淮北矿区瓦斯突出煤层煤层气抽采技术.pdf

第4卷 第 1 期 2 O O 7 年 1 月 中国煤层气 C H A C 0A I BE D M删A NE v0 1 ． 4 No ． 1 J a n．2 0 0 r7 淮 北 矿 区 瓦 斯 突 出 煤 层 煤 层 气 抽 采 技 术 范景坤 淮北矿业集团地测处，安徽淮北2 3 5 0 0 6 摘要本文根据淮北矿区实际，提出并分析研究了淮北矿区突出煤层采掘工作面煤层气抽排技 术。矿 区主要选择 了突出煤层巷帮 “ 边掘边抽”与掘进工作 面前方短孔排放相结合 的抽排技术 ， 双层钻孔与采煤工作面风巷布置抽排钻孔成 “ 3高 2低” ，高层钻孔用于抽放拦截被保护层 的高 浓度 瓦斯 ，低层钻孔用于抽放本煤层采空区的遗 留瓦斯。结合地面钻孔及老塘埋孔抽排 ，达到消 除突出煤层开采危险的 目的。 关键词煤层气突出煤层抽采 E x t r a c t i n g Te c h n o l o g i e s f o r Ga s i n S e a ms wi t h Ou t b u r s t Ha z a r d s i n Hu a i b e i C o a l Mi n i n g Ar e a F a n J i ngk u n G e o l o g i c a l S u r v e y D e p a r t m e n t o f H u a i b e i C o a l Mi n i n g G r o u p C o ． ，A n h u i 2 3 5 0 0 6 Ab s t r a c t T h e a u t h o r p rop o s e s and a n a l y s e s t e c h n o l o g i e s f o r e x t r a c t i n g g a s i n 8 e a n l s w i t h o u t b u r s t h a z a r d s a c c o r d i n g t o p r a c t i c a l c o n d i t i o n s o f Hu a i b e i c o a l mi n i n g a r e a ．T h e c o a l min e h a s a d o p t e d e x t r a c ti n g t e c h n o l o g i e s i n t e g r a t i n g g a s e x t r a c t i o n f rom c o a l r o a d s and r i b s w i t h h a z a r d s of o u tb u r s t d u r i n g t u n n e l i n g wi t h g as d r a i n a g e t h ou gh s h o r t b o r e h o l e s i n f ro n t oft u n n e l i n g f a c e s ， f o r m i n g t W O - l a y e r b o r e h o l es 3 h i g h l y - p o s i t i o n e d and 2 l o w - p o s i t i o n ed with e x t r a c ti n g b o r e h o l e s i n f a c e a i r w a y s ．B o r e h o l es in h i g h p o s i t i o ns a r e u s e d t o e x t r a c t and b l o c k hig h - c o n c e n t r a ti o n g a s f r o m p rot e c t i v e l a y e r s w hil e tho s e i n l o w p o s i ti o ns a r e u s e d t o e x t r a c t r e ma i n i J l g g a s in th e g 0 a f ． The d a n g e r of min i ng i n s e a m s with h a z a r d s of o u t b u r s t i s e x p e c t ed t o e l i mi n a t e b y int e g r a t i n g s u rf a c e b o r e h o l es with b u r i ed b o r e h o l es in the g o d． Ke y wo r d s C MM；8 e a n l s wit h h a z a r d s o f o u t b u r s t ；g a s e x t r a c ti o n 1 矿 区概况 淮北矿区地处安徽省北部 ，北邻徐州，南至固 镇、蒙城，东起宿县，西至涡阳县 固始断裂。东 西、南北跨度各约 l O O k m，含煤面积 6 9 1 2 k m 2 ，含 濉肖、宿县、临涣、涡阳四大矿区。区内煤炭资源 丰富， 煤类齐全，品质优良。探明煤炭资源储量约 8 4 亿 t ，主要含煤地层为二迭系石盒子组与山西 组 ， 含煤地层总厚度约 1 2 0 0 m，含煤 5 ～ 2 5 层，煤 厚 7 ． 1 ～ 2 1 ． 9 5 m ，主采 2 ～ 5 层，可采总厚度 4 ． 5 ～ 1 8． 5 m。 淮北矿区煤层埋藏深，随着矿井开采规模的不 作者简介范景坤，男，淮北矿业集团地测处副处长，从事矿井地质技术管理工作多年。 维普资讯 第 1 期 淮北矿区瓦斯突出煤层煤层气抽采技术 表 1 煤矿煤层气赋存参数表 名称 参数值 煤层气含量 煤层埋藏深度 煤的坚固性系数 煤层透气性系数 瓦斯压力 8 21 5 0一 一1 5 0 0 m f 0 ． 1 30． 6 1 0 ． 0 2 8 2 m 2 ／ M p a 2 ． d P ma x5 Mp a 断扩大和开采深度增加 ，瓦斯涌 出量将逐渐增大 ， 煤与瓦斯突出危险性增大趋势明显，2 0 0 5 年先后 有桃园、童亭、石台矿等矿由于开采深度的增加升 级为煤与瓦斯突出矿井，使得煤与瓦斯突出矿井已 达到了 7对 。 目前 矿 区瓦斯 涌 出总量 为 0 ． 7 6 m 3 ／ ra in ， 采煤工作面最大瓦斯涌出量为 3 5 m 3 ／ n fi n ，掘 进工作面最大瓦斯涌出量为6 ． 5 m 3 ／ n fi n 。因此，集 团公司7 对煤与瓦斯突出矿井都成立了防突机构， 建立了 “ 四位一体”的综合防突体系，并对突出煤 层采用了先进、高效的煤层气抽采技术。加大瓦斯 抽采和开发利用煤矿煤层气资源的力度，以确保煤 矿生产安全和可持续发展。集团公司计划 2 0 1 O 年 抽采瓦斯总量 1 ． 2 亿 m 3 ，瓦斯抽采率 5 0 ％，瓦斯 利用率 3 5 ％。 2 突出煤层掘进工作面煤层气抽采技术 目前国内外对低透气性、高瓦斯突出危险性的 煤层，为了消除煤巷掘进中的突出危险，主要采取 巷帮 “ 边掘边抽”与迎头超前短孔抽放、深孔注水 和深孔松动爆破等防突技术。 2 ， 1 煤巷掘进中的 “ 边掘边抽”技术 突出煤层煤巷掘进巷帮 “ 边掘边抽”技术，即 在掘进巷道内每隔 5 0 m在巷道两帮分别布置一个 规格为 3 m3 m 3 m的钻场，钻场内距底板 1 ． 2 m 处施工 4 个 9 4 1D _lT I 的扇形煤层气抽放孔，长度一 般 5 6 m，钻孔向帮外侧偏离 1 9 。 ，孔底间距 2 ． 5 m 如图 1 。巷道每掘进 5 0 m开始施工下一个钻场， 即钻孔超前距离为6 m 。其目的是利用巷道掘进形 成的松动圈，提高煤体的透气性，抽放瓦斯，切断 巷道两侧煤体瓦斯涌出通道，并对在掘进过程中涌 出的瓦斯进行拦截抽放，使巷帮两侧形成宽度为 1 0 m防止两侧煤体煤与瓦斯突 出动力的卸压保 护带。 煤巷掘进迎头短孔抽放煤层气技术是在掘进工 抽放钻孔 ． 1 0 m． 一 、 一- d i ll 一 一 一 一I j一 ‘ ． 一 J I f L 毕 舞 毫 基 ； ⋯⋯ ⋯ I 一 ； f l 1 m 一 一一 一 一 -- ．-S． l ‘‘ ⋯ ‘ 图 1 突出煤层煤巷掘进煤层气抽排钻孔布置图 作 面前 方、平 行 于 掘 进巷 道 方 向施 工 1 8个 9 1 m m、长 度 1 3 m 的排 放孔 ，孔底 间距 为 1 ． 5 m， 控制巷帮外 2 m，进尺范围内有效排放距离 O 5 m 。 钻孑 L 施工同时进行突出指标的测试，经检验无突出 危险后，方能掘进。巷道每掘进 8 m开始施工下一 轮钻孔 ， 钻孔超前距 5 m 。密集短钻孔的排放目的， 是在巷道掘进范围内，使短钻孔数 目达到 3 6个， 能够在较短的时间内大幅度地降低钻孔控制范围内 的煤层气含量，消除掘进前方的煤与瓦斯突出能量 图 2 。 0 4 m 帮钻场 ／ ，．．．． 、 ＼ ＼ g I』 l J6l lI、 饿 ／ I 上T 上 上 T l T I、 6 3T T 上T ． T I T Il 、 莹 丫V V V ／l ’ l ’ J T J J T I T I l J J l ／ 一 _ 吕 0 ． 5 m ／ c I． 4 l n ＼ I 1 f 一 3 ． 0 m l 一 3 ． 5 5 m 图2 突出煤层煤巷掘进抽排钻孔开孔布置图 2 ． 2 煤巷掘进突出危险性预测 采用钻屑指标法和瓦斯涌出初速度法预测工作 面突出危险性。在掘进工作面施工 3 个预测钻孔， 钻孔布置在软分层内，巷道中心和两帮各布置一 个，中心孔平行于巷道掘进方向，巷帮孔分别向帮 部倾斜， 终孔点位于巷道轮廓线外 2 4 m 。钻孔 4 2 m m，设计孔深 1 0 m。 钻孔每施工 1 m收集该段全部钻屑量，用弹簧 秤测定钻屑重量，每隔2 m用 W T C突出预报仪测定 一 次△h 2 。根据最大钻屑量 s 一和最大△I l2 值预测 掘进工作面突出危险性。根据本区实际，钻屑量临 界指标为6 k g ／ m ，△I l2 值的临界指标为2 0 0 P a 。当 实测指标都小于临界指标时，该掘进工作面预测为 无突出危险，否则为有突出危险。 维普资讯 中 国 煤 层 气 第 1 期 2 ． 3 煤巷 “ 边抽边掘”效果分析 淮北矿业集团祁南煤矿在 7 2煤层采用 “ 边抽 边掘”抽放技术，安全进尺 1 8 8 3 m ，煤巷抽排钻孔 进尺7 9 0 8 6 m，单个煤巷防突掘进队平均月进尺 6 0 m 。主要采用巷帮 “ 边抽边掘”与掘进工作面前方 短孔排放相结合抽放突出煤层瓦斯， 保证钻孔超前 距不小于 l O m。短孔施工按钻孔方位 由大到小 的顺 序进行， 使用聚氨酯、麻布、2 寸钢管封孔，封孔 深度 5 m，封孔段不小于 2 m 。安装好抽放计量装 置，观察抽放效果。 现以 7 1 1中段机巷为例 ，施工期共 进尺 8 3 m。 7 2 煤层平均厚度 2 ． 3 m，容重 1 ． 3 8 t／m 3 ，煤层瓦斯 含量 1 0 ． 5 m 3 ／ t ，区段内煤层瓦斯压力 3 ． 5 Mp a 。 2 ． 3 ． 1 巷帮抽放钻孔 巷帮抽放钻孔孔深 5 0 m ，宽 1 6 m，测算区内的 瓦斯量2 6 6 6 1 ． 6 m 3 。①施工期通风排放瓦斯量钻 孔期间平均通风量 2 5 0 m a ／ m i n ，打钻排放瓦斯增加 风流的瓦斯浓度为0 ． 2 ％，打钻排放时间取 4 d ， 巷 道施工后 2 0天巷帮排放瓦斯增加风流瓦斯浓度 0 ． 1 ％，则风排瓦斯量 1 0 0 8 0 m 3 。②瓦斯抽放量 抽 放期间单孔流量 0 ． 0 7 5 m 3 ／ m in ，平均抽放量 0 ． 3 m 3 ／ m i n ，抽放期 2 0 d ，抽放量 8 6 4 0 m 3 。③排放与抽放 瓦斯总量 1 8 7 2 0 m 3 。④抽排 2 0 d 后钻孔控制 区内瓦 斯抽排率 7 2 ． 2 1 ％。⑤抽排 2 0 d 后钻孔控制区内煤 层残存瓦斯含量 3 ． 1 3 m 3 ／ t ，残存瓦斯压力 0 ． 5 M P a 。 2 ． 3 ． 2 掘进头排放钻孔 掘进头排放钻孔孔深 8 m 不含 5 m压茬超前 距 ，宽7 ． 5 m，控制范围内的瓦斯量 1 9 9 9 ． 6 m 3 。① 打钻期间平均通风量 2 5 0 m 3 ／ n n ，因打钻排放瓦斯 增加风流的瓦斯浓度平均为 0 ． 2 ％，打钻排放时间 取 1 d 。打钻期间通风排放瓦斯量 1 0 8 0 m 3 。②排放 孔施工完毕后 ，钻孔控制范 围内瓦斯排放率 5 4 ％。 ③排放后钻孔控制区内煤层残存瓦斯含量 4 ． 8 3 m 3 ／ t ，残存瓦斯压力 0 ． 7 M P a 。消除了7 2 煤层突出危 险，实现了突出煤层的安全掘进。 3 突出煤层采煤工作面煤层气抽采技术 淮北矿区部分中煤组 7 、8 、9 煤层均具有煤与 瓦斯突出危险性 ，曾发生多起煤与瓦斯突出事故， 严重威胁着矿井的生产安全 。因上煤组薄而开采不 经济，下距突出的中煤组 2 0 0 m以上，下煤组上距 突出煤层 1 0 0 m左右 ，开采解放层 防突效果不理 想，安全威胁大。通过对矿山压力显现规律分析， 认为U 1 0 1 和U 1 0 2 采区具备开采 1 0 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 II 1 0 2 2 工作面开采过程中采用立 体抽放的综合瓦斯治理技术，实现了 II 1 0 2 2工作 面安全生产，降低了中煤组开采时煤与瓦斯突出危 险性。 3 ． 1 工作面情况 I I 1 0 2 2 采煤工作面为 II 1 0 2 采区首采工作面， 工作面走向长 6 0 0 m，倾斜长 2 1 0 m，开采面积约 1 2 6 0 0 m 2 ，煤层倾角 1 6 。 ，煤层厚度一般 2 ． 5 m，瓦 斯含量为 8 ． 4 2 m 3 ／ t 。 3 ． 2 抽放钻孔布置 先在工作面风巷布置高位钻场 ，高位钻孔布置 成 “ 3 高 2 低”的双层钻孔。高层钻孔钻场间距为 8 01 2 0 m，终孔距 1 0煤层顶板 2 0 3 0 m，用于抽 放拦截被保护层高浓度瓦斯；低层钻孔终孔距 1 0 煤层顶板 8 1 5 m ，用于抽放本煤层采空区遗留瓦 斯；同时在 8 6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进入回采工 作面，加大中煤组卸压高浓度瓦斯抽放量；然后在 8 6 大巷向I I 1 0 2 2 采空区施工倾向高位钻孔，每 5 0 m范 围布置一组 ，每组钻孔为 2个 ，终孔距 1 0煤 层顶板 3 0 4 0 m，再次拦截抽放被保护层涌出的 瓦斯，达到上、中、下立体抽放效果。以上钻孔采 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置。 3． 3 采煤工作面抽放效果分析 经测算 I I 1 0 2 2工作 面本煤 层 瓦斯 涌出量 8． 2 7 m3 ／mi n ，临近层瓦斯涌出量为 4 ． 8 9 m 3 ／ m in ，合 计瓦斯涌出量为 1 3 ． 1 6 m 3 ／ m i n 。由统 计资料 ，施工 期内该面共抽放 瓦斯 5 2 7 ． 7万 m 3 ，风排瓦斯 量为 1 0 2 ． 2 万 m 3 ，合计瓦斯总量为 6 2 9 ． 8 万 m 3 。其中1 0 煤层瓦斯量 3 2 7 ． 5万 m 3 ，中煤组 瓦斯量 3 0 2 ． 3万 m 3 。其对应区中煤组瓦斯总量 1 1 6 4 ． 7 4 万 m 3 ，在下 解放层开采抽放中，中煤组瓦斯抽放率 2 6 ％，基 本消除了中煤组采掘工作面突出危险性。 3 ． 4 地面抽排钻孔及老塘埋管抽放 集团公司芦岭煤矿为了解决 I I 1 0 4 8回采工作 面的瓦斯突出，采用地面钻孔抽放与井下抽排相结 合的措施，效果显著。首先，在距该面切眼 l O O m， 风巷 6 5 m处施工一地面钻孔，钻孔结构地表至 维普资讯 第 1 期 淮北矿区瓦斯突出煤层煤层气抽采技术 基岩段采用 2 7 3 r n r a 套管固井，基岩至 7 煤顶板以 上5 m采用 dp 1 9 3 r m n 套管固井，7 煤顶板至 l 0 煤顶 板 以上 8 m采 用 b 1 5 2 m m花 管不 固井 ，最后 采 用 cl 9 4 m m钻头钻进 1 0煤底板下 1 m终孔。该面采至 距地面钻孔 1 8 ． 5 m处，对地面孔开始抽排，钻孔抽 排量 约 l O 0 0 0 m S ／ d ，然后 逐渐 上升至 3 0 0 0 0 m 3 ／ d ， 稳定一段时间后开始下降。该孔共抽排 2 9 1 d ，总 计抽排 c H 4 量 2 4 8 ． 4l o 4 m 3 ，抽排浓度平均达到 5 8 ． 3 ％。同时底板抽放钻孔抽放 c H 4 量 2 4 8 ． 4 X 1 0 4 m 3 ，顶板高位巷抽放 c H 4 量 4 4 ． 3 X l o 4 m 3 ，顺层 钻孔抽放 c H 4 量 3 4 ． 4 l o 4 m 3 ，老塘埋管抽放 c H 4 量 3 6 ． 2 X l O 4 m 3 ，采煤工作面风排 c H 4 量 1 3 7 ． 2 X 1 0 4 ，累计抽排 c H 4 量 7 7 8 ． 5 X l o 4 m 3 。实现了突出 煤层采煤工作面安全开采。 4 煤层气的利用 矿井瓦斯是煤矿安全的不利因素，又是一种洁 净的绿色能源。若把矿井瓦斯直接排放，不仅浪费 了能源，而且造成温室效应，对大气产生不良影 响。因此，集团公司在芦岭、海孜等矿建立了井下 和地面煤层气抽采系统的瓦斯利用工程， 共建成储 气罐5 座。其中芦岭矿 3 座，总容量 1 7 5 0 0 m 3 ；海 孜、朱仙庄矿各 1 座，总容量 1 0 0 0 0 m 3 。 矿井的抽排瓦斯主要用于燃气和发电。目前， 芦岭煤矿居民用气量 1 0 0 0 万 m 3 ／ a ，并建成装机功 率 4 X 1 2 0 0 k W发电机组；海孜煤矿建成装机功率 4 8 0 0 k W发电机组，投入运转发电后，用气量 6 0 0 万 m 3 ／a ， 经济效益、社会效益显著。 5 结束语 淮北矿区矿井突出煤层瓦斯 煤层气抽排是 瓦斯治理的有效方法，煤矿通过对突出煤层的抽 采，不仅可以达到直接降低煤层瓦斯含量的作用， 而且可以采取一定手段直接利用这种洁净的绿色能 源，减少矿井瓦斯直接排放造成的温室效应。因 此，为了保障矿井安全生产，避免煤矿瓦斯事故， 必须充分分析研究煤矿突出煤层瓦斯抽排技术，尤 其是在淮北矿区复杂地质条件下的煤矿突出煤层抽 排技术。 参考文献 [ 1 ] 范景坤 ． 淮北矿区矿井瓦斯灾害的预测及防治 ． 煤 炭工业出版社，2 0 0 0 ． 1 1 1 1 8 ～1 2 0 [ 2 ] 范景坤．淮北矿区煤层气资源及抽放技术 ．中国煤 层气． 2 0 0 4 ．4 2 8 ～3 1 [ 3 ] 范景坤．淮北矿 区煤层气资源及移动式抽放技术． 煤田地质与勘探．C N 6 1 1 1 5 5 ／ P ．2 0 0 4 ． 责任编辑孙庆刚 上接第 2 9 页 2 根据排采时间、气井产量、井口压力等， 将煤层气井分为高产气井、较高产气井、中等产气 井和低产气井 4 类。分级标准见表 1 。 表 1 煤层气井产能分级表 在具体分级时，对于排采时间较长，达到稳定 排采的气井，按稳定产气量确定产能级别；对于排 采时间较短，还未达到稳定排采的气井，按自产气 以后的平均产气量进行产能分级，在气井产能稳定 后，则按稳定产气井标准进行分级。 我国的煤层气勘探 已有进行 1 0多年的历史， 勘探地区遍及全国的主要煤田，煤层气井排采试气 产量普遍较低。沁水盆地南部是我国煤层气勘探开 发最成功的地区，目 前在该区已经实施了潘庄、枣 园、樊庄 3 个井组的煤层气勘探试验，并成功地进 行了潘庄区块和潘河地区的煤层气商业性开发，相 对国内其它地区而言，该区气井产能较高，单井产 气量多在 2 0 0 O n S ／ d 左右，基本上都属于中等产气 井级别，其它级别的气井所占比例较低。 责任编辑康丽华 维普资讯