深部高瓦斯矿井大采高工作面立体抽采瓦斯技术.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 . 移动扫码阅读 雷照源郭超奇黄兴利等.深部高瓦斯矿井大采高工作面立体抽采瓦斯技术.煤炭科学技术 . / . . . / 深部高瓦斯矿井大采高工作面立体抽采瓦斯技术 雷照源郭超奇黄兴利高海东李 川高小虎 陕西陕煤黄陵矿业有限公司二号煤矿陕西 黄陵 摘 要为了有效提高瓦斯抽采效率以黄陵二号煤矿瓦斯油层气抽采为研究对象采用现场调 查、数值计算和现场监测等方法综合分析深部高瓦斯矿井瓦斯油层气涌入路径实施了综合立体 抽采技术 工作面存有的 个砂岩储气层均受采动影响其分别处于上覆岩层的弯曲下沉带、垮落 带和裂隙带之间以及底部扰动范围为采空区和工作面涌出瓦斯源 依据上覆岩层结构和采动影响 程度将抽采区分为采空区、采动区、未采煤层区建立动态综合立体抽采技术 研究结果表明工作 面综合抽采技术实现了空间全覆盖的瓦斯抽采各位置抽采量增加、瓦斯浓度降低 围岩及采空区瓦 斯体积分数降低了 、、 综合抽采技术提高了矿井的瓦斯抽采率为矿井开采瓦斯治理 提供了有力支撑 关键词砂岩储气层深部高瓦斯矿井抽采分区综合立体抽采 中图分类号. 文献标志码 文章编号 . . . . . . . . . . . . 收稿日期责任编辑王晓珍 基金项目国家重点研发计划资助项目 作者简介雷照源男陕西岐山人硕士 . 引 言 瓦斯是威胁矿井安全生产的最大灾害但合理 的抽采技术是实现绿色开采的关键因素之一 深部大采高工作面开采过程中采动应力、围岩变 形、瓦斯油层气涌出与浅埋薄煤层差异性较大 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 雷照源等深部高瓦斯矿井大采高工作面立体抽采瓦斯技术 年第 期 黄陵二号煤矿 工作面埋深在 平均 采高. 主采煤层顶、底板中存在含气砂页岩、主 采煤层及下部赋存煤层瓦斯含量相对较高属于典 型的深部煤油气共生矿区 由于埋深大在大采高 开采中采动煤岩应力与储能随时间与开采位置变化 不断释放与转移造成围岩裂隙发育进而导致 的瓦斯涌出来自围岩 因此完善开采创新体 系是推动的煤炭安全技术的关键 笔者通过深 入系统地研究揭示深部高瓦斯矿井大采高工作面围 岩运移特征及其演化规律采用立体抽采防控技术 对现场安全开采、绿色开采具有现实必要性 多年来许多学者针对不同地区瓦斯赋存运 移及瓦斯抽采变化开展了丰富的研究 在煤层瓦斯 抽采过程中煤体瓦斯处于吸附解吸状态进而改 变煤体形态聂百胜等利用煤体变形试验装置得 出煤体变形量随着瓦斯压力的增加而增大且煤体 在一次加压吸附试验中变形分为 个阶段 杨天鸿 等通过建立瓦斯煤岩破裂过程固气耦合作用模 型认为深部煤层开采引起的覆岩层大范围的变形、 离层、垮落被保护煤层透气性急剧增高瓦斯抽采 孔周围的瓦斯压力降低的“卸压增流效应”十分明 显 俞启香等将采煤工作面瓦斯来源划分为煤 壁、采落煤和采空区 个部分 郝富昌等通过建 立瓦斯渗流应力耦合模型得出瓦斯抽放过程中 煤的渗透率会随时间的推移逐渐增大煤体硬度、埋 藏深度、初始瓦斯压力、初始渗透率和钻孔孔径等是 影响瓦斯抽采半径的主要因素 褚廷湘等为协 调采空区瓦斯抽采与煤自燃耦合防治提出了合理 瓦斯抽采量概念 付江伟等提出低渗高突煤层 体系化瓦斯治理概念及科学内涵凝练出 泡沫压 裂储层改造等瓦斯治理 项关键技术 在瓦斯抽采 及控制方面各矿井针对自身实际情况分别对抽采 方案、施工、评价做出了针对性的研究形成了具有 特色的抽采评价体系 但随开采深度增加与煤 层变化瓦斯油层气涌出变化明显单一的抽采 模式严重制约开采安全 亟需研究适合黄陵矿区的 多维度立体化瓦斯综合抽采技术实现采动空间动 态瓦斯抽采 提高矿井采掘和瓦斯抽采效率从根 本上解决矿井瓦斯问题为实现矿井安全开采提供 了有力支撑 笔者以黄陵二号煤矿瓦斯油层气 抽采防 控为目标基于开采条件调查建立 数值 计算模型揭示开采扰动围岩变化特征建立立 体预抽方案和实时监测评估保障了现场开采 安全 煤层赋存特征及瓦斯赋存特性 . 地质构造特征 二号煤矿位于黄陵矿区西北部为一倾向北 西北西西的单斜构造地层倾角一般 延 安组呈一倾向北西西之单斜构造将井田一分为二 其一位于井田中部长约 宽 .. 其 二位于井田西部长约 宽约 . 幅度 中侏罗统延安组由 段组成是 个顶 底均为不整合面 第 段为含煤阶段、 号煤 第 段部分区域含油、含气目前主采 号煤层 . 瓦斯油层气分布特征 四盘区处于高瓦斯瓦斯异常带中瓦斯油层 气含量不小于 / 矿区范围内连续性较好的 砂岩储集层共 个分别为直罗砂岩含气层、延安组 第 段第一旋回下部细粒砂岩含气层、富县组下部 砂岩含气层、瓦窑堡组砂岩含气层 个含气层也 分别称之为顶部、顶板、底部含气层 . 生产条件 工作面井下标高 平均埋深 走向长度 倾斜长度 为 区 面 煤层平均厚度 . 属稳定较稳定煤层选 用一次采全高 工作面采用二进一回式通风即辅 运巷、运输巷进风回风巷回风 采动影响使围岩形成了各种瓦斯油层气涌 出的通道 工作面预抽后矿井瓦斯涌出量仍然较 大 采空区瓦斯涌出、底板油层气溢出等问题造成 采空区瓦斯油层气涌入工作面、上隅角瓦斯集聚 等严重现象 综采工作面围岩变化特征 . 数值计算模型 根据黄陵二号煤矿 工作面赋存特点建立 如图 所示的 三维数值模型分析围岩受采 动影响下应力分布和变形特征 图 数值计算模型 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 模型累计开挖 步共 开切眼 、 每次推进 煤岩力学参数见表 表 煤岩力学参数 名称 体积 模量/ 剪切 模量/ 抗拉 强度/ 黏聚力/ 内摩 擦角/ 容重/ 粉砂岩..... 细砂岩..... 粗砂岩..... 泥岩..... 煤..... 中砂岩..... 数值计算模型模拟至地表尺寸为 煤层顶部至平均地表 共划分网 格 个、节点 个 采用摩尔库仑准则 计算 计算模型采用摩尔库仑屈服准则判 断岩体的破坏 . 瓦斯油层气来源路径 计算中所输出的塑性破坏区分布数据均赋予相 对时间概念开采后岩层整体强度降低并逐渐达到 稳定 覆岩扰动稳定破坏特征如图 所示 图 覆岩扰动破坏特征 . 通过三带的划分含气层处于垮落带和裂隙 带之间为主要的瓦斯来源含气层处于弯曲下沉 带其部分瓦斯与含气层贯通 含气层随着裂隙发育位与工作面导通为工作 面提供了瓦斯涌出的途径 此 层含气层的瓦斯 油层气能够导通并涌入工作面和采空区其中底 部瓦斯分别在采空区末端和工作面推进 处开 始涌入工作面 分别提出 处含气层的运动轨迹 如图 所示 可以发现初次开挖各含气层没有导通 随着 开挖步距的加大含气层、运动随顶板的扰动具 有滞后性 底板在工作面推进的两端出现翘点随 着采动的加剧前部翘点随着推进的方向前移且沉降 图 含气层运动特征 . 量增大这就加剧了底板裂隙发育导致底部瓦斯 油层气涌入工作面和采空区 分别提取工作面推进 、、 的顶部、 顶板、底部的最大的变形量见表 采动 时 上部含气层发生协同作用发生贯通 随着来压顶 板裂隙发育使顶部瓦斯涌入工作面和采空区采空 区是瓦斯油层气赋存的主要聚集地 可以得知顶部和底部是工作面瓦斯的主要来 源采空区是瓦斯主要的聚集空间 “顶底”是预 抽的难点采空区是抽采控制的重点 必须进行分 区、分段抽采 表 各岩层不同位置的开采步距运动情况 位置 下沉量/ 顶部顶板底部 开切眼. 采 ... 采 ... 采 ... 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 雷照源等深部高瓦斯矿井大采高工作面立体抽采瓦斯技术 年第 期 瓦斯油层气防控技术 . 立体抽采技术 随着井下钻探设备的不断发展和进步抽采钻 孔逐渐由短钻孔抽采转向定向长钻孔能实现井下 更大范围的地质灾害探测及治理的综合效应 基于 含气岩层演化规律定向钻探施工技术工艺在本煤 层及其顶底板实施定向长钻孔探抽油层气 将整个 抽采分为采空区、采动区、未采煤层区三区 针对区 域位置不同分别实施具有时间尺度的综合立体抽 采如图 所示 图 煤油气共生矿井立体综合抽采模式 . 未采煤层预抽是提前抽取各含气层瓦斯油层 气减少采动时工作面瓦斯涌出采动区抽采是指 利用工作面围岩变化的动态过程进行抽采增大抽 采量采空区抽采是指在将采空区瓦斯集聚的重灾 区进行重点抽采 即根据覆岩运动情况在顶底板、采空区、本煤层 进行协同抽采作业从而形成“线面体”的综合立 体抽采 . 各位置钻孔布置参数 根据采动影响造成工作面瓦斯分布情况发现 顶部和底部是工作面瓦斯的主要来源采空区是瓦 斯主要的聚集空间 在工作面回风巷、辅助运输巷每 布置抽 采硐室分别对工作面顶底板、采空区、煤层进行精 准抽采 工作面抽采硐室尺寸为 . . . 每条巷道布置 个抽采硐室硐室间距 抽采硐室钻孔布置参数如图 所示 工作面上 隅角处设置采空区瓦斯抽采孔 顶、底板有效抽采范围分别为 、 能够 将工作面的瓦斯源进行预采 随着工作面的推进各抽采硐室进行“采动 未动”的变化 设计本煤层钻孔 个间距约 长度约 并贯通顶底板钻孔参数见表 图 各钻孔布置参数 . 表 各位置钻孔参数 钻孔 位置 编号 夹角/ 斜长/ 钻孔 位置 编号 夹角/ 斜长/ 巷 道 顶 板 巷 道 底 板 . 抽采效果 工作面持续抽采瓦斯油层气分别提取 号硐室的各钻孔瓦斯抽采结果分析综合立体抽 采效果 顶板、底板累计抽采 抽采情况如 图 所示 .. 顶、底部岩层抽采情况 钻孔受采动和不同区域差异性的影响抽采 量和抽采浓度变化幅度较大 顶部抽采量平均 / 、底部抽采量平均 / 各岩层受 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 采动影响顶板抽采量曲线呈“凹”型 下部细砂 岩层与 煤、 煤间距较小受采动影响后岩层形 成布局导通裂隙抽采量增加呈现“起伏震荡” 变化 图 各位置抽采浓度和纯流量曲线 . .. 本煤层抽采情况 每个硐室的 个煤层定向抽采钻孔抽采情况如 图 所示 经过 个月各钻孔抽采量分别由 . 万 / 月降至 . 万 . 万 / 月降至. 万 / 月. 万 / 月降至. / 月 累计抽 采量分别为抽采总量为 . 万 、. 万 、 . 万 共抽采瓦斯 . 万 瓦斯抽采体 积分数分别由 .降至 .降至 . 降至 原始瓦斯含量为 . / 经过 个月预抽 后煤层瓦斯含量为 . . / 预抽率为 .. 瓦斯压力由原来的 . 降 低到 .. .. 采空区抽采情况 采空区受岩层运动影响后其瓦斯主要来源于 顶、底板 抽采后采空区瓦斯含量明显降低如图 所示 对比抽采前、后 个月的上隅角瓦斯浓度 可知未进入顶板钻孔区域前 个月统计平均瓦斯 体积分数为 .抽采后 个月平均体积分数为 .下降了 通 过 抽 采整 个 区 域 瓦 斯 油层气整体沉陷降低趋势得到了良好的控制 效果 图 各钻孔瓦斯抽采纯量及体积分数变化 . 图 上隅角瓦斯浓度变化规律 . 结 论 工作面的砂岩储气层共 个受采动影响顶 部含气层处于弯曲下沉带顶板含气层处于垮落带 和裂隙带之间底板含气层处于扰动范围内 各含 气层在形成的裂隙通道之间导入采空区和工作面 中国煤炭期刊网 w w w . c h in a c a j . n et 雷照源等深部高瓦斯矿井大采高工作面立体抽采瓦斯技术 年第 期 采空区是瓦斯油层气赋存的主要聚集地 确定了深部高瓦斯矿井大采高工作面的线 面体”的综合立体抽采方案 将整个抽采分为采 空区、采动区、未采煤层区三区实现了具有时间尺 度的综合立体抽采技术 工作面综合抽采技术实现空间全覆盖的“采 前探抽、采中、采后抽”瓦斯抽采各位置抽采量 增加、瓦斯浓度降低 顶底板、煤层瓦斯含量分别减 少了 、采空区瓦斯体积分数降低了 不会造成工作面瓦斯涌出现象 参考文献 钱鸣高.煤炭的科学开采.煤炭学报. . . . 谢和平王金华申宝宏等.煤炭开采新理念科学开采与科 学产能.煤炭学报. . . . 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