被关闭煤矿的煤层气抽放设计.pdf

AMMPAC 信息信息 No.8 被关闭煤矿的煤层气抽放设计被关闭煤矿的煤层气抽放设计 1. 引言引言 报废矿井煤层气抽放设计成功的关键是能最大限度地减少采空区的空气侵入量， 并能控 制水的涌入量。 抽放煤层气时被吸入采空区的空气会冲淡煤层气， 结果会导致减低煤层气的 发热量，并会减低对采空区施加的吸入压力。空气气入过量将限制煤层气的最终利用。 井下巷道是将来自地面抽放站的吸入压力传送到形成储气层的采空区的工具。 废弃巷道 是在大范围内将采空区的不同部分与地面抽放连接起来的低阻力通路。 报废矿井煤层气抽放 设计的关键是通过控制水的流量和蓄积保持互连巷道的畅通，从而防止部分采空区被隔离。 皆在最大限度低增加报废矿井煤层气抽放量的工程措施可以加入到煤矿关闭计划中。 与 在煤矿关闭后再进行改造相比， 在煤矿关闭前进行煤层气抽放设计的费用较低， 而在煤矿关 闭后进行的煤层气抽放设计往往是不成功的。附录 1 中概述了封闭井筒和平巷的技术需求。 2. 空气侵入量的控制空气侵入量的控制 控制空气侵入量需求要有效地处理报废矿井煤层气抽放系统相连的所有通地面通风巷 道， 这不仅包括本矿内的通风巷道而且包括临近煤矿的所有通地面通风巷道。 必需在矿区平 面图上对所有通地面通风巷道做出标记， 然后找到这些通地面通风巷道的地面位置并进行检 查。 煤矿的通地面通风巷道是立井或是倾斜巷道， 其范围包括采用最低限度支护的简单巷道 到复杂的工程结构。 通地面通风巷道处理方法的选择必须不仅要考虑到形成有效气密密封的 需要，而且要确保地层的稳定性和公众的安全。 施工方法的设计需考虑 现有基础设施及井筒和巷道的结构 岩顶部距地表的厚度和基岩顶部的岩土特性 覆盖层的厚度与特性 地表水的控制 辅助风道和扇风机风硐等的处理 井筒装备的拆除 现有和未来的地面设备 筒地面通风巷道周围的开采道路 土地的所有权和使用权 未来的用地 监控设施 维护的需要 处理煤矿通地面通风巷道时需构筑一个立井盖或斜平硐与平硐隔墙。其关键因素包括 1． 对立井而言，最关键的因素是覆盖层的厚度与特性。 2． 辅助风道和扇风机风硐应密封。 3． 平硐隔墙应构筑在坚硬的岩层中，并应嵌入天然岩层中。 4． 穿过立井盖或平硐隔离墙的管道系统应该是气密的，管道的全长应是等径的， 而且没有弯儿。管道系统要安装得不会产生积水。 5． 至少要安装两条穿过立井盖或平硐隔离墙的煤层气抽放管。 6． 管道系统的直径应是以限制压力降到设计最小值。 7． 应提供监控和维修管道系统及阀门的安全通路。 为在煤矿关闭后便于进行报废矿井煤层气试验和抽放， 对煤矿通地面通风巷道进行处理 的工程选择方案的概述见表 1。 表 1 煤矿关闭时对煤矿通地面通风巷道进行处理的工程选择方案 位置 问题 工程需要考虑的方面 在 基 岩 顶 部 构 筑 立 井盖 立井盖的厚度受到地面 入口的限制需要在深部 进行掘进以便进入 能够进行掘进的工作场 所 立井盖施工基面的工程 地质特性 通过掘进接近施工基面 将立井盖构筑在无稳定性问题的坚硬岩层的基岩 顶部 用密封剂密封嵌入岩层的立井盖，使立井盖底部 的泄露减少到最小 如有必要在立井盖周围加筑低透气性的阻隔层 在 深 填 中 的 预 制 井 壁 上 构 筑 立井盖 填充材料的工程地质特 性与厚度 在预制井壁上构筑立井 盖的稳定性 在预制井壁和填充材料上构筑的立井盖的稳定性 与实用性 所需的掘进极限深度 在立井盖和预制井壁周围加筑阻隔层以形成有效 密封的必要性 辅助风道的密封 用 水 泥 灌 浆 塞 处 理 立井 充填材料的工程地质特 性和厚度 成形的水泥灌浆塞的稳 定性 接近辅助风道的能力 水泥灌溉塞的厚度 为支撑灌注水泥塞的模 板而充填井筒的必要性 在不减少井筒填充材料透气性的情况下灌注水泥 塞 安装穿过水泥塞的管道系统 为支护水泥塞在预制井壁周围维修附加支护的必 要性 提供附加保护阻隔层和密封辅助风道的选择方案 用 隔 墙 密 封平硐口 充填材料至基岩顶部的 厚度和充填材料的工程 地质特性 平硐口的构筑方法 地表水侵入的控制 入口的限制 使支撑阻隔墙嵌入天然岩层中以形成有效的支撑 与密封 阻隔墙的厚度和充填材料的特性 防止水在阻隔墙处蓄积的必要性 阻隔墙和围岩的灌浆 穿过阻隔墙的管道系统的恒定斜度 3. 地表与地下水的控制地表与地下水的控制 在煤矿关闭后，如不继续排水，水就会在采控区中上涨。上涨的水会充满采控区，结果 不仅会隔断煤区（煤层气的来源） ，而且还会隔断由井下巷道构成的煤层气流动通路。地下 水位恢复的速度，矿与矿之间各不相同。一个煤矿完全被淹可能需要几个月或多年的时间， 其时间长短取决于水的流入速度和巷道的范围。 在煤矿的正常开采过程中， 流入巷道的水的 数量、 排到地表的水的数量和已淹巷道的面积等信息将就地采集。 工程措施可作为煤矿关闭 计划的一部分， 目的是将水侵入的影响减少到最小， 并对水的流量加以控制。 工程措施包括 在立井或斜井中浇注粘土栓（或类似的物体）以限制水通过这些通路流入深部巷道。 通过钻孔、管道系统或巷道将各个采区连接起来，以控制水的流量和蓄积。 构筑防水墙。 安装穿过巷道低点的煤层气抽放管道系统。 建立矿井水监测点，以便对矿井水的恢复速度进行评估。 继续使用或安装排水设备。 在某些煤矿将煤矿关闭后， 将继续排水作为报废矿井煤层气抽放工程的一部分， 将特 别是从浅部巷道排水，可能是一个省钱的方案。但在大多数情况下，因继续排水的费用太高 而不被采用。排水系统需设计成能防止空气侵入的。 将对矿井恢复的有效管理作为煤矿关闭计划的一部分， 就是确定主联络巷道内水可能会 蓄积的低点。 安装气密管道系统时要使气密管道系统通过这些低点区域， 以防止隔断临近采 区，即使在巷道被淹没的情况下也要这样做。在井底和平硐或主平硐这样做也许特别重要， 因为这些地方的堵塞会影响采空区的很大一片地方。 应根据某一区域的流量需要和管道的长 度及管道内壁的粗糙度来选择管道系统的管道直径。 在可能的地方应利用可进入的立井和平 硐的有利位置进行水位监测。 可利用立井内现有的管道系统和原有的压缩空气或排水管道系 统。 安装合适的监测装置可对水位上涨的影响进行评估， 并采取相应的补救措施。 补救措施 包括将钻孔打到特定的采空目标层位。 钻孔技术已发展到就在钻头后直接给钻孔下套管。 该 技术可在钻孔周围进行有效密封，并可减少钻过采孔区的困难。 4. 结语结语 在英国实施报废矿井煤层气抽放方案的经验证实了将在建工程设施列入煤矿关闭计划， 从而最大限度底挖掘进行煤层气抽放与利用的潜力的重要需要性将任何工程设施设计成可 与其他工程方法相适应都是很关键的，同时对设施进行有效的管理也是很关键的。 工程选择方案可用来实现在报废矿井的巷道内， 最大限度的减少空气泄露并对水的流量 和聚集加以控制的设计目的。 工程设施的设计和技术条件对每个报废矿井煤层气抽放方案都 是特有的。 在有潜力进行商业化报废矿井煤层气抽放与利用的煤矿， 煤矿关闭计划应包括安 装适当的检测与工程设备。 附录附录 1 密封关闭煤矿矿井的工程技术条件概述密封关闭煤矿矿井的工程技术条件概述 通达地面立井的充填通达地面立井的充填 应在充填前用铅锤弄清立井的全深。 这样可根据立井深度对倒入井筒的物料数量进行检 测和检查，以确保不会起棚。要点包括 1． 充填材料的粒度应按适当比例严格分级，其比例为 300mm20mm，不少于 80 20 mm2 mm，不多于 15 ≤1 mm，不多于 5 填充材料不能含有木头和其他有机物。 2． 果立井有井底车场（包括井底）就应用设计合理的隔墙将井底车场和井底隔开，以 保证井筒充填顺利进行。 另一种方法是浇注混凝土塞。 混凝土塞的厚度是从井底车场的仰拱 底向上延伸到井筒直径 5 倍的高度。如果厚度大于 200m，每 100m 的厚度再加上 0.125井 筒直径的厚度。在浇注前应安装好塞中的煤层气抽放管道系统。 3． 井筒盖的设计应考虑到井筒直径、井壁和井口以下的深度。 4． 当为构筑井筒盖而进行掘进时， 机械应能伸到所需的深度， 同时应考虑敲碎井筒岩 帮的必要性。 5． 井筒应进行清理以便构筑井筒盖。 6． 如果由于堆积物太厚不能掘进到基岩顶部，可构筑钢筋混凝土井筒塞。 7． 钢筋混凝土井筒盖至少应搁置 7 天进行凝固。 8． 如果不能构筑钢筋混凝土井筒盖就浇注钢筋混凝土井筒塞。 9． 煤层气抽放管道的直径应是足够大， 以使压力损失减少到最小， 而且管道系统应安 装在可直接进入底巷道的位置。 10． 穿过井筒盖的出入口应便于进行检查或补注。 密封井筒密封井筒 井筒密封由两道隔墙组成。 两道隔墙的中间充填混凝土或注浆。 井筒密封应设计成能确 保不会出现可产生隔墙周围或通达地面的煤层气流动通路的岩层移动。 要达此目的可采取以 下措施 1．构筑嵌入围岩的巷道内隔墙。这样做可能要拆除一些巷道支护（背板等） 。 2．在原隔墙向外 10m 处，以同样方式构筑一个辅助隔墙。该辅助隔墙同样需要嵌入原 生岩层。 3．应拆除所有设备，其中包括被动支护背板。 4．安装并支护煤层气抽放管道和水管道。在可能的位置建议至少要安装两条煤层气抽 放管道和两条排水管道。 5．煤层气抽放管道应是气密的，管道不能有弯儿，而且还要悬挂在顶板上。排水管应 安装一个 U 型弯头，以防止施加吸引压力时从水管吸入空气。隔墙之间的空间应用混凝土 或薄浆混合物充填到顶板， 而且所有的自由空隙都要充填。 一种较好的方法也许是构筑一个 密封墙并进行辅助灌浆，使之形成一个不透水密封，让水恢复到自然水位。 6．应拆除平巷中的所有设备，其中包括输送机，多余的管道系统及其他装置。 7．应用低渗透性物料（矸石）充填平巷，而且要充填到顶板。 8．构筑的上隔墙应与下隔墙一样，而且应有至少一米厚的顶板岩石。 9．入口应完全密封以防止进入，同时入口要做标记。 灌浆灌浆 有必要对充填材料进行灌浆， 以确保稳定性和防止空气侵入。 通常使用的钻孔方法是风 吹旋转钻孔法。钻杆应有合适的内径，以使薄浆能够被注入。薄浆混合物应是 9 份飞灰，1 份水泥。在有些情况下也可以加砂子。应按照适当的技术条件进行钻孔与灌浆。