辛置煤矿10-428B工作面瓦斯抽采技术.pdf

收稿日期２０２０􀆽 ０３􀆽 ２０ 作者简介常高峰１９８６ － ꎬ男ꎬ山西洪洞人ꎬ工程师ꎬ从事矿井通风技术工作ꎮ ｄｏｉ１０. ３９６９/ ｊ. ｉｓｓｎ. １００５ －２７９８. ２０２０. ０６. ００９ 辛置煤矿 １０ －４２８Ｂ 工作面瓦斯抽采技术 常高峰 霍州煤电集团 辛置煤矿ꎬ山西 霍州 ０３１４１２ 摘 要辛置煤矿 １０ －４２８Ｂ 工作面瓦斯涌出量大ꎬ煤层透气性系数好ꎬ存在着煤与瓦斯突出的风险ꎬ通过 采用顺层钻孔抽采本煤层瓦斯 ＋ 埋管抽采采空区瓦斯的方法对其进行综合治理ꎬ取得了良好效果ꎬ为工作 面的正常安全生产提供了有效保障ꎮ 关键词瓦斯涌出量ꎻ顺层钻孔ꎻ埋管抽采 中图分类号ＴＤ７１２ 文献标识码Ｂ 文章编号１００５􀆽 ２７９８２０２００６􀆽 ００３０􀆽 ０３ 煤炭是我国的主要能源ꎬ而瓦斯又是煤炭形成 过程中的主要伴生能源ꎬ在对煤炭进行回采的过程 中不可避免地会面临瓦斯涌出量较大ꎬ煤与瓦斯突 出的风险[１]ꎮ 尤其是近几年ꎬ随着我国煤矿开采深 度的不断加深ꎬ煤层的赋存条件逐渐恶化[２]ꎬ由瓦 斯引发的各类煤矿事故也在不断攀升ꎬ对其的治理 难度也在不断加大ꎬ瓦斯事故已经成为阻碍我国煤 矿安全生产的主要障碍[３ －４]ꎬ而对瓦斯进行合理有 效的抽放ꎬ对于保护资源、减少环境污染以及保证矿 井的正常安全生产均具有重要意义[５]ꎬ如何合理有 效地对井下瓦斯进行治理已经成为相关学者的主要 研究内容ꎮ 辛置煤矿 １０ －４２８Ｂ 工作面在回采期间瓦斯涌 出量较大ꎬ存在着严重的煤与瓦斯突出的风险ꎬ工作 人员在回采期间的人身安全难以得到有效保障ꎬ探 究工作面瓦斯涌出量较大的原因并采取积极有效的 措施已成为该矿井当前急需解决的主要任务ꎮ １ 工程概况 辛置煤矿 １０ －４２８Ｂ 综采工作面埋深为 ５００ ｍꎬ 地面相对位置是山脉和沟壑ꎮ 所采煤层主要为 １０ 号煤层ꎬ该煤层位于太原组下段中上部ꎬ工作面 可采范围内厚度 ２. ８７ ４. ５５ ｍꎬ平均 ３. ９０ ｍꎬ煤层 呈黑色、玻璃光泽ꎬ质软ꎬ性脆ꎬ断口具参差状ꎬ裂隙 发育ꎬ局部夹有黄铁矿结核ꎮ 变质程度属中等变质 程度煤ꎬ相当于肥煤到焦煤ꎬ煤层整体结构相对简 单ꎬ层位稳定ꎬ煤容重 １. ３ ｔ/ ｍ３ꎬ普氏系数 ｆ ＝ ３ꎮ 该 工作面沿煤层倾向布置ꎬ沿走向推进ꎬ设计走向长度 达 ２ ３９９ ｍꎬ倾向长度为 ２００ ｍꎮ ２ 煤层瓦斯基础参数测试 掌握 １０ －４２８Ｂ 工作面煤层瓦斯涌出的一些基 本参数ꎬ对于工作面瓦斯的治理具有重要作用ꎬ同时 对做好类似地质条件下的煤炭回采也具有一定的借 鉴意义ꎮ ２. １ 煤层瓦斯含量 煤层瓦斯含量是指单位重量的煤中所含的瓦斯 量ꎬ单位用 ｍ３/ ｔ 表示ꎬ本文测定瓦斯含量所用的方 法是直接测定法ꎬ具体的测量装置如图 １ 所示ꎮ 图 １ 测量装置示意 测量时在１０ －４２８Ｂ 工作面共布置３ 个测点ꎬ每 个测点间隔 ３０ ｍꎬ通过打钻、取样、计算和实验室测 定的方法对瓦斯成分、水分、灰分、挥发分以及煤样 残存瓦斯量、煤岩重量、可燃质质量进行测定ꎬ将所 测定的结果进行整理ꎬ如表 １ꎮ 表 １ １０ －４２８Ｂ 工作面所采煤层瓦斯含量测定结果 测点 编号 水分 / ％ 灰分 / ％ 挥发分 / ％ 可燃瓦斯含量/ ｍ３􀅱ｔ －１􀅱ｒ－１ 原煤瓦斯含 量/ ｍ３􀅱ｔ －１ １０.６６１９.２０１９.０３８.０３８.７６ ２０.６１７.５９１６.７５８.９７９.４７ ３０.５８１８.５３１８.７８８.１６９.２３ ０３ 实实用用技技术术 总第 ２５０ 期 将上述 ３ 个测点所测得的原煤瓦斯含量相加并 求其平均值为 ９. １５ ｍ３/ ｔꎬ即 １０ － ４２８Ｂ 工作面所采 煤层的煤层瓦斯含量 ９. １５ ｍ３/ ｔꎮ ２. ２ 煤层瓦斯压力 瓦斯涌出量的大小不仅取决于煤层瓦斯含量ꎬ 同时还取决于煤层瓦斯压力ꎬ由于在现场对煤层瓦 斯压力进行测定时难度较大ꎬ本文通过上面所测参 数ꎬ使用间接法对其进行计算ꎬ计算结果如表 ２ꎮ 表 ２ 煤层瓦斯压力计算结果 测点编号原煤瓦斯含量/ ｍ３􀅱ｔ－１瓦斯压力/ ＭＰａ １８. ７６０.９８ ２９. ４７０.９５ ３９. ２３０.９４ 将 ３ 个测点的瓦斯压力相加并求其平均值为 ０. ９５７ ＭＰａꎬ该煤层瓦斯压力整体偏大ꎮ ２. ３ 煤层透气性系数测定 为了衡量瓦斯突出危险性和瓦斯抽采的难易程 度ꎬ本文对 １０ － ４２８Ｂ 工作面的煤层透气性系数进 行了计算ꎬ依据已测得的相关参数以及煤层径向流 动理 论ꎬ 最 终 计 算 得 到 的 煤 层 透 气 性 系 数 为 ２. ８４ ｍ２/ ＭＰａ２􀅱ｄꎬ计算结果表明所采煤层的瓦 斯透气性系数较好ꎬ瓦斯在煤层中的流动比较容易ꎮ ３ １０ －４２８Ｂ 工作面瓦斯浓度较大的原因分 析 依据现场测试结果ꎬ将 １０ － ４２８Ｂ 工作面瓦斯 浓度较大的原因归结为如下几点 １ １０ －４２８Ｂ 工作面所采煤层瓦斯含量丰富ꎬ 达到了 ９. １５ ｍ３/ ｔꎮ ２ 该工作面煤层瓦斯压力较大ꎬ在较强的瓦 斯压力驱动下ꎬ煤层中的瓦斯容易向工作面进行扩 散ꎮ ３ 所采煤层的透气性系数较好ꎬ瓦斯在煤层 中易于流动ꎮ ４ 在进行回采前没有对煤层中的瓦斯进行 及时充分的预抽采ꎬ导致在进行回采时ꎬ煤层中的大 量瓦斯不断涌入工作面ꎮ ５ 采空区空间较大且存在着漏风的现象ꎬ采 空区内部残留的瓦斯不可避免的涌入工作面ꎬ进而 造成工作面的瓦斯浓度进一步增加ꎮ ４ 治理措施 针对瓦斯浓度较大的原因ꎬ采用沿煤层打顺层 钻孔的方法抽采本煤层瓦斯 ＋ 埋管抽采采空区瓦斯 的方法对工作面瓦斯进行综合治理ꎮ ４. １ 顺层钻孔抽放煤层瓦斯 根据 １０ －４２８Ｂ 工作面所采煤层的瓦斯赋存特 点ꎬ决定在回采巷道打顺层钻孔对煤层中的瓦斯进 行抽放ꎬ设计钻孔直径为９０ ｍｍꎬ钻孔深度为１２０ ｍꎬ 钻孔间距为 ３ ｍꎬ钻孔的抽放负压设为 １８ ｋＰａꎬ钻孔 的综合技术参数如表 ３ 所示ꎮ 表 ３ 钻孔技术参数 施工 煤层 钻孔与 巷道夹 角/ 钻孔开 孔高度 / ｍ 孔深 / ｍ 钻孔直 径/ ｍｍ 钻孔间 距/ ｍ 预抽时 间/ 月 １０ －４２８Ｂ 所采煤层 ９０１.５１２０９０３７ 钻孔布置如图 ２ 所示ꎮ 图 ２ 钻孔布置设计 ４. ２ 埋管抽放采空区瓦斯 采空区瓦斯采用埋管抽采的方式ꎬ首先沿工作 面的回风巷上帮铺设一条直径为 ３００ ｍｍ 的瓦斯管 路ꎬ使用钢丝将其固定在巷道上帮顶部的锚杆上ꎬ距 离底板高度约为 ２. ５ ｍꎬ在管道上每隔 ２５ ｍ 设置一 个三通并安设阀门ꎮ 在开切眼侧的第一个三通处将 直径为 １０８ ｍｍ 的橡胶吸管与瓦斯抽采主管连接ꎬ 每个橡胶吸管的长度为 ３０ ｍꎬ橡胶管的末端与瓦斯 抽采器相连接ꎮ 随着工作面的不断向前推进ꎬ橡胶 埋管和瓦斯抽采器逐渐进入采空区内部并开始抽采 瓦斯ꎬ所抽采的范围约为 ５ ３０ ｍꎮ 若橡胶埋管和 瓦斯抽采器进入采空区 ２５ ｍꎬ随即准备下一根橡胶 埋管和瓦斯抽采器ꎬ并将其与上一根橡胶埋管完成 组装ꎬ当上一根橡胶埋管的末端进入采空区５ ｍ 后ꎬ 关闭前一个阀门ꎬ打开下一个阀门继续对采空区内 的瓦斯进行抽采ꎬ如此循环对采空区内的瓦斯实现 交替类推连续式抽采ꎬ采空区内埋设管道示意如图 ３ 所示ꎮ ５ 瓦斯治理效果 采用本煤层瓦斯抽采 ＋ 埋管抽采采空区瓦斯治 理后ꎬ对工作面的瓦斯浓度进行了为期一个月的现 场监测ꎬ将监测数据进行整理并求得工作面日平均 瓦斯浓度ꎬ监测结果如图 ４ 所示ꎮ １３ ２０２０ 年 ６ 月 常高峰辛置煤矿 １０ －４２８Ｂ 工作面瓦斯抽采技术 第 ２９ 卷第 ６ 期 图 ３ 采空区内埋设管道示意 图 ４ 治理前后工作面瓦斯浓度监测结果 从图 ４ 可以看出ꎬ工作面瓦斯没有进行治理前ꎬ 日平均瓦斯浓度达到了 ０. ８５％ꎬ已经接近工作面回 采所要求的瓦斯浓度上线ꎬ存在着较大的安全隐患ꎮ 采取抽采措施进行治理后ꎬ日平均瓦斯浓度降低至 ０. １７％ꎬ与治理前相比减少了 ８０％ꎬ表明所采取的 治理措施对工作面瓦斯浓度的治理效果显著ꎮ ６ 结 语 １０ －４２８Ｂ 工作面所采煤层瓦斯含量丰富、瓦斯 压力较大且煤层透气性系数较好ꎬ对工作面安全生 产造成严重威胁ꎬ通过采用顺层钻孔的方法抽采本 煤层瓦斯 ＋ 埋管抽采采空区瓦斯的方法ꎬ有效降低 了工作面瓦斯浓度ꎬ保障了工作面的安全生产ꎮ 参考文献 [１] 孙 星. 液态 ＣＯ２相变致裂技术在强化煤层瓦斯抽采 中的应用[Ｊ]. 煤ꎬ２０２０ꎬ２９２１８ －２０. [２] 高建良ꎬ王立峰ꎬ刘明信. 采空区瓦斯涌出源位置对瓦 斯浓度及自燃带分布的影响[Ｊ]. 安全与环境学报ꎬ ２０１５２４７ －５０. [３] 高建良ꎬ刘明信ꎬ王立峰. 风帘长度对采空区瓦斯体积 分数及自燃“三带”分布的影响[Ｊ]. 安全与环境学报ꎬ ２０１５３１４２ －１４６. [４] 韩同军. 寺河矿二号井综采面采空区瓦斯抽放技术研 究及应用[Ｊ]. 煤ꎬ２０１５ꎬ２４３５０ －５１. [５] 王付强ꎬ乔 峰ꎬ魏传倩. 高瓦斯矿井瓦斯运移规律及 瓦斯抽放技术优化研究[Ｊ]. 煤ꎬ２０１５ꎬ２４２１９ －２１ꎬ ５３. [责任编辑王伟瑾] 􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃􀤃 上接第 ２３ 页液压支架在中部跟机 Ｐｅｔｒｉ 网的可达 树分析中ꎬ以初始状态 Ｍ０＝ ４ꎬ０ꎬ０ꎬ０ꎬ０ꎬ０Ｔ 开始ꎬ 经过全部变迁的触发ꎬ绘制出图 ６ 的可达树ꎮ 所有 的变迁都被触发ꎬ并且最后又变迁回到最初状态ꎮ 可以看出该液压支架 ｐｅｒｔｉ 网模型是活的ꎬ并且是 安全的ꎮ 凡是出现在可达树中的每一个标识均是可 达的ꎮ 所有可能出现的变迁序列为 ｔ５ｔ６ｔ７ｔ６ｔ７ｔ９ꎮ ４ 结 语 针对综采自动化“三机”协同生产工艺繁琐、设 备多样以及联动复杂的特点ꎬ在满足模型有效且逻 辑清晰的前提下ꎬ结合 Ｐｅｔｒｉ 网处理并发任务和直观 图形表达的优势ꎬ采用分段式建模思想ꎬ构建综采工 艺模型ꎮ 并通过有效的分析方法ꎬ证明了所建模型 的合理与有效性ꎮ 可在真正实施运作之前对综采自 动化“三机”协同生产的运行作出评价比较ꎬ得到定 量化的结论ꎬ避免付出巨大的实践代价ꎬ为煤矿井下 协同生产提供理论基础ꎬ对实现综采自动化“三机” 协同生产数字化与智能化具有实际意义ꎮ 参考文献 [１] 王力军ꎬ王会枝ꎬ吴宗泽. 煤矿综采工作面“三机”联动 控制策略研究[Ｊ]. 煤矿机械ꎬ２０１５３１０３ －１０４. [２] 高卫勇ꎬ张敏娟. 综采工作面液压支架跟机自动化工艺 研究[Ｊ]. 工矿自动化ꎬ２０１８１１１４ －１７. [３] 袁崇义. Ｐｅｔｒｉ 网原理[Ｍ]. 北京电子工业出版社ꎬ １９９７. [４] 王祺ꎬ王安荣ꎬ蒲绪强. 制造系统 Ｐｅｔｒｉ 网特殊标识求解 算法[Ｊ]. 西安电子科技大学学报ꎬ自然科学版ꎬ２０１３ꎬ ４０６８５ －９１. [５] ＷＡＮＧ ＪꎬＤＵ ＹＹꎬＹＵ ＳＸ. Ｃｏｌｏｕｒｅｄ Ｌｏｇｉｃ Ｐｅｔｒｉ Ｎｅｉｓ ａｎｄ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｔｈｅｉｒ Ｒｅａｃｈａｂｌｅ Ｔｒｅｅｓ [Ｊ]. Ｅｎｔｅｒｐｒｉｓｅ Ｉｎｆｏｒｍａ － ｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓꎬ２０１５ꎬ９８９００ －９１９. [ ６ ] ＢＥＳＴＥꎬ ＤＥＶＩＬＬＥＲＳＲ. Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ ＳｔａｔｅＳｐａｃｅｓ ｏｆ Ｌｉｖｅ ａｎｄ Ｂｏｕｎｄｅｄ Ｍａｒｋｅｄ Ｇｒａｐｈ Ｐｅｔｒｉ Ｎｅｔｓ[Ｍ]. Ｌａｎｇｕａｇｅ ａｎｇ Ａｕｔｏｍａｔａ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ａｐｐｌｉ￣ ｃａｔｉｏｎｓ. Ｓｐｒｉｎｇｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇꎬ２０１４１６１ － １７２. [责任编辑王伟瑾] ２３ ２０２０ 年 ６ 月 常高峰辛置煤矿 １０ －４２８Ｂ 工作面瓦斯抽采技术 第 ２９ 卷第 ６ 期