淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术的研究.pdf

第 2 8卷第 2期 2 0 0 3年 4月 煤 炭 学 报 J OURN AL O F C HI NA C OAL S OC I E T Y V o 1 ． 2 8 N o ． 2 Ap r ． 2 0 03 文章 编号 0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 0 3 0 2 0 1 4 9 0 4 淮南矿 区开采煤层顶板抽放瓦斯技术 的研 究 袁 亮 ， 刘泽 功 1 ．安徽理工大学 资源开发与管理工 程系 ，安徽 淮南2 3 2 0 0 1 ； 2 ．中国科学技术 大学 火灾科学国家重 点实验室 ，安徽 合 肥2 3 0 0 2 6 摘要 针对淮南矿 区低透 气性 高瓦斯煤层开采过程 中采煤 工作面上隅角和回风流中浓度超 限、 瓦斯事故时有发生但又缺乏合理有效的根治技术这一难题，开展了淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦 斯技 术的研 究．通过采空区顶板岩层移动的理论分析 ，采用数值模拟计算、实验 室相似材料试验 和工业性试验研 究方法．找到 了顶板抽放 瓦斯钻孔或顶板巷道合理布置的位置 ，采煤工作面瓦斯 抽放率达到 6 0 ％ 以上 ，使淮南矿 区采煤工作面瓦斯灾害问题得到 了根 治． 关键词 淮南矿 区；煤层 ；瓦斯；顶板抽放 中图分类号 T D 7 1 2 ． 6 文献标识码 A 淮南矿区的 C B B 。 等煤层瓦斯涌出量大都在 3 0 m ／ mi n ，仅靠风排瓦斯难以解决工作面 的瓦斯 超限问题．淮南矿 区先后进行了多种抽放瓦斯技术的试验研究 ，如采用底板穿层钻孔抽放瓦斯技术 ，沿煤 层钻孔抽放瓦斯技术 ，埋管抽放采空区瓦斯技术．这些抽放技术措施虽然起了一定 的作用 ，但由于淮南矿 区煤层透气性差 ，且衰减系数最大达 0 ． 2 2 d ～，矿井瓦斯抽放率极低 ，穿层孔单孔流量 为 0 ． 0 0 5 m ／ m i n ， 顺层孔单孔流量为 0 ． O 1 m ／ mi n左右 ，一直没有超过 1 0 ％，仅在 2 ％左右⋯．1 9 9 7年以前全局年抽放瓦斯 量一直排徊在 5 0 0～ 6 0 0万 m ，高瓦斯炮采 工作 面单产仅 2 0～ 3 0 万 t ／ a ，高瓦斯综采工作面单产仅5 0 ～ 6 0万 t ／ a ，尤 其在分层开采 C。 ， 煤层时 ，未能抽排的瓦斯 7 0 ％左右集 中涌 入一分层 回采工作面采空区 ，导致工作 面回风上隅角和回 风流中瓦斯浓度超 限，严重威胁 着矿井安全生产．采煤 工 作 由于瓦斯问题 只能采用间歇式或减小 日进尺的办法维持 生产 ，迫使部分矿井不得不采用尾巷通风来 处理瓦斯．尽 管如此 ，瓦斯超 限依 然频繁 ，全 局全年瓦斯超 限近 2 0 0 0 次，且超限幅度值大 ，近 1 ／ 3达到 2 ％以上 ，采煤工作面平 均瓦斯抽放率仅在 1 0 ％左右 J ，给工作面的安全管理带来 很大的难度 ，造成严重的威胁． 淮南矿区随着开采深度 的加大，瓦斯涌出量急剧增加． 据统计 ，淮南矿 区矿井瓦斯涌出量、开采深度与年产量的 g ＼ 聪 - l 一 ● 一 ＼ 图 1 矿井瓦斯涌出量、开采深度与年产量的关系 F i g ． 1 Re l a t i o n s h i p b e t w e e n g a s e mi s s i o n a mo u n t ， mi n i n g d e p t h a n d a n n u a l o u t p u t 关系如 图 1所示．由图 1可知，1 9 7 0年，矿区产量为 1 0 0 4 ． 9万 t ，瓦斯涌出量达 1 0 8 ． 4 6 m ／ mi n 1 9 8 0 年 ，矿 区产量为 9 0 4 ． 3万 t ，瓦斯涌出量达 1 4 5 ． 8 2 m ／ m i n ；1 9 9 7年，矿区产量为 1 2 6 9万 t ，而瓦斯涌 出 量达 4 7 3 ． 4 6 m ／ m i n ；2 0 0 0年 ，矿区产量为 1 4 9 0万 t ，瓦斯涌出量达 5 3 2 m ／ m i n ；2 0 0 1年，矿 区 产量 为 1 7 6 0万 t ， 而瓦斯涌出量达 5 9 0 m ／ m i n ．从矿井开采深度与瓦斯涌 出量的变化 曲线可知 ，矿井瓦斯涌出量 随开采深度的增加而增加．因此，寻求适合淮南矿区煤层抽放瓦斯 的有效方法意义重大． 收稿 日期 2 0 0 2 1 0 2 3 基金项 目安徽省 自然科学基金资助项 目 o o 0 4 7 1 0 4 捌 廿 ． 1 ． c l Ⅲ． 【 Ⅲ＼捌丑熙 维普资讯 1 5 0 煤 炭 学 报 2 0 0 3 年第2 8 卷 1 理论分析 1 采空区瓦斯浓度 分布淮南矿 区在开采 C。 煤 层一分层时，来 自于本煤层的大量瓦斯涌 向采空区，采 空区瓦斯浓度分布如图 2所示．由图 2可知 ，在采空 区 的一定范围内 ，向上 、向里瓦斯浓度逐渐增加．根据 图 2测算结果 ，在距工作面上部顶板 5 ． 5 m 以上 ，其瓦斯 浓度增高 ，所有测点的瓦斯浓度都超过了 5 0 ％．这是 由 ＼ 鼍 I 袋 壕 将流体力学 中研究质点运 动的拉格朗 日元法移植到固体 力学中 ，将研究固体力学中的 区域划分为网格 ，其网格结点 就相当于流体质点 ，然后按时 间步长用拉格朗 日法来研究网 格结点 的运动．结点的运动方 程 ’ 6 为 a o r ／ 0 。 P g p u ， 其 中，1 1 , 为总加 速度 ，m ／ s ； g为重力加速度 ； P为岩石密度 ，k g ／ m ； 中 A， 肛为拉梅常数 结点加速度为 上邻近层 图3 采空区的瓦斯流动 F i g ． 3 G o a f g a s a i r flo w a 开采层； b 上、 下邻近层 由各向同性材料的同构方程得 or 2 ／．w A 0 5 体积应变 ，其 u t [ u t△ ／ 2 一 t 一△ ／ 2 ] ／ A t ， 1 1 , t △ ／ 2 1 1 , t A t ／ 2 1 1 , t △ ， 2 ． 2 模拟条件 工作面走向长度为 1 8 0 m，采高为 3 m，煤层顶板模拟高 度为 4 5 m，底板厚 1 0 m，倾角为 3 O 。 ． 2 ． 3 计算结果 通过对工作面倾斜方 向计算模型的数值模拟计算 ，从理论 上分析 了工作面和采空区上覆岩层裂隙生成 、发育 、断裂带 的 高度及范围．淮南潘集矿区 C 。 煤层开采后顶板垮落数值计算 结果如图4所示． 由图 4可知 ，煤层采出后 ，在工作面上风巷 E ＼ 键 硼 1 I} Il 图4 c ． ， 煤层开采后顶板垮落数值计算结果 F i g , 4 N u me r i c a l c a l c u l a t i o n r e s u l t s o f r o o f c a v i n g a f t e r Cl 3 c o a l s e a m e x t r a c t e d 倾斜向下方向0 3 0 m裂隙发育充分．即以上风巷为界，垂直煤层向上5 2 5 m ，倾斜向下0 3 0 m为裂 隙充分发育区，此范围是布置顶板抽放瓦斯钻孔或抽放瓦斯巷道的理想区域． 维普资讯 第 2期 袁亮等 淮南矿区开采煤层顶板抽放瓦斯技术的研究 l 5 l 3 试验研 究 根据试验矿井开采煤层顶板岩石性质 ，在实验室 用相似材料进行模拟试验 ，研究开采过程 中，工作面 前后方顶板裂 隙的生成 、发 育、断裂带 的高度 和范 围，工作面上 、下风巷顶板岩层移动特征．其模拟试 验结果如图 5所示．根据试验室测定数据可知 煤层 采出后 ，在工作面上风巷倾斜向下方 0～3 0 m裂隙发 育充分．即以上风巷 为界 ，垂直煤层向上 5～2 5 m， 倾斜向下 0～ 3 0 m为裂隙充分发育区，此范围是布置 顶板抽放瓦斯钻孔或抽放瓦斯巷道的理想区域． 4 现场工业性试验研 究 图5 工作面煤壁上方顶板裂隙分布 Fi g ． 5 Di s t r i bu t i o n o f r o o f c r a c k s a b o v e t h e c o a l r i b o f t h e wo r ki n g f a c e 从 1 9 9 8年开始，先后在几对高瓦斯矿井 ，如潘一矿 、潘 三矿进行了顶板钻孔抽 放瓦斯试验 ；在李一 矿 、新庄孜矿 、谢一矿 、谢二矿进行了顶板巷道抽放瓦斯试验．试验结果见表 1 ．由表 1可见 ，顶板走 向 钻孔抽放瓦斯纯量 1 9～ 2 0 m ／ mi n ，抽放率达 4 5 ％ 以上．创造了历史上同类条件下工作面推进速度 、产量 的最高记录．图 6为淮南矿区实行顶板抽放瓦斯技术前 、后 的瓦斯抽放量对 比．根据工业性试验的现场测 算结果获得了抽放动力 、钻孔数量和抽放量 间的最佳 匹配关系，如图7所示． 表 1 应用顶 板抽放瓦斯工作面试验效果的对 比 Ta b l e 1 Co m p a r i s o n o f t h e e x p e r i me n t a l r e s u l t s b y a p p l y i n g r o o f g a s d r a i n a g e i n c o a l wo r k i n g f a c e s 注1 5 5 2 3 ，3 2 1 1 3 工作 面抽放前瓦斯按 1 ． 5 ％ 放限 管理 ，抽 放后按 l ％管 理 ；2 3 1 2 3 ，1 7 6 1 3工 作面 瓦斯 涌 出量 超过 3 0 ％ ，抽放后按 1 ． 2 ％放限管理 ，而 2 1 1 1 3工 作面虽然涌 出量达 3 8 ％ ，但 抽放后 ，回风瓦斯按 l ％管理． l 00 0 0 8o o o 6 0 0 0 4 0 0 0 善2 0 0 0 O 1 9 9 5 1 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 8 1 9 9 9 2 0 0 0 2 0 01 年份 图 6 1 9 9 5 2 0 0 1 年矿区瓦斯抽放量的对比 Fi g ．6 The c o mp a r i s o n o f g a s dr a i n a g e a mo un t f r o m 1 9 95 t o 2 0 0l 4 0 量 E 2 。 捌 景 O 景 抽放负压 ／k P a 图7 抽放动力、钻孔数和抽放量间的关系 Fi g ． 7 Re l a t ion s hi p b e t we e n dr a i n a g e dy n a mi c ， n u mb e r o f d r i l l s a n d d r a i n a g e a mo u n t 维普资讯 1 5 2 煤 炭 学 报 2 0 0 3 年第2 8 卷 5 结 语 采用多种先进的研究手段和方法 ，探索 出了随工作面向前推进开采煤层顶板断裂带高度 、断裂带充分 发育区的变化规律．并通过数值计算 、现场试验研究 ，获得了采空区、顶板裂隙 、抽放钻孔或巷道三维区 域的瓦斯流动规律．探索出瓦斯抽放量 、抽放动力 、钻孔数量的最佳 匹配关系．淮南矿区实施顶板巷道抽 放瓦斯技术后 ，与仅用回风巷排放瓦斯技术措施相 比，工作面 的产量翻了一番 ，并使得高瓦斯低透气煤层 开采时瓦斯不超限和上隅角瓦斯不积聚．采用顶板抽放瓦斯技术解决低透气性高瓦斯煤层回采工作面上隅 角或 回风流中的瓦斯浓度超限问题是十分有效的． 参考 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] 文献 刘泽功．高位巷道抽放采空区瓦斯实践 [ J ] ．煤炭科学技术，2 0 0 1 ，2 9 1 2 1 01 3 ． ． 袁亮 ，柏发松．淮南矿区防治瓦斯突出技术研究 [ A] ．煤矿瓦斯灾害防治理论战略研讨 [ C ] ．徐州中国矿业 大学出版社 ，2 0 0 1 ． 刘泽功，戴广龙，卢平，等．顶板巷道抽放瓦斯试验与结果分析 [ J ] ．煤矿安全 ，2 0 0 1 ，3 2 1 2 1 3 1 5 ． 周世宁 ，林柏泉．煤层瓦斯赋存与流动理论 [ M] ．北京煤炭工业出版社，1 9 9 8 ．1 6 01 8 2 ． 张二海 ，陈庆寿，冉恒谦．显式拉格朗日差分法在链子崖危岩体锚固工程中的应用 [ J ] ．探矿工程，1 9 9 8 6 3 6 3 9． 叶建设 ，刘泽功．顶板巷道抽放采空区瓦斯的应用研究 [ J ] ．淮南工业学院学报，1 9 9 9，1 9 2 3 2 3 6 ． 作者简介 袁亮 1 9 6 0一 ，男 ，安徽金寨人，教授级高级工程师，1 9 8 2年毕业于淮南矿业学院采矿工程专业 ，现任淮南矿业 集团总工程师，安徽理工大学工程硕士学位研究生，发表 “ 淮南矿区瓦斯治理技术与实践”等论文 6 o余篇．T e l 0 5 5 4 7 6 2 5 5 6 9，Ema l l y u a n l一1 9 6 0 s i n a ． c o m． S t u d y o n t h e t e c h n i q u e o f r o o f g a s d r a i n a g e f r o m mi n e c o a l s e a m i n Hu a i n a n m i n e a r e a YUAN L i a n g ．L I U Ze ． g o n g ， 。 1 ． D e p t ． o fR e s o u r c e s E x p l o i t a t i o n a n dMa n a g e me n t ， A n h u i U n i v e r s i t yofS c ie n c e a nd T e c h n o lo g y，Hu a i n a n 2 3 2 0 0 1 ， C h i n a；2 ．S t a t e K e y L a b o r a t o r y of F i r e Scie n c e ，U t ,i ver s i t y of Scie n c e a nd Technolo gy ofC h i na ， H e f e i 2 3 0 0 2 6，Chi na Abs t r a c t Durin g mi n i n g a c t i v i t i e s i n t h e h i g h g a s s y c o a l s e a m wi t h l o w a i r p e r me a b i l i t y i n Hua i n a n mi ne a r e a，t he g a s c o n c e n t r a t i o n i n t h e c o r n e r s a n d a i r r e t u m wa y s o f c o a l f a c e s o f t e n e x c e e d s l i mi t a n d t h e g as a c c i d e n t s o c c u r O C ． e a s i o n all y w i t h o u t e ff e c t i v e me a s u r e s ．T o s o l v e t h e p r o b l e m，we o p e n u p r e s e a r c h o n r o o f g as d r a i n a g e i n mi n i n g c o al s e a m i n Hu a i n a n mi n e a r e a ． Af t e r t he o r e t i c a l a naly s i s o f d i s p l a c e me n t s o f g o a f r o o f s t r a t a．n u me ric al a n d s i mi ． 1 a r ma t e rial s i mu l a t i o n a n d i n s i t u e x p e rime n t s，we fin d t h e a p p r o pria t e l a y o u t p o s i t i o n o f roo f dril l s a n d r o a d wa y f o r me tha n e d r a i na g e ． T he t e c hn o l o g y c a n s i g ni fic a n t l y h e i g h t e n g a s d r a i n ag e e f fic i e n c y t o 6 0％an d g r e a tl y mi n i mi z e g as c a t a s t r o p h e s i n c o al f a c e s o f Hu a i n an mi ne a r e a s ． Ke y wo r d s Hu a i n a n mi n e a r e a；c o al s e a m ； g a s ； r o o f d r a i n a g e 维普资讯