平顶山矿区深部煤炭开采瓦斯防治技术研究.pdf
第 l O卷 第 6期 2 0 1 3年 1 2月 中国煤层气 C HI NA C0 AL BE D ME T HA NE Vo 1 . 1 O N o . 6 D e c e mb e r . 2 0 1 3 平顶 山矿 区深 部 煤 炭 开 采 瓦斯 防 治 技 术研 究 吴建亭寇建新 中国平煤神马能源化工集团有限责任公司,河南4 6 7 0 0 0 摘要 平顶山矿 区是受煤与瓦斯 突出灾害影响严重的矿 区之一。 目前 ,平煤很 多矿井采深超过 8 0 0 m,随着矿井开采的延深平顶山矿 区煤炭深部开采安全风险呈现危险性增大、破坏强度急增 、 复合 灾害显现特点,深部 瓦斯防治受埋深增大、煤层赋存条件复杂所限,瓦斯抽采困难。本文针 对平顶山矿 区瓦斯赋存和开采情况,提 出了解决深部开采 瓦斯防治技术路线。 关键词 深部开采 灾害趋势 瓦斯防治 卸压防治 S t u d y O 13_Ga s P r e v e n t i o n a n d Co n t r o l Te c h n o l o g y f o r De e p Mi n i n g o f Co a l i n Pi n g d i n g s h a n Mi n i n g Ar e a WU J i a n t i n g.KOU J i a n p i n g C h i n a P i n g me i S h e n m a E n e r g y a n d C h e mi c a l G r o u p C o . ,L t d . ,H e n a n 4 6 7 0 0 Abs t r a c t Pi n g di n g s h a n Mi n i n g Ar e a i s o ne o f t h e hi g h g a s s y a n d c o a l mi n g a r e a s . Th e p a p e r s u mma r i z e s a n d a na l y z e s t h a t t h e d y n a mi c d i s a s t e r s i n P i n g d i n g s h a n Mi n i n g Ar e a a r e d i s t ur b e d b y t he s t r e s s o f t h e d e e p s u r r o un d i n g r o c k, c o a l b e d me t h a n e s t o r a g e a n d t h e s t r e s s c a u s e d b y l a r g es c a l e d me c ha n i z e d mi n i n g .Th e d y na mi c d i s a s t e r s o c c u rre d i n de e p mi ni ng h a s f e a t u r e s o f i n c r e a s e d r i s k a n d d a ma g e i n t e n s i t y a n d c o mpl e x d y n a mi c d a n g e r . Ba s e d o n t h e c o a l b e d me t h a n e s t o r a g e c o n d i t i o n s a n d d e v e l o p me n t s i t u a t i o ns i n Pi ng di ng s h a n mi ni n g a r e a, t h e t e c h n i c a l r o u t e s o f g a s p r e v e n t i o n a n d c o n t r o l du rin g de e p mi ni ng p r o c e s s o f c o a l a r e p u t f o r wa r d. Ke y wor ds De e p mi n i n g;d y na mi c d i s a s t e r;g a s p r e v e nt i o n a nd c o n t r o l ; p r e v e n t i o n a nd c o n t r o l s y s t e m 平顶山矿区是受煤与瓦斯突出灾害影响严重的 矿区之一 ,自 1 9 8 4年发生第一次煤与 瓦斯 突出现 象 ,至今累计发生突出 1 5 6次 ,给煤矿造成 了大量 的人员伤亡和财产 损失 ,严 重影响 了矿 区安全 生 产 。目前 ,平煤很 多矿井采 深超过 8 0 0 m,有些 采 深超过 1 0 0 0 m。随着矿井开采 的延深 ,瓦斯含量 、 瓦斯压力、绝对瓦斯涌出量逐年增加。在深部开采 条件下 ,由于煤岩结构的动力学特性与浅部开采 明 显不 同,必然表现出其特有的工程动力响应 ,同时 煤矿所特有的大面积开采和层状介质变形破坏的时 效性特点 ,使得煤矿深部动力灾害的致灾机理更加 复杂,致使开采中以煤与瓦斯突出、冲击地压等为 代表的一系列矿井动 力灾害与浅部工 程灾害相 比 较,强度上加剧,频度上提高。而且,在深部开采 过程中,煤与瓦斯突出和冲击地压两种动力灾害会 互相影响,使瓦斯灾害的发生机理更加复杂,评 作者简介吴建亭 , 男 , 教授级高工,现任中国平煤神马集团能源化工研究院瓦斯研究所副所长。 4 中 国 煤 层 气 第 6期 价 、预测和治理难度增大 ,对深部煤炭的安全高效 开采造成 了巨大威胁。 1 平顶山矿区深部开采瓦斯防治面临的困难 1 深部矿井环境复 杂。深部采掘 导致地应 力重新分布 ,时空关系复杂多变 , 高应力释放 、 转移 以及强卸荷作用引起的煤岩体破碎、 块度分布极其 复杂; 且大范围开采对煤岩体形成反复扰动, 使煤岩 体经历多次变形 、 破坏过程 , 其介质属性十分复杂。 2 组 间距离远 ,组 内距离近 ,无 合适保护 层可采。平煤矿区主采煤层丁戊组、戊己组间距分 别为 8 0 m和 1 7 0 m左右 ,普遍存在的煤层 瓦斯赋存 特征是 煤组间距大 ,保护层开采效果差 r组 内间 距小 ,保护层开采危险性大 。 3 矿区突 出煤层煤 质松软 ,煤层 透气性 系 数低 ,限制了打深孔和预抽煤层瓦斯效果 。 4 瓦斯压 力大 最 大超过 6 . 6 MP a ,瓦斯 含量高 部分煤层超过 3 0 m / t ,煤与瓦斯突出危 险性大 。 5 开采深度大 个 别矿井采深达 1 2 0 0 m , 冲击地压灾害 日趋严重。 2 平顶山矿区深部开采瓦斯灾害变化特点 2 . 1 煤与瓦斯突出危险性增大 随着采深增大 ,平顶山矿区瓦斯压力和瓦斯含 量也随之增大 ,突出危险性也在增大 。平顶山共三 组突出煤层 丁 、戊 、己三组 ,丁组煤层 瓦斯压 力 由 一4 0 0 m 水 平 的 0 . 6 MP a增 加 到 一8 0 0 m 的 2 . 1 6 MP a ,瓦斯含量 由 4 . 5 m / t 增加 到 7 . 0 6 m / t ; 戊组煤层瓦斯压力 由 一4 3 0 m水平 的 1 . 5 MP a增加 到 一 8 0 0 m的3 . 4 MP a 最大超过 6 . 6 MP a ,含量由 1 6 . 7 6 m / t 增加 到 3 0 m。 / t ;己组煤 层 瓦斯 压力 由 一 4 3 0 m水 平 1 . 6 7 M P a增 加到 一8 0 0 m 的 3 . 6 MP a , 含量由 1 1 . 5 6 m / t 增加到 2 9 . 5 m / t 。随着开采深度 的增加,煤与瓦斯突出强度也急剧增大。 2 . 2 灾害发生强度、破坏强度随埋深急剧增大 平顶山矿区累计发生煤与瓦斯突出共 1 5 6次, 平 均 突 出 煤 量 1 1 7 . 2 t / 次 ,平 均 涌 出 瓦 斯 量 8 6 3 3 . 6 m / 次。近年来 ,发生的两次 突出是平 禹四 矿的 “ 2 0 0 8 . 8 . 1 ” 和 “ 2 0 1 0 . 1 0 . 1 6 ”突出,突出煤 量分别为 2 5 5 5 t 和 2 5 4 7 t ,涌出瓦斯量分别为 2 6万 1 1 2 和 1 5万 m 。平煤 一 5 0 0 m标 高以上 ,平均突 出 强度为 8 1 . 2 t , 一 5 0 0 m标高以下 ,平均突出强度达 到 2 6 1 . 4 t 。深 部开采 中 采深大 于 7 0 0 m ,发 生 动力灾害的次数虽然 不多 这与加强瓦斯 治理有 关 ,但灾害强度剧增 ,造成的损失巨大。 2 . 3 复合型灾害成为深井开采主要威胁 随着开采深度 的增加 ,围岩应力 状况更加 复 杂。煤与瓦斯突出抛 出的煤体总量和瓦斯总量有升 高的趋势 ,而抛出煤体 的吨煤 瓦斯涌 出量有所降 低。表现出地用力在动力灾害的作用力渐次增强的 趋势。表现为动力灾害呈现突出和冲击双重特征。 如平煤十矿 2 0 0 7年发生 的的 1 1 . 1 2事故 ,突 出煤 量 2 0 0 0 t ,突 出瓦斯量 近 4 0 0 0 0 m ,吨煤 瓦斯仅为 2 0 m ,远小于以往 煤与 瓦斯突 出吨煤瓦斯 量。巷 道出现底鼓、裂缝 ,顶板下沉,是一次以地应力为 主导煤与瓦斯突出事故。复合型动力灾害成为制约 矿井深部安全生产的主要影响因素 。 3平顶山矿区深井瓦斯防治技术路线 为保证平顶 山矿区深部安全开采 ,依照国家安 全生产监 督管理总局提 出的 “ 通风可靠 、抽 采达 标 、监控有效 、管理到位” 的瓦斯综合 治理工作 体系;坚持 “ 能保 必保 、应 抽尽 抽 ,科 学定 位 、 分级管理 ,一矿一 策” 以及 “ 区域措施 为主、局 部措施为辅 ” 的原则 ,平煤神马集 团制定 了 中 国平煤神马集 团煤矿 瓦斯 防治 “ 十二 五”规划, 建立了一整套深井瓦斯灾害防治体系。 3 . 1 保护层开采技术体 系 按照 防治煤与瓦斯突出规定 以下简称 防突规定 “ 能保必保 、应抽尽抽 ”的瓦斯治理 原则 ,依据矿区煤层及瓦斯赋存条件 ,确定煤组间 保护 、煤组内保护的区域治理线路 。 1 煤组间保护 平顶山煤 田煤组 间距分别为 丁组 一 戊组平均 8 3 . O m,戊组 一己组平 均 1 8 0 . O m,己组 一庚组平 均 5 2 . O m。 综合分析各矿井煤层赋存条件,积极规划煤组 间保护层开采。比如,一矿、四矿、六矿、十矿开 采戊组煤层 , 保护丁组煤层;首山一矿、十矿三水 平开展 己组煤层保 护戊组煤层的试验研究 ;四矿 、 五矿开展开采庚组保护己组实验研究。 2 煤组内保护 平顶 山煤 田主采煤 层情况 丁组煤 有 丁 和 第 6期 平顶山矿区深部煤炭开采瓦斯防治技术研究 5 丁 两 层 ,戊组 煤有戊 、戊卟 戊 。 三层 部分 区 域为两层或三层合层 ;己组煤有 己 己 、己 三层 部分 区域为两层或三层合层 ,庚组煤仅有 庚 。 煤层 。 综合分析各矿井煤层赋存条件 ,保护层开采技 术线路如下 十二矿三水平开采 己 煤层保护 己 煤层 ;四矿 、五矿、八矿二水平 、九矿 、十矿 、十 一 矿、十二矿三水平、十三矿、首 山一矿开采 己 煤层保护己 煤层 ;四矿、六矿三水平 、八矿二 水平 、十矿开采戊。煤层保护戊 圳 煤层 ;十矿开 采己 保护 己 、己 煤层 。 3 . 2 单一突出煤层掘进工作面 区域瓦斯 防治技术 体 系 对无保护层开采的突出煤层 ,应实行分级瓦斯 治理技术。 1 鉴于丁组煤层 和庚 组煤层在现有开采 区 域瓦斯含量较低、瓦斯压力较小 ,丁组煤层 、庚组 煤层可采用走 向顺层钻孔预抽煤巷 条带煤层 瓦斯 , 但在地质构造复杂及瓦斯异常区域应强化 区域瓦斯 防治措施 ,必要 时施 工低 高 位预抽 巷治理煤 巷条带煤层瓦斯 。 2 对于瓦斯压力达到 1 . 5 M P a或瓦斯含量达 到 1 0 m / t 的戊组 煤层和 己组煤 层 ,煤 巷掘进 前 , 必须施工低 高 位 预抽巷 ,预抽煤巷条 带煤层 瓦斯 ;瓦斯压力达到 2 . 0 MP a时应采用水力冲孔 、 水力割缝 、松动爆破等卸压增透措施 ,提高瓦斯 防 治效果。如一矿三水平下延戊 圳 煤层 ,八矿二水 平己 煤层 和戊 圳 煤层 、十矿 己 煤层和戊 圳 煤 层、十二矿 三水 平 己 煤层 、十三矿 己 煤 层 、 首山一矿 己 煤层等 。 3 对于瓦斯压力小于 1 . 5 MP a 、且瓦斯含量 小于 1 0 m 。 / t 的戊组煤层 和己组煤层 ,结合煤层突 出危险性评价 ,可采用 低 高 位预抽巷预 抽煤 巷条带煤层瓦斯 ,也可采用顺层钻孔预抽煤巷条带 煤层瓦斯或区段递进式预抽 区段煤层瓦斯 ,对煤巷 掘进条带进行 区域瓦斯防治。如五矿三水平 己 煤 层、六矿三水平戊 煤层等。 3 . 3 回采工作面瓦斯防治技术体系 突出危险工作面设计采长不得超过 1 5 0 m,在 机、风巷掘进期间,分别向回采 区域施工倾向顺层 钻孔预抽 回采区段煤层瓦斯 ,钻孔间距按抽放半径 设计 ,钻孔搭接交叉长度不小于 1 0 m。 对于采 长 大于 1 5 0 m、瓦斯压 力 大于 2 . 0 M P a 的突出采煤工作面 ,除在机、风巷分别向回采区域 施工倾 向顺层钻孔预抽回采区段煤层瓦斯外 ,还应 在采面 中部施工低位预抽巷 ,采用穿层钻孔预抽回 采区段 中部煤层瓦斯 ,消除工作面中段煤与瓦斯突 出危险。 3 . 4复合灾害防治体 系 在深部回采 ,由于应力大 ,在开采扰动的作用 下 ,应力突然释放 ,会使已经按规定评价为无突出 危险的煤层 ,突然发生应力和突出叠加 的动力灾害 事故 。这种动力灾害防治重点就是应力监测和围岩 应力卸压。必须在采深超过 8 0 0 m埋深 的突出煤层 回采时,采用矿山 C T、应力在线监测 、电磁辐射 、 声发射等监测设备 ,密切监测 围岩应力状况 。一旦 出现应力异常集 中情况 ,必须采用松动爆破 、顶板 卸压等措施 ,降低围岩应力集 中程度 ,确保深部 回 采安全生产 。 4 结语 随着我国煤炭开采强度的加大和开采深度 的延 伸 ,煤矿深部开采瓦斯防治面临的一系列问题将是 我国当前和今后煤矿安全生产中的重大问题 ,必须 未雨绸缪 , 加大科技创新的力度 , 以期解决关键技术 难题 , 采用先进的技术装备 , 降低和防范深部开采带 来的风险, 实现深部煤矿安全、高效 、低成本开采。 参考文献 [ 1 ] 谢和平 ,彭苏萍,何满潮 .深部开采基础理论与工 程实践 [ M] .北京 科学出版社 ,2 0 0 6 . 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