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高产高效工作面瓦斯防治技术新进展 中国矿业大学 俞启香 论文提要 介绍了我国高产高效矿井的瓦斯涌出简况，通过实例论述了高产高效工作面瓦斯防治技术新进展。 一、 引言 1 我国高产高效矿井瓦斯涌出概况 1.1我国高产高效矿井瓦斯等级的分布 在114座高产高效矿井中低瓦斯矿井77座,占67.5; 高瓦斯矿井31座,占27.2; 煤与瓦斯突出矿井 6座,占 5.3。 1.2我国高产高效工作面瓦斯涌出的特点 1） 绝对瓦斯涌出量差异悬殊 工作面绝对瓦斯涌出量大的非常大,如最大的抚顺老虎台矿78001-1综放工作面达169.4m3/min,。绝对瓦斯涌出量7m3/min的工作面共有11个，占综放面总数的17，其中有8个抽放瓦斯，占7m3/min以上工作面总数的73，即这类工作面一般都需要抽放瓦斯才能保证安全生产。 2） 相对瓦斯涌出量差异很大 在64个综放面中，相对涌出量 10m3/t 有11个占17，其中有9个采取了抽放瓦斯措施，占10m3/t以上工作面总数的82，表明这类工作面抽放瓦斯是安全生产的重要保证； 最大的相对瓦斯涌出量达81m3/t（老虎台矿）。 3） 瓦斯涌出量大的地点分布广，瓦斯积聚时间延续长，瓦斯治理难度大。 在64个综放面中，有56个存在局部瓦斯积聚问题，占88 因瓦斯涌出量大，除在上隅角存在瓦斯积聚外，在放煤口、支架顶、冒落放煤区、后部运输机道等处在生产日一般都存在长达数小时到十几小时的瓦斯积聚。 在初次来压、周期来压期间，瓦斯涌出量突然增大，瓦斯积聚更加严重 。 2 我国煤矿瓦斯灾害治理方针 先抽后采、监测监控、以风定产。 2.1先抽后采的必要性 这是安全生产的需要；是安全高效的需要；是开采两个资源的需要； 是保护环境的需要;是可持续发展的需要。 2.2 先抽后采的可行性 我国的高瓦斯煤层一般都是低透气煤层，在自然条件下，很难抽出瓦斯； 理论研究与生产实践都证明，在采动卸压下，被卸压煤层的透气性可增加千百倍，可高效地抽采其卸压瓦斯，由此，高瓦斯煤层，甚至瓦斯突出危险煤层都可变为低瓦斯煤层和无突出危险煤层，如此，在这类煤层可以实施高产高效的采煤方法，实现煤与瓦斯两种资源安全高效共采。 3 高效抽采卸压瓦斯的理论基础 卸压煤层的超前开采会引起如下作用 1） 周围岩层的封闭被破坏上覆煤岩层垮落、破裂、下沉弯曲，下伏煤岩层破裂、上臌； 2） 地质构造封闭被破坏封闭的地质构造变成开放的、松弛的地质构造； 3） 地应力封闭被破坏地应力下降，煤岩孔隙裂隙张开；地应力致使煤岩产生峰后破坏剧烈卸压，裂隙增生并张开。 上述综合作用使煤岩层透气性系数大幅度增加 4） 瓦斯活化，抽放卸压瓦斯可行。 4 瓦斯治理原则 分源治理； 按危险程度分级及其治理； 综合治理。 二、煤与瓦斯突出煤层治理瓦斯进展实例 淮南潘一矿13突出危险煤层煤、瓦斯共采技术 1 概述 淮南潘一矿设计生产能力为300万t/a,是煤与瓦斯突出矿井，地面建有瓦斯抽放系统，矿井一水平（-530m）以上的主采煤层（13煤层）临近采完，现已转入下山开采。 1） 13煤层的特点 采深超过600m,地应力大、煤层瓦斯压力高（试验区-620m水平瓦斯压力达5.6MPa）、瓦斯含量大、煤层透气性差（煤层透气性系数0.0392m2/MPa2.d）、煤质松软，厚度大（6m）、已发生多次煤与瓦斯突出。 2） 原始煤层瓦斯抽放困难 13煤层瓦斯抽放困难，致使煤与瓦斯突出、瓦斯爆炸灾害不能根治，曾发生过多次特大瓦斯事故。瓦斯灾害还严重制约着矿井不能采用综采放顶煤采煤法，效益低下。 3） 抽采卸压瓦斯目的 根治瓦斯灾害；变突出煤层为低瓦斯煤层，实现13煤层的瓦斯和煤炭两种资源高产、高效、安全开采。 4） 技术关键大幅度地提高13煤层的透气性。 5） 技术途径保护层开采,即开采下保护层11煤层。 2 淮南潘一矿13突出煤层煤和瓦斯共采技术原理 13突出煤层煤和瓦斯共采技术原理如图二1所示。 瓦斯资源的 安全高效开采 11煤层 实现安全高效开采 顶底板煤（岩层卸压变形、产生裂隙网 卸压瓦斯大量解吸－扩散－渗流瓦斯被激活 近程瓦斯抽采 顶板走向钻孔法 消除13煤层瓦斯突出危险性 降低13煤层瓦斯含量和涌出量 13煤层实现安全高效开采 煤炭资源的安全高效开采 减少11煤层回风流瓦斯涌出量 远程瓦斯抽采 底板巷道网格式上向穿层钻孔法 图二1 13突出煤层煤和瓦斯共采技术原理框图 3 卸压煤层（11煤层）开采与瓦斯治理简介 3.1 采煤方法 11煤层为无瓦斯突出危险煤层，采用综合机械化走向长壁采煤法开采，采煤工作面斜长190m,采厚1.9m,煤层倾角9o。工作面产量14002000t/d。 3.2 瓦斯治理 1 工作面通风 采煤工作面通风系统为U型。 为保证回采安全推进速度，供风量11001300m3/min,风排瓦斯量910m3/min，回风瓦斯浓度0.80.9; 2）顶板走向钻孔抽放近程卸压瓦斯 为减少瓦斯涌出和防止上隅角瓦斯超限，采用顶板走向钻孔抽放垮落拱上方卸压瓦斯，抽放量310m3/min。钻孔布置情况如图二2所示。抽放卸压瓦斯的顶板钻孔参数如表二1所示。 70m 130m 图二2 11煤层开采期间顶板走向钻孔布置示意图 表二1 抽放卸压瓦斯的顶板钻孔参数表 矿井名称 开采煤层 钻场 抽采钻孔参数 抽采瓦斯 孔口负压 kPa 倾角 采厚m 间距 m 钻孔数 孔径mm 孔长m 开孔位置 终孔位置 纯量m3/min 浓度 距煤法距m 距风巷平距m 距煤法距m 距风巷平距m 淮南 潘一矿 8 11 3.0 70100 3 5 8 108 120 150 34 6 10 16 515 6 12 1620 25 50 20 27 淮南 潘三矿 58 2.9 100 140 3 5 9 91 120 160 34 6 615 530 1016 1320 25 50 20 27 淮北童亭 16 40 2.2 60 80 34 7391 80 110 34 6 618 020 215 8 50 淮北海孜 6 26 2.6 60 75 34 73 80 95 34 6 512 020 416 20 90 淮北桃园 21 1.6 80 4 90 105 34 6 14 25 020 1.5 2.5 15 35 铁法大兴 58 2.5 75 34 108127 140 34 6 28 40 34 47 1524 30 50 20 26.6 3）13煤层底板岩巷抽放远程卸压瓦斯 利用专用瓦斯岩巷和网格式穿层钻孔抽采13煤层的远程卸压瓦斯。抽放瓦斯钻场间距40m，钻孔孔底间距40m，如图二3所示。 图二3 13煤层底板岩巷抽放远程卸压瓦斯钻场布置图 4 远程卸压瓦斯抽放规律及效果 4.1 钻场瓦斯抽放量随时间变化规律 钻场瓦斯抽放量随时间变化如图二4 所示。钻场瓦斯抽放率随时间变化如图二5所示。13煤层被卸压后，经过150天抽采卸压瓦斯，抽放率超过70， 图二4 钻场瓦斯抽放量随时间变化 图二5 钻场瓦斯抽放率随时间变化 4.2 底板抽放巷瓦斯抽放量随工作面推进距离的变化规律 底板抽放巷瓦斯抽放量随工作面推进距离的变化如图二6所示。在卸压区处于瓦斯活跃带的钻场达45个，钻孔数为1620个，单孔流量平均约1m3/min，总抽放量1025m3/min，平均18m3/min。 图二6 底板抽放巷瓦斯抽放量随工作面推进距离的变化 4.3 13煤层瓦斯压力的变化 13煤层瓦斯压力的变化如图二7所示。通过远程卸压瓦斯抽放 图二7 13煤层瓦斯压力随工作面推进距离的变化 测压钻孔位置 13煤层瓦斯压力由4.4MPa降到0.5MPa。 4.4 13煤层透气性系数的变化 通过测定并按中国矿业大学流量法计算,13煤层充分卸压后,其透气性系数由0.01135增加到32.687m2/MPa2.d,即增加2880倍。 4.4 13煤层的相对变形 通过实测得出的13煤层的相对变形变化如图二8所示。在卸压煤层11煤层开采期间，被卸压13煤层经历了压缩与膨胀过程，最大压缩变形0.337,最大膨胀变形2.63。 图二-8 13煤层变形随工作面推进距离的变化 5 远程卸压瓦斯抽放效果的验证 5.1 工作面下顺槽掘进期间突出预测结果及掘进效果的验证 工作面下顺槽掘进期间突出预测结果如图二9所示。在工作面下顺槽掘进期间，前45天是在未保护带掘进的，瓦斯解吸初速度指标超标，月掘进速度4060m；此后，掘进工作面进入保护区后，不仅所有预测指标都低于临界值，而且瓦斯涌出平稳，供风量300400m3/min，回风流瓦斯浓度0.30.7,无异常显示，月掘进速度超过200m以上。 图二9 21213工作面下顺槽掘进期间突出预测结果 5.2 13煤层被保护区已无突出危险的论证 13煤层被保护区已无突出危险的论证依据如表二2所列,13煤层的瓦斯抽排率、残余瓦斯压力、煤层膨胀变形以及煤巷掘进实际验证等都证明13煤层的被保护区已无突出危险，符合煤矿安全规程第68条采用综合机械化采煤法放顶煤开采的规定。 表二2 13煤层被保护区已无突出危险论证表 5.3 13煤层回采实践的验证 1 回采工作面突出危险预测结果验证 在工作面上、中、下分设防突效果检验点，经多循环检测，所有指标都不超标。回采期间从未出现任何瓦斯动力现象。 2）回采期间瓦斯涌出及瓦斯抽放情况 工作面回采期间风排瓦斯量、抽放瓦斯量以及总瓦斯涌出量等的变化情况如图二10所示。其中，风排瓦斯量4.612.5m3/min,平均9.0 m3/min,顶板走向钻孔瓦斯抽放量6.013.1m3/min,总瓦斯涌出量13.124.7 m3/min,平均18.0 m3/min。 图二10 工作面回采期间瓦斯涌出量变化 4） 工作面回采期间产量及相对瓦斯涌出量的变化 工作面产量及相对瓦斯涌出量情况如图二11所示。 图二11 21213工作面回采期间产量及相对瓦斯涌出量变化 2121（3）工作面是潘一矿第一个综放面，前35天为试采期，之后进入正常回采，其日产量为37726335t/d,平均5100t/d；相对瓦斯涌出量为3.77.6m3/t,平均为5.0m3/t。工作面风量15001800m3/min,回风流瓦斯浓度的变化为0.30.7,平均为0.5,见图二12 。 图二12 21213工作面回采期间回风流瓦斯浓度变化 6 抽放13煤层卸压瓦斯与否工作面有关指标对比 6.1 卸压抽放与否工作面相对瓦斯涌出量变化对比 进行卸压抽放与未进行卸压抽放工作面相对瓦斯涌出量变化情况如图二13所示。未进行卸压瓦斯抽放的工作面是同一煤层相毗邻的2312（3）工作面，地质采矿条件相似，供风量1800m3/min，风排瓦斯量13.924.6m3/min,平均为19.0m3/min,回风流瓦斯浓度为0.831.42,平均为1.15,顶板走向钻孔抽放瓦斯量315m3/min,平均为8m3/min,总涌出量22.733.1m3/min,平均为27.0m3/min ;工作面产量为10872450t/d,平均为1700t/d;相对瓦斯涌出量为14.838.6m3/t,平均为25.0m3/t。此值为卸压瓦斯抽放面的5倍。 图二13 卸压抽放与未卸压抽放工作面相对瓦斯涌出量变化对比 6.2 卸压抽放与未卸压抽放工作面有关指标对比 卸压抽放与未卸压抽放工作面有关指标如表二3所示。 表二3 卸压抽放与未卸压抽放工作面有关指标对比 7 小结 n 1）高瓦斯煤层群中，煤与瓦斯都是宝贵的资源、能源，实行两种资源的共采具有重大意义，是发展方向； n 2）高瓦斯煤层群煤与瓦斯共采，是安全生产的需要；是安全高效的需要；是开采两个资源的需要； 是保护环境的需要； n 3）利用先采11煤层的卸压增透增流效应，可以实现低透气13煤层的卸压瓦斯的高效抽采 n 4）我国在高瓦斯煤层群开采中创造了煤、瓦斯 两种资源的安全高效共采新模式，在实践中取得了重大的社会、经济和环境效益，现已在淮南矿区推广，有更广泛的推广应用前景。 三、 低瓦斯煤层高瓦斯涌出面治理瓦斯进展实例 ---潞安王庄矿J型通风系统治理高瓦斯涌出技术 试验研究是在王庄煤矿5201综放工作面进行的，该技术试验成功并鉴定后，在5207和5208综放面推广应用，取得了非常显著的效益。在瓦斯涌出量15-25m3/min条件下，采用J型通风系统，供风量为1300-1600m3/min,消除了工作面上隅角瓦斯超限，实现单产35万吨/月。 1 王庄矿5201综放面简况 n 5201面是进入二水平52采区第一个回采工作面。它采用倾斜长壁仰斜后退式、综合机械化低位放顶煤、一次采全高全部垮落采煤法。 n 工作面长度251.5m，采高3.0m，放煤高3.63m，每刀循环进尺0.8m，每刀采煤1544t，一刀一放，日循环数6，日产煤9264t。 n 瓦斯涌出量预计8.89m3/min，计划配风量925m3/min。工作面采用一进两回J型通风系统，即运输顺槽进风，回风顺槽和采空区沿空留专用回风巷（尾巷）回风。 2 “问题”的提出 瓦斯涌出量骤增 n 在回采初期（8天内） 10.913.1m3/min， 超过预测值23-47； n 从第9天（工作面推进32m）起，瓦斯涌出量增大； n 从第13天起（工作面推进50m）,瓦斯涌出量骤增，达 17.6m3/min； n 第15天时，瓦斯涌出量达20.1m3/min，尽管供风量达到1250m3/min，工作面上隅角仍出现瓦斯超限现象，专用回风巷风量140m3/min，其瓦斯浓度也一度达到3.0。 研究52采区综放面治理瓦斯超限关键技术迫在眉睫。 3 解决“问题”的现有方法 1）通风系统方面 UL型（一进两回）、EW型（亦称“品”字型、一进两回）和Y型（两进一回）等，增强了风排瓦斯的能力，但仍程度不同地存在上隅角瓦斯积聚。 2）抽放瓦斯方面 根据瓦斯来源和煤层的透气性，采用多种抽放瓦斯方法。 3）工作面上隅角瓦斯治理方面 脉动风机脉冲通风法、抽瓦斯风机与风筒抽出法以及风幛通风等。 4）发展趋势 采用通风与瓦斯抽放综合技术。 5）解决“问题”的J型通风系统方法 在U型通风系统基础上发展起来的一种在采空区留有一条专用排瓦斯巷但它无需巷旁充填带支护、其排瓦斯能力强而且可以调控、新型一进两回通风系统，如图三1所示。 图三1 J型通风系统示意图 4 专用排瓦斯巷及设备系统 它由一条专用排瓦斯巷、两台抽排瓦斯风机，一趟φ800mm风筒，一趟φ1000mm风筒及其风筒风量调节装置组成。风机及风筒再现场运行情况如图三2所示。 图三2 专用瓦斯巷瓦斯抽排系统照片 5 专用瓦斯巷采用沿空小断面留巷技术 5.1 应用此技术的前提条件要求原通风巷道采用全煤锚网支护技术， 开采垮落后形成三角形“免压”区 。 5.2 巷道矿压控制技术 如图三3所示 n 高强度支护斜梁及其结构抗变形加固技术 （斜梁采用弧形废工字钢、加设了中部支腿、加设木制平板垫块） n 防落渣措施 （加铺塑料顶网） n 巷道顶板整体稳定性控制 （在原巷道顶网上加拉两条钢丝绳、在支护斜梁中部铺设一根半圆木横椽、顶板加锚索） n 巷道煤帮鼓出变形控制 （必要时加强力锚杆） 图三3 5201小断面沿空留巷实况 6 专用排瓦斯巷排放瓦斯规律及通风情况 6.1 专用排瓦斯巷排放瓦斯规律 专用排瓦斯巷排放瓦斯规律如图三4所示，专用排瓦斯巷处理瓦斯的能力与风量和瓦斯浓度成正比，煤矿安全规程规定，瓦斯浓度最大值不得超过2..5。王庄矿5201面专用排瓦斯巷排放瓦斯量为1216m3/min，它不仅排放了全部邻近层瓦斯源涌出的瓦斯，而且还排放了2050本煤层工作面所涌出的瓦斯。 图三4 工作面推进过程中专用瓦斯巷风排涌出量变化规律 6.2 专用排瓦斯巷通风阻力沿巷道长度的变化规律 实测专用排瓦斯巷通风阻力沿巷道长度的变化规律如图三5所示。 图三5 专用排瓦斯巷通风阻力与巷道长度的关系 （专用巷出口端风量439m3/min，入口端风量30 m3/min） 6.3 专用排瓦斯巷瓦斯浓度沿巷道长度的变化规律 实测专用排瓦斯巷瓦斯浓度沿巷道长度的变化规律如图三6所示。 图三6 专用排瓦斯巷瓦斯浓度沿巷道长度分布 7 专用排瓦斯巷及设备系统瓦斯浓度调控技术 1改变专用排瓦斯巷的风阻和风压； 2改变与风机串联的风筒直径； 3改变两台风机的运行组合，；在此基础上，还可以通过风筒风量调节装置调节瓦斯浓度。 我们采用第3种技术途径，确保专用排瓦斯巷和风筒内瓦斯浓度在2.5以下的条件下，实现节能和满足安全生产的需要 8 我国综放面其他通风系统技术分析 1 “UL”型通风系统 “UL”型通风系统如图三7所示。 需预先掘好专用排瓦斯巷“L”； 在动压下维护专用排瓦斯巷。 不需要动力与设备，但排瓦斯量有限，一般风量为工作面风量的20。 图三7 “UL”型通风系统示意图 2） 品字“E”型通风系统 需预先掘好专用排瓦斯巷； 在超前动压下维护专用排瓦斯巷； 有时需要在专用排瓦斯巷内安设通风机和风筒。 图三8 品字“E”型通风系统示意图 9 J型通风系统应用效果技术分析 9.1 技术分析 1）分源治理瓦斯 采空区源瓦斯全部由专用排瓦斯巷排走； 工作面开采本层涌出的瓦斯大部分由U型系统排出，小部分经由采空区进入专用瓦斯巷排走。 它能从根本上消除了采空区瓦斯引起工作面和上隅角局部地点瓦斯积聚的可能性。在供风量不变条件下，为工作面实现高产高效腾出了更大的安全空间。 2）无新掘巷道，不受掘采接续紧张的困扰 3）专用瓦斯巷有“免压区”作掩护 维护容易，同“UL”、“品字E型”系统中的专用瓦斯巷在高采动应力区中维护呈鲜明对比； 通风断面变化小，通风可靠性较高； 4）专用瓦斯巷使用废旧钢材进行小断面简单支护，省去巷旁充填 工程费用低廉； 工程量小； 工时短。 5）专用排瓦斯系统采用对旋风机风筒成套设备 排瓦斯能力与安全性可根据需要进行调控， 要求搞好监测监控，确保实现24小时不间断连续运行， 要求管理人员有较高的素质和严格的管理制度 6）风机连续不间断运行，较“UL”与品字“E”型通风耗电多。 9.2 在王庄煤矿5201综放面现场应用效果 工作面进风量14001600m3/min； 最大瓦斯涌出量达25 m3/min； 最高月产量实现35万t/月； 上隅角最高瓦斯浓度1，从根本上消除了工作面和上隅角局部地点瓦斯积聚； 回风巷瓦斯浓度为0.60.8； 专用瓦斯巷瓦斯浓度2.5，各系统无间断运行、安全正常。 实现了高产、高效、安全社会经济效益非常显著 10 小结 （1）综放工作面J型通风系统是一种按工作面瓦斯来源要求分别治理高瓦斯涌出的新型“一进两回（排）”通风系统 n 它综合了“U”型和“Z”型两种通风系统的优点，能从根本上改 变采空区瓦斯源的流向，切断其进入工作面的途径，从而能彻底消除由于采空区瓦斯源进入工作面及其上隅角而产生的瓦斯积聚隐患； n 专用瓦斯巷因还能排出一部分本煤层在工作面涌出的瓦斯，所以它能为综放工作面高产腾出更大的安全空间。 n 这种通风系统也是一种排瓦斯能力强并能对其进行调控的系统，适于高瓦斯综放工作面使用。 （2）J型通风系统的专用排瓦斯巷， 巧妙利用老顶关键块和全煤锚网支护垮落共同形成的“免压区”做掩护，实施沿空小断面留巷（不掘新巷道）。 巷道维护容易，服务期间通风断面收缩小，可靠地保障了其排瓦斯功能； 支护结构合理、安全性能好； 施工工艺简单、工程费用低（120元/m）。 （3）提出一整套专用排瓦斯巷与设备系统瓦斯浓度调控技术及其连续不间断可靠运行的安全保障技术。 （4）实测得出了 Δ J型通风综放工作面瓦斯涌出规律； Δ 沿空小断面专用瓦斯巷的通风阻力变化规律； Δ 瓦斯浓度沿巷道长度的变化规律。 为J型通风系统的通风设计与管理提供了科学基础依据。 27