平煤平宝公司瓦斯抽放巷道抽放方法的研究.pdf

硕士学位论文硕士学位论文 论文题目论文题目平煤平宝公司瓦斯抽放巷道抽放方法的研究 英文题目英文题目The Study of the Gas Drainage Roadway of Pingbao Company Drainage in Gas 学位类学位类别别 硕士 研 究 生 姓研 究 生 姓 名名 王晓光 学号学号 201102404_ 学科学科领域领域名称名称 矿业工程 指导教指导教师师 郝全明 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 TD712 TD712 密密 级级 公开公开 U D C 学校代码学校代码 1012710127 内蒙古科技大学硕士学位论文 I 摘摘 要要 平宝公司是平煤集团下属子公司，位于平顶山矿区东部。经煤炭科学研究总院 抚顺分院测定，本井田己 1617煤瓦斯含量为 10.46m3/t，戊9-10煤瓦斯含量为 11.42m3/t，戊8煤瓦斯含量为 15.07m3/t。所以本矿井属于高瓦斯矿井，在矿井生 产过程中须对矿井瓦斯进行抽放，从而保证矿井安全生产，对本矿井进行瓦斯抽 放是很有必要，根据规定也是必须实行的。 本论文研究目的是通过对此种抽放方法在实际生产过程中应用效果进行分 析， 从而验证此方法是否有效，同时分析在此过程中影响因素对瓦斯抽放效果影 响， 对部分参数进行重新评估与优化。本论文主要是针对本矿井瓦斯抽放巷道抽 放瓦斯进行研究，本研究内容包含三大部分内容 （1）抽放巷道的布置，与煤层 之间位置关系，包括施工参数等。 （2）抽放钻孔的设计与施工。抽放钻孔的设计 及施工是整个抽放过程中最重要一部分， 此部分内容主要是包括钻孔设计的角度 及钻孔深度，另外还包括最后效果检验。 （3）抽放数据的收集、总结。通过收集 到的抽放数据来分析瓦斯抽放巷道在抽放瓦斯方面是否是真的有效， 效率值是多 少， 从而对此方法进行判定。通过数据分析可以得出抽放巷道平均抽放瓦斯量占 到机巷抽放瓦斯总量的比例，效率还是能达到设计要求。 最后通过抽放数据也能找出在抽放过程中的一些规律， 一般生产条件稳定的 情况下，抽放巷道的抽放数据是趋于平衡，并且抽放巷抽放的瓦斯量与机巷抽放 的瓦斯量成一定的反比关系，当抽放巷抽放瓦斯量增大时，机巷抽放瓦斯量会随 之降低。在数据分析最后进行理论计算、软件模拟、工业实验来分析影响瓦斯抽 放效果因素，从而对部分参数进行优化，提出合理解决方法。上述三部分内容为 整个抽放工序及施工过程，是对低位瓦斯抽放巷道抽放瓦斯工作的一个总结，本 论文也是主要从这三方面进行研究，通过对每个生产环节分析、总结。最后应用 抽放数据对此方法进行分析， 整合结果， 从而对此抽放方法进行全面分析、 总结。 关键字平宝公司；瓦斯抽放巷道；数据分析；判断有效性 内蒙古科技大学硕士学位论文 II AbstractAbstract Pingbao company is a subsidiary of Pingdingshan Coal Group, Pingdingshan mine located in the east.Determination of the Coal Research Institute Fushun Branch coal gas content of the Minefield J16-17 10.46m3/t, the W9-10 to 11.42m3/t of coal gas content, W8 coal gas content to 15.07m3/t. So the mine belonging to the high gas mine, mine gas drainage in mine production process, thus ensuring mine production safety of the mine gas drainage is necessary, according to the provisions must implement. This thesis study for gas drainage of the coal mine gas drainage tunnel. Purpose of this thesis is through this drainage applied in the actual production process analysis of the effects in order to verify the effectiveness of this , simultaneous analysis of influencing factors in the process gas drainage effect on the impact on the re-uation of some parameters and optimization.this study contains three major first,layout of the drainage tunnel, with the position relationship between coal seams, including the construction parameters and so on. second,Drainage design and construction of the drilling. The design and construction of the drainage hole is the most important part of the whole drainage process, the contents of this section include drilling design angle and drilling depth, also includes the inspection of the final effect. third,Drainage data collectionand summary. Through the Drainage of data collection to data analysis the gas drainage tunnel in whether it is really effective, the efficiency value, thus this to determine. The average accounted machine Lane to the total amount of layout of the drainage tunnel can be drawn through the data analysis, efficiency can still meet the design requirements. Through the drainage data also can find some regularity in the drainage process, generally stable production conditions, drainage roadway drainage data tends to balance the amount of gas drainage and Drainage Lane pumping machine Laneput the amount of gas into the inverse relationship drainage Roadway drainage increased the 内蒙古科技大学硕士学位论文 III amount of gas, machine Lane drainage amount of gas will be reduced. Finally, the theoretical calculation data analysis, software simulation, industrial experiments to analyze the effects of factors affecting gas extraction, and thus part of the parameters are optimized reasonable solution.The three parts of the Drainage whole process and the construction process, a summary of the Drainage layout of the drainage tunnel low gas work of this thesis is to study these three main aspects, through each stage of production analysisand summarize. Final application of this the Drainage data analysis the Drainage integrate the results of a comprehensive summary of which this drainage . Key WordsPingbao company；The gas drainage roadway；Data Analysis； Judge the validity 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 目 录 摘 要 ....................................................................................................................... 2 Abstract ......................................................................................................................... II 引 言 .................................................................................................................. - 1 - 1 文献综述 ............................................................................................................... - 2 - 1.1 研究背景及意义........................................................................................... - 2 - 1.1.1 论文研究的背景.................................................................................. - 2 - 1.1.2 研究的目的及意义.............................................................................. - 4 - 1.2 国内外研究现状........................................................................................... - 4 - 1.2.1 国内预防瓦斯突出及瓦斯抽放情况概况.......................................... - 4 - 1.2.2 国内主要瓦斯抽放的方法.................................................................. - 5 - 1.2.3 抽放巷道抽放瓦斯技术理论基础...................................................... - 6 - 1.2.4 国外瓦斯抽放技术发展现状.............................................................. - 8 - 2 矿井煤层瓦斯储量及抽放的必要性、可行性 ................................................... - 9 - 2.1 矿井主要可采煤层瓦斯储量....................................................................... - 9 - 2.2 矿井瓦斯抽放的必要性............................................................................. - 11 - 2.3 矿井瓦斯抽放的可行性............................................................................. - 14 - 3 抽放巷道设计及施工 ......................................................................................... - 16 - 3.1 选取主要研究巷道..................................................................................... - 16 - 3.2 抽放巷道所处岩层概况............................................................................. - 16 - 3.3 巷道施工方法及施工工艺选择................................................................. - 18 - 3.3.1 巷道施工方法选择............................................................................ - 18 - 3.3.2 巷道施工工艺.................................................................................... - 18 - 3.4 巷道支护形式............................................................................................. - 19 - 3.5 巷道主要辅助系统..................................................................................... - 20 - 3.5.1 通风系统............................................................................................ - 20 - 3.5.2 供电系统............................................................................................ - 21 - 4 瓦斯抽放钻孔设计 ............................................................................................. - 23 - 4.1 区域瓦斯突出危险性预测......................................................................... - 23 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 4.2 抽放巷道钻孔布置..................................................................................... - 24 - 4.2.1 穿层预抽钻孔设计............................................................................ - 25 - 4.2.2 机巷抽放巷穿层钻孔抽采管路选择................................................ - 27 - 4.3 抽放效果检验............................................................................................. - 27 - 4.3.1 抽放效果检验点布置规律................................................................ - 27 - 4.3.2 机巷抽放巷抽放效果检验................................................................ - 28 - 4.4 区域验证..................................................................................................... - 28 - 4.4.1 区域定量、定性验证........................................................................ - 28 - 4.4.2 执行区域验证超前钻孔的具体要求................................................ - 29 - 5 瓦斯抽放实验数据整理、分析 ......................................................................... - 32 - 5.1 巷道掘进期间瓦斯涌出量预测................................................................. - 32 - 5.2 瓦斯抽放数据整理..................................................................................... - 34 - 5.3 抽放数据分析与总结................................................................................. - 43 - 5.3.1 抽放数据整合验算............................................................................ - 43 - 5.3.2 各数据间变化关系分析.................................................................... - 45 - 5.3.3 提高巷道抽放法抽放效率可能性分析............................................ - 48 - 6 影响瓦斯抽放效率因素分析及参数优化 ......................................................... - 49 - 6.1 影响抽放效率因素分析............................................................................. - 49 - 6.2 基于影响因素提高抽放率方案比较......................................................... - 53 - 6.3 结论总结..................................................................................................... - 58 - 结 论 ................................................................................................................ - 59 - 参考文献 ................................................................................................................ - 61 - 在学研究成果 ........................................................................................................ - 64 - 致 谢 ................................................................................................................ - 65 - 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 1 - 引引 言言 我国自进入 21 世纪以来，迎来了社会经济发展的高潮，作为传统能源的煤炭在 在社会经济发展中仍起到至关重要的作用，虽然说新能源在迅速的发展，但是煤炭在 我国目前社会发展中所起到的作用是其他能源所无法替代的，在未来很长一段时间 内，煤炭仍将作为我国经济发展的主导。 由于长年累月的开采，在一些煤炭开采较早地区，浅部煤炭已经开采殆尽，并且 随着我国煤炭产量在连年增长，开采深度也随着开采量的增加而加深，所以说以后将 要面对的开采条件将会更加复杂，这必然会导致一些煤矿灾害变的尤为突出，如矿压 增大，瓦斯突出等，在各种问题中瓦斯突出问题显得尤为突出，另外我国是瓦斯事故 多发的国家，瓦斯事故始终是影响我国煤矿安全生产的一个很重要因素。在这样的情 况下发展瓦斯抽放技术，降低煤矿瓦斯突出危险性，对煤矿安全生产具有重要意义。 本论文通过对平宝公司采用瓦斯抽放巷道预先抽放机巷煤层中瓦斯来降低预掘 机巷煤层中瓦斯含量从而降低在掘过程中瓦斯突出的危险性这样一种抽放方法进行 研究。对此种方法整个生产工序进行详细分析，将此法中包含的主要三部分内容分别 单独进行详细分析，尽可能将此方法分析透彻，最后还需通过现在生产过程中实测数 据，从而测算出此种方法抽放的瓦斯量占所抽放瓦斯总量的比例，从此数据分析这样 一种方法的具体有效性及优缺点，具体对煤矿安全生产，防治瓦斯突出方面都有哪些 重要作用，对本矿井瓦斯抽放方面提供一些参考。同时也能对以后瓦斯抽放技术的发 展做出贡献。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 2 - 1 文献综述文献综述 1.1 研究背景及意义研究背景及意义 1.1.1 论文研究的背景论文研究的背景 煤炭一直以来都作为是我国的主要能源， 约占一次能源的 70， 始终在我国能源 体系中占主导地位。截止到 2006 年，中国煤炭产量已基本达到 23.5 亿吨[1]。并且随 着我国经济长此以往的不断发展， 煤炭仍将继续并将长期作为主要能源在我国的经济 发展中起支柱作用。同时随着煤炭产量的增加，瓦斯灾害对煤矿的安全生产影响越来 越严重，中国已成世界上煤与瓦斯突出灾害最为严重的国家。 据中国煤田地质总局最近实测资料，中国煤层气资源总量在煤层瓦斯含量 4m3/t 以上以及埋深2 000m范围以内的大约有14.34万亿m3。 另外含量大于8m3/t与48m3/t 煤层总量分别为 12.44 与 1.89 万亿 m3， 占到资源总量的比例分别为 86.8与 13.2[2]。 煤层气资源量在埋深 1 500m 以内的总量为 9.26 万亿 m3，大约占到总量的 65。在 全国 23 个目标区之内进行了 76 层次的试井渗透率测定，渗透率变化范围为 0.002 10-316.17 10-3mm2。 平顶山矿区位于河南省中部襄县、郏县、宝丰三县和平顶山市境内，中心位于平 顶山市。 平顶山矿区位于秦岭造山带后褶皱带，在秦岭山带的控制范围之内。该矿区在晚海 西期，早在印支期秦岭板块与华北板块碰撞拼接之前属于华北型的沉积，从而形成了一 套完整的石炭二叠纪煤系[3]。煤层发育齐全，厚度 800m 左右，厚度较大，煤层层数共有 60 多层，煤层最厚的有 30 余米，可采煤层有 10 多层，可采煤厚度 1518m，煤种主要 包括肥煤、气煤、瘦煤、焦煤，该阶段煤气发生量为 65170m3/t[4]。在目前开采深度， 煤层瓦斯含量多在 10m3/t，daf 以上，高者为 15.87m3/t，daf，所以说平顶山矿区属于 高瓦斯矿区。 平顶山矿区可分为西部和东部两个部分。西部矿区主要有四矿、七矿、五矿、十 一矿等井田和一矿井田的西半部分。东部矿区可有八矿、十二矿、十矿井田和一矿的 东半部。平顶山矿区西半部的锅底山断裂上盘包括五矿和七矿井田，造成五矿发生煤 与瓦斯突出的主要原因是因为该井田经历过锅底山断裂的上盘的逆冲推覆以及该断 裂反转时的下降运动，煤层破坏强烈。平顶山矿区东部的八矿井田，西邻十矿，十二 矿井田，该井田位于北东向构造与北西向构造交汇复合联合处。有北西向展布的任庄 断裂、张湾断裂，又有辛庄断裂北东向展布。既有北东向展布的前聂背斜，又有北西 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 3 - 向构造复合控制的焦赞背斜， 且又有北西向构造与北东向构造联合作用控制的盒形构 造任庄向斜，井田构造极为复杂，煤层破坏强烈。 平顶山矿区内有发育北西向和北东向的小型正断层、逆断层，但北西向的断层数 量多，且以正断层为主，北东向的小型正断层，构造煤不发育。北西、北西西向小型 正断层、逆断层都比较发育，断层面附近构造煤在全层发育，逆断层两盘的煤体的破 快程度大于正断层。 平宝公司是中平能化集团下属子公司， 位于平顶山市东北， 距平顶山市约 25km， 行政区隶属襄城县管辖。地理座标东经 11321′16″至 11326′22″，北纬 3345′45″至 3350′52″。平宝公司井田位于丘陵～平原的过度部位。井田地势西南高，东北低，最 高点为南部的孟良寨，标高366.56m，最低点为东部的平坦耕地，标高80100m 左右，相对高差 260280m。丘陵地貌分布于井田南部及西南部，呈长圆形，大致呈 北西～南东及北东～南向展布。 丘陵地貌分布于井田南部及西南部，呈长圆形，大致呈北西～南东及北东～南西 方向展布。丘顶标高一般225295m，相对高差小于 100m，地面坡度 2530 ，地表 常被沟谷切割，丘顶多出露平顶山砂岩和金斗山砂岩。丘间洼地分布于井田东北部， 地面低洼平坦，主要为耕地分布区。地面标高一般80100m，相对高差 1530m，地面 坡度1020 ，主要为风化剥蚀物质近距离搬运堆积而成。 井田属半隐伏地区，地表仅出露部分二叠系上统上石盒子组八煤段、石千峰组及 三叠系下统刘家沟组地层。依据地表出露与钻探揭露，地层自下而上为寒武系上统崮 山组；石炭系上统太原组；三叠系下统刘家沟组及第四系。总厚约 1 400m。其中石 炭系上统太原组～二叠系上统上石盒子组为含煤地层。 井田位于平顶山矿区李口向斜北翼东段。井田主体构造为一轴向 320 的宽缓背 斜即白石山背斜，其南、北翼分别为李口向斜北翼和灵武山向斜南翼，地层走向一般 为 290 320 ，倾角北东翼稍陡，南西翼较缓，一般变化在 8 20 之间。 井田内已探明断层 14 条（正断层 13 条，逆断层 1 条） ，大部分位于井田西部沟 李封断层（F14）旁侧，为北北东和北东东向两组正断层，共 11 条，落差 745m，雁 形排列，带平移性质；其余地段断层稀少，仅在井田东部白石山背斜轴附近发育一条 正断层和一条逆断层。井田内 14 条断层中，落差100m 的 1 条（即 F14） ；落差30m 的 6 条（即 F1、F6、F7、F9、F12、F13） ；落差 3015m 的 5 条（即 F2、F3、F8、 F10、F11） ；落差15m 的 2 条（即 F4、F5） 。切割二1煤的 14 条，切割三9-10煤的 12 条。除 F9 正断层及 F13 逆断层出露地表外，其余均为隐伏断层。 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 4 - 经煤炭科学研究总院抚顺分院测定，本井田己 16-17煤瓦斯含量为 10.46m3/t，戊 9-10煤瓦斯含量为 11.42m3/t，戊8煤瓦斯含量为 15.07m3/t[5]。所以本矿井属于高瓦斯 矿井，在矿井生产过程中须对矿井瓦斯进行抽放，从而保证矿井安全生产，对本矿井 进行瓦斯抽放是很有必要，根据规定也是必须实行的。 1.1.2 研究的目的及意义研究的目的及意义 （1）研究的目的 ①研究瓦斯抽放巷道的施工及与煤层之间的具体空间位置关系。 在巷道的施工过 程中，具体的布置位置、施工方法，施工步骤、从而得出抽放巷道一般技术参数，对 以后施工能起到指导作用。 ②研究瓦斯抽放巷道抽放钻孔的布置位置。 根据煤层透气性及煤层位置合理布置 钻孔位置，及选择合适的钻孔。 ③抽放管路的布置及抽放数据分析。抽放巷道及抽放管路布置完成之后，将对抽 放管路进行布置。通过地方抽放站监测抽放数据，分析已抽放瓦斯量，得出数据从而 通过数据指导煤巷掘进工作。 （2）研究的意义 目前，随着我国煤炭产量的增加，采煤深度的增加，从而媒体中蕴含的瓦斯量也 越来越大，已经严重威胁人身安全及煤矿的正常生产。由于平宝公司煤层中蕴含的瓦 斯量很大。所以，如果按以前正常情况下掘进煤巷，不仅有煤与瓦斯突出的可能性， 造成人员伤亡，而且严重影响生产进度，导致煤矿的经济效益降低，那么另外开拓一 条瓦斯抽放巷道对预掘煤巷进行瓦斯预先抽放，当煤体中瓦斯含量减小，符合煤巷掘 进条件后，方才掘进煤巷。此种措施对煤矿瓦斯灾害防治工作具有重要作用及意义。 在一些瓦斯涌出量特别大的煤矿预防瓦斯灾害事故，保证安全生产有重要作用，应加 以推广使用。 1.2 国内外研究现状国内外研究现状 1.2.1 国内国内预防预防瓦斯瓦斯突出及突出及瓦斯瓦斯抽放情况概况抽放情况概况 新中国成立以来，抽放煤层瓦斯技术在我国已基本成熟并取得长足的进展，各煤 矿根据不同特点，形成了本煤层、邻近层、穿层和采空区瓦斯抽放的多种方法[6]。 从 50 年代起抚顺、阳泉、北票矿务局等矿区开始建立瓦斯抽放系统对矿井进行 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 5 - 瓦斯抽放。从 60 年代又逐渐在焦作、包头、淮南、梁山、峰峰等矿务局进行瓦斯抽 放试验。70-80 年代，进行瓦斯抽放的矿井逐渐增加[7]。近年来随着煤矿开采的深度 不断增加，产量逐渐加大，一些低瓦斯矿井开始逐渐向高瓦斯和突出矿井转变，瓦斯 突出危险性也逐渐增大，所以为了保证煤矿的安全生产，绝大多数煤矿都采取了抽放 瓦斯的方法，来有效防止瓦斯事故的发生。 到 90 年代抽放量增长幅度继续不断增大，平均每年增加 4 450m3。比 80 年代增 长了近 3 倍[8]。由此数据可看出高突矿井对瓦斯抽放重要性认识提高了，投入也随之 增加、抽放技术不断进步和抽放能力不断增加。截止到 1997 年底全国建立抽放系统 矿井的瓦斯涌出量为28.786亿m3， 抽放瓦斯量为7.287亿m3， 平均抽放率达到25.3。 到 1999 年我国年抽放瓦斯量超过 1 000 万 m3有 18 座矿井[9]。 目前，我国煤矿瓦斯抽放技术取得了长足的发展，但总体来说瓦斯的抽放率还很 低，在技术与装备上还有很大的发展空间，我国煤矿瓦斯抽放主要是推广高效抽放技 术在实际生产中的应用，从而提高煤矿高效、安全生产。 1.2.2 国内主要瓦斯国内主要瓦斯抽放抽放的的方法方法 随着我国煤炭开采技术的发展和完善，煤矿瓦斯抽放技术也在不断发展、进步。 目前抽放方法较多，形式也是多样，但并无统一划分，有些方法相似但是在命名上各 有侧重点，也各有不同，不过从目前我国煤矿瓦斯抽放技术的发展来看大致可以划分 为一下几种方法[10]。 （1）按抽放瓦斯的来源 ①开采层抽放 ②邻近层抽放 ③采空区抽放 （2）按施工工艺和手段 ①巷道抽放法 ②钻孔抽放法 ③巷道钻孔混合抽放法 （3）按抽放与采掘时间关系 ①采前抽放 ②采中抽放 内蒙古科技大学硕士学位论文 - 6 - ③采后抽放 瓦斯抽放方法从不同划分原则来划分，大致可以划分为以上几种，但是在现场的 生产过程中往往都是相互结合，并且一些方法相互促进，相互发展，在生产过程中密 切联系。 但是如果按照煤矿防治瓦斯突出的角度来分析， 以上一些方法对煤与瓦斯突出的 防治也起到至关重要的作用，若从防治煤与瓦斯突出的角度来划分则可大概分为防 治煤与瓦斯突出措施按作用范围来分，可以分为区域性措施和局部性措施。按作用效 果来分，可以分为有制止突出发生的措施和突出时保证人员安全的措施。按作用的性 质来分，可以分为有技术措施和组织管理措施等。综合起来分为三类，分别为区域性 防突措施，局部性防突措施和安全保护措施[11]。 区域性防突措施的主要目的和作用是要消除煤层某一较大区域的突出危险性。 区 域性防突措施的优点是在开采突出煤层前，预先采取防突措施，措施的实施与突出危 险区域的采掘作业的干扰，而且在区域性防突措施的效果一般由于局部防突措施，故 在采取防突措施时，应优先考虑选用区域性防突措施。区域性防突措施包括开采解放 层和大面积抽放煤层瓦斯。 局部性防突措施是指采取区域性防突措施， 经预测有突出危险性工作面必须采取 防突措施。其目的和作用在于工作面前