基于瓦斯抽放确定高突厚煤层综放工作面长度.doc

http// 基于瓦斯抽放确定高突厚煤层综放工作面长度1 马建宏1，勾攀峰1，师贺庆2 1河南理工大学（454003） 2鹤壁煤业集团（458000） E-mail 摘 要论文针对综采放顶煤采煤工艺的特点，结合高瓦斯突出厚煤层瓦斯抽放方式和抽放系统布置的特点，提出适应高突厚煤层瓦斯抽放要求的合理工作面长度的确定方法和公式，并将其应用于鹤壁矿区。 关键词工作面长度 瓦斯抽放 综放开采 1. 引言 对于高瓦斯矿井，为改善煤矿安全开采状况，从上世纪50年代开始采用井下瓦斯抽放方法。截至2003年，全国国有重点煤矿共建有203处矿井瓦斯抽放系统，抽出瓦斯15.21亿m3 ，其中抚顺和阳泉矿区年抽放量均超过1亿m3，盘江、平顶山和淮南等矿区瓦斯抽放量增长迅速[1]。煤矿瓦斯抽放不仅是降低矿井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，而且可以变害为利，作为煤炭的伴生资源加以开发利用。我国煤矿目前采用的瓦斯抽放技术主要有本煤层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放、地面瓦斯抽放和综合瓦斯抽放[2]。 目前，在采区设计中，确定工作面合理尺寸主要考虑通风能力，没有考虑到瓦斯抽放布置对工作面长度的要求。而事实上，对于高瓦斯矿井，工作面长度与瓦斯抽放方式有着密切的关系。工作面长度越长，越要求瓦斯抽放方式和抽放系统设计更加合理。 2. 满足瓦斯抽放要求的综放工作面长度计算公式的提出 综采放顶煤技术具有高产、高效、低耗等优点，是我国开采厚煤层的主要开采方式。然而，我国的大部分厚煤层是含瓦斯煤层，其中一部分煤层瓦斯含量很高。由于综放工作面一次采全高，产量大，瓦斯的绝对涌出量成倍增加，在高瓦斯矿井，甚至在某些低瓦斯矿井，存在着瓦斯超限以及潜在的瓦斯灾害，瓦斯问题成了制约综采放顶煤技术在我国推广应用的“瓶颈”；因此，针对综采放顶煤采煤工艺的持点、结合煤层具体的地质和开采条件，建立有效的瓦斯抽放系统，是综放工作面生产顺利进行的必要条件。目前许多矿区的综放面都采取了顺层钻孔、穿层钻孔预抽工作面煤层瓦斯、顶板走向长钻孔抽放瓦斯和采空区埋管抽放瓦斯等措施。其中，顺层钻孔预抽瓦斯技术对工作面长度有较大的要求，同时也是影响高瓦斯矿井综放工作面长度的一个重要因素。在顺层钻孔预抽工作面瓦斯时，1 本课题得到河南理工大学青年基金资助。 - - 1 http// 由于钻孔深度的限制及地质条件的限制，工作面长度不宜过大。即 s h h L −−≤222111sin ||cos sin ||cos βθαβθα （1） 式中L 满足瓦斯抽放要求的工作面长度，m；下向顺层钻孔孔深，m；1h 1α下向顺层钻孔俯角；1β下向顺层钻孔钻进方向与上顺槽的夹角；上向顺层 钻孔孔深，m；2h 2α上向顺层钻孔仰角；2β上向顺层钻孔钻进方向与下顺槽的夹角； θ煤层倾角；工作面中部允许的空白带的最大宽度，m。 s 3. 工作面中部允许空白带最大宽度s 的确定 要使工作面通风满足稀释瓦斯浓度以达到工作面的瓦斯浓度不超过煤矿安全规程允许的最高瓦斯浓度的要求，需满足以下条件 用通风方法可以解决的瓦斯含量≥预抽后工作面煤层的瓦斯含量 ⑴工作面风量 v m l Q x g ⋅⋅⋅φ60 （2） 式中工作面可以供给的风量，mg Q 3 /min；工作面最小控顶距，m；m 工作面采高，m；x l φ有效断面系数，综采工作面取0.6；v 工作面内允许的最大风速，m/s；普通机械化采煤工作面取4m/s，综放工作面取5m/s ⑵通风方法可以解决的瓦斯含量 通风可以解决的瓦斯含量是根据产煤量、供风量和煤的残存瓦斯量来估算煤层瓦斯的应抽指标[3]。 c W d g R W K T C Q W ⋅⋅⋅6024 （3） 式中通风方法可以解决的瓦斯含量，mR W 3/t；规程允许的最高瓦斯浓 度，1％；工作面可以供给的风量，mC g Q 3 /min；工作面日产煤量，t/d；破碎散煤的残存瓦斯量， md T c W 3 /t，1.5～3；瓦斯涌出不均衡系数； W K ⑶预抽后工作面煤层的瓦斯含量 j c E W W L s W L s L W W −−−ηη000－ - - 2 http// 即 j c E W W L s W W −−− 100ηηη （4） 式中 预抽后工作面煤层的瓦斯含量，m E W 3/t；煤层原始瓦斯含量，m 0W 3/t；掘进工作面瓦斯涌出量，mj W 3 /t；c η穿层钻孔瓦斯预抽率，％； η非空白带工作面煤层部分瓦斯预抽率，％； 1000G W Q η （5） 式中Q 工作面煤层抽、排瓦斯量，m3；G 非空白带工作面煤层储量，t； 所以 j c E W W L s W W −− − 100ηηη j c W G W Q W L s G W Q W −−− 10000η 即，预抽后工作面煤层的瓦斯含量的计算公式也可表示为 j c E W G W Q W L s G W Q W W −−− 10000η （6） ⑷工作面中部允许空白带最大宽度s 的确定 由上述公式推导，条件“用通风方法可以解决的瓦斯含量≥预抽后工作面煤层的瓦斯含量”可表示为 （7） E R W W ≥即 ≥R W j c W W L s W −−− 100ηηη （8） 所以 100c j R W W W W L s ηηη−−−≤＋ （9） 4. 满足瓦斯抽放要求的高瓦斯厚煤层合理工作面长度的确定 由公式（1）和公式（9）可联合解出满足瓦斯抽放要求的工作面最大长度L max 和工作面中部允许空白带最大宽度smax 。即 s h h L −−222111max sin ||cos sin ||cos βθαβθα - - 3 http// max 00max 1L W W W W s c j R ηηη−−−＋ （10） 需要说明的是，公式的推倒过程中只考虑了顺层钻孔抽放和穿层钻孔抽放这两种常用的煤层瓦斯预抽方法，没有考虑地面预抽放等其他的瓦斯预抽放的方法和措施，使用时应结合具体矿区条件而加以改进。 5. 鹤壁矿区满足瓦斯抽放要求的工作面长度的确定 ⑴鹤壁矿区瓦斯赋存、涌出规律分析 矿区为单一厚煤层开采，煤层瓦斯含量高，瓦斯主要来自石炭二叠系的二1煤层，本煤层瓦斯涌出量占瓦斯涌出总量的95以上，井田内基本上无临近层瓦斯涌出。根据历年瓦斯鉴定资料，在矿井瓦斯涌出量中，回采工作面占34.32～53.9，平均为40.28；掘进工作面瓦斯涌出量占13.73～30.2，平均为21.75；封闭的采空区和其它瓦斯涌出量占10.0～36.24，平均为26.74。另外，断裂、褶曲等地质构造和周期压力对采掘工作面瓦斯涌出量影响较大，鹤壁矿区的煤与瓦斯突出多发生在断层或向斜轴附近，断层带或周期来压期间，瓦斯涌出量增加明显，瓦斯涌出不均衡系数为1.2～2.2[4] 。 ⑵预抽放钻孔的布置方式及设计 穿层钻孔的布置在工作面回风巷沿煤层倾向向下留15m 的瓦斯排放带，根据运输巷掘进时间及运输巷周围条带瓦斯排放情况，在运输巷沿着煤层倾向向上留15m 的瓦斯排放带。根据中切割掘进时间，在中切割南北两边留10m 的瓦斯排放带。在岩中巷内，从中切割投影到岩巷水平的位置以南40m 处开始施工穿层钻孔，一直到距中切割投影位置以北70m 处。从南往北每10m 布置一个钻场，每个钻场中钻孔见煤点间距10m。 顺层钻孔的布置在工作面上顺槽内，距中切割以南65m 处开始施工下向顺层钻孔，钻孔间距4m，设计孔深为50m，钻孔角度与煤层倾角大致一致，开孔位置均为上顺槽下帮距离底板1.5m 处。在工作面下顺槽内，距中切割以南70m 处开始施工上向顺层孔，钻孔间距4m，设计孔深70m。钻孔仰角与煤层倾角一致，开孔位置为下顺槽上帮距离底板1.5m 处。 ⑶工作面长度的确定 在对鹤壁矿区现场调研和实测的基础上，确定出计算所需参数如表1、表2、表3所示。 表1 鹤壁矿区工作面瓦斯参数 参数名称 0W m 3/t j W m 3/t c W m 3/t W K c η ％ η ％ - - 4 http// 参数值 2 表2 鹤壁矿区瓦斯抽放钻孔布置参数 参数名称 1h （m） 1α 1β 2h （m） 2α 2β 参数值 50 25 90 70 25 90 表3 鹤壁四矿工作面参数 参数名称 θ x l （m） m （m） φ v d T （t） 参数值 25 3.76 2.3 0.6 5 2478 将表3中的参数代入公式（2），确定工作面可以供给的风量为 v m l Q x g ⋅⋅⋅φ60＝603.762.30.65＝1556.64（m3/min） 将表1和表3中的参数代入公式（3），确定通风方法可以解决的瓦斯含量为 c W d g R W K T C Q W ⋅⋅⋅6024＝26 . 1247801. 064. 15566024＝7.654 将表1、表2、表3中的参数代入公式（10） s h h L −−222111max sin ||cos sin ||cos βθαβθα ＝s −−90sin |2525|cos 7090sin |2525|cos 50 120 11 s max 00max 1L W W W W s c j R ηηη−−−＋ max 116. 03195. 047. 1414. 3 3195. 0147. 14654. 7L −−−＋ ＝0.32 （12） max L 式（11）和式（12）联立，求得鹤壁矿区满足瓦斯抽放要求的工作面最大长度为176m。 6.主要结论 对于高瓦斯矿井，工作面长度与瓦斯预抽放布置系统有着密切的关系。从有利于瓦斯抽放的角度，推导得出了满足瓦斯抽放要求得高突厚煤层合理工作面长度的计算公式。即 - - 5 http// Lmax h1 cos | α 1 − θ | sin β 1 h2 cos | α 2 − θ | sin β 2 s s max WR − W0 1 − η ＋W j W0 η − η c Lmax 并结合鹤壁矿区的具体条件， 从理论上得出了该矿区满足瓦斯抽放要求的合理工作面长度为 120～176m。 参考文献 [1] [2] [3] [4] 赵铁锤. 搞好瓦斯抽放利用促进煤矿安全生产. 中国煤层气，2005，2（2）3～5. 王兆丰，刘军. 我国煤矿瓦斯抽放存在的问题及对策探讨. 煤矿安全，2005，36（3） 29-32. 林柏泉，张建国. 矿井瓦斯抽放理论与技术. 中国矿业大学出版社，1996. 马耕，巩春生. 鹤壁矿区瓦斯综合治理技术研究. 焦作工学院学报，2002，21（1） 5-10 Determining the length of fully mechanized top-coal caving face in thick coal seam with high gas outburst base on gas extraction Ma Jianhong1 Gou Panfeng1 Shi Heqing2 1 2 Henan polytechnic University, Henan Jiaozuo, 454003； Hebi coal mining group corporation, Henan Hebi, 458000 Abstract In consideration of the characteristic of fully mechanized top-coal caving mining technics, based on the characteristic of gas extraction s and system disposal in thick coal seam with high gas outburst, this article puts forward the s and ula for determining the rational length of fully mechanized top-coal caving face in thick coal seam with high gas outburst base on gas extraction, the result is applied in Hebi coal mine. Keywords the length of mining face；gas extraction；fully mechanized top-coal caving 作者简介马建宏，男，1999 年毕业于重庆大学采矿工程专业，现在河南理工大学主要从 事采矿工程领域的教学与科研工作。 -6-