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综采工作面浅孔瓦斯抽放消突技术应用研究 杨书彬 1, 2 ,王兆丰 1 ,许彦鹏 1 1. 河南理工大学 安全学院,河南 焦作 454003; 2.平顶山煤业股份有限公司八矿,河南 平顶山 467000 3 摘要针对平顶山煤业股份有限公司八矿己15突出煤层综采工作面一直存在抽放率低、排放 钻孔消突效果差、瓦斯时常超限、制约安全生产等问题,试验利用工作面前方煤体透气性增 加的动压区进行抽放的浅孔瓦斯抽放措施.根据防突安全要求、有关参数测定结果,并结合 煤层赋存和施工技术条件,确定了合理的钻孔布置和抽放等关键技术参数.浅孔瓦斯抽放措 施实施后,通过分析效果检验超标率、瓦斯体积分数和产量变化,考察了消突效果、抽放效 果和生产效益.结果证明,浅孔瓦斯抽放措施技术可行,防突防瓦斯效果明显,是突出煤层 采煤工作面解决瓦斯问题的有效途径之一. 关 键 词综采工作面;浅孔瓦斯抽放;合理技术参数;消突措施 中图分类号TD 712 . 62 文献标识码 B 文章编号 1673 - 9787 2009 01 - 0008 - 06 Study on technique application of eliminating outburst by extracting gas from shallow hole in the fully mechanized mining face YANG Shu - bin 1, 2 , WANG Zhao - feng 1 , XU Yan - peng 1 1.School of Safety Science and Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China;2.Pingdingshan coal industry8th coal m ine,Pingdingshan 467000,China Abstract F15outburst coal bed of Pingdingshan coal industry 8th coalmine has a low - permeability and low - gas extraction.There are many problems on the fully mechanized mining face,such as inefficient gas ex2 traction,the effect of gas emission is poor, the gas is often overrun, restrict on production safety etc. Gas ex2 tracting experi ment from shallow hole in dynamic pressure area behind the face is done. The key technical pa2 rameters such as the reasonable layout of the hole and extraction are determined,according to the safety re2 quirement and result of the related parameter deter mination, as well as the condition of the coal bed and the construction technique.The effect of the extraction and eliminating outburst and the production benefit is studied,after the shallow hole extraction. Through researchesof the gas density changes,the rate that exceed the allowed figure and the output,the results show that the technique of extracting gas through shallow hole is feasible, the effect of eliminating gas and outburst is obvious,and it is one of the effective ways to solve gas problem of the outburst coal face. Key words fully mechanized mining face;gas extracting of shallow hole;reasonable technical parameters; outburst - elimination measure 第28卷第1期 2009年2月 河南理工大学学报自然科学版 JOURNAL OF HENAN POLYTECHN IC UN I VERSITY NATURAL SCIENCE Vol . 28 No. 1 Feb. 2009 3 收稿日期 2008 - 12 - 15 基金项目国家重点基础研究发展计划973计划课题2006CB202204 作者简介杨书彬1969 - ,男,河南汝州人,工程师,从事矿井灾害防治方向的研究. E - mailyangshubin88126. com 0 引 言 平顶山煤业股份有限公司八矿以下简称平煤八矿 2008年核定其生产能力为360万t/a,为煤 与瓦斯突出矿井,开采的戊9 - 10和己15煤层为突出煤层,戊9 - 10组煤层瓦斯压强为0. 8～1. 80MPa,相 对瓦斯涌出量为0. 96～20. 26 m 3 /t,己15煤层瓦斯压强为0. 18～1. 89MPa,相对瓦斯涌出量为0. 25～ 14. 79 m 3 /t .相对瓦斯涌出量高、瓦斯压强大,煤与瓦斯突出严重,自1984年10月13日戊二煤皮带 下山首次发生煤与瓦斯动力现象以来,至今共发生大小突出36次,其中回采工作面突出8次,最大 的一次突出煤450 t,瓦斯22 000 m 3. 为了防治突出,采煤工作面采取了顺层钻孔预抽的区域措施和 小直径42 mm排放钻孔及浅孔注水等局部措施,但由于煤层透气性低、自然排放效果差等原因, 一直存在抽放率低、防突措施效果检验超标率高、补充防突措施频繁、制约采面生产能力等问 题 [1 - 2]. 采煤工作面煤炭产量占矿井总产量的80以上,采面能否消突并保障正常生产,成为矿井 安全生产的最重要问题之一.为此, 2007年10月,在己15- 13310采煤工作面试验应用了浅孔瓦斯抽 放消突措施. 1 试验工作面概况 己15- 13310采煤工作面采取一次采全高综合机械化采煤方法,走向长度为1 279. 5 m,工作面长 176 m;开采的己15煤层厚度为3. 0～3. 6 m,平均3. 2 m,倾角为12～19,埋藏深度为497～594 m; 煤层相对瓦斯涌出量为14 m 3 /t,瓦斯压强为1. 1MPa;工作面普遍赋存一层构造软煤,最大厚度为 1. 2 m,坚固性系数f为0. 15～0. 5,煤的破坏类型属于 Ⅳ 类. 2 工作面浅孔瓦斯抽放消突技术 2. 1 消突机理 在工作面开采过程中,沿工作面推进 方向的前方煤体支承压力可分为3个区, 即煤层原始应力区、应力集中区和卸压 区,如图1所示.原始应力区处于三向应 力平衡状态;应力集中区处于煤壁前方6 ～20 m左右,峰值在煤壁前方6～10 m; 卸压区处于煤壁前2～6 m.在集中应力 的作用下,工作面前方煤体破坏,出现扩 容膨胀现象,大量裂隙形成并相互贯穿, 煤体由三向应力状态转为二向应力状态,煤体发生变形,产生裂纹、松动和膨胀,煤层透气性显著提 高,为瓦斯流动提供了有利通道;同时在集中应力峰后区,煤层整体变为塑性状态,钻孔周围的极限 塑性区范围急剧扩大,这为动压区抽放瓦斯提供了有利条件,在此区域范围内实施瓦斯抽放,可显著 提高抽放效果,降低煤层瓦斯含量和内能,防止发生煤与瓦斯突出,并减少工作面开采时的绝对瓦斯 涌出量 [3 - 7 ]. 2. 2 工艺过程 在采煤工作面垂直煤壁向前方煤体施工直径75～100 mm,孔深10～20m的顺层平行钻孔,每打 成1个钻孔,插入快速封孔器封孔后联网抽放.钻孔施工顺序由向采面中部向上、下机头分别进行, 直至完成所有钻孔,如图2所示.保证最后1个孔抽放一定时间120min以上 , 然后进行防突措施 效果检验,在效检参数不超标并保留一定超前距的情况下进行采煤作业 [8 - 9 ]. 2. 3 合理技术参数确定 技术参数有钻孔布置参数和抽放参数,具体包括钻孔布置方式、钻孔深度、钻孔直径、封孔长 度、钻孔抽放负压、抽放时间等,各参数值根据防突安全要求、现有技术条件及实际相关测定结果确 9 第1期 杨书彬等综采工作面浅孔瓦斯抽放消突技术应用研究 定 [10 - 12 ]. 2. 3. 1 抽放钻孔有效影响半径测定 钻孔的有效抽放半径是指在规定 的抽放时间内钻孔抽放瓦斯的有效影 响范围,其范围大小与煤质、瓦斯等 因素有关,应从实际抽放中测定.考 察抽放钻孔有效影响半径是正确选用 施工参数、提高措施效果及安全性的 首要条件.采用钻孔负压法对己15煤 层的浅抽放钻孔有效影响半径进行了 测定,方法步骤如下 在抽放钻孔周边布置不同间距的 考察钻孔,钻孔深10～15 m,封孔 深7～8m,每隔5～10 min测定抽放 钻孔和考察钻孔的孔内压力,根据孔内压力大小及变化情况,确定钻孔瓦斯抽放影响半径.测试孔和 预抽孔布置如图3示.测定过程包括 1抽放孔联网开始抽 放前,封闭1号, 2号和3号 孔,进行钻孔气体压强测定. 2开始抽放后,继续 观测1号, 2号和3号孔气体 压强,测定并绘出各测量钻孔 的瓦斯压强变化曲线. 3如果某一个钻孔连 续3次测定的瓦斯压强都比预抽后降低10以上,表明该测试孔处于抽放钻孔的有效半径之内,符 合该条件的测试孔距抽放钻孔最远距离即为抽放钻孔的有效半径. 测试结果,己15煤层的浅孔瓦斯抽放钻孔有效影响半径为0. 8 m. 2. 3. 2 钻孔深度 由前述消突机理知,浅孔瓦斯抽放在动压区内进行,钻孔深度要根据卸压带和应力集中带的宽度 确定.卸压带和应力集中带的宽度与煤层赋存、开采方式、推进速度等有关,己15煤层采用综采时, 工作面应力集中区处于煤壁前方6～20 m,峰值在煤壁前方6～10 m.因此,当钻孔深10～20 m时才 能穿过集中应力高峰区而不超出动力区.结合实际现有打钻技术条件和施工难度,取浅孔瓦斯抽放钻 孔深度为上排孔10m,下排孔15 m. 2. 3. 3 钻孔布置方式 根据抽放有效影响半径确定钻孔间距和布置方式.抽放有效影响半径随抽放时间的长短而变化, 抽放时间越长,抽放半径越大,反之,抽放半径越小.按正规循环作业,在最短抽放时间120 min条 件下,采用钻孔负压法测得己15煤层的浅孔抽放钻孔有效影响半径为0. 8 m,抽放钻孔间距以1. 8 ～2. 0倍的钻孔有效影响半径为宜, 据此确定抽放钻孔间距1. 5 m. 己15煤层平均厚度为3. 2 m,为控 制整个煤层厚度,钻孔布置为双排 三花眼,上排孔和下排孔交错布 置.上排孔距煤层顶板1. 6 m,仰 角5;下排孔距煤层顶板2. 3 m, 俯角1,如图4,表1所示. 01 河南理工大学学报自然科学版 2009年第28卷 表1 浅孔瓦斯抽放钻孔布置参数 Tab. 1 Layout parameters of the shallow hole for extracting gas 钻孔孔深/m 倾角/开口位置/m 水平垂直距顶距底 孔间距/m 上排孔10051. 61. 61. 5 下排孔150- 12. 30. 91. 5 2. 3. 4 钻孔直径 增大钻孔直径可以提高钻孔抽放量,但钻孔直径越大,越不利于钻孔施工,并且发生突出的危险 性增加.由于工作面浅孔卸压抽放钻孔深度一般为10～20 m,要穿过工作面前方集中应力高峰区而 不超出动力区,所以钻孔直径以75～100mm比较合适.经对比试验 75mm和 5. 0 kg/m和Cq0. 62,只要任一指标超限即认定为工作面具有突出危险性. 在防突措施实施时间相等均按 8 h 的条件下,与原来的浅孔卸压排放钻孔比较,实施浅孔瓦斯抽 放措施后,效果检验超标率由原来的21降低到0. 5以下.自2007年10月开始开采以来,己15- 13310综采工作面正常推进1 148m,杜绝了煤与瓦斯突出事故,保证了安全生产. 3. 2 抽放效果 经测定,卸压区浅孔抽放孔口负压1. 73～8. 24 kPa,单孔混合流量0. 12～0. 48 m 3 /min,单孔纯 流量为0. 011～0. 045m 3 /min,平均百米钻孔瓦斯抽放量0. 27～0. 38m 3 /min,是本煤层顺层钻孔预抽 量的22～29倍;平均每循环抽放瓦斯量2 630 m 3. 工作面回风流中平均瓦斯体积分数由0. 75降低 至0. 5以下,消除了瓦斯超限现象,浅孔瓦斯抽放的效果显而易见.2008年己15- 13310综采工作 面回风流瓦斯体积分数变化情况如图5所示. 3. 3 生产效益 2007年10月至2008年底,实施浅孔瓦斯抽放措施后,有效地解决了工作面瓦斯超限问题,实 现了正常循环作业.己15- 13310综采工作面正常推进1 148 m,产煤97. 96万t,平均月进尺76. 5 m / 月,单产6. 53万t/月,比原来增加了1. 41万t/月,实现了高产高效,见表3. 表3 采煤工作面生产进尺统计 Tab. 3 Statistics of production footage on the mining face 序号日期总进尺/m原煤产量/万t单产万t/月备 注 12007. 07～2007. 0918315. 375. 12采取排放钻孔措施 22007. 10～2008. 12114897. 966. 53采取浅孔瓦斯抽放措施 4 结 论 1突出煤层采煤工作面浅孔瓦斯抽放措施充分利用了工作面前方动压区煤体透气性系数大幅 度增加的抽放有利条件,技术可行、系统可靠、消突效果明显,适用于包括构造煤发育、低透气煤层 在内的所有突出煤层. 2采取工作面浅孔瓦斯抽放措施时,根据防突安全要求、有关参数测定结果,并结合煤层赋 存和施工技术条件,确定合理的钻孔布置和抽放等关键技术参数,是取得良好抽放效果的前提条件. 3浅孔瓦斯抽放通过抽放瓦斯,有效地解决了长期制约突出危险采煤工作面安全生产的突出 和瓦斯超限两大难题,实现了突出煤层综采工作面的正常作业推进,保证了占矿井产量80以上的 采煤工作面安全条件下的高产高效,经济和社会效益显著. 21 河南理工大学学报自然科学版 2009年第28卷 参考文献 [1] 文卿,朱庆华,韩国强.煤矿重大瓦斯煤尘爆炸事故预测与控制技术手册[M ].北京银声音像出版社, 2004. [2] 王兆丰.我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨[J ].煤矿安全, 2004 1 1 - 4. [3] 俞启香.矿井瓦斯防治[M ].徐州中国矿业大学出版社, 1992. [4] 张铁岗.矿井瓦斯综合治理技术[M ].北京煤炭工业出版社, 2002. [5] 张政林,李树刚.卸压瓦斯抽采技术研究及其效果[J ].西安矿业学院学报, 200 4 10 - 11. [6] 丁厚成,赵鹏飞,蒋仲安,等.卸压抽放瓦斯技术在瓦斯治理中的应用[J ].煤炭工程, 2006 12 75 - 76. [7] 张景飞,郭德勇.综采工作面卸压瓦斯抽放技术的应用研究[J ].矿业安全与环保, 2004, 31 2 , 4 - 5. [8] 杨吉军,李晓宏,闫希合,等.卸压钻孔抽放瓦斯在采煤工作面的应用[J ].矿业安全与环保, 2001, 28 增 刊 96 - 99. [9] 吴兵,吴有增,张琰东,等.常村煤矿工作面卸压区瓦斯抽放实践[J ].煤炭工程, 2007, 12 52 - 53. [10 ]许彦鹏,王兆丰,刘军.水力挤出快速消突措施关键技术研究[J ].河南理工大学学报自然科学版, 2007, 26 2 1 - 4. [11 ]张建国,林柏泉,叶青.工作面卸压区浅孔瓦斯抽放技术研究[J ].采矿与安全工程学报, 2006, 23 4 , 432 - 436. [12 ]杨建国.高突综采工作面卸压区瓦斯抽放技术[J ].中国煤炭, 2003, 29 10 , 39 - 40. 责任编辑 李文清 上接第7页 [29]KARACAN C;, ULERY J P, GOODMAN GV R. A numerical uation on the effects of i mpermeable faults on de2 gasification efficiency and methane emissions during underground coalmining [J ].International Journal of Coal Geolo2 gy, 2008, 75 4 195 - 203. [ 30]WOLD M B, CONNELL L D, CHO I S K . The role of spatial variability in coal seam parameterson gasoutburst behav2 iour during coalmining [J ].International Journal of Coal Geology, 2008, 75 1 1 - 14. [31 ]鲁基诺夫B B.为确定煤层突出危险性对构造条件的综合评定[J ].中州煤炭, 1992 3 47. [32 ]张子戌.瓦斯地质单元构造复杂程度的定量评价[J ].焦作工学院学报, 1995, 14 1 10 - 13. [33 ]韩同春.地质构造的定量评定在瓦斯突出预测中的应用[J ].煤炭科学技术, 1999 9 45 - 47. [34 ]何俊,刘明举,聂百胜.井田突出危险性分形预测研究[ J ].河南理工大学学报自然科学版, 2005, 24 4 255 - 258. [35 ]何俊,颜爱华.煤田地质构造与瓦斯突出关系分形研究[J ].煤炭学报, 2002, 27 6 623 - 626. [36 ]何俊,袁东升.煤与瓦斯突出分形区划研究[J ].煤田地质与勘探, 2000, 28 3 31 - 33. [37 ]张宏伟.地质动力区划方法在煤与瓦斯突出区域预测中的应用[J ].岩石力学与工程学报, 2003, 22 4 621 - 624. [38 ]韩军,张宏伟,朱志敏,等.阜新盆地构造应力场演化对煤与瓦斯突出的控制[ J ].煤炭学报, 2007, 32 9 934 - 938. [39 ]韩军,张宏伟,霍丙杰.向斜构造煤与瓦斯突出机理探讨[J ].煤炭学报, 2008, 33 8 908 - 913. [40 ]汪吉林,李仁东,姜波.构造应力场对煤与瓦斯突出的控制作用[J ].煤炭科学技术.2008, 36 4 47 - 50. 责任编辑 李文清 31 第1期 杨书彬等综采工作面浅孔瓦斯抽放消突技术应用研究