综放工作面瓦斯综合抽采治理技术.doc
第42卷第12期 2014年12月CoalScienceandTechnology煤炭科学技术Vol 42 No 12 Dec. 2012 综放工作面瓦斯综合抽采治理技术 孟 永 兵 神华神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿ꎬ山西保德 036600 摘 要针对保德煤矿随着开采深度不断加大ꎬ煤层瓦斯含量逐步增加的问题ꎬ建立了深部煤层瓦斯综合抽采治理模式ꎮ回采工作面采用本煤层顺层钻孔和千米钻孔相结合的瓦斯抽采方法ꎬ掘进工作面采用母巷羽翼超前预抽方法ꎬ采空区采用在联络巷埋管抽采瓦斯的方法ꎮ结果表明采用上述瓦斯综合抽采治理技术后ꎬ采煤工作面瓦斯抽采浓度和预抽率均在10%以上ꎬ残余瓦斯含量控制在4 5m3/t以下ꎻ掘进工作面残余瓦斯含量降低至4 5m3/t以下ꎬ残余瓦斯压力均降低至0 2MPa以下ꎬ且掘进期间工作面和回风流中最高瓦斯浓度均在0 3%以下ꎻ采用联络巷埋管抽取采空区瓦斯后ꎬ工作面上隅角瓦斯浓度由之前平均0 6%降低到0 3%以下ꎬ最大抽采瓦斯纯量13 60m3/minꎬ最高瓦斯浓度40%ꎮ通过瓦斯综合抽采技术ꎬ有效降低了工作面瓦斯浓度ꎬ有效保障了工作面安全高效回采ꎮ关键词深部区域ꎻ瓦斯治理ꎻ顺层抽采ꎻ千米钻孔ꎻ超前预抽ꎻ采空区瓦斯 中图分类号TD712 文献标志码A 文章编号0253-2336201412-0125-04ComprehensiveGasDrainageControlTechnologiesinFully-MechanizedTopCoalCavingMiningFace BaodeMineꎬShenhuaShendongCoalGroupCorporationLimitedꎬBaode 036600ꎬChinaMENGYong-bing AbstractAccordingtotheproblemsofminingdepthcontinuouslyincreasedandseamgascontentsteadilyincreasedinBaodeMineꎬthegasboreholewasappliedtocoalminingfaceꎬagaspre-drainagemethodofamothergatewayandassistantgatewayswasappliedtothegatewaythatafterabovegascomprehensivedrainageandcontroltechnologiesappliedꎬthegasdrainageconcentrationofthecoalminingfaceandthepre-drainageratewereallover10%andresidualgascontentwascontrolledbelow4.5m3/t.Theresidualgascontentofdrivingfacewasre ̄ducedbelow4.5m3/tꎬaresidualgaspressurewasallreducedbelow0.2MPaandthemaxgascontentinthedrivingfaceandintheairre ̄tuningflowwasallbelow0.3%.Afterthegoafgasweredrainedwiththepipeburiedintheconnectiongatewayꎬagascontentattheuppercor ̄effectivelyreducethegascontentofcoalminingfaceandcouldeffectivelyensurethesafetyandhighefficientmining.nerofthecoalminingfacewasreducedfromprevious0.6%inaveragetobelow0.3%.AfteragasdrainagepipeappliedtothegoafꎬthemaxKeywordsdeepsectionregionꎻgascontrolꎻgasdrainagealongseamꎻ1000mboreholeꎻadvancegaspre-drainageꎻgasingoafcomprehensivecontrolmodeofdeepseamwasestablished.Agasdrainagemethodcombinedwithaboreholealongminingseamand1000mdrivingfaceꎬandagasdrainagemethodwithpipelineburiedintheconnectiongatewayswasappliedtothemininggoaf.Theresultsshoweddrainedgasnetquantitywas13.60m3/min.Thehighestgasconcentrationwas40%.Thegascomprehensivedrainagetechnologyappliedcould0 引 言 瓦斯爆炸是煤矿安全生产中的主要自然灾害之一ꎬ严重威胁着井下工作人员的人身安全ꎬ并给国家 财产造成重大经济损失[1]ꎮ自1952年抚顺矿务局 基金项目国家高技术研究发展计划863计划资助项目2012AA062203龙凤煤矿建立抽放系统ꎬ开始抽放瓦斯以来ꎬ我国瓦斯抽放工作经历了半个多世纪[2]ꎮ长时间的抽放经验发现ꎬ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的重要措施ꎬ而且抽采的高浓度瓦斯可作为清洁能源ꎬ变害为利[3]ꎮ收稿日期2014-09-10ꎻ责任编辑杨正凯 DOI10.13199/j.cnki.cst.2014.12.032 作者简介孟永兵1968ꎬ男ꎬ内蒙古四子王旗人ꎬ高级工程师ꎬ现任神华神东煤炭集团有限责任公司保德煤矿矿长ꎮ 引用格式孟永兵.综放工作面瓦斯综合抽采治理技术[J].煤炭科学技术ꎬ2014ꎬ4212125-128. MENGYong-bing.ComprehensiveGasDrainageControlTechnologiesinFully-MechanizedTopCoalCavingMiningFace[J].CoalScienceandTechnologyꎬ2014ꎬ4212125-128.125 2014年第12期 煤炭科学技术 第42卷 目前ꎬ国内外防治瓦斯主要从两方面着手ꎬ一是加强矿井瓦斯涌出预测ꎬ包括采煤工作面瓦斯涌出来源、掘进工作面瓦斯涌出来源和采空区瓦斯涌出来源等ꎬ根据瓦斯涌出来源合理部署防治措施ꎻ另一方面是加强瓦斯灾害预防ꎬ包括本煤层瓦斯预抽、邻近层瓦斯预抽和采空区瓦斯抽采等ꎬ其目的是减小瓦斯煤矿为高瓦斯矿井ꎬ随着开采深度的加大和机械化涌出ꎬ消除突出危险ꎬ保障矿井安全回采[4]ꎮ保德水平的提高ꎬ煤层瓦斯含量不断增加ꎬ矿井瓦斯涌出 35个千米钻孔ꎬ在距钻孔开孔约100m处再分支出一个新的支孔ꎬ钻孔长度为8001000mꎬ孔径94mmꎮ工作面剩余长度利用ZDY4000L或ZDY6000L型钻机在上、下平巷施工倾向顺层上下交叉钻孔进行预抽ꎬ钻孔深度220mꎬ孔径94mmꎬ孔间距5mꎬ交叉后2 5mꎮ为了防止长钻孔孔底抽采效果差ꎬ在长钻孔底200m范围内施工顺层交叉钻孔ꎮ工作面回采前预抽时间不少于3年[5]ꎮ工作面施工预抽钻孔布置如图1所示 ꎮ 量也随之增大ꎬ井下生产始终伴随着瓦斯隐患的威胁ꎬ特别是采掘工作面瓦斯隐患尤为突出ꎬ严重制约着矿井生产的安全ꎬ如果治理不好ꎬ随时都会发生瓦斯事故ꎬ造成人员伤亡ꎮ基于此ꎬ保德煤矿采用超前预抽和采空区埋管抽采相结合的综合瓦斯治理模式防治深部工作面的瓦斯ꎬ笔者对瓦斯综合治理模式进行分析ꎬ为其他类似条件的矿井有效防治瓦斯ꎬ实现安全生产提供成功经验ꎮ 1 工程概况 向长 保德煤矿位于山西省保德县境内14 0kmꎬ东西倾向宽5 7kmꎬ面积ꎬ井田南北走55 9km2煤层倾角平均5ꎮ区内8、10、11、13号煤层为可采ꎬ煤层ꎬ目前保德煤矿正在开采最上部8号煤层ꎬ煤种为气煤ꎬ矿井年产量500万tꎮ8号煤层瓦斯风化带与瓦斯带以康孙集中大巷为界mꎬ标高+m3部区/tꎻ康孙大巷向上为瓦斯风化带瓦康孙大巷向下为瓦斯带斯含量最大值7 523ꎬ现场实测ꎬ瓦斯含量小于720+760m38号煤层深20 170 8m2/MPa2 dꎬ钻孔瓦斯流量衰减系数/tꎬ透气性系数上旬瓦斯涌出量测定结果0 1310 0345d-1ꎬ属可抽采煤层ꎬꎮ据2014年4月 tꎬ矿井绝对和相对瓦斯涌出量分别为120、8 20m3/为高瓦斯矿井ꎮ2 保德煤矿瓦斯治理措施 2 1 角平均为 保德煤矿回采工作面瓦斯抽采 5ꎬ地质构造简单8号煤层平均厚度为ꎮ工作面斜长6 83mꎬ240煤层倾mꎬ走向长度一般3000m以上ꎬ采用综采放顶煤开采工艺ꎬ全部垮落法管理顶板ꎮ为了防治工作面瓦斯涌出问题ꎬ保德煤矿采用本煤层顺层钻孔和千米钻孔相结合的瓦斯抽采方法ZDY6000LDAꎮ千米钻孔ꎬ开切眼处设计型千米钻机施工平行于进风巷的即在工作面开切眼利用3个钻场ꎬ每个钻场施工126 图1 工作面施工预抽钻孔布置 2 2 掘进工作面瓦斯抽采 治的一项重要内容 高瓦斯矿井掘进工作面瓦斯治理是煤矿综合防[6]区域时ꎬ工作面瓦斯涌出量将达ꎬ当矿井后期开采延续到深部13 23m3作面所配风量不能够稀释其涌出瓦斯浓度ꎮ/minꎬ因此当工掘进工作面进入采掘深部区域时ꎬ应采取提前预抽措施ꎬ以便减轻工作面的通风负担ꎮ结合保德煤矿先进的钻探设备ꎬ掘进工作面主要采用母巷羽翼超前预抽方法ꎮ母巷羽翼超前预抽主要原理就是利用上平巷作为预抽母巷向下施工羽翼顺层定向钻孔ꎬ钻孔覆盖全部掘进工作面ꎬ使掘进工作面在未掘之前降低瓦斯含量及压力[7]作面上方母巷的联络巷内布置定向钻场ꎮ具体步骤为150200ꎬ在掘进工钻场间距分别为m、4号钻孔1号钻孔mꎬ每个钻场施工357m、567m、2号钻孔号钻孔7个主孔358362m、6m、3ꎬ主孔设计长度号钻孔号钻孔361358 7m、 两个水平面上号钻孔367mꎮꎬ各支孔末端平面距离为主孔再各分出5个支孔5ꎬmꎬ分别位于两排钻孔垂向距离为m范围内ꎮ母巷羽翼超前预抽如图3mꎬ预抽钻孔控制在巷道轮廓线2所示ꎮ20图2 母巷羽翼超前预抽示意 孟永兵综放工作面瓦斯综合抽采治理技术2014年第12期 2 3 采空区瓦斯抽采 随着工作面的开采ꎬ由于采空区遗煤残余瓦斯和邻近层瓦斯会大量涌出积聚在采空区ꎬ并不断涌向工作面ꎮ当采空区积聚的瓦斯涌出量较大时ꎬ必须对该部分瓦斯进行抽采ꎮ按采空区封闭状态划分ꎬ可分为回采过程中的采空区瓦斯抽采和采后密闭采空区瓦斯抽采ꎮ 1回采过程中的采空区瓦斯抽采ꎮ回采过程中的采空区是指在本工作面正在实施回采的采空区ꎬ其随着工作面的推进逐渐增大[8]ꎮ由于这种采空区处于半封闭状态ꎬ在通风压差作用下ꎬ采空区内积聚的瓦斯会随漏风风流一起涌向回采工作面ꎮ当采空区涌出的瓦斯量较大时ꎬ其将使工作面上隅角或回风流瓦斯处于超限状态ꎬ对工作面正常生产构成严重威胁[9]ꎮ目前保德煤矿对该类型采空区瓦斯抽采主要采取在联络巷埋管抽采方式ꎮ由于保德煤矿工作面采用“两进两回”的通风方式ꎬ可在一号回风巷和二号回风巷间每隔50m实施1条联络巷ꎬ在联络巷预先埋设抽采管路ꎮ该方法是在顶板冒落之前ꎬ将瓦斯抽采管通过联络巷直接插入采空区ꎮ由于保德煤矿属于厚煤层开采平均6 83mꎬ抽采点需抬起一定高度23mꎬ以便抽取采空区高浓度的瓦斯ꎬ同时吸气口需采取防堵及防砸措施ꎮ 2回采结束后采空区瓦斯抽采ꎮ采后密闭采空区瓦斯抽采也称为采空区瓦斯抽采ꎬ其封闭区内瓦斯虽然与矿井通风系统隔绝ꎬ但仍然有可能通过巷道密闭或隔离煤柱的裂隙向外泄出ꎬ从而增加矿 井通风的负担和不安全因素ꎮ按照采空区形成的时间不同ꎬ可分为采完不久的采空区、开采已久的采空区、报废矿井等ꎬ其中对安全生产产生影响的主要是第1类采空区瓦斯[10]ꎮ保德煤矿二盘区煤层瓦斯含量较大ꎬ采空区遗煤瓦斯涌出一直是威胁相邻工作面的正常回采的难题之一ꎮ在81203工作面回采期间ꎬ相邻81202采空区涌出大量瓦斯造成该工作81202工作面采空区瓦斯进行抽采ꎬ将其回风巷永久密闭墙上的措施管与抽采系统相连接ꎬ取得了良好的效果ꎮ采空区瓦斯抽采如图3所示 ꎮ 面二号回风巷瓦斯严重超限ꎮ为此保德煤矿决定对 图3 采空区瓦斯抽采示意 3 瓦斯抽采效果 3 1 回采工作面瓦斯抽采效果 保德煤矿已经在81306、81307、81308、81504、结合的瓦斯抽采方法ꎬ各工作面预抽效果见表1ꎮ由表1可知ꎬ当工作面采用本煤层顺层钻孔和千米钻孔相结合的瓦斯抽采方法后ꎬ各工作面瓦斯抽采浓度和预抽率均在10%以上ꎬ将回采前预计瓦斯含量控制在4 5m3/t以下ꎬ满足相关法律法规要求ꎮ 瓦斯抽采总量/万m3 501 40303 90298 90359 61346 00 81505等工作面采用本煤层顺层钻孔和千米钻孔相 表1 保德煤矿各工作面预抽瓦斯效果 工作面8130681307813088150481505 原煤瓦斯含量/m3 t-1 3 684 395 024 745 59 瓦斯储量/万m32616244031322971309 钻孔总长度/m10945310347111432610141575980 吨煤钻孔量/m t-10 01500 01860 01830 01620 0128 已预抽时间/月3627202143 抽采浓度/%33 421 018 013 719 0 预抽率/%19 1612 4512 1010 469 53 回采前预计瓦斯含量/m3 t-1 2 973 844 504 164 14 3 2 掘进工作面瓦斯抽采效果 81308辅助运输巷掘进前ꎬ在81308一号回风巷利用定向钻机向下施工顺层预抽钻孔母巷羽翼超前预抽ꎬ钻孔末端间距5mꎬ每150200m布置1个钻场ꎬ每个钻场设7个主孔ꎬ主孔再各分出5个支孔ꎮ至2014年4月10日ꎬ81309一、二号回风巷和 保德煤矿在81309工作面一、二号回风巷及 81308辅助运输巷掘进区域已累计抽采250余天ꎮ4 5m3/t以下ꎬ残余瓦斯压力均降低至0 2MPa以0 3%以下ꎬ瓦斯抽采效果显著ꎬ大幅提高掘进速度ꎮ3 3 采空区瓦斯抽采效果 下ꎻ且掘进期间工作面和回风流最高瓦斯浓度均在经现场取样实测ꎬ掘进区域残余瓦斯含量降低至 保德煤矿采用联络巷埋管抽取采空区瓦斯后ꎬ 127 2014年第12期 煤炭科学技术 2007. 第42卷 工作面上隅角瓦斯浓度由之前的平均0 6%降低到平均0 3%ꎬ瓦斯超限现象也很少发生ꎮ此外ꎬ保德煤矿现场通过大量观测发现ꎬ联络巷埋管抽采口的最佳位置是在工作面后部的第2个联络巷第1个联络巷为尾排联络巷ꎬ在此范围内可以抽到较高因此ꎬ联络巷埋管抽采措施为保德煤矿的安全高效回风巷永久密闭墙上的措施管接抽采管进行瓦斯抽 3 [9] 王德明.矿井通风与安全[M].徐州中国矿业大学出版社ꎬ[10] 胡千庭.煤矿瓦斯抽采与瓦斯灾害防治[M].徐州中国矿业 大学出版社ꎬ2007. 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