区域瓦斯治理方案及效果分析.pdf

第 44卷 第 8 期 2018年 8 月 工矿自动化 Industry and Mine Automation Vol. 44 No. 8 Aug. 2018 文章编号671-251X201808-0019-05 DOI 10. 13272/j. issn. 1671-251x. 2018020043 区 域 瓦 斯 治 理 方 案 及 效 果 分 析 胡智芳 中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重 庆 400037 摘要 以平煤十二矿为研究对象， 针对其己15- 17220工作面由于深部开采导致突出煤层瓦斯压力大、 透 气性差、 区域瓦斯治理的消突效果不理想及煤巷掘进速度缓慢、 回采工作面接替紧张等问题， 提出了“ 穿层钻 孔 水力冲孔” 的区域瓦斯治理方案， 并对区域瓦斯治理效果进行了检验分析与指标验证， 得出如下结论 残 余瓦斯含量和压力分别降低至5. 57 m V t和 0. 40 MPa,均低于防突规定的临界值， 达到了煤矿安全开采的 防突标准； 钻屑量与钻孔瓦斯涌出初速度分别降至3. 5 kg/m 和 2. 1 8 L/min， 指标均未超标， 消除了煤层的 突出危险性； 煤巷月进尺稳步提升， 提升了 10 f， 有效缓解了工作面接替紧张问题。治理效果验证了该方案 的合理性。 关键词 煤炭开采；深部开采；应力集中；区域瓦斯治理；瓦斯消突；掩护煤巷掘进；穿层钻孔；水 力冲孔 中图分类号TD713 文献标志码 A 网络出版地址http //kns. cnki. net/kcms/detail/32. 1627. TP. 20180718. 1747. 006. html Regional gas control scheme and effect analysis HU Zhifang CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400037, China Abstract In view of problems of high gas pressure and poor permeability of outburst coal seam, unsatisfactory of outburst elimination effect of regional gas control, slow speed of coal roadway excavation and tension of working face replacement caused by deep mining on 15-17220 working face in the Twelfth 收稿日期2018-02-26 ;修回日期 2018-06-11;责任编辑 张强。 作者简介 胡智芳“984 女， 江西吉安人， 工程师， 硕士， 主要研究方向为监控技术与仪器仪表， E-mail76102459qq. com。 引用格式 胡智芳. 区域瓦斯治理方案及效果分析工矿自动化， 2018,4489-23. HU Zhifang. Regional gas control scheme and effect analysis]. Industry and Mine Automation, 2018448 19-23. 7 *李 亚 松 ， 张宏亮. 水 电 站 安 全 管 理 问 题 及 安 健 环 管 理 体 系 建 立 ）] 科 技 经 济 导 刊，20167 6 4 . [ 8 ]于 斌 ， 吴智 鹏 . 半 定 量 风 险 评 估 法 在 安 健 环 管 理 中 的 应 用 ）* 电 力 安 全 技 术，2015，1 7 7 -4 . [ 9 ]郭志 华 . 安全标准化管理体系与安健环管理体系共性 的应用）* 技 术 与 市 场 ， 2014， 211048-149. 0 ]张义 麟.大 连 大 发 供 热 有 限 公 司 安 全 管 理 案 例 研 究 [D ].大 连 大 连 理 工 大 学 ， 2015. 1] 沈 宇 ， 王 祺 . 基 于 大 数 据 的 煤 矿 安 全 监 管 联 网 平 台 设 计 与 实 现 ）] . 矿 业 安 全 与 环 保 ， 2016,4361-24. SHEN YuWANG Qi. Design and implementation of coal mine safety supervision networking plat based on big data]. Mining Safety h Environmental Protection,2016,436 21-24. [ 1 2 ] 曾 晓 辉 ， 文 成 玉 ， 陈 超 ， 等 .基 于 二 维 码 的 移 动 巡 检 新 系 统 的 设 计 与 实 现 ）].电 子 技 术 应 用 ，， 2014,409 122-125 ZENG Xiaohui , WEN Chengyu , CHEN Chao , et al. Design and implementation of a new mobile inspection system based on two-dimensional code [ R ] 7 Appl0cat0on of Electron0c Techn0que 2014 40 9 122-125. 3] 张 申 ， 赵小 虎 . 论 感 知 矿 山 物 联 网 与 矿 山 综 合 自 动 化 ] . 煤 炭 科 学 技 术 ， 2012， 4013-86. ZHANG Shen , ZHAO Xiaohu. Comments on sensory mine Internet of things and mine comprehensive autom ation]. Coal Scienceand Technology， 2012, 4013-86. 20 工 矿 自 动 化2 0 1 8 年 第 4 4 卷 Coal Mine of Pingdingshan Tianan Coal Mining Co. , Ltd. , a regional gas control scheme of “ crossing boreholes p hydraulic punching“ was proposed, and the regional gas control effect was tested and verified. The following conclusions are obtained residual gas content and pressure are reduced to 5.57 mA /t and 0.40 MPa, they are lower than threshold of outburst prevention regulation, which achieve outburst prevention standard for coal mine safety mining； drilling cuttings and borehole gas emission initial velocity respectively are reduced to 3.5 kg/m and 2.18 L/min, the indicators are not overweight, so as to eliminate outburst danger of coal seam； coal roadway excavation footage is risen every month steady with 10f , and effectively relieves problem of tension of working face replacement. The control results validate rationality of the regional gas control scheme. Key words coal mining ； deep mining ； stress concentration ； regional gas control; gas outburst elimination； covering excavating in coal roadway； crossing boreholes； hydraulic punching 〇 引言 随着矿井开采的加深， 深部矿井普遍存在地应 力较高、 瓦斯容易积聚、 煤层透气性系数较低而不易 抽采等问题[12]， 而这些问题在部分地应力集中的煤 矿显得尤为突出。瓦斯积聚与地应力集中均是造成 开采区域瓦斯含量较高的重要因素， 同时， 煤层透气 性系数较低增加了瓦斯抽采的难度， 当瓦斯积聚而 又不易抽采时， 就容易形成煤与瓦斯突出。因此， 防 治煤与瓦斯突出工作必须坚持区域防突措施先行、 局部防突措施补充的原则） 4] 区域防突措施是指 突出煤层进行采掘前， 对突出煤层较大范围采取增 加瓦斯抽采量、 降低瓦斯浓度的防突措施。区域防 突措施包括开采保护层和预抽煤层瓦斯2 类） ]， 其 中预抽煤层瓦斯又可分为地面井预抽煤层瓦斯、 井 下穿层钻孔或顺层钻孔预抽煤层瓦斯、 井下穿层钻 孔预抽石门揭煤区域瓦斯等） 8]。在井下预抽煤层 瓦斯时， 常应用水力冲孔进行局部应力释放。水力 冲孔是在具有自喷能力的煤层中打钻孔， 利用钻头 切割和压力水冲刷煤体， 激发喷孔排出碎煤和瓦斯， 释 放 突 出 潜 能 ， 以 减 少 和 消 除 突 出 危 险 性 的 措 施[911]。由于深部开采使煤层本身存在地应力集 中、 瓦斯压力较高等问题， 水力冲孔可以起到区域煤 层卸压的作用， 消除高应力瓦斯积聚的突出危险性， 同时， 采用水力冲孔手段扩展煤体裂隙， 释放煤层瓦 斯内能， 提高了煤层透气性。本文以平顶山天安煤 业股份有限公司十二矿（ 以下简称平煤十二矿） 为研 究对象， 针对平煤十二矿深部开采的特殊地质条件， 为解决己15-17220煤层原始瓦斯压力大、 瓦斯含量 高、 透气性差、 开采保护层条件不具备等问题， 提出 了“ 穿层钻孔P 水力冲孔” 掩护煤巷掘进的区域瓦斯 治理方案。治理效果证明了该方案的合理性。 1区域瓦斯治理方案 1.1 己15- 17220工作面概况 己15-17220工作面位于己七采区中部， 东邻己 七 二 期 三 条 下 山 ， 南邻己1 5 - 17200工 作 面 ， 西邻 十矿和十二矿边界线， 北部为未开采区域。工作面 标高为一606----568 m,垂深为758886 m。工作 面设计采长为150 m，可采长度为748 m，可采储量 为 51. 8 万 t， 煤 层 厚 度 为 3. 1 3. 6 m “平均为 3. 5 m 煤容重为1. 31 t/m3,煤 层 倾 角 为 1020。 “平均为12。工作面实测最大原始瓦斯含量为 4. 6414. 51 m3/t最大值为测点与开口距离752 m 处 最大原始瓦斯压力为0. 9 5 2. 7 MPa最大值 为测点与开口距离405 m 处工作面顶板为砂质 泥岩和砂岩， 底板均为砂质泥岩， 构造简单， 采用锚 网索加“ W” 钢带联合支护。西翼第2 瓦斯治理巷与 己15-17220进风巷中心的水平距离为20 m,两巷垂 直 高 度 为 17 m 左 右 ， 沿 L1 灰 岩 层 掘 进 ， 掩护 己15-17220进风巷及开切眼掘进， 并 与 西 翼 第 1 瓦 斯治理巷贯通。己15煤层位于山西组中下部， 上距 己14煤 层 817 m， 一 般 为 11 m， 煤层厚度为0. 8 5. 5 m， 平 均 煤 层 厚 度 为 3. 4 m， 一 般 厚 度 为 3 3. 7 m， 简 单 结 构 ， 煤 厚 变 异 系 数 为 10. 3f 23. 6 ， 属可采煤层。煤层间接顶板为浅灰、 灰白色 细、中粒砂岩，平 均 厚 度 为 6. 0 m，全区发育。具有 自燃倾向性， 自 然 发 火 期 为 36个 月 ， 矿井自燃危 险等级为％类自燃。煤 尘 爆 炸 指 数 为 38. 7 5 ， 具 有爆炸危险性。 由上述可知， 己1 5 - 17220工作面顶底板稳定， 且构造简单， 距开采己15煤 层 25 m 左右， 穿层钻孔 具有不易塌孔、 施工简单、 且不影响采掘面接替等优 点 ， ， 用穿层 瓦 斯 ， 由 于 2 0 1 8 年 第 8 期胡 智 芳 区 域 瓦 斯 治 理 方 案 及 效 果 分 析. 21 己1煤层原始瓦斯压力较高， 且属于深部开采， 为避 免应力集中造成煤与瓦斯突出 险性， 需对区域 进行卸压处理， 水力冲孔可通过冲刷煤体使区域内 集中 随喷出瓦斯与碎煤释放， 从而达到消突的 目的， 适用于该矿区域瓦斯治理。通过结合穿层钻 孔与水力 ， 使区 突措施既能满足 瓦斯 的工 替 ， 掩护煤巷掘进， 部 带 来的煤与瓦斯突出危险性 题 。 1 7 “ 穿层钻孔水力冲孔” 区域瓦斯治理方案 在己15- 17220工 作 面 低 抽 巷 ， 采 用 “ 穿层钻 孔水力 ” 掩护煤巷 区域瓦斯治理方案， 合设计 平面图如图1 所示。 布置为隔断 护 式施工方案， 设计 12 ， 组间距 为 6 m，所 有 钻 孔 中 1 号、2 号、11号、12号为隔断 孔 ， 号、6 号、8 号为掩护孔， 3 号、7 号、10号为冲孔 卸压孔， 5 号 、 9 号为卸压瓦斯抽采孔。首 先 ， 施工 1 号、2 号、4 号、6 号、8 号、11号 和 12 号钻孔 其中 1 号 、 2 号 帮 瓦 斯 向 巷 道 内 侧 富 集 ， 11号 、 12号 下帮瓦斯向巷 侧 富集 360 〜 660 m 冈德涊聲時 冈德 涊聲時 3. 52 〜〜 4. 84 mvr mij . 23 〜〜 〇〇.33 Mpftk hr 陕漆錄碌雜匄杏，涊陕漆錄碌雜匄杏，涊 1聲時 聲時 _ f P涊 涊一一 f f m i j宓窟 宓窟 -H 踩凇湾砘踩凇湾砘 S 一窗匆一窗匆f t ,冈德冈德 聲筇瞄缕湘漆錄米聲筇瞄缕湘漆錄米 函函6 B15I17220回萁回萁 將 將 _冈饀 冈饀 凇濉_驾邹啓 凇濉 _驾邹啓 Fig. 6 Comparison of residual gas content in area of the 15117220 return airway before and after using outburst eliminating measure K 冈德爺凇冈德爺凇 as Ji 卸，卸，K l__s 漆錄雒湘漆錄雒湘 A 2. s〜 〜5. 43 m vr 漭遄 漭遄 M 嗨竊气踩 嗨竊气踩 s竊也 竊也 1 凇凇 K as Ji s顺锊，气准菡砘顺锊，气准菡砘 SI 聲時 _碥汗 聲時 _碥汗 -H 6mvrK 漆錄雒湘宓漆錄雒湘宓 /h -H sft 。。s l t t k丁丁 II 7〇〇0 m J F米冈德將芻 米冈德將芻 T冈德爺凇。 冈德爺凇。 2 . 2 骜旅皞舔骜旅皞舔 S 2.2.1 錄錄 im碌雜伞筇 碌雜伞筇 娜冲冈德一娜冲冈德一 聲筇瞄缕湘漆錄碌雜滑冷燋笤 聲筇瞄缕湘漆錄碌雜滑冷 燋笤 函函 7驾 邻函驾邻函 7匄雄 匄雄 K , rli 15-17220描匀 描匀 壯洚 壯洚 M s 1QI8 杳到錄杳到錄 imkp 錄凇錄凇 K詠茚二 詠茚二 J5难米铒踩凇 难米铒踩凇 as KyfsLsaK 君银君银 JtAps 〜〜2. 18 L / m i n,书 ,书 so. 5 9 L/m i n ;* I1 T S_1. 9 〜〜3. 5 k g / m,书甚 ,书甚 2. 79 kg/nu F gs ss9 嫩嫩 Kwr /一 碌雜一窗匆一 碌雜一窗匆f t A 6 k g / m ,瑢 瑢L l a K君银砘一窗挪君银砘一窗挪 ft也竊 也竊 S猶姊牵 猶姊牵 VI 4淋， 淋，K笃笃 _ S 一 窗匆 一 窗匆 ft A 5. 0 L / m i n ,册一 册一tt錄 錄 ip 碌雜宓米碌雜宓米 KJIm ti JI 鄉，鄉， 一一聲涟米鉗浬钿蜥缕湘。聲涟米鉗浬钿蜥缕湘。 I 函函7 S M- 冈饀冈饀 ls 漆瞄缕湘琢餵碟郭滑冷毋雜漆瞄缕湘琢餵碟郭滑冷毋雜 Fig. 7 Maximum test index change curve of region gas control effect 2. 2. 2a ffi Ml ai lfaK1f 荽荽 01 15- 17220 描匀 描匀 a ffi Ml ai ,m ffi Ka 1.4 m ，，s眾眾 m ,丨涔卟萆到鉗嫌， 丨涔卟萆到鉗嫌， s卸 卸 9 有有 輝 輝 . 17 〜〜 . 54, 书甚书甚 〇〇.24 次，饀次，饀 k 〇〇.4s {x3,米 米 a K 袖袖 2. 2. 3 描 描 KS荽 荽 壯壯 i -f 溪斗溪斗 3 - 加描 - 加描 K 燁瓏，燁瓏，M i -f ffi K 311 m, ffi 雜雜 3 - 加描 - 加描 K 渔渔 1 〇〇0 m . 1 0 1 m 菩菩 110 m, N _ 加描加描l s m 7 J C卡。卡。 溪斗燁瓏匄杏，掛冈德一聲漆 溪斗燁瓏匄杏，掛冈德一 聲漆 许许 1缕丧 缕丧s蜥諷鲥。蜥諷鲥。 2.3私溶 私溶 3离 离 7JC菩 菩LMI ai fp7jcij菩 菩L 卸卸 劼 劼 * 録録U I鄉，鄉， 22hII 2 0 1 8 漱 漱 44 _ 2 0 1 8 年 第 8 期胡 智 芳 区 域 瓦 斯 治 理 方 案 及 效 果 分 析 23 尤其是水力冲孔完成后的喷孔， 仍是一个防治重点。 并且， 存在压裂泵不能满足多台钻机同时冲孔、 冲孔 参数需要进一步优化等问题。 3结论 1通过分析平煤十二矿深部开采区域瓦斯治 理存在的问题， 确定了己1-17220工作面低抽巷区 域瓦斯治理的方案， 并对区域瓦斯治理的效果进行 了分析。残余瓦斯含量和残余瓦斯压力分别降低至 5. 5 7 m3/t 和 0. 4 0 MPa以下， 均低于 河南省煤矿 防治煤与瓦斯突出十项措施 规定的防突规定的临 界值， 达到了煤矿安全开采的防突标准； 同时钻屑量 与 钻 孔 瓦 斯 涌 出 初 速 度 分 别 降 至 3. 5 kg/m 和 2. 1 8 L/min以下， 各项检验指标均未出现异常， 并 且煤巷月进尺提高了 10f，有效缓解了工作面接替 紧张， 为煤巷安全、 快速掘进提供了保障， 验证了“ 穿 层钻孔 水力冲孔” 的区域瓦斯治理方案的合理性。 “ 水力冲孔能显著降低区域残余瓦斯含量， 尤其对深部矿井低透气煤层的消突作用显著， 具有 较好的应用前景。 参 考 文 献 （ References 1 *胡 社 荣 ， 戚 春 前 ， 赵 胜 利 ， 等. 我 国 深 部 矿 井 分 类 及 其 临 界 深 度 探 讨 [ R ] .煤 炭 科 学 技 术，2010, 38 7 10-13. HU Sherong， QI Chunqian， ZHAO Shengli， et al. Discussion on China deep mine classification and critical depth]. Coal Science and Technology ,2010， 38710-13. [ 2] 袁瑞 甫 . 深 部 矿 井 冲 击 - 突 出 复 合 动 力 灾 害 的 特 点 及 防治技术 [J].煤 炭 科 学 技 术，2013,41 86-10. YUAN Ruifu. Features of dynamic disasters combined rock burst and gas outburst in deep coal mine and its preventive measures [J]. Coal Science and Technology, 2013,4 1 8 6-10. [ 3] 国家安全生产监督管理总局. 防治煤与瓦斯突出规定 [M ].北 京 煤 炭 工 业 出 版 社 ， 2017. [ ]程 远 平 ， 俞 启 香 . 中 国 煤 矿 区 域 性 瓦 斯 治 理 技 术 的 发 展 [J].采 矿 与 安 全 工 程 学 报，2007,244 383-390. CHENG Yuanping， YU Qixiang. Development of regional gas control technology for Chinese coal mines [J]. Journal of Mining h Safety Engineering， 2007， 244 383-390. [ 5] 于不凡. 煤 矿 瓦 斯 灾 害 防 治 及 利 用 技 术 手 册 [M ].修 订 版 .北 京 煤 炭 工 业 出 版 社 ， 2005. [ 6] 俞 启 香 . 矿 井 瓦 斯 防 治 [ M ] .北 京 煤 炭 工 业 出 版 19927 [7 ]张 明 杰 ， 滑 俊 杰 ， 华 敬 涛 . 单一煤层底板巷穿层钻孔预 抽 煤 巷 瓦 斯 条 带 区 域 防 突 技 术 [ J ].煤 矿 安 全 ， 2011， 426 30-32. ZHANG Mingjie， HUA Junjie， HUA Jingtao. Regional against outburst technique by pre-drainging gas by penetration drainage boreholes in single coal seam floor drift [J ]. Safety in Coal Mines， 2011， 426 30-32. [ 8] 余 陶 . 低透气性煤层穿层钻孔区域预抽瓦斯消突技术 研 究 [D ].合 肥安 黴 建 筑 工 业 学 院，2010. [ 9] 刘 明 举 ， 任 培 良 ， 刘 彦 伟 ， 等 .水 力 冲 孔 防 突 措 施 的 破 煤 理 论 分 析 [ J ] .河 南 理 工 大 学 学 报 （ 自 然 科 学 版 ） ， 2009,282142-145. LIU Mingju， REN Peiliang , LIU Yanwii， et al. The theoretical analysis of coal breaking in hydraulic punching prevention measures [J]. Journal of Henan Polytechnic University Natural Science Edition 2009,282 142-145. [ 0] 王 稳 飞 . 水 力 冲 孔 卸 压 增 透 区 域 消 突 技 术 应 用 [ J ] .中 州 煤 炭，201635-7. WANG Wenfti. Application of outburst prevention technology by hydraulic ing with pressure-relief and improving permeability [ J ]. Zhongzhou Coal， 201635-7. [ 1] 徐 东 方 ， 黄 渊 跃 ， 罗 治 顺 ， 等 .底 板 巷 水 力 冲 孔 卸 压 增 透 技 术 的 研 究 与 应 用 [J ].煤 炭 科 学 技 术，2013, 412 42-44. XU Dongfang， HUANG Yuanyue，LUO Zhishun， et al. Research and application of hydraulic punching and pressure relief and permeability increasing technology in floor roadway [J ]. Coal Science and Technology 2013 1 2 2 - . [ 2] 杨 宏 民 ， 王 兆 丰 ， 王 松 ， 等 . 预 抽 煤 层 瓦 斯 区 域 防 突 效 果 检 验 指 标 临 界 值 研 究 [ J ] . 中 国 安 全 科 学 学 报 ， 2011,215 114-118. YANG Hongmin WANG Zhaofeng WANG Song et al. Study on critical value of outburst effect inspection index in case of regional gas predrainage [J]. China Safety Science Journal， 2011， 21 5 114-118.