comprehensive Xiaotun mine gas drainage pipe network system optimization. Paper needs on-site determination of Xiaotun mine coal seam 6 coal seam permeability coefficient value of 0.326m2/Mpa2 d, the gas pressure values 0.95Mpa; and drainage parameters to be optimized, while the use of FLUENT software gas flow simulation, drilling around the media in order to aid in determining the drainage radius, gas drainage technology, especially the drilling layout optimization; 6 seam face normal tunneling through the implementation of the improvement program, neither during the gas overrun phenomenon Xiaotun mine gas control and achieved good results. 内蒙古科技大学硕士学位论文 III The results of this research can be further enriched gas drainage pipe network system as a whole and rationality, mine production safety significance. Rational layout for drilling the drill field at the same time has a certain reference value. Key WordsMine gas；Numerical simulation；Rebuilding and optimization；Monitoring and control 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目目 录录 摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ............................................................................................................................................ II 引 言 ...................................................................................................................................... - 1 - 1 绪论 .......................................................................................................................................... - 1 - 1.1 课题背景 ....................................................................................................................... - 1 - 1.2 国内外瓦斯抽放发展现状与趋势 ............................................................................. - 2 - 1.2.1 国外技术发展现状与趋势 ............................................................................... - 2 - 1.2.2 国内瓦斯抽放现状 ........................................................................................... - 2 - 1.3 选题的目的与意义 ...................................................................................................... - 3 - 1.3.1 选题的目的 ........................................................................................................ - 3 - 1.3.2 选题的意义 ........................................................................................................ - 3 - 1.4 研究方案及进度安排 .................................................................................................. - 3 - 1.4.1 研究的内容和方案 ........................................................................................... - 3 - 1.4.2 研究过程 ............................................................................................................ - 4 - 2 影响抽放管网的抽放效果的因素 ........................................................................................ - 6 - 2.1 国内矿井瓦斯抽放率低的原因分析 ......................................................................... - 6 - 2.2 提高矿井瓦期抽放率的途径 ..................................................................................... - 7 - 2.2.1 合理选择抽放方法 ........................................................................................... - 7 - 2.2.2 选择合理的抽放参数 ....................................................................................... - 8 - 2.2.3 选择合理的钻孔布置方式 ............................................................................... - 9 - 2.2.4 选择合理有效的钻孔封孔方式及材料 ........................................................ - 11 - 2.3 本章小结 ..................................................................................................................... - 12 - 3 单孔的抽放效果及优化控制 .............................................................................................. - 13 - 3.1 瓦斯在煤体中存在的状态 ........................................................................................ - 13 - 3.2 钻孔周围煤体中瓦斯流动数学模型建立 ............................................................... - 13 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 3.2.1 穿层布孔时的数学模型 ................................................................................. - 13 - 3.2.2 本煤层布孔的数学模型 ................................................................................. - 14 - 3.3 提高单孔的抽放效果及其优化控制 ....................................................................... - 25 - 3.3.1 增加钻孔的暴露煤面 ..................................................................................... - 25 - 3.3.2 改变瓦斯流动场的边界条件 ......................................................................... - 25 - 3.3.3 延长钻孔抽放时间 ......................................................................................... - 26 - 3.3.4 改变钻孔周围煤层的透气性系数 ................................................................ - 26 - 3.4 本章小结 ..................................................................................................................... - 27 - 4 小屯煤矿瓦斯抽放参数的研究与应用 ............................................................................. - 29 - 4.1 小屯煤矿概况 ............................................................................................................ - 29 - 4.1.1 煤矿煤层赋存条件 ......................................................................................... - 29 - 4.1.2 煤矿矿井生产现状与矿井通风方式 ............................................................ - 29 - 4.1.3 矿井瓦斯情况 .................................................................................................. - 30 - 4.2 小屯矿煤层基础参数的测定 ................................................................................... - 30 - 4.2.1 小屯矿煤层瓦斯压力的测定 ......................................................................... - 30 - 4.2.2 小屯矿煤层透气性系数的测定 ..................................................................... - 32 - 4.3 本章小结 ..................................................................................................................... - 34 - 5 瓦斯抽采参数优化 ............................................................................................................... - 35 - 5.1 抽采半径的测定 ........................................................................................................ - 35 - 5.1.1 抽采半径测定方案实施 ................................................................................. - 35 - 5.1.2 小屯矿抽采半径总结分析 ............................................................................. - 38 - 5.2 基于Fluent 软件的周围煤体瓦斯流动数值模拟 .................................................. - 39 - 5.2.1 Fluent 模拟结果及分析 ................................................................................... - 39 - 5.2.2 基于 Fluent 模拟抽采半径结果与现场测定结果对比分析 ....................... - 47 - 5.3 瓦斯抽采技术措施改进与研究 ............................................................................... - 48 - 5.4 本章小结 ..................................................................................................................... - 51 - 6 小屯矿瓦斯管网系统的优化 .............................................................................................. - 53 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 6.1 小屯矿最优抽采负压确定 ........................................................................................ - 53 - 6.2 管路系统的选择优化 ................................................................................................ - 57 - 6.3 本章小结 ......................................................................................................................... 59 结 论 ........................................................................................................................................ 60 参考文献 ........................................................................................................................................ 62 在学研究成果 ............................................................................................................................... 66 致 谢 ........................................................................................................................................ 67 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 引引 言言 1 绪论绪论 1.1 课题背景课题背景 国家能源中长期发展规划纲要（2004～2020）中已经确定，我国将“坚持以煤 炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”中国工程院国家能源发 展战略2030～2050预测我国煤炭年需求量达3.8Gt。由此可见未来的一个时期，煤炭 资源将在我国的能源利用中占有主导地位。在2009年我国国内的年煤炭产量就已达到了 3.03Gt，在全球的煤炭能源利用中占得比重超过了40。随着我国社会经济的快速可持 续发展，对煤炭的依赖性愈发显现出来，需求量也越来越大。开采量的持续增加导致的 直接结果就是煤层的深部延伸，情况比较突出是我国的中东部地区，这些地方建井时间 早，开采时间长，浅煤层已经采掘枯竭，煤矿已经在进行深煤层开采工作。诸如平煤集 团的一些下属矿井，早在2009年开采深度就达到了1200米。开采深度的增加除了造成采 掘、运输上的困难以外，更多的是复杂地质情况造成的困难和灾害事故，如地压增大、 地温升高、地下水压变大等造成的瓦斯、热害、水害，而瓦斯灾害是影响煤矿安全生产 的最大隐患。地区上如两淮矿区，随着开采的深度持续增加，煤层结构愈发复杂，煤质 发生着由长烟煤到无烟煤的变化，瓦斯含量达10～40m3/t，煤的硬度f值多为0.1～0.5， 煤层渗透率仅为10-3～10-4mD，与国外的煤层渗透性相比差104～105倍，这是我国大多 数矿区采前瓦斯抽采困难的主要原因[1]。 我国在煤矿开采工作中一直强调安全生产，重视煤矿瓦斯治理工作，在瓦斯治理上 投入的研究人员、仪器、精力、基金都是很大的，经过多年的努力研究建设，我国在煤 矿瓦斯防治上也取得了许多可喜的成果，在“六五”到“十五”的研究理论基础上， “十一五”期间，我们的研究工作终于取得了质的重大进展，在其中具有代表性的研究 成果就是制定和形成了一系列的煤矿瓦斯防治方面的标准、经验、条例、规范和管理规 定等，初步对瓦斯治理工作实现了规范化、程序化和制度化[2,3]。例如淮南矿业集团， 在技术人员13年的努力下，瓦斯治理工作取得长足的进展，瓦斯抽采量由10Mm3增加到 2500Mm3，瓦斯抽采率由5提高到48，煤炭产量由10Mt增加到60Mt，连续13年避免 了瓦斯爆炸事故，百万吨死亡率降至0.095/Mt人的国际先进水平。淮南矿业集团的实践 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 充分说明，在现有开采条件下，结合各矿区实际利用现有技术，配合先进的管理理念， 瓦斯事故是可控和可防的。 半个世纪以来，我国的煤矿瓦斯抽放工作处在逐步提高的发展阶段，目前，我国的 总抽放量居世界第二位，仅次于美国。但是与我国的能源发展长久规划来看，我国矿井 的瓦斯抽放工作仍有待于改善和提高[4]。 1.2 国内外瓦斯抽放发展现状与趋势国内外瓦斯抽放发展现状与趋势 1.2.1 国外技术发展现状与趋势国外技术发展现状与趋势 矿井瓦斯抽采有三个方面的作用第一、可以减少采掘工作时的瓦斯涌出量，消除 瓦斯隐患和减少各种瓦斯事故的发生。第二、可以减少通风负担，降低通风费用，解决 通风难以解决的难题。第三、开发利用瓦斯，可以变废为宝、节约煤炭、保护环境、创 造可观的经济效益。 国外煤矿工业性的瓦斯抽放是1934年从日本开始的。近年来,由于国外能源危机， 为了把瓦斯作为一种自然能源加以利用，也加快了瓦斯抽放工作。一般都采用综合的总 体抽采方式，在掘进过程中抽采技术的同时，研制和应用相关的装备，建立瓦斯抽采监 测系统，提高瓦斯抽采率，保证瓦斯安全抽采及瓦斯输送[5]。抽放卸压层瓦斯、开采层 预先抽放、抽放围岩瓦斯、采空区瓦斯抽放等仍是国外运用的主要手段。 1.2.2 国内瓦斯抽放现状国内瓦斯抽放现状 我国煤矿瓦斯抽采始于1938年，1952年开始工业应用。2000年底，我国就有141对 矿井建立了与矿井井下开采相配套的永久性瓦斯抽放系统。年抽采量达8.76亿m3。2002 年抽采矿井数193对，年抽采量11.46亿m3,2006年全国重点煤矿抽采矿井达到264对，年 抽采量达到26.14亿m3。到2009年矿井就达到300多对，年抽采量就达到了64.5亿m3 [6]。 井下抽放方式是我国煤矿最常用的。结合抽放对象考虑因素，又分为邻近层、本煤 层和采空区瓦斯抽放。当前，我国煤矿应用最为常见的瓦斯抽放方法有如下6种[7]。 （1）本煤层采前预抽； （2）本煤层边采边抽； （3）本煤层边掘边抽； （4）邻近层钻孔抽放； 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - （5）邻近层巷道抽放； （6）采空区瓦斯抽放。 1.3 选题的目的与意义选题的目的与意义 1.3.1 选题的目的选题的目的 1预防瓦斯超限、确保矿井安全生产。 2开采保护层并具有抽放瓦斯系统的矿井，应抽放被保护层的卸压瓦斯。 3对于无保护层可采的矿井，瓦斯预抽能够有效的减少和消除煤与瓦斯突出事故的 发生。 4提高封孔质量改善瓦斯抽放效果。 5开发利用资源，变害为利。 1.3.2 选题的意义选题的意义 1瓦斯抽放是消除煤矿重大瓦斯事故的治本措施。 2瓦斯抽放能够解决矿井仅靠通风难以解决的难题，降低矿井通风成本。 3瓦斯抽放能够利用宝贵的瓦斯资源。 1.4 研究方案及进度安排研究方案及进度安排 1.4.1 研究的内容和方案研究的内容和方案 本文意在提高矿井瓦斯抽放能力，通过建立数值模拟，进行理论推导，后运用于煤 矿的生产实践中，取得数据，来进一步验证提高瓦斯管网系统的效率安全有效。 提高传统瓦斯抽放管网系统技术的发展方向是 1在主工作面试验并推广综合抽放瓦斯方法。 2研究提高透气性系数低下的瓦斯突出煤层瓦斯抽放效率的方法。 3研究实现安全可靠的井下瓦斯监测监控。 4完善抽放装备。 5在不断研究改进瓦斯抽放技术的基础上，结合矿井的实际情况，基于安全人、 机、系统和谐建立可靠合理的瓦斯抽放管网系统，从而实现矿井正常运营。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 结合当今煤矿瓦斯抽放的现状和发展方向，论文将以研究提高矿井瓦斯抽放管网系 统的优化管理技术作为论文的主要内容。首先，总结了瓦斯抽放过程中影响抽放效果的 原因分析；再次，瓦斯钻孔抽放广泛的应用在煤矿瓦斯抽放中，因此，单个钻孔的抽放 效果的好坏就直接影响了整个系统的抽放效率，所以着重对单孔的抽放效果进行了分 析，并建立了数学模型，辅助以 FLUENT 软件模拟，并结合实际现场，布置钻场，通 过数据记录，进行现场测试；然后，基于钻孔抽放的实际现场效果，提出了钻场的合理 布局；最后，通过现场实际数据测试，从宏观进行分析，对瓦斯抽放管路的设备进行选 型，完善了对整个抽放系统的树状管网的优化理论。 论文的主要内容如下 （1）研究提高矿井瓦斯抽放率的途径。 （2）对钻孔周围煤体瓦斯的流动建立数学模型，对单孔抽放效率的控制与优化进 行了分析。 （3）结合现场，对矿井进行试验布置钻孔，通过记录实验数据并对其结果进行分 析。为了直观的观察钻孔周围煤体瓦斯流动状况，采用 FLUENT 软件进行瓦斯流动模 拟。 （4）研究提出了现场瓦斯抽放改进措施。。 （5）研究选择最优抽放负压，计算选择了合理的抽放管路管径，建立有效的瓦斯 监测监控系统，最终实现对实际现场矿井的瓦斯管网系统的优化。 1.4.2 研究过程研究过程 技术路线本课题的研究技术路线图 1.1 所示 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 确定研究内容和研 究对象 查阅文献，收集、 整理相关资料 瓦斯抽放管网系统 瓦斯管网系统优化 管理技术 单孔的抽放效果数值模拟 及优化控制 瓦斯管网系统的优化设计 与原管网系统对比 优化提高 图1.1 论文流程图 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - 2 影响抽放管网的抽放效果的因素影响抽放管网的抽放效果的因素 根据 2007 年全国各类煤矿瓦斯等级鉴定情况汇总，全国共有矿井 15071 对，其中 煤与瓦斯突出矿井 647 对，占 4.3，高瓦斯矿井 2859 对，占 19.0；国有重点煤矿共 有 887 对矿井，其中煤与瓦斯突出矿井 180 对，占 20.3，高瓦斯矿井 168 对，占 18.9[8]。 据近年资料，我国煤矿瓦斯抽放工作与国外主要产煤国相比仍然存在诸多不足之 处，例如单一低透性煤层的增透问题、抽采掘进工作量大、成本高、与瓦