龙凤矿采空区瓦斯抽放.pdf

煤 炭工程 师1 9 9 3 年 第 6期 COAL ENGI NEER 1 9 9 5 ．No ．6 ． 技 术经验 ． _ ， 龙凤矿 采 空 区 瓦斯 抽放 抚顺龙风矿通风 区康 德忠 J●_-●～ 了 ． 2 摘要对龙凤矿采 空区近3 O 年的瓦斯抽放 问题进行 了研 究．叙逮 了采 空区瓦斯 的来源．提 出了采 空区抽放 瓦斯的技术 管理措施． 美蝴 燮龙凤矿 1前 窖 龙风矿是一个开采 近8 O 年的老矿并，从 1 9 5 2 年抽放瓦斯 以来至1 9 9 1 年，共预抽了4 9 个区 ，抽 出瓦斯1 4 ． 7 亿 。 但 由于矿井萎缩， 抽放 区逐渐减少，瓦斯抽出量 由 1 9 7 0年 的 1 1 2 ． 4 mS ／ rai n ，降至1 9 7 9 年的4 3 ． 4 m S ／ mi n 。 由于抽 出量逐年急剧下降，相继停止 了向炭 黑厂 等 3个工厂的瓦斯供给 。但民用瓦斯仍 严重不足 ，为满足对瓦斯 的需求 ，增加 抽 出 量， 我们考虑到回收采 空区的瓦斯 。 由于矿井不断延深和开采范围不断扩大 及 回采进度 的不平衡 ，造成在 同一 回采段既 有现采区又有采 空区，而且上一 回采段采 空 区大巷仍然保留作为回风巷。旧巷增多，采 空区也逐渐增多，采空区的瓦斯涌出量也越 来越 大 占矿井瓦斯涌 出量的3 O ％ 。 为了减少和消除采空 区涌 出的瓦 斯对现 采 区的影 响，满足对 瓦斯 的急需，近几 年加 强 了对采 空区的瓦斯抽放 ， 抽放面不断扩 大， 收到 了明显的经济效益和社 会效益。 2采空 区的瓦斯来源 龙凤矿采 用倾斜分层长壁上 行上 由水砂 充填采煤法。回采段垂高5 0 m，阶段煤柱区 间煤柱各厚6 m，个别采区相邻工作面 也 留 6 m厚的煤柱 。各采区回采第3 自然分层末幅 时都要 留0 ． 5 m厚的护顶煤。 由于安全技术原 因， 设 计回采率为 7 5 ， 而实际回采率不足7 0 煤柱及丢煤仍残存 部分瓦斯。由于受采动和矿压作用，使这部 分瓦斯得以释放 。采空区内残存瓦斯量可用 下式计算 Qe 4 R 储口 c H 一[ 储口 C H A d 储 q c 日。 C 1一d K 3 式 中0c n 采 空区 内残煤瓦斯量 ， m3 ， 镕采 区煤储量 ， | g C H ． 瓦斯含量 ，m ／ t , d 瓦斯抽 出率， ， C 回采率 ， ， 残煤瓦斯涌 出系数 ，取l ～ 2 从上式可知，采 空区残存瓦斯量是 与采 区内煤量 多少 、 瓦斯吨 当量大小有直接关 系。 它随着抽 出率 的提高 而降低|随着回采率 的 降低而增加。当开采强度大、充填不致密或 大面积空顶时，随着风排量 的增加采 空区残 存瓦斯量就会减少 。 通过对 3个不 同回栗 标高 的2 6 个 已采区 统计数据分析可知 ，瓦斯涌 出量 为 2 0 5 mS ／ t ，最高选4 2 m0 ／ t 。平 均回采率 为6 4 ， 个别采区不足5 0 。抽出率按3 O 计算，一 个采空区内可抽瓦斯量 在1 5 0 3 2 0 万m3 。 采空区残存的瓦斯量，除残存煤柱和采 空 区内煤炭散 出部分外，其余的瓦斯来源予 4 9 维普资讯 堡些 堡 『师 塑 堡苎 塑 围岩和下 部煤层。 2 ． 1 煤层 上覆 油母页岩 中的瓦斯 龙凤矿煤层的直接顶板为透气性不好的 油母 页岩 ，它在该井口的厚度为 9 0 1 2 0 m。 资料表明，未受采 动影响的 油母页岩层中瓦 斯含量为 1 ． 3 7 ～2 ． 6 8 ms ／ t ，可抽量为 1 1 0 ～ 2 2 0 万 。受采动 卸压 影响，油母页岩层的 瓦斯得到释放 ，不断地 涌向采空区。 2 ． 2 煤层夹石中的瓦斯 龙凤井 田内共 有3 ～ 6 个 自然 分层 ，各分 层问夹石厚 1～2 0 m不等。较厚的夹石层作 为 每 个 自 然分层的顶、底板 ，不回采 ，永 远 披遗 留在采空 区中。其所含瓦斯大部分残 存下 来，缓慢地 向采空区释放。夹石层 中的 瓦斯含量为 1 ． 5 ms ／ t ，可抽量为 2 9 3 5 万m0 。 2 ． 3煤层底板 中的瓦斯 煤层底板的页岩 、凝灰岩和玄武岩含瓦 斯量为0 ． 9 3 ～2 ． 7 5 ms ／ t 。遗部分瓦斯在煤层 采动后 ， 也可通过裂隙进入采空区。 2 ． 4 下邻近层的瓦斯 下邻 近层的瓦斯也通 过采动形成的裂隙 向采 空区运移 ， 成为采 空区瓦 斯的主要来源 。 2 ． 5 下部水 平的瓦斯 下部水平的瓦斯沿着煤层的层理面及裂 晾源源不 断地流 向采空区，是采 空区抽放瓦 斯的主要补充 来源 。 一 ．垦 鱼 垦 垦 兰 采空区抽放瓦斯从时空关 系可分两种 一 种是工 作面 或采 区全部结束后的抽放 ；另 一 种是工作面或采区部分结束，另一部分还 在 回采时的抽放。抽放方 法如 图 1和图 2所 示 。 3 ． 3 采空 区瓦斯抽放工 艺 当采区或工作面结束后 ，在顶板围岩较 好的区段设苞于门 俗称对 门子 ，根据 围岩 条件而 确 定 充填 距离 ，一般为 1 0 3 0m不 等 。苞子门采 用圆术 、棒子、塑料 帘子或秫 秸帘子构成。 为了克填严密 ，防止漏风 ，采 取分段充填。 充填材料采用河砂和少 量黄泥。 封 闭采区 时苞子 门一般 设在岩巷中，这 样煤的暴露面积大 ，有利于抽放瓦斯 。 在封 闭管子道 或煤 门时 ，要建筑永久性 密 闭。密 闭设 在距大巷 5 m、距苞于 门1 5 m 处 ，采用料石 或砖筑构。为 防止密 闭漏气 ， 密闭 四周 要掏槽 ， 其深度不小于0 ． 6 m。为增 加气 密性，墙面用 混凝土抹 平，并刷 白灰便 于观察漏气情况。 密闭上设有注水 充填 管、瓦斯管。瓦 斯管与走向干管相连，形成 抽放系统。在 瓦 斯支管上靠近密 闭侧设采气测量孔、 压力计、 阀门。封 闭前将密 闭内杂物 清除 ，以防 自然 发火 。 5 采 空区瓦斯的抽放 3 ． 1 瓦 斯抽放机理 龙凤 矿为单一特厚煤层 ，煤系地层厚度 为] 6 9 0 m，可采煤层 厚 6～5 1 m 全部采 用水砂充填管理顶板，充填材料为油母页岩 炼油后的废渣 ，孔隙大且松散。 由于受连续 采动 的影响 ，在矿山压力 的作用下 ，采空区 顶板遭到破坏 ，使含有瓦斯 的油母页岩，护 顶煤和煤层 中的夹石 底板 煤质页岩 、下 邻近层以及煤柱 中 的裂 隙 增多 ，透气性增 强 ，提高了瓦斯可抽性。 3 ． 2 采 空区瓦斯抽放方法 5 0 4 采空区抽放瓦斯的安全技术管理 4 ． 1 抽出瓦斯量与浓度 控制 采空 区瓦斯 抽出量的多少，瓦斯 浓度 的 高低和抽放 时间 的长短，是令人关 注 的问 题。特别是龙凤矿采空区抽 出量较大 ， 因此 瓦斯 浓度的高低．不仅影响抽 出的瓦斯能否 有效 地利用 ，而且还将直接影响抽放泵站的 安全运行和采空区 自然发火的 防治。为做到 抽放 ，利用和安全 同时兼顾，应采取下述作 法 1 利用 阀门随时调 节抽 放负压 以控制 瓦斯 浓度 2 对个别 抽放 点 区 据其瓦斯 浓度 高低采取 间歇 式 抽放。 3 当瓦斯主干 瞥路 中瓦 斯浓度不低于3 O ％，采 空区没有 自 维普资讯 煤炭 工程 师】 9 9 3 年第 6期 CO AL ENGI NEER 1 9 9 3 ， No ．6 图 l 工作 面全 部结束 后 抽放 瓦斯 示意 图 I 一 密 2一瓦新恃I 3一 河砂I 4一 苞于n J 5一采空区I 6一 阶段煤挂 ● 一 图 2现 采工作 面拙 放瓦 斯示 意 图 卜 一 瓦新 首 I 2一 密 闭 ， 3一 苞 于 nI 4一 秉 空 区 I S一 河 砂， 6一 理 霉 工柞 面 表] 采空 区瓦斯抽 出量 统计襄 抽 出总量 抽 出速度 抽放地点 标 高 m 抽放 时间 月 万 m r m’ ／ mi d 6 0 1 西 1 、 2 管 道 一5 2 0 ～ 一5 7 0 l 2 3 2 7 5 5 1 ． g ～7 ． 2 6 9 1 末 5管道 一5 2 0 ～ 一5 7 0 5 4 4 1 8 ． g O ． 5 8 ～ 3 ． 0 4 6 0 2 西 2管道 一9 2 0 ～ 一5 7 0 5 2 3 4 O ． 4 0 ． 4 5 ～ 1 ． 6 7 6 0 3 末 9管道 一5 2 O ～ 一5 7 0 4 8 2 9 4 ． 9 0 ． 6 ～ 1 ． 8 7 6 O 3 西 2管 道 一5 2 O ～ 一5 7 9 5 4 3 4 8 O ． T 9 ～ 3 ． 8 e 然发火迹象时，可适 当提高负压 增 加 抽 出 量 。采空区抽放瓦斯一般能维持3 ～5 年。采 空区瓦斯抽 出量与时间的变化关系见表 1和 固 3。 4 ． 2 采空 区各种气体 的控制 采 空区抽放 瓦斯能否达到预期 目的 ，除 在封 闭时加强密闭质量 防止漏风外，还要加 强日常管理．定期取空气 试 样进 行 化验分 析，观察采空区中各种气体成分变化。防止 由于0z 含量 的增加而引起采空区 自然发火。 H ■■ 图 3 瓦斯 抽 出量 与 抽放 时 间关 系 曲线 I - - 6 0 i 东 5蕾道J 26 ∞西 2昔道 I 3 6 O 2 酉 2瞥道 实酸证 明，应控镧如下指标t C 2 0 ， 5l 维普资讯 煤 炭工 程师1 9 9 3 年 第 6期 CO AL EN GI NEER 1 9 9 3 ，No ．6 O2 1 2 ％，CO2 1 0 ， C OO ． 0 0 5 ， 采 空 区内温度可控制在4 0 ℃以下 。当发现采空区 内的气体成分和温度超过上述指标 时，可采 取降低抽放负压控制流量，或暂 停 抽放 间 歇 一段 时问 以及堵塞 漏风 ，向采空 区 内注 永、注浆等措施，防止 采空 区内煤 的 自然发 火 。 4 ． 3 抽放负压 控制 根据对一些采空区的观察，抽放初 期也 称稳升期 ，一般要经过I ～4 个 月．抽放负压 在4 o 0 ～8 0 0 P a 之 间。在这 一时期内抽坟量 由 小到大 日趋稳 定，浓度也逐渐升高。抽放中 期也称稳定期，一般能维持 1 2 ～2 4 个月。抽 放负压在8 0 0 2 0 0 0 P a 之问 波动，对瓦斯浓 度及瓦斯量 影响不大 。抽放末期又称为衰减 期 这个时期一般 _盘抽放 2年 以后才 出现 ， 在衰减期由于瓦斯量 浙近枯竭，瓦斯浓度变 化较大，应加强对 抽放区的安全技术管理 ， 及时检 查化验分析气 体成分。抽放末期负压 不宜过高 ，一般控制在 4 0 0 P a 以下 ，但 不得 低于2 0 0 P a 。当每个抽放点 区 的抽 出量小 于0 ． 2 m3 ／ mi n 时，就失去了抽 放价值，应停 止 抽放并作好 防火准备 。 4 ． 4 停抽后的瓦斯防治 一 个煤 门或管子遭停抽2 O 天后 ，由于抽 放负压 的长期作用，密闭会 出现2 0 0 8 0 0 P a 的正压。有的密粗质量差会造 成顶板瓦斯积 聚 。因此，停抽后原抽放瓦斯设施要保 留一 年，仍按抽放瓦斯 区进行管理。 为了防止密闭内的瓦斯积 聚，当密闭产 生正压时 ，利用阀门进行短时间抽放。当密 闭出现负压 时 一般控制 在 l O O P a 以下 即关 闭阀门。这样反复进行，直 至不 出现正压为 止 。 5 采空 区瓦斯抽放效果 龙风矿早在 6 0 年代初就开始对采空区瓦 斯 抽放进行了尝试，但 当时处于时抽时停状 态，抽出量很小。1 9 7 8 年开始大规模地实行 采空区瓦斯抽放，且抽放规模不断扩大 ，抽 52 出量逐 年增加。同时也掌握了采空区抽放瓦 斯 的一些规律 ，抽放技术和工 艺不 断改进和 完善，取得了 良好的经济效益和社会效益。 5 ． 1 降低 了矿井瓦斯涌出量 由于采空区的瓦斯抽放，使 矿井 瓦斯 涌 出量下降 表 2 。进行采空区瓦斯抽放前矿 井瓦斯涌出量高达B 9 ． 5 m。 mi n ， 进行抽放 后 的1 9 9 1 年 ，矿 井瓦斯涌出量降至5 2 m ／ mi n ， 与1 9 7 7 年相比 ，瓦斯 涌出量下降了2 5 ％。 在 采空 区逐年增多的情 况下 ，采空区瓦 斯涌出量并没有随着采空区数量的增加 而增 大 ，仍波动于 l 5 ～2 Om0 ／ mi n 之间 ， 占矿井瓦 斯涌出量 的3 O 左右。由于矿井 瓦 斯 涌 出 量的降低 ，减轻了通风负担 ，改善了作业条 件。 5 ． 2 稳定了矿井抽放量 l 9 7 8 年至 I 9 8 2 年的 5年 中，矿井瓦斯抽 出量稳 定在 4 0 4 5 1 “1 1 ／ 血i n之间 表 3 其 中边 采边抽量也 较 稳定 ，占矿井 抽 出量 的 1 5 ％左右 。变 化较大的是预抽量和采 空区抽 出量 ，1 9 7 8 年 与1 9 8 2 年相 比， 预抽量由2 5 ． 7 5 m S ／ rai n 降至8 ． 9 3 ms ／ mi n ，减少了1 6 ． 8 2 m ／ mi n 。而采空区瓦斯 抽出 量由1 2 ． 2 7 1 1 “ 1 ／ rai n 提高到2 7 ． 4 2 m0 ／ r n i n ， 增 加 了t 5 ． 1 5 n 1 。 ／ rai n 。 预抽 区减少的量 与采空 区增 加的量 几 乎相 等，从而使矿井 瓦斯 抽出 量达到 均衡 与稳 定，满足 了对瓦斯的需 求。 5 ． 3 起到了预排作用 由于受地质、 通风 等条件限制，采 区布 局、开采顺序很不 合理 。出现了上段采区结 束后下段采区不能对应接续，甚至上段采区 抽放瓦斯 已结束 ，而下段采 区 尚未 进 行准 备 。由于受上段 采空区卸压影 响，形成了缓 压区，增加了类似这样接续采区的可抽性。 所 以下部水平 深部 煤层 中的瓦斯受上段采 空区抽放负压作用 ， 源源不断地流 向采空区 ， 使下部水平末受采动影响的采区通过上部水 平采空区抽放 瓦斯而 预先得到抽放 ，缓解了 采、抽关系。 维普资讯 煤 炭工程师J 9 9 3 年第 6期 COAL ENGI NEER 1 9 9 3 ． No ．6 表2 矿井瓦斯涌出量变 化情 况 ’ f 年 度 l9 77 ⋯j1 9 8 1 1 98 3 1198 4 19 8 6j1 98 7 19 8 9 矿井 瓦斯 涌 出量 皿s ／ rai n 6 9 ． 5 6 3 5 7 ． 1 9 1 ． 9 6 1 ． 1 5 2 采 空 区瓦 斯 涌 出量 m’ ／ rai n J g ． 1 l 5 ． 8 I 7 ． 9 2 0 ． 7 J 8 ． 3 1 8 ． 4 采空 区涌 出量所 占百 分 比 2 7． 5 2 5 ． 1 3 1 ． 3 3 3 ． 4 3 0 3 5 ． 3 表s 矿并瓦斯抽 出量 的组成 矿井 抽出 量 预 抽量 采空 区抽 出量 边 采 边抽 量 年 度 m。 ／ mi a m} ／ mi n Ⅲ ／ mi n r m。 ／ rai n I 97 8 45． 63 25． 7 5 56． 4 l 2． 27 26． 9 7． 63 I 6． 7 l 979 44． 34 1 9． J T 43． 2 t 8． 07 40． 8 7． 1 1 6 I 980 43． 9 2 1 4． 86 33． 8 23． 24 52． 9 5． 8 5 l3． 3 1 981 43．1 6 1 0． 38 2 4 25． 0 4 5 8 7． 76 l 8 1 9 82 42． 1l 8． 93 II． 2 2 7． 42 65． 1 5． 76 I 3． 7 平均 4 3 ． 8 4 I 5 ． 8 2 3 6 ． 1 2 l 。 2 l 4 8 ． 3 8 6 ． 8 2 l 5 ． 5 2 表4 采空 区瓦斯抽放情 况 煤量 万t 瓦 斯 量 万m 抽 放 时间 月 采 区 注 地 质 采 空 区 边 采 采 空 区 储 量 皋 出量 丢煤 预 测 预 抽 涌 出 预 抽 抽 出 边 抽 抽放 _ _ 6 0 1 西 4 6 4 ． 4 3 0 r ． 3 1 6 3 ． I 8 3 5 9 4 J 4 4． 8 1 6 2 8 ． 3 2 8 5 2 ． 5 9 6 4 7 1 2 3 4个管 道 全 抽 6 0 l 东 2 6 6 ． 2 1 7 4 9 2 ． 2 5 0 5 8 3l 8 9 ． 1 l 4 8 9 ． 2 4 1 8． g 7 I 7 5 5 4 5个管 诺 J 中抽 2千 6 0 2 西 3 l 2 2 1 4 ． J 9 7 ． 9 5 0 3 4 3I J 5 ． 1 J 9 5 5 ． 9 3 4 0 ． 4 J 0 8 3 3 5 2 4个 管埔 中抽 2咔 4个 管 6 0 2 东 3 9 1 ．5 2 4 9 ． 3 1 4 2 ． 2 8 8 l 3 l 3 3 3 ． 5 2 6 2 2 ． 8 4 O B ． T 8 4 4 0 4 5 中抽 2叶 4个 管连 6 0 3 ．西 2 3 O 。 5 1 5 8 ． 2 T 2 ． 3 5 0 7 l 2 4 5 1 ． 2 l 3 5 l 6 1 3 ． 3 9 6 3 3 5 4 中抽 4叶 例如矿井 西部边界的6 0 1 西采区 ， 预测瓦 斯 储量为8 3 5 9 万m。 。 采 区准备前先打 预抽钻 孔 ，预抽 了9 6 个月，抽出瓦斯4 1 4 4 ． 8 万m0 。 该 采区采完后 ，又进 行了采空区抽放 ，抽出 瓦斯2 8 5 2 ． 5 万 见表 4 。显而易见 ， 这些 瓦斯量 已远远超过了该区预测瓦斯量。由此 可知 ，采 空区抽 出的瓦斯包含着下段采区煤 下转第5 5 页 5 3 维普资讯 煤 炭工 程师J 9 9 3 年 第 6期 CO A L E NGI NEER 1 9 9 3 ，No ． 6 上接第5 3 页 层 中的瓦斯 。 由表 4可知 ，采空区抽放瓦斯起 到了预 排作用。 5 ． 4回收 了能源 由于坚持长期对采 空区进行瓦斯抽放 ， 栗空区抽 出量逐 年 增加 ，由1 9 7 8 年的6 4 4 ． 9 万ms 增 加 到1 9 8 2 年 的1 4 4 1 ． 2 万 。 自1 9 7 8 年至1 0 9 1 年，1 4 年从 采 空 区 回 收 瓦 斯 达 1 8 3 1 4 ． 7 万m0 。占矿井抽 出 量的4 O ，最高 达6 5 ． 1 。 采 空区抽 出率为3 0 ． 5 ～4 O ． 6 。 仅从采空区多回收瓦斯一项计算，相当于多 出煤 节煤 1 2 ． 2 万t 实践证明，坚持对采空区的瓦斯抽放 ， 是提高矿井瓦斯 抽出量、减少瓦斯涌出、提 高安全生产、扩大瓦 斯能 源回 收的 有效逾 径。 55 维普资讯