无煤柱错层位巷道布置煤与瓦斯共采技术研究_贺永平.pdf

无煤柱错层位巷道布置煤与瓦斯共采技术研究 贺 永 平 （山西汾西矿业集团安监局 ，山西 晋中 032000 ） 摘要 针对宏岩煤矿 2 煤层煤与瓦斯突出严重， 本文提出了对 2 煤下方 8 煤层采用无煤柱错层 位巷道布置煤与瓦斯共采技术， 该技术主要通过分析合理设计 8 煤层开采方法， 从而对 2 煤层完成 全卸压， 并在卸压后采用地面钻孔瓦斯抽采法， 对 2 煤层瓦斯进行抽采， 以此保证 2 煤层回采时的 安全可靠性。 通过分析最终确定了 8 煤层采用无煤柱错层位巷道布置工作面， 相关工艺参数为 工作 面长度 128m， 日推进速度 4.5m。 关键词 错层位巷道布置 ； 煤与瓦斯共采 ； 地面钻孔瓦斯抽采法 中图分类号 TD712.6文献标志码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 01- 0151- 04 Study on coal and gas co - mining in staggered roadway HE Yongping （Shanxi Minxi MiningGroup SafetySupervision Bureau , Jinzhong 032000 , China ） Abstract In view of the macro rock coal 2 coal seam of coal and gas outburst is serious, this paper puts forward the 2 coal 8 coal seam under nowronglayer a roadwaylayout ofcoal and gas coal pillar mining technology, the technology is mainly based on the analysis ofthe rea- sonable design of8 coal bed mining, soas tocomplete the whole pressure reliefon 2 coal seam, and the ground borehole after pres- sure reliefgas extraction , extraction of2 coal seam gas to ensure the safety and reliability ofthe 2 coal seam mining.Through analy- sis, it is finally determined that no. 8coal seam adopts coal pillar free cross- bedding roadway layout, and the relevant technological parame- ters are the length ofworkingface is 125m, and the dailypropulsion speed is 4.2m. Keywords cross- beddingroadwaylayout ; Co- miningofcoal and gas ; Ground drillinggas xtraction 1工程背景 山西离柳焦煤集团有限公司宏岩煤矿主采 2 煤与 8 煤层， 其中 2 煤层平均厚度为 4.0m， 煤层 倾角为 3， 8 号煤层在 2 煤层下方，平均厚度为 5m， 煤 层 倾 角 为 5 。 2 煤 层 瓦 斯 含 量 为 32.410m3/t， 局部瓦斯压力可高达 1.30MPa， 属于瓦 斯难抽采煤层， 8 煤层瓦斯含量为 7.13m3/t,瓦斯平 均压力为 0.25MPa， 属于低瓦斯易抽采煤层， 两煤层 层间距为 50m。该矿曾布置 150m 回采工作面对 2 煤进行回采， 在工作面回采巷道掘进以及工作面回 采过程中， 发生多次煤与瓦斯突出事故， 只能被迫 停止回采工作， 为了安全回采 2 煤层， 需要提前对 2 煤层进行瓦斯抽采，所以将下方 8 煤层设计为 保护层进行先行开采， 8 煤层采用综放工作面， 并 通过对 8 煤进行错位层巷道布置， 达到对 2 煤层 进行卸压并完成瓦斯抽放工作， 来实现安全高效回 采两层煤层的目的。 2错层位巷道布置开采技术 2.1错层位巷道布置上覆岩层裂隙发育特点 错层位巷道首采综放工作面与一次采全高回 采工作面上覆岩层横纵裂隙发育特点相似[1],如图 1 （a ） 所示， 在首采工作面过后， 在采空区上方两侧 出现 “环形裂隙圈” ， 并在采空区中部上方出现了离 层区。 图 1 （b） 为错层位巷道首采工作面采空区上覆 岩层横向裂隙发育状态图， 可以看出采空区上覆岩 层呈 “O” 型破坏形式。 （a）纵向裂隙 （b）横向裂隙 图 1错层位巷道布置首采工作面采空区上覆岩层 裂隙发育图 通过图 1 分析可知， 瓦斯抽放重点区域应为采 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 151 ChaoXing 空区上方两侧的 “环形裂隙圈” 、 采空区中部上方离 层区以及采空区所形成的 “O” 型区域四周所聚集瓦 斯的部位。 错层位巷道布置的工作面与传统留煤柱回采 工作面在回采后上覆岩层的破坏、 垮落以及运移有 所差别， 所以在错层位巷道首采工作面回采完成并 进行无煤柱搭接后续工作面后， 需要对整个无煤柱 搭接连续工作面上覆岩层的破坏形式进行综合考 虑， 如图 2 所示。 （a） 纵向裂隙 （b） 横向裂隙 图 2错层位巷道布置接续工作面采空区上覆岩层 裂隙发育图 对比传统留煤柱回采工作面，无煤柱错层位巷 道布置的工作面在一个工作面回采完成后， 紧接的续 工作面回采期间上一工作面上覆岩层与续回采工作 面对接处所形成的环形裂隙圈消失， 其原因是上覆岩 运移破坏后环形裂隙圈被逐渐压实[2]， 并在开采范围 上覆岩层两侧重新形成了环形裂隙圈， 如图 2 （a ） 所 示。 还可以看出无煤柱搭接工作面中每个续工作面开 采后上覆岩层的中部离层区与上一个工作面的离层 区形成了贯通，最后形成了一个更大的瓦斯聚集区 域， 这对瓦斯抽采提供了更有利的条件。另外， 对于 采空区上覆岩层垮落形式， 错层位巷道布置无煤柱首 采工作面开采后， 上覆岩层垮落呈 “O” 型破坏形态， 这与传统留煤柱工作面开采后破坏形式相同， 但错层 位巷道布置无煤柱续工作面开采后， 随着续工作面不 断推进， 采空区上覆岩层垮落带与上一工作面垮落带 逐渐形成一个整体结构，最后呈现 O- L- O 型破坏形 态， 如图 2 （b ） 所示， 而传统留煤柱续工作面采空区上 覆岩层仍然呈独立的 “O“ 型破坏形态。整体看来， 无 煤柱错层位巷道连续多个工作面开采后上覆岩层的 破坏形式最后形成了单一工作面的破坏特点， 这进一 步为瓦斯抽采系统的有效布置提供了方便。 2.2错层位开采瓦斯抽采系统 针对错层位无煤柱搭接工作面， 设计了地面钻 孔抽采瓦斯法[3]， 此方法是通过从地面直接向目标 区域打 300～450mm 直径的钻孔， 并运用钻孔直接对 采空区以及上覆卸压煤层裂隙带进行瓦斯抽采， 本 文运用此方法针对保护煤层 （8 煤层） 采空区以及 被保护煤层 （2 煤层） 裂隙带进行瓦斯抽取， 以达到 安全回采 2 煤层的目的。 由前文分析可知，错层位巷道布置首采工作面 采空区上覆岩层呈 “O” 型破坏， 当进行连续工作面开 采后， 采空区上覆岩层整体呈 “O- L- O” 型破坏特征， 根据分析， 确定地面钻孔位置。根据首采工作面上覆 岩层环形裂隙圈发育特点， 将钻孔布置在距首采工作 面回风巷 1/2L- 1/3L 处， 这样首采工作面 “O” 型破坏 范围内流动的瓦斯可被直接抽采。在续工作面开采 后， 破坏裂隙范围呈 “L- O” 型继续发育， 所以首采工 作面布置的钻孔可继续对续工作面破坏裂隙内的瓦 斯进行抽取， 相对于传统留设煤柱工作面每采一个面 都需要布置一次抽采钻孔， 无煤柱错层位布置巷道工 作面大大节省了钻孔工程量。 3工程应用 3.18 煤层回采设计 为了保证 2 煤层瓦斯能够得到充分排放， 首 先得保证 2 煤层能够得到充分卸压，所以需要对 8 煤工作面回采布置进行设计， 根据前文所述的无 煤柱错层位巷道布置工作面以及 8 煤层具有一定 倾角等实际情况，对 8 煤层采用无煤柱错层位巷 道布置工作面设计。对于倾斜煤层， 无煤柱错层位 巷道布置工作面相对于传统留煤柱工作面开采具 有以下优点。 1） 卸压范围。 传统留煤柱开采方式，由于留有煤柱的关系， 工作面上覆岩层出现卸压区 - 未卸压区 - 卸压区 交替变化的结果，这种情况一方面会造成 2 煤层 内瓦斯残留以至于抽取不充分的隐患， 另一方面还 会对 2 煤工作面布置以及推进造成影响。无煤柱 错层位巷道布置工作面上覆岩层卸压情况， 在首采 工作面回采后， 上覆岩层卸压情况与传统工作面没 有区别，采空区上覆岩层两侧都存在卸压边界， 但 是当续工作面回采后， 由于无煤柱错层位巷道布置 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 152 ChaoXing 工作面的特殊性， 首采工作面采空区上覆岩层原卸 压边界消失， 并与续工作面上覆岩层卸压区形成一 个整体，且在续工作面另一侧重新生成卸压边界， 这样使 2 煤层内形成了连续的卸压范围，对瓦斯 的抽采以及工作面推进起到了积极的作用。 2） 巷道工程量。 利用煤层倾角以及相互搭接巷道的优势， 在首 采工作面回采完后，对其进风巷进行完整保留， 这 样可以使续工作面两条巷道都可用来进风， 污风可 从首采工作面保留的进风巷排出， 对比传统留煤柱 工作面，这样既充分保证了续工作面的通风量， 还 大大减少了开采 8 煤层所需的巷道工程量。 3.28 煤层工作面工艺参数设计 由于 8 煤回采不仅仅需要考虑 2 煤层的瓦斯 排放， 8 煤工作面本身回采也存在瓦斯涌出问题， 所 以 8 煤层工作面回采工艺参数涉及两层煤瓦斯排放 问题， 由于 2 煤层已经布置了瓦斯抽采系统， 所以设 计的工艺参数以利于 2 煤层瓦斯涌出为主， 而 8 煤 层正在回采，所以设计的工艺参数还要考虑以降低 8 煤层瓦斯涌出量为主。 根据相关文献[4]可知， 综放 工作面瓦斯涌出量主要跟煤炭产出量有关， 而煤炭产 量又与工作面推进速度以及工作面长度有关， 所以主 要对这两方面参数进行分析及确定。 3.2.1工作面日产量对瓦斯涌出量的影响 通过现场实测，得出 8 煤层工作面日产量与 8 煤层瓦斯涌出量的关系如图 3 所示， 从图中可以 看出， 当日产量小于 7500t 时， 瓦斯涌出量随着工作 面日产量的增加呈上升趋势，而当日产量 在 7500t～11000t 之间时，瓦斯涌出量主要保持在 24～25m3/min 之间， 当日产量大于 11000t 时， 瓦斯涌 出量随着日产量的增加呈下降趋势。 图 3工作面日产量与瓦斯涌出量关系 3.2.2推进速度对临层瓦斯涌出量的影响 通过固定 8 煤层工作面长度， 改变 8 煤层工 作面推进速度， 并对 2 煤层瓦斯涌出量进行监测， 得到了 8 煤层工作面推进速度与 2 煤层瓦斯涌 出量的关系如图 4 所示。 由图可以看出，当推进速度小于 3.3m/d 时， 随 着推进速度的增加， 2 煤层瓦斯涌出量呈增加趋 势，当推进速度在 3.3～5.4m/d 时，瓦斯涌出量在 155～160m3/min 之间， 当推进速度大于 5.4m/d 时， 随 着推进速度的增加， 瓦斯涌出量呈递减趋势。 图 4工作面推进速度与邻近工作面瓦斯涌出量关系 综合上述分析，在保证正在回采的 8 煤层瓦 斯涌出量尽可能小以及 2 煤层瓦斯涌出量尽可能 大的前提下， 确定 8 煤层日推进速度为 4.5m， 并通 过日产量与推进速度之间的计算，确定 8 煤层工 作面长度为 128m。 4结 论 1） 分析了错层位巷道布置无煤柱搭接工作面采 空区上覆岩层破坏特点，在首采工作面开采完后， 采空区上覆岩层横向裂隙呈 “O” 型破坏特征， 在续 工作面开采完后， 首采工作面与续工作面上覆岩层 破坏裂隙贯通， 环形裂隙圈以及中部离层区呈一体 结构， 采空区上覆岩层横向裂隙整体呈 “O- L- O” 型 破坏特征。 2）针对无煤柱错层位巷道布置搭接工作面， 设 计了地面钻孔抽采瓦斯法，实现了 8 煤层以及 2 煤层煤与瓦斯同采的要求。 3） 运用错层位巷道布置技术原理对工程实例 进行了运用，针对宏岩煤矿 8 煤实施了无煤柱错 层位巷道布置工作面设计，并通过实测瓦斯涌出 量， 确定了工作面工艺参数 日推进速度为 4.5m， 工 作面长度为 128m。 参考文献 [1] 程远平,俞启香,袁亮.上覆远程卸压岩体移动特性与瓦斯 抽采技术[J].辽宁工程技术大学学报,2003 （04） 483- 486. [2] 程远平,俞启香,袁亮,李平,刘永庆,童云飞.煤与远程卸压 瓦斯安全高效共采试验研究[J].中国矿业大学学报,2004 （02） 8- 12. （下转第 156 页） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 153 ChaoXing （上接第 153 页） [3] 俞启香,程远平,蒋承林,周世宁.高瓦斯特厚煤层煤与卸 压瓦斯共采原理及实践[J].中国矿业大学学报,2004 （02） 3- 7 [4] 常中保. 无煤柱开采保护层覆岩裂隙发育及瓦斯抽采技 术[D].中国矿业大学 （北京） ,2015. 作者简介 贺永平（1967.4.23-） , 男, 现就职于山西汾西矿业集团 安监局, 中级工程师。 （收稿日期 2019- 9- 2） 煤矿现代化2020 年第 1 期总第 154 期 KJ251- F8 型矿用定位分站可挂接多个主、辅读 卡器， 能对下级智能设备等进行连续监测， 具有信号 采集和通讯功能， 通过工业以太网能及时将监测到的 人员精确位置信息封包传送到地面中心站， 并转发中 心站发出的各种命令。具有数据采集、 存储、 处理、 显 示、 红外遥控及远距离通讯等功能， 中断情况下可存 储信息不少于 4000 条信息。 4.3KGE116D 型精确定位标识卡 定位卡基于煤矿井下传输特性好、衰减小的 2.4GHz的载波频段； 采用一次性电池供电， 是一种有 源射频识别卡。 整个电路设计为本质安全型。 该定位 卡功率发射功率低， 对人体无害； 天线增益高， 实现信 号的较远距离传输； 工作平均电流低， 可实现电池工 作寿命长； 采用有效的防碰撞算法， 能够瞬间识别多 张标识卡。 4.4KJ251- WY 唯一性检测装置 由于传统检卡考勤装置不能彻底杜绝不带卡、 携 带坏卡入井现象； 更严重的是， 部分人员为了增加考 勤数量， 造成多带卡、 替代卡现象普遍存在， 导致井下 人员数量统计不准确， 入井人员身份信息存有差错。 该装置采用先进的身份识别技术、 短距离快速测 试技术及拥有专利的唯一性检测算法， 加强出入井人 员携卡管理， 满足 AQ6210- 2007 和 AQ1048- 2007 对 出入井人员验卡及携卡唯一性检测要求。通过出、 入 井人员自动逐一检测， 实现了其身份核对确认； 准确 判断是否携带标识卡、 标识卡是否完好及欠压； 准确 检测入井人员携卡数量， 发现多带卡则立即进行声光 提示， 并实时记录。整个过程检测准确、 快速高效、 显 示直观、 无行为约束及人工干预， 彻底解决了虹膜识 别速度慢、 不直观、 对人员行为约束性强的应用难题， 实现了出入井人员快速验卡、 准确统计及身份确认。 5总结 对山西潞安集团左权阜生煤矿井下人员精确定 位系统进行了分析研究， 分析了系统的架构分析和系 统工作原理， 阐述了系统的主要功能特点， 对系统的 关系设备性能和功能进行了说明。 该系统能满足左权 阜生煤矿井下人员实时跟踪管理的需求， 可以在灾害 发生时快速的做出有效的应争措施。 参考文献 [1] 翟强,杨福禹,杜中庆,刘勇.基于 ZigBee/TOF 技术 KJ742 型胶轮车调度指挥管理系统研发与应用[J].煤矿现代化, 201704106- 107112. [2] 程志宇,方召,郭延民,蔡文涛,焦彦辉.常村煤矿防冲击地 压区域人员定位预警系统的开发和应用[J].能源技术与 管理,2015,4001164- 165180. [3] 孙嘉龙. 浅谈煤矿井下人员位置监测与管理系统在潞安 集团公司的应用[J].煤,2010,19S15- 6. 作者简介 王云平，男， 1987 年 8 月 28 日出生。山西省孝义市人, 2011 年 7 月毕业于太原理工大学阳泉学院，电气工程及其 自动化专业， 本科。2011 年 7 月至今， 在山西潞安集团左权 阜生煤业工作, 部长助理， 助理工程师，研究方向 煤矿安全 监控及人员定位系统的应用。 （收稿日期 2018- 12- 6） 156 ChaoXing