近距离保护层掘进工作面立体瓦斯抽放技术探索.pdf

2007年第3期 中州煤炭总第147期 近距离保护层掘进工作面立体瓦斯抽放技术探索 郭建伟 （平煤集团公司五矿，河南平顶山467091 摘要介绍了平煤集团五矿近距离保护层掘进工作面瓦斯治理现状，探索了立体瓦斯抽放技术。 实践证明， 采用该技术措施简单，效果显著。 关键词近距离保护层；掘进工作面；立体瓦斯抽放 中图分类号TD712. 6 文献标识码B文章编号I 003 -0506 2007 03 -0070 - 03 1 瓦斯治理状况 平煤集团公司五矿是煤与瓦斯突出矿井，共有 3个生产采区，分别为庚一采区、已二扩大采区和已 三采区。 开采煤层为庚20煤层、已IS煤层和已16.17煤 层，其中庚20煤层和已15煤层为非突出煤层，已16.17煤 层为突出煤层。 已三采区是五矿主力开发采区，主 要开采己IS煤层和已16,17煤层。 其中已15煤层平均煤 厚1.6 m, 直接顶为泥岩，直接底为砂质泥岩；已16.17 煤层平均煤厚3. 2 m, 直接顶为砂质泥岩，致密坚 硬，直接底为泥岩。 已15煤层与已16,17煤层间距为 0. 2 -11. 0 m, 可作为己16,17煤层的保护层开采。 开采保护层是预防煤与瓦斯突出最有效的区域 性防突技术措施，因此防治煤与瓦斯突出细则规 定，在煤与瓦斯突出矿井中开采煤层群时，必须首先 开采保护层。 五矿为解决己16 ,17 煤层的突出危险问 题，首先开采作为己16,17煤层保护层的已15煤层。 但 是已1S煤层与已16,17煤层间距仅0.2 -11 . 0 m, 层间 距很小，是典型的近距离保护层，开采过程中已16.17 煤层中大量的卸压瓦斯涌入采掘空间，造成采掘T 作面和回风流瓦斯浓度升高甚至超限，严重影响矿 井安全生产。 尤其在掘进工作面，采用局部通风机 通风供风鼠较小，已16,17煤层中的大量卸压瓦斯涌入 掘进T什作面后，一方面造成掘进T.作面风流中的瓦 斯浓度波动，另一方面造成掘进丁作面回风流中的 瓦斯浓度长时间居高不下。 不但使掘进T作面无法 正常施I,效率低下，还危及矿井安全生产。 因此， 收稿日期 2007-03-20 作者简介郭建伟1964-, 男，河南鹿邑人，高级丁程师，1988年 毕业于中国矿业大学，在读研究生，现任平煤集团五矿总工程师。 70 近距离保护层掘进t作面的瓦斯治理，已成为其安 全高效掘进的瓶颈，必须探索新的瓦斯治理方法。 2 立体瓦斯抽放技术 2.1 采面基本情况 已15-23220采面是已16,17-23220采面的保护层 丁4作面。 采面设计走向长740m, 倾斜长200m, 开 采己15煤层，储最34.6万t平均煤厚1. 5 m, 倾角 s o, 煤层瓦斯含植为7 m3 /t, 该采面地质构造较为复 杂，采面断层较为发育。 其下伏的被保护层已16,1 7 - 23220 T作面，储抵98.5万t平均煤层厚度3.5 m, 煤层瓦斯含拭为20m 3 It。 已 1S煤层与已16.17煤层层 间距为3-8 m。 已15-23220运输巷设计断面12m 2 , 沿己15煤层顶板采用铀网索支护，巷高3 m, 宽4m。 铀杆选用020 mm x 2 200 mm等强全螺纹树脂铀 杆，铀杆间排距均为600 mm; 铀索选用015.24 mm 钢绞线，顶铀索长7 m, 帮铀索长5 m。 成排布置，隔 1排描杆布置1排描索，顶及两帮各2根，全断面挂 04 mm、网格40 mm x40 mm冷拔丝网。 2. 2 瓦斯治理探索 由千己1S煤层与已16,17煤层层间距较小，已1S 23220运输巷掘进期间已16.17煤层瓦斯大戴涌入掘 进丁」作面，在工作面供风量450m 3 /min的情况下， 掘进工作面风流中的瓦斯浓度达0.3, 掘进T一作 面回风流中的瓦斯浓度经常处于0.8的临近超限 状态。 该工作面采用综掘机掘进方式，掘进过程中 随着落煤量的增加，瓦斯涌出扯急剧增加，一方面造 成工作面风流中的瓦斯浓度波动上升，另一方面造 成回风流中的瓦斯浓度超限，根本无法进行正常的 掘进作业，工作面月进度不足50m。 因此，如何治 2 0 0 7年 第 3期 郭建 伟 近距 离保 护层掘 进工 作面 立体 瓦斯抽 放 技术探 索 总第 1 4 7期 理己 煤层掘进期间瓦斯 ， 提高掘进速度 ， 保证采掘 丁作面接替正常 ， 已成为五矿生产 中一个紧迫而富 有挑 战性 的课题 。 1 采用 释放 钻孔 。在 工 作 面 布 置 3排 9个 瓦 斯 释放 钻孔 ， 孔 深 1 0 m， 留有 2 m 超 前 距 。但 在施 工释放钻孔的过程 中又 出现了新的问题 ① 瓦斯涌 出量 大 ， 短时 间 内造 成 巷道 风 流 中瓦 斯浓 度 大幅 度 升高， 回风流中的瓦斯浓度超限 ； ②靠钻孔 自然释放 瓦斯需要时间较长 ， 不 能有效解决问题 明显提高 掘进 进度 。 2 预 抽瓦 斯 。 钻 孔 布 置 方 式 同 上 ， 但 每 施 工 一 钻孔 后 ， 立 即封 孔 联 网 预抽 瓦斯 。措 施 采 取 后 效 果 明显 ， 有 效解 决 了巷 道 施 工 过 程 中 lT作 面 风 流 瓦 斯 浓度 波 动上升 及超 限 问题 。但是 工作 面 回风流 中 的瓦斯 浓度 长 时问居 高不 下 的问题 并没有 得 到很好 解决 ， 尤其是随着掘进_丁作 面的推进 ， 巷道长度的增 加 ， 回风 流 中的 瓦斯 浓度 不 断 上 升 。 当巷 道 掘进 长 度 1 5 0 m 时 ， 回 风 流 中 的 瓦 斯 浓 度 经 常 处 于 0 ． 9 ％ 以上 的临界 超限 状态 ， 问题 变得 更为 严重 ， 因 瓦斯浓 度的制约致使掘进巷道根本无法施工， 被迫停止作 业 。 针 对 以上 情 况 ， 重 新 对该 掘 进 巷道 的 瓦 斯来 源 进行 了详 细调 查 ， 分析认 为 影 响掘进 巷道 工作 面风 流和 回风流 中的 瓦斯来 源不 同。掘进 -丁作 面风 流 中 的瓦斯 ， 主要 来 自工 作 面前 方 己 煤 体 及 底 板 松 散 泥岩 中的卸压 瓦斯 ， 掘进 过 程 中随 着 工作 面推 进 及 落煤 大量 涌 出 ， 是 造 成 掘进 工 作 面 风 流 中 的 瓦斯 浓 度 波动 上升 的主要 原 因。掘 进工 作 面 回风 流 中的瓦 斯 ， 一 部分 来 自工 作 面 前 方 己， 煤 体 及 底板 松散 泥 岩中的卸压瓦斯 ， 还有一部分主要来 自工作 面后方 巷道 两 帮卸压 瓦斯 、 巷道 底 板 松 散 泥 岩 中 的卸 压 瓦 斯 ， 以及 被保护 层 己⋯ ， 煤 层 中 的卸压 瓦斯 。随着 掘 进 工作 面 的推进 和 巷 道 长度 不 断增 加 ， 持 续 释 放 瓦 斯 的范 围增加 ， 从 而造 成 工 作 面 回风 流 中 的 瓦斯 浓 度不 断增 加并达 到 临界超 限状态 。对工 作 面前方煤 体预抽 瓦斯 ， 只解 决 了掘 进 工 作 面 风 流 中 的 瓦斯 问 题 ， 要 解决 掘进 工作 面 回风流 中 的瓦斯 问题 ， 就必 须 采用立体瓦斯抽放技术综合治理， 既要对工作面前 方 己． 煤 体预 抽 瓦斯 ， 又 要 对 工 作 面后 方 巷 道 两 帮 卸压 瓦斯 、 巷道 底 板松 散 泥 岩 中的 卸 压 瓦斯 以及 被 保 护层 己⋯ ， 煤 层 中的卸 压 瓦斯抽 放 ， 从 而彻 底解 决 近距离 保护 层掘 进工 作 面 瓦斯 治理 的难 题 。 2 3立体 瓦斯 抽放 鉴 于 己 2 3 2 2 0_T作 面运输 巷掘 进 过 程 中 的 瓦 斯来 源为 T作 面前 方 己． 煤 体及 底 板 松 散 泥岩 中的 卸压 瓦斯 、 T作 面后 方巷 道两 帮卸 压 瓦斯 、 巷 道底 板 松散 泥岩 中 的卸压 瓦斯 以及 被 保 护层 己 ， 煤 层 中 的卸 压瓦斯 ， 因此 决 定采 用综 合抽放 手段 ， 立 体布孔 多方位 分 源抽放 掘进 巷道 周边 卸压 区 瓦斯 。抽放 系 统使用五矿 一 6 5 0 m水平抽放泵站 ， 共用一趟抽放 管路 ， 抽 放泵 型号 2 B E F 一 2 ， 额定 流量 为 1 6 0 m ／ mi n ， 抽 放主 干管路 选 用 2 j 3 0 0 m m 的薄壁 铁管 ， 抽放 支管 选 用 2 0 0 m m 的薄 壁 铁 管 。己 2 3 2 2 0运 输 巷 抽 放 瓦斯 由各抽 放钻 孔进 入抽 放支 管 、 主干管 ， 再 到抽 放 泵 ， 最 后排人 己三专 用总 回风 。 1 工作面前方 己。 煤体及底板松散泥岩 中的 卸压瓦斯抽放。为解决掘进期间工作面前方 己． 煤 体及 底 板 松 散 泥 岩 中 的 卸 压 瓦 斯 涌 人 工 作 面 ， 在 己． - 2 3 2 2 0运输 巷 掘 进 工 作 面前 方 施 工 3排 l 1个 瓦斯抽 放 钻孑 L ， 间 排距 均 为 8 0 0 m m， 孔 深 1 0 m， 每 施 工循 环 留有 5 m超前距 。其 中下排 4个 孔 布置 在 _T作 面底板 ， 沿 巷道 掘进 方 向呈扇 形 向 己 ， 煤层 穿 层 施 工 ， 俯 角 2 0 。 ； 中间 一 排 4个 孔 布 置 在 己 煤 层 和 己⋯ ， 煤层 中间的松 散 泥岩 中 ， 俯 角 5 。 ； 上 排 3个 孔 布置 在 己， 煤 层 中 ， 距 巷 道顶 板 8 0 0 mm， 沿 巷 道 掘 进方 向施 工 。每个 瓦斯 抽放孔 施 工完毕 即联 孔抽 放 瓦斯 ， 采用 抽 放专用 封孔 器进行 封孑 L ， 最后 一个钻 孔 抽放 时 间不 少 于 2 h 。 2 工作 面后 方巷 道 两 帮 卸压 瓦 斯抽 放 。 为解 决掘进 期 间工作 面后 方 巷 道两 帮 己 煤 体 卸 压 瓦斯 涌人工 作 面 ， 在 己 2 3 2 2 0运 输 巷 两 帮 卸 压 区 内布 置一 排 瓦斯抽 放钻 孔 ， 距 巷道 顶板 8 0 0 mm开 口 ， 沿 煤层 倾斜 方 向施 工 ， 孔深 1 0 m， 孔 间 距 23 m。采 用 双抗 封孑 L 管 ， 聚氨酯 封孔 ， 封 孔深 度 5 m。每一 个 瓦斯 抽 放钻孔 施 T 完 毕 即联 孔 抽 放 瓦斯 ， 抽 放 钻 孔 落后 工作 面不 得超 过 2 0 m。 3 巷道底板松散泥岩中的卸压瓦斯 以及被保 护层 己 ， 煤层 中的卸压 瓦斯抽放。为解决 掘进期 间工作 面后方 巷 道底 板 松 散 泥 岩 中的 卸 压 瓦斯 ， 以 及 被保 护层 己 ， 煤 层 中 的卸压 瓦斯 涌人 工作 面 ， 在 己 2 3 2 2 0运输 巷 工 作 面 后 方 沿 巷 道 底 板 向 己 l 6 _ ， 煤层 施 工穿层 瓦斯 抽 放 钻 孔 ， 钻孔 23 m一 排 ， 每 排 施工 2个 钻孔 ， 钻孔 直 径均 为 8 9 m m， 俯 角 3 0 。 向 T作面方 向施工 ， 要求钻孔穿透己 ． ， 煤层并进入煤 层底板 0 ． 5 m。封孔工艺采用双抗 封孔管 ， 聚氨酯 封孔 ， 封 孔深 度 5 m。 每 一 个 瓦斯 抽 放 钻孔 施 工 完 71 2 0 0 7年第 3 期 中州煤炭 总第 1 4 7期 毕即联孑 L 抽放瓦斯 ， 抽放钻孑 L 落后工作面不得超过 2 0 m。 3 效果分析 己 2 3 2 2 0运输 巷 开 口 1 5 0 m 以 内 ， 瓦 斯 涌 出 量 为 0 ． 8～2 ． 1 m ／ m i n ， 巷 道 回 风 流 瓦 斯 浓 度 在 0 ． 2 ％ ～ 0 ． 4 ％ ， 落煤 期 间最 大瓦 斯 浓 度 为 0 ． 6 ％ ， 依 靠通风即可解决瓦斯问题 ， 故未采取抽放措施。 巷道掘 进 1 5 0 m 以后 ， 瓦斯 涌 出量逐 渐增 加 ， 回 风 流 瓦斯浓 度逐 渐 升 高 ， 静 态 下巷 道 回风 流 瓦斯 浓 度 达 0 ． 7 ％ ， 落煤 期 问瓦斯 浓度 最大 达 0 ． 8 5 ％ ， 瓦斯 问题 已严重 制约 掘 进速 度 ， 开 始执 行 工 作 面 前方 煤 体 预 抽 。 实 施 该 措 施 后 ， 瓦 斯 抽 放 浓 度 3 ． 2 ％ ～ 4 ． 1 ％ ， 抽 放纯 流量 为 2 ． 9～ 4 ． 0 m ／ m i n ， 静 态下 巷 道 回风流瓦斯浓度降到 0 ． 5 ％以下， 落煤期间最大 瓦 斯 浓度 为 0 ． 8 0 ％ ， 保证 了安 全生 产 。 巷 道掘 进 2 0 0 m 以后 ， 回风 流 瓦 斯 浓 度 又逐 渐 升 高 ， 静 态 下 巷 道 回风 流 瓦 斯 浓 度 上 升 到 0 ． 7 4 ％ ， 落 煤期 间瓦斯 浓度 最 大 达 1 ． 0 5 ％ ， 掘 进 工 作基 本 停 滞 ， 开始执 行立 体瓦 斯抽 放技术 。措 施实 施后 ， 瓦斯 抽 放浓 度 4 ． 7 ％ ～ 8 ． 2 ％ ， 平 均 6 ． 4 ％ ， 抽 放纯 流 量为 4 ． 8～8 ． 1 m ／ m i n ， 静 态 下 回 风 流 瓦 斯 浓 度 降 到 0 ． 5 ％ 以下 ， 落 煤 期 间最 大 瓦 斯 浓 度 为 0 ． 7 5 ％ 。月 推 进度 由不 足 5 0 m 提 高到 1 2 0 m。 4 结 语 1 立 体 瓦斯抽 放技 术 是 针对 掘 进 巷 道周 边 卸 压 区瓦斯 涌 入掘进 空 间 ， 造 成 瓦 斯 超 限 而提 出的 立 体 布孑 L 多 方位 分源 抽 放 技 术 ， 可 以 有效 解 决 近距 离 保 护 层掘 进工 作面 瓦斯 治理 问题 。 2 采 用 立 体 瓦 斯 抽 放 技 术 ， 不 但 能有 效 解决 掘进 工作 面风 流瓦 斯 浓 度波 动 上 升 及 超 限 问题 ， 还 能有效解决掘进工作面回风流瓦斯浓度居高不下及 超 限问题 。 3 立 体瓦 斯抽放 技 术 解决 了近距 离 保 护层 掘 进工 作面 瓦斯超 限 问题 ， 主要 是针 对 可 能 涌 入 掘进 巷道 的卸压 区瓦斯 。该技 术措施 简单 ， 见 效快 ， 效果 明显 。 责任 编 辑 秦 爱新 上接 第 6 9页 值 ； 如果低 于 3 0 c ， 可适 当增大 产 量重新 计算 ， 直 至 采 煤工 作 面 出 口的 干球 温 度 接 近 3 0 c 的产量为 止 。如此 重 复试 算 ， 可得 到满 足 采 煤 工作面 温度 限制 条 件 下 的 、 矿 井 通 风 系统 相 对 稳 定 时期 的采煤 工作 面最 大允 许产 量 。 2 ． 2 。 3 合 理矿 井最 大通风 能 力核定 的确 定 经 反 复计 算 ， 得 到 同 时满 足 采煤 工 作 面 瓦斯 浓 度 和温度 限 制条件 的矿 井通 风 系统相 对稳 定时期 的 采煤工作面的最大允许产量 ， 将各采煤工作面 的最 大允 许产 量相 加 ， 再 加 上掘进 工作 面 的出煤 量 ， 则 可 得 到煤矿在矿井通风系统相对稳定时期合理的矿井 最大通 风能 力核定 值。在这一 阶段 ， 不但 完 成 了 “ 矿 井通 风能 力验证 ” 中第 四点 的要 求 ， 且 给 出 了一 种更 为合 理 的确定 矿井 最大 产量 的办法 。 3 结语 1 采用矿井通风等积孑 L 作为指标进行矿井通 风动力验证 ， 检验主通风机实 际是否处在合理 的范 围内 。 2 可 同时采 用 采 煤 工 作 面 瓦 斯 浓 度 主 要 是 回采 工作面 出 口主流 区和 上 隅角 的 允许 瓦斯 浓 度 ． 72 和温度 限制 为条 件 计 算 ， 得 到在 矿 井 通 风 系统 相 对 稳定时期采煤工作面最大允许产量 ， 通过对各 采面 类 似 的分析 ， 即可得 到矿 井最 大通风 能力 核定值 。 参 考 文献 [ 1 ] 黄元平 ． 矿井通风 [ M] ． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ， 1 9 8 6 ． [ 2 ] 杨运良 ， 程 磊． 关 于通风能 力核定方 法的探讨 [ J ] ． 煤 炭安 全 ， 1 9 9 8 ， 1 O 4 5 4 7 ． [ 3 ] 霍丽萍 ， 张兆文． 合理核定 矿井 通风 能力 的探讨 [ J ] ． 山西煤 炭 ， 2 0 0 2 ， 3 1 31 5 ． [ 4] 马汉 鹏． 核定 科 学 经济 通 风能 力 的研 究 [ J ] ． 煤 炭工 程 师 ， 1 9 9 7 ， 5 2 02 2 ． [ 5 ] 周军民 ， 张吉林 ． 矿井通风能力合理核定方法 的探讨 [ J ] ． 煤炭 科学技术 ， 2 0 0 3 ， 3 1 1 2 9 3 9 4 ． [ 6 ] 国家安全生产监督管理 总局． 煤矿通 风能力 核定办法 试行 [ M] ． 北京 煤 炭工业 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 7 ] 张东升 ， 徐金海． 矿井 高产高效开采模 式及新技术 [ M] ． 徐州 中国矿业大学出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 8 ] 国家安全生产监督管 理总局． 煤矿 安全规 程 [ M] ． 北京 煤炭 工业出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 9 ] 薛殿华． 空气调节[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 1 9 9 1 ． [ 1 0]余恒昌． 矿 山地 热与热 害治理 [ M] ． 北 京 煤炭 工业 出版 社 ， 1 9 91 ． 责任 编辑 秦 爱新