采空区埋管抽放技术在采煤工作面的应用.pdf

收稿日期 2009212201 作者简介郝长胜1963 - ,男,内蒙古包头人,高级工程师,教授,研究方向为矿业工程和计算机应用技术。 doi 10. 3969/j . issn. 1005 - 2798. 2010. 04. 005 采空区埋管抽放技术在采煤工作面的应用 郝长胜,孙宝雷,周连春,祁 昊,张 朋 内蒙古科技大学 矿业工程学院,内蒙古 包头 014010 摘 要分析了采煤工作面采煤过程中瓦斯产生的原因,阐述了采空区埋管抽放技术的工作原理。该技术 成功的对采煤过程中产生的瓦斯进行了有效的治理,保证了采煤工作面的安全、 稳定、 高效的生产。 关键词采空区埋管抽放技术;瓦斯治理;应用 中图分类号 TD712 . 623 文献标识码A 文章编号 100522798 2010 0420016202 Application of Gob Drai nage Pipe Technology i n Coal Face HAO Chang2sheng, SUN Bao2lei, ZHOU Lian2chun,Q IHao, ZHANG Peng M ining Engineering College,InnerM ongolia University of Science and Technology, Baotou 014010, China AbstractThis paper analyzes the reason ofwhat cause the gas generated in the process of coalmining at the coal face, and explains how gob drainage pipe technologyworks . The technology successfully controls the gaswhich emerges in the process of coal production, and makes the coal face safe, stable and the efficient production true. Keywordsgob; drainage pipe technology; gas control; application 鹤壁中泰矿业公司其前身为鹤壁煤电股份有限 公司四矿,位于鹤壁矿区的北部,开采煤层为石炭二 叠系山西组二1煤,煤层平均厚度为8 m, 2008年对 矿 井 瓦 斯 进 行 鉴 定,绝 对 瓦 斯 涌 出 量 为 72. 04 m 3 /min,属于煤与瓦斯突出矿井。为了有效 治理瓦斯,该矿除了优化矿井通风系统外,还采取了 本煤层抽放、 邻近层抽放、 高位裂隙抽放、 工作面浅 孔抽放等综合抽放瓦斯的措施,对矿井瓦斯进行了 有效治理,基本上保证了工作面的安全生产。但由 于煤层地质条件复杂,煤层在开采时,破坏了煤 岩体的压力平衡状态,上、 下部负荷卸除,引起煤 岩体移动,并向采空区方向膨胀,从而导致包括 错动而产生各种方向的裂隙,这些裂隙与采空区沟 通,形成向采空区排放瓦斯的通道,这样邻近层的瓦 斯在自身压力作用下,通过这些通道向采空区发散 进入采空区及上隅角,从而造成工作面上隅角及采 空区聚积大量瓦斯严重制约工作面的安全生产。针 对这种情况,该矿积极探索瓦斯抽放新工艺、 新方 法,采用了采空区埋管抽放技术,对工作面的瓦斯进 行了有效的治理,取得了较好的社会效益和经济效 益,保证了采煤工作面安全、 高效、 稳定地生产。 1 25041采煤工作面概况 25041工作面位于南翼二五采区北部,该工作 面以运输巷为界与25061工作面相邻;南以设计停 采线为界与25051采空区相邻;西以回风巷为界与 25021工作面相邻;北以切眼为界与矿井边界相邻。 该工作面煤层平均厚度8. 0 m,工作面平均长度为 90 m,推进长度545 m,运输巷长581 m。由于该工 作面属于顶分层工作面,故设计采高为2 m,可采储 量为40万t,工作面瓦斯含量为7. 55 m 3 /t。该工作 面采用走向长壁式采煤法,高档普通机械化采煤工 艺,全部跨落法来管理顶板。 2 问题的提出及采煤过程中瓦斯涌出量增 大的原因 2008年3月,采三队到25041工作面进行采煤 作业。在此之前公司抽放队已在25041工作面上、 下巷 道 及 边 切 眼 共 打 本 煤 层 瓦 斯 抽 放 钻 孔 56 985. 1 m,预抽20个月,抽放瓦斯量76. 4万m 3。 但采三队在采煤过程中发现其上隅角瓦斯经常处于 临界状态,由于该工作面采用了瓦斯 电闭锁装置, 61 成果应用 总第126期 瓦斯浓度达到临界值时工作面电气设备便跳闸,由 于跳闸频率高,严重地制约了工作面的安全生产。 分析认为, 25041采煤工作面采煤过程中瓦斯涌出 量增大原因。 1 采煤机在破煤过程中,煤层的原有应力平 衡被破坏,在煤壁前方的煤体内,产生3个应力带 见图1 ,即卸压带、 集中应力带和原始应力带 [1]。 在卸压带长度一般为3～5 m中,煤层的透气性增 大,地应力与瓦斯压力都大大降低,大量吸附在煤层 中的瓦斯都沿着煤层的裂隙释放到工作面,从而导 致工作面瓦斯涌出量增加。 图1 应力集中带和卸压带的分布 2 采空区瓦斯流动可大体划分3个带如图 2所示 , Ⅰ 涌出带距切眼0～20 m、 Ⅱ 过渡带距 切眼20～40 m和滞留带距切眼40 m外。在涌 出带中,采空区丢煤和卸压邻近层解吸的瓦斯向工 作面和采空区排放,进入涌出带的瓦斯流动速度较 快,多以层流形式存在,且这部分瓦斯几乎全部被工 作面风流和采空区的漏风流携带到回风道内从而导 致工作面上隅角的瓦斯浓度增大。另外漏风大小与 工作面供风量大小及支架位置和工作面通风方式有 关,随着工作面的推进,采空区进入过渡带,过渡带 的瓦斯在工作面和采空区的压差作用下,一部分进 入工作面,一部分暂时或永远滞留在采空区内,该区 域瓦斯流动速度明显下降。流动呈现不均衡性,处 于层流、 紊流交错阶段;而进入滞留带时,释放采空 区内的瓦斯一般滞留在采空区的深部,流动速度较 低。上述3个带不是固定不变的,随着工作面的推 进向前移动,采空区瓦斯涌出三带出现“ 浪涌 ” 现 象。 Ⅰ 涌出带;Ⅱ 过渡带;Ⅲ 滞留带 图2 采空区瓦斯涌出规律示意 涌出带、 过渡带和滞留带的范围,受煤层开采条 件特别是开采高度、 顶板岩性和采空区瓦斯涌出源 供给情况等因素的影响,同时,由于受工作面风流和 采空区漏风的影响,各带中的瓦斯浓度也各不相同, 滞留带最高,过渡带次之,涌出带最低。采空区内顶 板浓度高于底板瓦斯浓度;采面采用上行通风时,采 空区上部回风侧瓦斯浓度比下部高 [2 ]。 3 采空区埋管抽放技术的工作原理及应用 针对在25041采煤工作面采煤过程中瓦斯涌出 量增大的难题,该矿积极探索瓦斯抽放新工艺、 新方 法,采取了在25041工作面的上隅角向采空区实施 埋管抽放技术,有效地治理了工作面的瓦斯,保证了 工作面的安全生产。 3. 1 采空区埋管抽放技术的工作原理 采空区埋管抽放技术是沿25041回采工作面的 回风巷的上帮敷设一条D150 mm的瓦斯抽放管4, 瓦斯管路每隔9 m设一个D150 mm三通3,每个三 通开口位置都朝上并用堵板堵死防止漏气;在瓦斯 抽放管的外部分别安装一个D150 mm的阀门2和 孔板流量计1,可以方便的打开和关闭抽放管,并能 测量抽放管内瓦斯浓度、 负压、 流量等技术参数;在 25041回风巷准备十几根长1. 5 m、 直径为150 mm 的花管 6 该花管一端带法兰盘,另一端用铁板堵 牢、 焊死,然后在管壁上每间隔50 mm打一个 D10 mm的小孔,由于孔较多所以叫花管,其主要作 用是抽放瓦斯并防止发生堵管现象。随着工作面 的推进,当瓦斯管的三通到达上隅角时把三通上的 堵板打开,把花管加上,然后在花管周围打上一个木 垛5防止顶板垮落把花管砸坏,最后放顶将花管埋 入采空区,埋管的有效长度一般为20～50 m,埋管 后抽放采空区的瓦斯,每个三通到上隅角时都重复 上述工序,如此反复抽放从而达到降低采空区及上 隅角瓦斯的目的。图3为25041工作面埋管抽放采 空区瓦斯方法示意。 图3 埋管抽放采空区瓦斯方法示意 埋管抽放口的位置对瓦斯抽放浓度等具有重要 影响,当抽放口的位置距25041工作面切顶线很近 时,由于通过采空区的绝大部分流线汇集于抽放口, 抽放浓度不高。研究表明,采空区瓦斯浓度的分布 规律一般为沿工作面的推进方向呈驼峰状,其峰顶 距工作面约为20～30 m;下转第22页 71 2010年4月 郝长胜等采空区埋管抽放技术在采煤工作面的应用 第19卷第4期 可检查止浆塞止浆效果,不返水为正常;另一方面, 记录压力数据,分析确定浆液的浓度。④注浆以 上工作完成后,正常注浆,记录数据。⑤起塞扫孔 注完浆后要及时把止浆塞起出,在水泥浆凝固以后 进行扫孔,确保钻孔安全。 2. 4 注浆效果评价 2. 4. 1 水位动态方面 为了检查注浆堵水效果如何,同时施工了YZ - 2、YZ - 3两个钻孔,在一个孔注浆的同时,另一孔 进行水位观测。两孔压力的增大与水位上涨较同 步,说明两孔的连通性较好,在注浆过程中随着压入 的水泥浆液不断结石凝固,裂隙被不断充塞,从而压 力也随之上升,同时观测孔的水位也跟着上升,说明 浆液封堵了地下的部分空隙,从而导致水位上升。 2. 4. 2 水文参数方面 根据施工设计,在注浆前分别对两个钻孔进行 抽水试验,而在注浆后继续钻进再进行一次混合抽 水,其涌水量、 渗透系数以及影响半径都呈减小趋 势。 3 结论与建议 1 通过地面预注浆验证了该区域裂隙较发 育,断层的导水性较好,对于以后的- 735 m石门施 工必须提前采取有效措施。 2 通过注浆效果评价说明本次注浆施工效果 良好,对该区域的围岩性质、 水文地质条件都有所改 善,这对今后的巷道施工增加了有力的安全保障。 3 虽然已经采取了地面注浆措施,但是不能 保证在该区域不会发生安全事故,由于巷道掘进,地 质构造受后期采动影响,所以在巷道掘进过程中必 须做好防水和支护措施,确保安全施工。 参考文献 [1 ] 柴登榜.矿井地质工作手册[ M ] .北京煤炭工业出版 社, 1986. [2 ] 淮南矿业学院.矿井地质及矿井水文地质[M ] .北京 煤炭工业出版社, 1979. [3 ] 中国煤炭学会建井专业委员会,煤炭科学研究总院北 京建研究所.注浆堵水加固技术及其应用[M ] .北 京煤炭工业出版社, 1998. [责任编辑魏晋英] 上接第17页沿工作面倾斜方向是在回风巷侧瓦 斯最高,如图4所示。因此埋管抽放口应当始终与 工作面相距20～30 m。 图4 25041工作面瓦斯浓度分布规律 3. 2 采空区埋管抽放设备 上述抽放管利用井下移动泵站带抽,瓦斯泵用 CBF510 - 200型水环式真空泵,该泵额定流量为 200 m 3 /min,功率250 kW,完全能满足采空区埋管 抽放的需要。抽放队定期安排人员检查处理抽放管 放水、 漏气,并及时观测抽放管内的瓦斯浓度、 负压、 流量等技术参数。 4 采空区埋管抽放的实验及效果分析 2008年3月中旬采三队初次进入25041工作面 采煤时其上隅角瓦斯浓度经常保持在0. 9左右, 并时有超限现象发生,严重影响了25041工作面的 安全生产。在3月下旬,该矿开始在25041工作面 采用采空区埋管抽放技术。实践证明,瓦斯抽放效 果十分明显,抽放队安排放水人员在25041回风巷 测量D150 mm抽放管内的负压、 浓度等技术参数时 发现管内负压一般保持在35. 3～39. 6 kPa之间,管 内瓦斯浓度一般保持在12～17之间,上隅角瓦 斯浓度为0. 8～0. 7。实施采空区埋管抽放技 术后, 4月中旬以后在该工作面采煤时,上隅角的瓦 斯浓度已降至0. 3～0. 4 ,此后观察抽放管内瓦 斯浓度一直没有反弹,保证了25041工作面的安全、 稳定、 高效生产,收到了良好的社会与经济效益。 参考文献 [1 ] 徐永圻.采矿学[M ].徐州中国矿业大学出版社, 2003. [2 ] 胡殿明.煤层瓦斯赋存规律及防治技术[M ].徐州中 国矿业大学出版社, 2006. [责任编辑魏晋英] 22 2010年4月 朱 琳地面预注浆技术在煤矿石门过断层破碎带中的应用 第19卷第4期