中厚煤层瓦斯抽放方案优化.doc

中厚煤层瓦斯抽放方案优化 陈 向 军 1 司 朝 霞 2肖 东 辉 1 1.河南理工大学安全学院 河南 焦作 454000; 2.河南理工大学测绘学院 河南 焦作 454000 摘 要 针 对 屯 城 煤 矿 3煤 层 瓦 斯 含 量 大 , 现 有 抽 放 系 统 存 在 抽 放 浓 度 太 低 , 经 抽 放 后 回风流瓦斯浓度大 时常超限的现状,并根据该矿煤层赋存特征,提出抽放优化方 、 、 案 , 通 过 优 化 , 掘 进 工 作 面 回 采 工 作 面 和 矿 井 风 排 瓦 斯 量 都 大 幅 度 降 低 , 从 而 确 定 了 中 、 厚 煤 层 瓦 斯 抽 放 布 置 参 数 , 对 中 厚 煤 层 瓦 斯 治 理 具 有 重 要 的 指 导 意 义 。 关 键 词 中 厚 煤 层 ; 瓦 斯 抽 放 ; 工 作 面 预 抽 ; 边 掘 边 抽 瓦斯矿井生产过程中的最大安全隐患是瓦斯事故, 解决矿井瓦斯的有效方法就是实施瓦 斯抽放。 对于薄煤层而言, 一排工作面抽放钻孔即可达到较好的抽放效果, 在中厚煤层也布 置一排瓦斯抽放钻孔,抽放效果不尽人意,难以解决生产过程的瓦斯涌出问题。 1试验矿井概况 实验矿井为润城镇屯城煤矿,矿井位于阳城县润城镇屯城村东北,其地理坐标为北 纬 3532′54″3533′39″,东经 11231′42″11233′01″。井田面积 1.0718km 2。矿井设计生产能力 150kt/a,服务年限 25年左右。采用一对立井辅以一个斜井 开拓方式开采 3煤层。采用分层开采的采煤方法,工作面走向长 500m,采高 2.5m;全部垮 落法管理顶板。目前,全矿布置有一个回采工作面和两个煤巷掘进工作面。 井田含煤地层为石炭系太原组和二叠系山西组,煤系地层总厚 5080m,含大小煤层 13层。其中太原组含煤 8层,可采煤层为 9、15煤层;山西组含煤 5层,仅有一层 3煤 可采。现阶段矿井开采 3煤层,煤层厚度 6.44m,煤层下部含夹矸 23层,伪顶为泥质页 岩,厚度 0.20.4m,直接顶为深灰色炭质泥岩,厚度为 1.52.5m,层理明显,不易垮落, 底板为一厚 0.8m 硬岩。 该煤层为高变质程度的无烟煤。 井田内地质构造简单, 无大的断层, 矿区构造属简单型。 屯城煤矿采用中央边界抽出式通风方式,即主立井、副斜井进风,回风立井回风,安装 型号为 BDK40-6№18轴流式主扇两台,电机功率 110kw2。随着矿井开采强度的增加和采 区延伸, 屯城煤矿瓦斯涌出日益增大, 严重制约了生产的进一步发展, 使矿井安全受到严重 威胁。 为了解决瓦斯问题, 屯城煤矿共建立了两套地面抽放系统。 尽管矿井在煤层开采前实 施了抽放,但在 2300阶段运输巷和回风巷掘进期间,两个掘进工作面共配风 1100 m3/min, 单巷配风 550 m3/min,回风流瓦斯经常超过 1,单巷瓦斯涌出高达 6.6 m3/min;矿井总回 风量 2300 m 3/min,回风流瓦斯 0.60.8,超过规程要求的 0.75的界限,给矿井安全生 产带来很大隐患。 可见,屯城煤矿瓦斯抽放方案优化势在必行。 2现有抽放系统及方案 目前,屯城煤矿已有两套地面永久性抽放系统,其中 2BE12530型抽放泵两台,一 台运行,一台备用,电机功率为 75kw,额定流量为 44m 3/min,主抽放管道为直径 219mm 的 无缝钢管,抽放 2300阶段煤壁,北巷停掘巷道、1200阶段采空区,实际抽放浓度为 17左 右,抽放负压 20kpa;2BE3400型水环式真空抽放泵两台,一台运行,一台备用,电机功 率为 110kw,额定流量 93m 3/min,主抽放管道为直径 325mm 的螺旋焊管,抽放 2301回采面, 2303掘进工作面,实际抽放浓度 28,抽放负压 46 kpa。 矿井主要采用工作面抽放和边掘边抽方式抽放瓦斯。其中工作面抽放钻孔采用单侧打 孔,孔深 70m,间距 10m,仰角 12,垂直于顺槽,聚氨酯封孔,封孔深度 3m。边掘边抽 钻孔采用钻场方式布置,钻场 60m 一个,每个钻场内各布置 3个钻孔,一个垂直于顺槽,孔 深 7080m,另两个与顺槽成 15左右夹角。 3抽放方案优化 3.1抽放方法选择 屯城煤矿 3煤层远离下部的 9和 15煤层,开采时的邻近层瓦斯涌出可以忽略不计。 根据屯城煤矿瓦斯抽放工程改造设计 ,屯城煤矿 3煤层平均瓦斯含量高达 17.47m 3/t, 因此, 开采过程中采掘工作面均需要实施瓦斯抽放, 故选择采用本煤层预抽、 边掘边抽和采 空区抽放相结合的综合瓦斯抽放方法。 由于目前屯城煤矿属于矿井开采前期, 采空区瓦斯涌 出较小,此次仅对采掘面瓦斯抽放进行优化。 3. 2 回采工作面本煤层瓦斯抽放方法优化及抽放量预计 现屯城煤矿工作面抽放钻孔采用单侧打孔,孔间距 10m,孔深 70m,仰角 12,垂直 于顺槽,聚氨酯封孔,封孔深度 3m。 根据屯城煤矿实际, 可供选择的本煤层瓦斯抽放方式包括钻场平面扇形钻孔、 底板岩巷 穿层钻孔、 正向平行钻孔和迎面顺层钻孔四种方式。 结合工作面的巷道布置特点, 并充分考 虑预抽钻孔的边采边抽效率,选择迎面顺层钻孔方式作为屯城煤矿优化钻孔布孔方式。 迎面顺层钻孔方式的优点在于既可保证瓦斯预抽的均衡性, 还可充分利用工作面超前 采动卸压效应,实行边采边抽,提高本煤层瓦斯抽放率。 具体布孔方法利用工作面回风巷, 向回采工作面切眼方向打迎面平行钻孔, 钻孔方式 为双排三花眼式,如图 1示。 图 1 回采工作面本煤层瓦斯抽放钻孔布置示意图 推荐的本煤层预抽钻孔布置参数如下 钻孔长度 当工作面长度为 86m 时取 75m; 钻孔直径 开孔∮89mm,终孔∮75mm; 钻孔与轨道顺槽夹角 8485; 钻孔倾角 与煤层倾角相同; 排单孔间距 5m; 底排钻孔距底板距离 0.61.0m据情况而定 ; 排间距 0.50.6m; 封孔深度 5m; 封孔方式 聚胺酯封孔。 比较数量上,优化后的钻孔明显比现采用抽放钻孔多;在控制煤体范围上,优化后 的钻孔比现采用抽放钻孔控制范围合理; 在单孔质量上, 优化后的钻孔比现采用抽放钻孔封 孔深度长。 考虑到该区域抽放钻孔影响半径约 2.5m,因此优化后每排钻孔间距为 5m,两排钻孔, 工作面走向长度为 500m,则工作面需布置钻孔 200个,单孔长度按 75m 计算,则工作面总 进尺为 15000m。根据屯城煤矿瓦斯抽放工程改造设计 ,屯城煤矿现钻孔瓦斯抽放量为 0.113m 3/min.100m,则优化后工作面抽放量为 16.94 m3/min。 3.3 掘进工作面瓦斯抽放方法优化及抽放量预计 根据屯城煤矿 2300阶段回风巷掘进期间的瓦斯涌出量,需采取边掘边抽,其优点抽放 时不影响掘进,且抽放效果较好,见图 2。钻场规格 尺寸 为宽 3.5m,长 4m,高 2.5m, 钻 场掘成后,在开口处架设一架抬棚进行支护 。 现屯城煤矿边掘边抽钻孔采用钻场方式布置,钻场 60m 一个,钻场内各布置 3个钻孔, 一个垂直于顺槽,孔深 7080m,另两个与顺槽成 15左右夹角。 优化考虑到屯城煤矿 3号煤层透气性较好, 单个钻孔控制煤体范围有限, 同时在掘进 下一个工作面的轨道顺槽时, 依然需要开拓钻场, 为了减少开拓抽放钻场的工程量, 建议在 工作面的回风顺槽掘进期间, 在尾巷向外部原始煤体打抽放钻孔, 预抽下一工作面煤体瓦斯, 超前钻孔深度 100m,其余钻孔 6080m即可,这样,在经过一段时间预抽后,下一工作面 的轨道顺槽掘进期间将不用再采取边掘边抽, 也就是说减少了开拓钻场工程量, 从而提高了 掘进速度。 推荐的钻孔布置参数如下 超前钻孔长度 100m; 预抽下一工作面钻孔长度 6080m; 钻孔直径 ∮89mm; 钻场间距 80m; 钻场内钻孔数 3个或 910个; 封孔深度 5m; 封孔方式 聚胺酯封孔。 比较在数量上,优化后的钻孔明显比现采用抽放钻孔多;在控制煤体范围上,优化 后的钻孔比现采用抽放钻孔控制范围更广, 且控制了下一工作面顺槽所在煤层; 在单孔质量 上,优化后的钻孔比现采用抽放钻孔长度长,且封孔深度长。 图 2 掘进工作面边掘边抽瓦斯钻孔布置示意图 优化后钻场间距为 80m,工作面顺槽长度为 500m,则共需布置钻场 12个,每个钻场内 布置钻孔 910个或 3个,单孔平均长度按 90m 计算,则工作面总进尺为 6480m。根据屯 城煤矿瓦斯抽放工程改造设计 ,屯城煤矿现钻孔瓦斯抽放量为 0.113m 3/min.100m,则优化 后工作面抽放量为 7.32 m3/min。 4优化效果考察 优化前,掘进工作面回风流瓦斯浓度经常超过 1,单巷瓦斯涌出高达 6.6 m3/min; 矿井回风流瓦斯 0.60.8,时常超过规程要求的 0.75的界限,回采工作面回风流瓦斯 浓度处于 0.51之间,尾巷瓦斯浓度为 1.72.8之间,涌出量高达 19 m 3/min;优化后 掘进工作面回风流瓦斯浓度处于 0.20.4之间,单巷瓦斯涌出 0.81.6 m 3/min,矿井总 回风瓦斯浓度降到 0.260.41, 回采工作面回风巷瓦斯浓度 0.16、 尾巷瓦斯浓度为 0.5, 工作面瓦斯涌出为 3.96m 3/min。由此可见,经优化后,无论是掘进工作面、回采工作面, 还是全矿井的回风流瓦斯及瓦斯涌出量都明显降低,说明抽放方案对于中厚煤层比较适合。 5结论 ⑴针对屯城煤矿 3煤层瓦斯含量大,现有抽放系统存在抽放浓度太低,经抽放后、回 风流瓦斯浓度大, 回风流瓦斯时常超限的现状, 确定只有强化抽放, 优化抽放方案才是解决 瓦斯问题的唯一办法。 ⑵经优化后, 掘进工作面、 回采工作面和矿井风排瓦斯量都大幅度降低, 说明在优化后 的抽放方案适合中厚煤层瓦斯抽放, 给中厚煤层瓦斯抽放提出了针对性措施, 对中厚煤层瓦 斯治理具有重要的指导意义。 ⑶矿井抽放时, 各矿应根据本矿实际情况, 合理布置抽放参数, 才能达到较好的抽放效 果。 参考文献 [1].袁亮 . 松软低透气煤层群瓦斯抽采理论与技术 [M]. 北京 煤炭工业出版社 , 2004 1-31. [2].张铁岗 . 矿井瓦斯综合治理技术 [M]. 北京 煤炭工业出版社 , 2001 13-16. [3].俞启香 . 矿井瓦斯防治 [M]. 徐州 中国矿业大学出版社 , 1992 167-169. [4].马世志, 范满长, 殷秋朝 . 顶板高位水平钻孔瓦斯抽放技术应用 [J]. 煤炭科学技术 , 2002, 309 40-42. [5].吴宏生,吴增云,张贵忠等 . 综放工作面顶板走向瓦斯抽放孔施工的实践与认识 [J]. 煤炭科学技术 , 2006, 2010 59-61.