采煤工作面瓦斯综合治理技术研究.doc

采煤工作面瓦斯综合治理技术研究 海孜矿 1.概述 海孜矿含煤地层为石炭二叠系。可采煤层有6层煤，自上而下分为三组，其中上煤组含二层簿煤层（3、4煤层），中煤组含三层中厚煤层（7、8、9煤层），下煤组含一层中厚煤层（10煤层），主采煤层为7、8、9、10煤，煤层倾角为5－30，平均为20。其中中煤组的7、8、9三层煤间距较近，7、8、9三层煤间距较近，7、8二层煤间距为7－36，平均为22m，8、9煤间距为10－10.6 m，平均为3.1 m；下煤组10煤层距中煤组最下一层煤9煤层间距为63－115 m，平均间距为83 m。 7、8、9三层煤均具有煤与瓦斯突出危险性，建矿以来曾发生多起煤与瓦斯突出事故，煤与瓦斯突出已严重威胁着矿井的生产与安全。由于上煤组属簿而不经济开采煤层，且下距突出煤层距离远达200多m，下煤组上距突出煤层（9煤层）间距最大达115 m，由于防突手段落后，防突效果不理想，安全威胁大、投入费用高。煤与瓦斯突出已严重威胁着矿井的安全生产，制约着矿井的经济发展。 通过对矿山压力显现规律分析，结合矿井中、下煤组顶底板岩性组合特殊性，分析认为Ⅱ101和Ⅱ102采区具备开采10煤层作为下保护层的条件，但在保护层开采时必须对被保护层进行抽放。矿井在Ⅱ1022工作面开采过程中采用立体抽放的综合瓦斯 治理方式，实现了Ⅱ1022工作面安全、高效生产，同时大大降低了中煤组开采时煤与瓦斯突出危险性。 2.瓦斯治理方案 2.1工作面概况 Ⅱ1022采煤工作面为Ⅱ102采区首采工作面，该工作面位于Ⅱ102采区西翼，上以西运大巷保护煤柱为界，东以Ⅱ102采区上山煤柱为界，西以冲刷变薄区为界，下阶段为Ⅱ1024准备工作面，开采煤层为10煤层。工作面走向长550－650m，平均为600m，倾斜长190－230 m，平均为210m，开采面积约12600m，煤层厚度0.2-3.4 m，平均为2.5m，煤层结构较简单，煤层倾角11－29，平均为16。应未施工底板岩石巷道，因此利用86大巷向该工作面上部施工抽放钻孔。 2.2抽放钻孔布臵 首先在工作面风巷布臵高位钻场，高位钻孔布臵成“3高2低”的双层钻孔。高层钻孔用于抽放拦截被保护层高浓度瓦斯，低层钻孔用于抽放本煤层采空区遗留瓦斯；其次在86大巷向被保护层的区域施工抽放钻孔，进一步拦截被保护层的高浓度瓦斯对回采工作面的补给，加大中煤组卸压高浓度瓦斯抽放量；再次在86大巷向Ⅱ1022采空区施工倾向高位钻孔，再次拦截抽放被保护层涌出的瓦斯，形成上、中、下立体抽放格局。 2.3保护范围的确定 2.3.1倾斜方向保护范围的确定 2 1 保护层沿倾斜方向的保护范围，应按卸压角划定，Ⅱ1022工作面煤层倾角为16，按防治煤与瓦斯突出细则取下部卸压角δ1＝75，上部卸压角δ2＝85。 沿倾向的保护范围 8煤机巷保护线外错距为 L1＝96sin2 cos17/sin753m 至8煤风巷保护线内错距为 L2＝96cos17 sin22/sin732234.5 m 7煤机巷保护线外错距为 L1′＝126sin2 cos17/sin754.4 m 至7煤风巷保护线为 L2′＝126 cos17/sin732245 m 2.3.2走向方向保护范围的确定 8煤开切眼向里内错L3＝96ctg5664.7 m 8煤停采线向里内错L4＝96cgt5664.7 m 7煤开切眼向里内错L3′＝126ctg5684.9 m 7煤停采线向里内错L4′＝126ctg5684.9 m 2.4 Ⅱ1022工作面和卸压区煤炭储量计算 Ⅱ1022工作面走向平均为640 m，倾向平均为200 m，倾角为17，煤厚平均为2.7 m。 7、8、9煤层的卸压范围按防治煤与瓦斯突出细则规定计算走向长7煤为430.2 m，8、9煤为470.6 m；倾向长7煤为159.4 2 m ，8、9煤为168.5 m。煤厚7煤平均为1.76 m，8煤平均为1.06 m ，9煤平均为4.73 m。 煤层厚度取值表 储量计算表 2.5 Ⅱ1022工作面及卸压煤层瓦斯储量计算 根据安徽理工大学海孜煤矿瓦斯赋存地质规律及防治措施研究报告7煤瓦斯含量为13.84m/t，8煤瓦斯含量为14.25 m/t，9煤瓦斯含量为13.6 m/t，10煤瓦斯含量为8.42 m/t。 Ⅱ1022工作面及上保护层预计瓦斯储量表 3 3 3 3 3 2.6抽放设计 2.6.1钻场、钻孔设计 2.6.1.1抽放钻场设计 高位钻场位于Ⅱ1022工作面风巷内，距工作面切眼退后120 m为1钻场，高位钻场间距为80-120 m。 86大巷钻场位于86大巷内，根据卸压范围每60 m施工一个钻场。 2.6.2 抽放钻孔设计 2.6.2.1高位钻孔设计 Ⅱ1022工作面主要瓦斯来源，一是本煤层瓦斯，二是被保护层的瓦斯，因此高位钻孔主要布臵形式为“三高二低”，“三高”钻孔用于抽放被保护层卸压瓦斯，终孔距10煤层顶板20～30 m，“二低”钻孔用于抽放本煤层采空区遗留瓦斯，终孔距10煤层顶板8～15 m。 2.6.2.2 86大巷钻孔设计 未受采动影响时穿层钻孔抽放半径1.0～2.0 m，在下保护层开采时，由于顶板活动对煤层影响较大，抽放半径可采用未受采动影响时的10倍来计算，取12.5 m，走向方向钻孔孔底间距为25 m（针 4 对8煤而言），倾向为42 m，共设计施工60个钻孔。 86大巷内倾向高位钻孔每50 m范围布臵一组，每组钻孔为2个，终孔距10煤层顶板30～40 m。 2.6.3 抽放系统 钻孔采用封孔管封孔后，经滤矸器、闸阀、埋吸管与抽放管路合茬，在孔口安装压力表及测流量装臵。 穿层钻孔参数表 5 2.7 钻孔施工及抽放情况 2.7.1钻孔施工情况 2.7.1.1高位钻孔施工情况 由于高位钻场设计间隔较远，高位钻孔长，在施工时第一次采用MKD－5S钻机，职工操作不熟练，防突区加强管理，区队干部现场跟班指导，在施工高位钻孔曾完成每小班进尺60 m的任务。 2.7.1.2穿层钻孔及倾向高位拦截钻孔施工情况 由于穿层钻孔设计均为俯角钻孔，冲孔水压小，造成钻孔施工过程中经常出现岩煤粉冲不出来的现象，稍不注意就会造成抱钻，根据这种情况区队干部采取了使用泥浆泵辅助加压的措施，增大冲孔水的压力，使岩煤粉能顺利地排出。另外在穿煤时采用慢进多冲水的办法尽量将煤冲出，直至穿过煤层。 由于倾向拦截钻孔俯角较大，在受10煤破碎带影响的地方，出现岩石破碎夹钻现象，要求施工人员在施工时降低给进压力，缓慢穿过破碎带直至钻孔不返水时方可起钻。 2.8瓦斯抽放情况 6 2.8.1瓦斯涌出及抽放情况 Ⅱ1022工作面2003年4-6月瓦斯风排及抽放情况见下表。 Ⅱ1022工作面风排及抽放瓦斯情况统计表 根据把回采工作面老顶初次冒落前的平均瓦斯涌出量认为是本煤层的瓦斯涌出量，将老顶初次冒落后的平均瓦斯涌出增加量认为是临近层瓦斯涌出量的原则可以看出，Ⅱ1022工作面本煤层瓦斯涌出量为8.27m/min，临近层与本煤层瓦斯涌出量为13.16m/min，临近层瓦斯涌出量为4.89m/min。 2.8.2开采下保护层瓦斯抽放情况 从7月底开始瓦斯涌出量进一步增大，上隅角瓦斯浓度和工作面回风瓦斯浓度相继增大，86大巷已施工的合茬抽放穿层钻孔6个，抽放效果不理想，若不重新采取措施将会造成工作面瓦斯超限而被迫停产。通过现场调研发现86大巷的穿层钻孔基本上都是俯角孔，孔内水比较大，水压大于瓦斯压力和抽放负压，导致抽不出瓦斯。决定调整钻孔参数，终孔位臵降低至 7 3 3 3 Ⅱ1022工作面采空区上方裂隙带，拦截抽放中煤组涌向采空区的瓦斯。实施后抽放瓦斯浓度最大达95（具体见下表）。从8月1日开始抽放采空区瓦斯后，仅5个抽放钻孔就解决了工作面瓦斯问题，取得了良好的效果。 Ⅱ1022高位钻场4月-12月抽放情况统计表 3 从以上统计可知共抽放瓦斯527.6632万 m，风排瓦斯量为 8 102.1703 万m，抽放与风排总量为629.8335万 m,其中10煤层瓦斯量为327.4920万m3，抽取中煤组瓦斯量为302.3415万m3。 根据上述统计结果可知，在开采下保护层期间，大量的被保护层高浓度瓦斯沿着保护层开采形成的顶板裂隙，源源不断地涌向开采空间，导致保护层工作面瓦斯涌出量显著增大，如不进行合理治理，不仅会造成工作面瓦斯超限，影响安全生产，还会影响被解放层解突效果。 2.8.3 开采效果 2.8.3.1瓦斯抽放率 目前工作面已安全出煤26.3万吨；根据对应区中煤组瓦斯储量（1164.74万m3），在下解放层开采抽放过程中，中煤组瓦斯抽放率已达25.95，基本上消除了中煤组采掘工作面突出危险性，大大减少了中煤组开采时瓦斯治理的投入。 2.8.3.2 采空区抽放效果 8月份开始实施采空区抽放以来，上隅角瓦斯浓度和相对瓦斯涌出量逐渐降低（具体见710月份工作面风排瓦斯量及出煤情况统计表）。 2.8.3.3 提高工作面产量 抽放后减少了瓦斯因素对生产的影响，原煤由7月份800t/d提高到10001200t/d，取得了巨大的经济效益（具体见710月工作面风排瓦斯量及产量情况统计表）。 7-10月份工作面风排瓦斯量及产量情况统计表 33 9 3.结论与建议 （1）矿井煤系地层顶底板岩性组合具有明显的关键层和若干个亚关键层，虽然开采的下煤组上距中煤组突出煤层间距最大达115m，只要在开采过程中采取适当的抽放方式对被保护层进行抽放，开采保护层效果是十分明显的。 （2）在开采动压的作用下，将钻孔直接施工至采空区，同样可抽取被保护层的瓦斯。 （3）根据采场顶板岩层移动规律，建议在被保护层底板施工一条高位巷道，在巷道内向被保护层施工穿层钻孔，不仅可进一步提高保护层开采对中煤组解除突出危险性效果，而且可增加拦截抽放被保护层高浓度瓦斯涌向开采工作面的瓦斯量，降低保护层开采工作面的瓦斯治理难度，保证安全生产。 10