近距离保护层开采瓦斯治理技术.pdf

第37卷第11期 煤 炭 科 学 技 术 Vol137 No111 2009年11月Coal Science and TechnologyNov . 2009 近距离保护层开采瓦斯治理技术 袁东升,张子敏 河南理工大学 安全科学与工程学院,河南 焦作 454000 摘 要应用瓦斯防治、流动及保护层开采理论,分析、研究了近距离保护层开采期间的煤层瓦斯 流动和涌出规律,结合平煤天安有限责任公司五矿的实际情况,探讨了保护层开采期间瓦斯涌出状 况、特点及影响因素,在五矿近距离保护层开采期间,经过保护层己15- 23190开采结合瓦斯抽排, 被保护层己16、17- 23190工作面残存瓦斯含量已降低至3177 m 3 /t,有效预防了瓦斯超限。 关键词煤矿;瓦斯;保护层 中图分类号TD712 文献标志码 A 文章编号 0253 - 2336 2009 11 - 0048 - 03 Gas Control Technology for CoalM ining in Protective Seam s with Closed D istance YUAN Dong - sheng, ZHANG Zi - min School of Safety Science and Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000, China Abstract W ith the theoriesof the gas control, gas flow and protective seam mining, the paper analyzed and studied the seam gas flow and emission law during theminingperiod in the protective seamswith a closed distance.In combinedwith the actual conditions inNo15Mine of Tian˜an CompanyLtd. , Pingdingshan CoalMining Group, the paper discussed the gas emission status, features and influence factors during the protective seam mining period. During the mining period in the protective seamswith a closed distance in No15Mine, with the mining and gas drainage operations in the F15- 23190 protective seam, the residual gas content of the coalmining face in F16、17- 23190 protected seam was reduced to 3177 m3/t and the gas over limitswas effectively prevented to be occurred. Key words coalmine; gas; protective seam 基金项目国家重大科技专项课题资助项目 2008ZX05040 - 005 ;国家自然科学重点基金资助项目50534070 ;河南省高等 学校青年骨干教师资助项目649080 保护层开采是防治煤与瓦斯突出最有效、最经 济的措施,长期以来,国内外学者对保护层开采的 理论和技术进行了大量的研究,有力地指导了煤矿 安全生产,很多有条件的煤矿都把开采保护层作为 防治瓦斯的首选措施 [1 - 2 ]。近距离保护层是指煤层 间距小于10 m的保护层,在被保护层卸压后,大 量瓦斯将通过层间裂缝涌至保护层的开采空间,由 于保护层一般较薄,故难以用现有的通风方法来稀 释瓦斯,从而容易造成保护层工作面瓦斯超限,甚 至在保护层掘进期间都会发生瓦斯超限。可见,近 距离保护层保护效果虽好,但是瓦斯治理比较困 难,容易发生瓦斯事故。因此,在开采近距离保护 层时,必须研究瓦斯治理技术。平煤天安五矿己组 煤层开采期间,为解决己16、17煤层的突出危险问题, 首先开采近距离保护层己15煤层,但是在己15煤层 回采期间,由于距己16、17突出煤层较近,煤层瓦斯 大量进入采面,造成回采期间瓦斯涌出量增大,针 对这种情况,结合五矿实际条件,尝试了高位钻 孔、穿层钻孔联合抽放和采空区埋管抽放相结合的 回采瓦斯综合抽放技术,有效地解决了近距离保护 层开采期间的瓦斯超限问题。 1 保护层开采顶板瓦斯流动和抽放理论 111 采动围岩裂隙演化 煤层开采后,上覆岩层中形成2类裂隙一类 是随岩层下沉破断的穿层裂隙,称为竖向裂隙,它 是沟通上、下邻近煤层间瓦斯的通道;另一类则是 随岩层下沉在层与层之间形成的沿层裂隙,称为离 层裂隙,它使煤岩层产生膨胀变形,从而将瓦斯卸 压,并使卸压瓦斯沿离层裂隙流动。 根据煤层顶板上覆岩层的运动特征,上覆岩层 下沉稳定后,可将上覆岩层采动裂隙分布划分为 84 袁东升等近距离保护层开采瓦斯治理技术2009年第11期 “ 竖三带 ” 、“ 横三区 ” [3] ,即在采动区沿垂直方向 由下往上分为冒落带、裂隙带和弯曲下沉带;而沿 工作面推进方向或在工作面上下巷又分为煤壁支承 影响区、离层区和重新压实区,在采空区四周存在 近似椭圆抛物面的连通的离层发育区,称之为采动 裂隙 “O”形圈,“O”形圈随着工作面的推进是 发展变化的。 112 卸压瓦斯储集 “O”形圈是采空区四周离层裂隙发育区的形 象描述。由于 “O”形圈的存在,为采空区以及上 覆岩层裂隙带的瓦斯流动和储存提供了通道和空 间,是采空区瓦斯积聚的地方。因此,只要将抽放 钻孔或抽放巷道打到采场的采动裂隙 “O”形圈 内,就可以保证钻孔有较长的抽放时间、较大的抽 放范围和较高的抽放率。 113 瓦斯抽放合理布孔层位的确定 合理的钻孔布孔层位,对于抽放效果起着决定 性的作用。首先,钻孔不能布置在顶板的冒落带 内,如果钻孔布置在冒落带内,随着顶板岩石的垮 落,钻孔将被完全破坏,不能成孔,无法抽放瓦 斯;其次,钻孔不能布置在顶板的裂隙带以上,因 为将钻孔打在裂隙带以上,无贯通裂隙,也无法抽 放瓦斯,因此,应将钻孔布置在顶板的裂隙带中, 通过采动裂隙网络对瓦斯进行抽放 [4 - 8]。 2 五矿保护层开采工作面瓦斯治理技术 211 矿井概况 平煤天安五矿位于平顶山矿区中部,矿井南北 长615 km,东西宽418 km,井田面积3114 km 2 , 矿井设计年产量120万t,平煤天安五矿主采煤层 为己15煤层、己16、17煤层和庚组煤层,矿井于1991 年被鉴定为突出矿井,己16、17煤层为突出煤层。平 煤天安五矿矿井开拓方式为立井、斜井综合开拓, 现有3个生产采区,即己二扩大采区、己三采区和 庚一采区,其中己二扩大采区和己三采区属突出采 区。平煤天安五矿己三下延采区位于五矿井田东北 部,为己三采区的下延部分,采区标高为- 450 - 650 m,对应地面标高为165 335 m,埋深 为615～985 m,开采煤层为己15和己16、17煤层。 212 工作面回采期间瓦斯治理技术 己15- 23190采面为五矿己三下延采区东翼的 第2个工作面,是己16、17- 23190采面的保护层。 己15- 23190采面走向长1 100 m,开采己15煤层的 储量5710万t,下部被保护层己16、17- 23190煤层 的储量10614万t。由于己15煤层与己16、17煤层层间 距为214～1112 m,开采己15煤层时,己16、17煤层瓦 斯极易大量涌入采掘空间,造成回采期间瓦斯频繁 超限。 根据保护层瓦斯抽放理论,结合五矿保护层瓦 斯来源、抽放目的及巷道布置等实际情况,确定了 高位钻孔、穿层钻孔联合抽放和采空区埋管相结合 的回采瓦斯综合抽放技术。 1 高位钻孔布置参数。高位钻孔抽放布置如 图1所示,钻孔深100 m,钻场间距50 m时的钻 孔技术参数见表1。当钻孔深度达不到100 m时, 可参考钻孔深80 m,钻场间距40 m时的钻孔技术 参数,见表1。 图1 高位钻孔和穿层钻孔抽放布置 表1 高位钻孔技术参数 钻孔 号 钻场间距50 m 方位角仰角终孔高/m 钻场间距40 m 方位角仰角终孔高/m 123530′1529715 21915′6152415′730′15 31530′630′151945′815′15 4127151515′845′15 5845′730′151045′915′15 2 穿层钻孔布置参数。穿层钻孔布置如图1 所示,钻孔深100 m,钻场间距50 m时的钻孔技 术参数见表2。当钻孔深度达不到100 m时,可参 考钻孔深80 m,钻场间距40 m时的钻孔技术参数 见表3。 94 2009年第11期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 表2 钻场钻孔技术参数钻场间距50 m 钻孔号 17号 方位角仰角终孔高/m 811号 方位角仰角终孔高/m 1223号 方位角仰角终孔高/m 12245′430′132245′345′122245′245′10 21915′5131915′415′1219310 31530′515′131530′445′121530′335′10 412545′1312515′1212410 5830′615′13830′545′12830′435′10 表3 钻场钻孔技术参数钻场间距40 m 钻孔号 18号 方位角仰角终孔高/m 913号 方位角仰角终孔高/m 1419号 方位角仰角终孔高/m 2028号 方位角仰角终孔高/m 129530′1329445′122954112415′315′10 22415′6132415′530′122415′445′1123410 31945′645′131945′6121930′515′111930′430′10 41515′715′131515′635′12156111515′515′10 51045′8131045′715′121045′630′111045′545′10 3 采空区埋管抽放。采空区抽放方法有埋管 抽放、插管抽放又叫上隅角抽放、向冒落拱上 方打钻孔抽放、在基本顶岩石中打水平钻孔抽放、 直接向采空区打钻抽放和地面垂直钻孔抽放等方 法。结合五矿实际,采用埋管法抽放采空区瓦斯, 图2为五矿己15- 23190工作面采空区埋管抽放瓦 斯系统布置。 图2 采空区瓦斯抽放系统布置 埋管抽放采空区瓦斯的具体方法是在工作面 回风巷内铺设大直径管道如轻质菱镁管作为 采空区瓦斯抽放的预埋管路,在管路每隔一定距离 安一个具有组合阀门的三通管件,作为抽放采空区 瓦斯的吸气口。随着工作面的推进,管路上的吸气 口进入采空区内最佳抽放位置工作面后30～60 m ,吸气口组合阀门打开,通过此口抽放采空区 瓦斯。当该吸气口进入采空区更深处时,再打开下 一个三通管件的组合阀门。依此类推,始终使吸气 口保持在最佳抽放位置,也可以同时打开几个吸气 口组合阀门以调节抽放管中的瓦斯浓度。 3 五矿瓦斯治理技术效果分析 311 瓦斯抽放量 己15- 23190保护层工作面回采期间主要采用 上隅角抽放和高位钻孔抽放相结合的综合抽放方 法,取得了较好的效果,如2006年68月平均日 抽放瓦斯量为2 62415 m 3 , 5月22日最大日抽放量 达5 403 m 3。统计 2005年9月到2006年10月的瓦 斯抽放量,累计抽放瓦斯达到71810 5 m 3。 312 瓦斯压力变化 为了检验五矿近距离保护层开采期间的瓦斯抽 放效果,在己15- 23190回风巷495 m处测量了瓦 斯压力,保护层回采前,己16、17煤层残存瓦斯含量 分别为3177 m 3 /t,测试了2组吸附常数a和b,一 组的a为311545 7 m 3 /t,b为01560 3 MPa,另一 组a为271757 m 3 /t,b为01335 MPa,经验算第2 组瓦斯吸附常数偏小,在进行瓦斯压力反演时采用 第1组数据。经推算,残存瓦斯压力为01398 MPa,而根据己三采区瓦斯压力梯度,保护层工作 面瓦斯压力应在210MPa以上,说明近距离保护层 下转第62页 05 2009年第11期 煤 炭 科 学 技 术 第37卷 用端卸式,刮板输送机与转载机的相对位置很难固 定,卸煤点不确定,端卸式易控制。 2 机头卸载高度应适当控制,偏小为宜。大 倾角工作面巷道掘进时一般都是按照下帮见底、上 帮破底进行设计的,不存在刮板输送机卸煤或拉回 头煤,而卸载高度加大后,采煤机在机头处的挖底 量会变小,刮板输送机的过煤空间也会相应变小, 过渡槽的机械长度加长等问题较多,没有很好的解 决办法。 3 刮板输送机的水平弯曲度和垂直弯曲度必 须符合行业标准,增强其在较差地质条件下的过断 层能力。 4 机头机尾部推移梁与过渡支架连接的空间 及连接方式要充分考虑易分解、高可靠性,端头支 架承载压力大,移设支架的程序复杂困难,推移梁 出现的问题相对较多,特别是强度和结构。 4 结 语 大倾角三软煤层综放工作面的液压支架设计和 三机配套难度相对较大,需要考虑的细节较复杂, 液压支架的放倒防滑、刮板机的防滑等是难点。通 过石嘴山矿区大倾角三软煤层综放工作面开采的实 践,对其液压支架选型及三机配套进行分析总结, 以供借鉴。 参考文献 [1] 王国法 1液压支架技术[M ].北京煤炭工业出版社, 1999. 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