新型井下负压抽采煤层瓦斯技术的研究与应用.pdf

新 型 井 下负 压 抽 采 煤层 瓦 斯 技 术的 研究 与 应 用 梁连峰 内蒙古煤炭科学研究院有限责任公司， 内蒙古 呼和浩特 0 1 0 0 1 0 摘要 为解决某煤生产过程中煤层瓦斯含量高的难题， 提出了新型井下负压抽采煤层瓦斯的新技术。对该技术进行了详细的 分析以及对注浆材料的性能进行了测试， 并通过 F L A C 2 D数值模拟确定了理论的封孔长度， 在 N 2 2 0 2工作面进行了现场试验 ， 验证了 该技术的可行性。为高瓦斯矿井实现边采边抽和解决矿井瓦斯隐患提出了很好的解决方式。 关键词 瓦斯 ； F L A C 2 D数值模拟 ； 封孔技术； 注浆材料 中图分类号 1 7 4 0 6 ． 3 ； T D 7 1 2 ． 6 文献标志码 B 文章编号 1 0 0 8- 0 1 5 5 2 0 1 5 l l - 0 1 2 40 2 煤矿瓦斯灾害的防治 ， 一直是我 国煤 炭工业发展 中亟待解决的重大问题。近年来， 通过加大通风量， 优 化巷道布置体系等措施， 在一定程度上对瓦斯灾害事 故起到了控制作用 ， 但并没从根本上 经济有效的治理 瓦斯灾害事故。 在不断的生产实践和瓦斯灾害的治理过程中， “ 先 抽后采、 能抽尽抽、 以用促抽” 的思想成为 2 1 世纪高瓦 斯矿井开采的重要指导方针， 瓦斯抽采技术也成为治 理瓦斯灾害问题的有效手段。 1工作 面概 况 某矿为高瓦斯矿井 ， 自试生 产以来矿井瓦斯 涌出 量逐年增大， 2 0 1 2年矿井绝对瓦斯涌出量达到 1 8 3 ． 1 8 m ／ mi n ， 2 0 1 3年 矿 井 绝 对 瓦 斯 涌 出量 达 到 1 9 6 ． 3 3 m ／ m i n ， 2 0 1 4 年 矿 井 绝 对 瓦 斯 涌 出量 达 到 2 2 4 ． 6 3 m ／ m i n 。针对矿井瓦斯 含量高 的问题 ， N 2 2 0 2工 作 面开拓有专用瓦斯回风巷 ， N 2 2 0 2工作面 平面布置 示 意图如图 l 所示 。 采取专用瓦斯 回风巷 布置后 ， 巷道 回风瓦斯含 量 依旧较高， 风流量较大， 对工作面及顺槽内作业带来了 一 定的困难和安全隐患， 因此决定采用瓦斯抽采技术 来对工作面瓦斯进行预抽处理 ， 从 而降低工作面 的瓦 斯含量 。 图 1 N 2 2 0 2工作 面平面示意图 2新型负压抽采技术 2 ． 1封 孔 长度 的确 定 负压抽采煤层瓦斯效果的好坏除 了煤层本身因素 以外 ， 主要取决于封孔工艺的优 良。在巷道开掘后 ， 巷 道周围煤体受到采动作业的影响， 内部裂隙逐渐发育， 在巷道的两帮形成 了松动圈 ， 因此 ， 准确掌握 周围围岩 中的应力分布规律， 是确定封孔深度的关键所在。针 对某矿 N 2 2 0 2 工作面的情况， 应用 F L A C 2 D数值模拟 的方法首先确定巷道开挖后的影响范围， 为确定合理 收稿日期 2 0 1 5～0 81 3 1 2 4 的封孔深度作为依据。巷道围岩的力学特性参数如表 1所示 ， 数值模拟结果垂直应力云图如图 2所示。 表 1 巷道 围岩的力学特性参数 厚度 体积模量 剪切模量 密度 摩擦角 内聚力 位置 ／ m ／ G P a ， e P a ／ k g ． m一 ／ 。 ／ M P a 老顶 2 5 1 4 ． 8 1 0 ． 8 2 8 0 o 3 4 3 2 ． 9 直接顶 8 4 ． 4 1 ． 5 2 5 0 o 2 6 6 ． 5 煤层 l 5 3 ． 3 0 ． 7 l 1 3 5 0 2 5 1 ． 8 直接底 l 5 l 6 ． 5 l 2 ． 4 2 7 5 0 3 8 2 ． 8 I I _峰前应力升高 区； I V 一 原岩应力区 圉2 巷道周围垂直应力分布云图 从图中可以看出理论上的最小封孔深度为应力云 图 中的应力峰值 点处 的距离 ， 根据该矿 N 2 2 0 2工作面 地质条件， 模拟结果峰值处为 1 0 m左右的位置。 2 ． 2新型封 孔技 术 针对 目前抽采钻孔封孔效果差以及封孔成本高的 问题 ， 设计出一种快速高效 的封孔工 艺。新型 封孔工 艺示意图如图 3所 示。该封孔工艺 的封 孔步骤 为 通 过注浆管注入浆液 ， 随着浆液的注入 ， 靠近孔 口端的封 孔囊袋就会膨胀而把孔 口封住； 随着浆液的继续注入 ， 压力的升高使得爆破 阀破裂 ， 浆液将流入后部 的封孔 囊袋中， 以及2个封孔囊袋中间部分， 从而完成了孔口 段的快速高效封孔。 ； 抽 母 瞥； ＼ 、 一 一 一__ 二 ￡ I 二 l_ I 二 王 - - - - - 一 j - - J - r - 一7 ． ． ． l ‘⋯ { ⋯⋯ 一 ． 一 。 。 ⋯ 。 。 。 、。 * _ 图 3 新型封孔 工艺 示意图 2 ． 3新型封孔材料 当注浆封 孔完毕后 ， 注浆封 孔效果示 意图如 图 4 所示。由于2个封孔囊袋间的注浆段煤壁中存在大量 的裂隙， 所 以注浆材料的好坏直接影响封孔的质量。 因此特意研发了一种膨胀率高、 成本低的无机复合封 孔材料， 该材料的膨胀率和体积变化曲线如图 5所示， 从图中可 以看 出该 种 材料 的膨 胀 反 应 时 间 为 1 5 4 5 ra i n ， 开放空间内膨胀率达到 5 0 ％， 凝结后的最终抗 压强度能够达到 6 MP a以上。 J g ＼ 图 4注浆封孔效果示意 图 时IlH J ／ r a i n 图5 膨胀率和体积变化曲线 3现场数据分析 在 N 2 2 0 2工作面顺槽中选取 3组个 点进行现场试 验， 并且对一个月的抽采数据进行统计， 如图 6所示， 从图中可 以看 出， 传 统的封孔抽采技 术的瓦斯浓度 曲 线 1 平均值在 2 4 ％左右波动， 而采用新型封孔抽采技 术以后， 瓦斯浓度曲线2平均值在 5 5 ％左右波动， 可见 新型封孔技术对于提高瓦斯抽采浓度有很好的效果， 也进一步验证 了新型封孔技术封孔质 量好 ， 对煤层 瓦 斯抽采效率高。 l 7 0 } 一⋯一 瓦斯浓度l } ． ／ ～ ＼ ’ 、 5 o ／～ ＼ ’ 、 4 0 卜 } 3 0 } } 2 0 L． ／ 十 、 广 1 0} 7 9 l 1 1 3 l 5 l 7 l 9 2l 2 3 2 5 27 2 9 3 l 抽采日期 新 旧封孔技 术瓦斯浓 度对比 4结论 为了预防矿井生产过程中的瓦斯灾害事故， 需要 对煤层进行瓦斯抽采措施， 而传统的封孔工艺存在效 率低 、 封孔质量差等缺点， 特提出 了一种新型的封孔工 艺和与之配套的封孔材料 ， 并在某矿 N 2 2 0 2工作面进行 了现场工业性试验， 通过应用该技术前后的瓦斯抽采浓 度对比， 可知该封孔技术对封孔质量的提高起到了很大 作用， 且封孔效率高， 有着很好的应用推广前景。 参考文献 [ 1 ] 王魁军， 张兴华． 中国煤矿瓦斯抽采技术发展现状与前 景[ J ] ． 中国煤层气 ， 2 0 0 6 ， 3 1 l 31 7 ． 、 [ 2 ] 龙伍见． 我国煤矿低浓度瓦斯利用技术研究现状及前 景展望[ J ] ． 矿业安全与保， 2 0 1 0 ， 3 7 4 7 4 7 7 ． [ 3 ] 程远平， 等． 中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[ J ] ． 采矿与 安全工程报， 2 0 0 9 ， 2 6 2 1 2 71 2 9 ． [ 4 ] 陈静， 刘勇． E M M WD系统无线传输技术探讨[ J ] ． 电 子测量技术， 2 0 0 9 ， 3 2 1 O 4 7 ． [ 5 ] 胡超， 等． 随钻地质导向系统在广安构造的应用评价 [ J ] ． 钻采工艺， 2 0 0 8 ， 7 3 4 3 6 ． 责任编辑 陈文明 上 接第 1 2 3页 会引发整机磨头部分的弯曲或者发生平衡振动的情 况， 当砂轮发生明显的平衡振动情况时， 将会直接对磨 床加工的精度造成不利影响。而在磨床后期的模态振 型逐渐提高， 此时的床身位移振幅变大， 振型稳定， 加 工过程也会更为精确。由此看来， 在进行磨床的应用 过程中， 床身以及立柱的结合面是对磨床的加工精度 产生重要影响的一个因素， 在进行磨床的结构优化过 程中需要予以重视 。 3 ． 2结构优 化 由于磨床的结构复杂 ， 因此想要对磨 床整机的各 部分参数都进行结构优化是很困难的， 因此， 通常在优 化磨床的结构时， 有选择性的对重要的零部件结构进 行优化， 继而达到整机集成优化的效果 ] 。在对磨床 整机的各部分进行结构优化时， 需要注意， 要保持各部 件的前几阶固有频率值差距明显， 避免各部分的值过 于接近， 若各部件的固有频率过分相近， 就会在与外界 激励相同的情况下， 引发整机的更大震动， 使加工精度 受到影响， 因此， 在进行磨床的结构优化时， 需充分的 把握好模态分离工作。 4结束语 机械制造业是国民经济的支柱性产业之一， 机床 加工更是机械 制造业的基础 组成部分 ， 加强磨床的使 用性能 ， 对我国的工业科技发展具有十分关键 的作用 ， 因此加深对新型多功能数控磨床的动态特性研究， 加 快对其结构的优化进程， 才能够更好地促进我国机械 制造产业向更高更强化发展， 实现经济效益的提升。 参考文献 [ 1 ] 刘振兴． 多功能数 控磨床 动态特性研究 与结构 优化 [ J ] ． 湘潭大学， 2 0 1 3 ， 0 1 1 1 1 5 6 ． [ 2 ] 米洁， 等． 基于结合面的高精度数控磨床动态特性[ J ] ． 机械设计与研究， 2 0 1 5 ， 0 1 0 6 9 3 9 5 ． [ 3 ] 米洁， 等． 数控立式磨床关键部件结构设计及动态特性 分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 3 ， 1 7 1 7 2 4 2 7 ． [ 4 ] 张高峰， 等． 多功能数控磨床立柱动态特性分析[ J ] ． 机 械制造， 2 0 1 3 ， 1 2 0 4 1 31 5 ． [ 5 ] 郭春星， 等． 磨床床身结构优化设计[ J ] ． 机械设计与研 究 ， 2 0 l 0 ， o 5 1 7 1 04 1 0 7 ． [ 6 ] 曾亚平， 等． 磨床床身结构分析与优化设计[ J ] ． 现代制 造工程， 2 0 1 1 ， 0 7 0 3 1 1 81 2 1 ． 责任编辑 陈文明 1 25 女 v趟璐