高位钻孔瓦斯抽放技术的研究及应用[1].doc

生产技术 煤 炭 工 程 2010年第6期 高位钻孔瓦斯抽放技术的研究及应用 李贤忠,朱传杰,刘 洋,孟凡伟,张萌博 中国矿业大学安全工程学院,江苏,徐州 221008 摘 要以吕家坨矿5323工作面为研究对象,针对工作面上隅角瓦斯超限问题,通过理论分析、现场实测与数值模拟的手段,分析了采空区瓦斯来源及运移规律,研究了采空区冒落带与裂隙带的高度范围,在此基础上确定了高位钻孔参数,实施了高位钻孔瓦斯抽放技术措施,有效的解决了工作面上隅角瓦斯超限问题,保证了工作面的安全生产。 关键词上隅角;高位钻孔;瓦斯抽放 中图分类号TD71216 文献标识码A 文章编号1671-095920100620038204 随着开采深度的增加,瓦斯涌出量将增大,掘进工作面和回采工作面会经常发生瓦斯超限现象。吕家坨矿-800m水平12煤层5323工作面,由于开采时间长,随着时 区放散[1]。 211 实测数据分析 [1],并利用,, 。 间推移采空区瓦斯涌出量逐渐增大,进而导致上隅角瓦斯频繁超限,威胁到矿井安全生产,因而,仅靠通风的方式已经解决不了上隅角瓦斯超限问题。 1 上隅角瓦斯超限原因分析 5323-12区东翼,煤层厚度 212m,,煤层倾角10～19, 瓦斯含量为513m3t。与上覆9煤层间距24174m,9煤层厚度为118m,瓦斯含量615m3/t;与上覆11煤层间距为 1016m,上覆9煤、11煤层尚未开采。 5323工作面顶板岩性为细砂岩,岩性疏松存在瓦斯流 动的良好通路,上覆9煤瓦斯含量高,回采过程中瓦斯沿顶板裂隙涌入5323工作面采空区;底板为粉砂岩、泥岩,岩性致密,不利于瓦斯扩散;5323工作面采用传统的U型通风方式通风,更加剧了上隅角附近瓦斯积聚,导致上隅角瓦斯经常超限。 根据每个单元所应遵循的瓦斯平衡方程、风量平衡方程 QinQ1-Qout0qgoafQ1・c1 qfaceQout・cout-Qin・c in-qgoaf 1 图1 瓦斯平衡和风量平衡计算示意图 2 工作面瓦斯来源及运移规律 根据5323工作面采煤工艺和煤层赋存状况,将工作面瓦斯涌出划分为两大来源本煤层瓦斯涌出和采空区瓦斯涌出。采空区瓦斯主要是由采空区内丢煤和邻近煤层的瓦斯涌出两部分构成。在有邻近层开采工作面采空区瓦斯涌出时,由于煤层开采,破坏了煤、岩体的压力平衡状态,导致包括错动而产生的各种方向的裂隙,这些裂隙与采空区沟通,形成了向采空区排放瓦斯通道。邻近层瓦斯在其自身压力作用下,通过这些通道向采空 式中 Qin、Qout流入和流出单元的风量,m3/min; Q1从采空区流入出本单元的漏风量, m/min; qgoaf从采空区涌入本单元的瓦斯量, 3 m/min; qface本单元内煤壁、顶底板及采落煤层的瓦 3 斯涌出量,m3/min; 收稿日期2010-03-03 作者简介李贤忠1985-,男,现主要从事矿井瓦斯治理和瓦斯爆炸机理的研究工作。 38 2010年第6期 煤 炭 工 程 生产技术 c1漏风流中的瓦斯浓度,; cout、cin分别为流出和流入本单元风流中的 进风侧向回风侧,瓦斯呈现向回风侧运移的趋势,从进风侧向回风侧,瓦斯浓度逐渐增大。在上隅角和回风巷则成为整个工作面瓦斯浓度较高的区域。 2采空区瓦斯分布从水平方向上看瓦斯从下隅角往其 瓦斯浓度,。 根据单元法原理,对中实测数据进行处理,得出该工作面采空区的漏风量Q1-21m3/min;采空区的瓦斯涌出量qgoaf1107m3/min;煤壁、顶底板及采落煤炭瓦斯涌出量qface2164m3/min。 由此可知采空区瓦斯约占工作面总涌出量的73,本煤层煤壁和落煤瓦斯涌出占27左右。由于一次采全高的综采工艺回采率较高,丢煤较少,可以初步断定工作面约 70的瓦斯涌出来源于邻近层及顶底板岩石,所以抽放目 采空区浓度逐渐升高,离工作面越远浓度越大。在采空区内的瓦斯浓度最高区域也是整个采场的瓦斯浓度最高区域即图3中B区域。在回风侧采空区深部B区域和废弃回风巷附近的采空区形成一个高浓度瓦斯区域。此区域也成为实际工作中采空区瓦斯抽放的理想地点。从纵向上看,由于在靠近工作面的采空区上部渗流速度很小,所以在此区域图中C点附近同样也形成一个相对较高浓度的瓦斯区域。 现场实测也验证了上述规律,而且由现场实测数据以及数值模拟分析可知5323综采工作面上隅角瓦斯超限主要原因是采空区瓦斯的涌出,采空区瓦斯积聚区在B区域到 C处范围,如图3所示。 标应以采空区和邻近的9煤层和11煤层的瓦斯为主。 212 数值模拟分析 应用计算流体力学软件FLUENT对5323综放工作面漏风情况进行三维数值模拟,得到的工作面瓦斯量等值线图和瓦斯浓度分布图如图2、3所示 。 3 ,治理上隅角瓦区域到C区域处范围进行抽放。,减少采空区的瓦斯涌出量。因此,结合5323综采工作面现场实际情况,利用高位钻孔抽采贯穿性裂隙带内的高浓度瓦斯,既可控制采空区高浓度瓦斯向上隅角的流动,又能在邻近层瓦斯向采空区运移时进行拦截,做到“一技两用”的效果。 在高位钻孔参数的优化设计中,关键技术参数有①高位钻孔的终孔层位距煤层顶板的垂距;②高位钻孔距上风巷的内错平距;③高位钻场的参数[2]。 311 钻孔终孔与煤层顶板垂距的确定 由采空区内卸压瓦斯流动规律可知,处在上风巷上部的“裂隙圈”是瓦斯富集区。因此,抽放钻孔布置在裂隙带最理想。若抽放钻孔布置在冒落带内,抽放的瓦斯浓度很低,布置在弯曲下沉带内,抽放量很小[3]。 冒落带的高度与采煤厚度、上覆岩石的碎胀系数、倾角、岩性有关系[4]。可按以下公式计算 Hc K0-1cosα 2 式中 m煤层开采厚度,m; K0跨落岩石的残余碎胀系数; α煤层倾角。 5323工作面的倾角为13,岩石的碎胀系数可取1135, 采高取214m,所以5323工作面的冒落高度为7m。裂隙带的高度由文献[5]中裂隙带最大高度的经验公式计算。煤层倾角10～19,抗压强度20～40MPa,顶板管理方法为 由图2、图3可以得出如下结论 1在距工作面较近的采空区内由于风流流动方向是从 全部垮落,取采高M214m,煤开采分层层数n1。冒落带最大高度包括冒落带最大高度Hf为 39 生产技术 煤 炭 工 程 2010年第6期 Hf m516 116∑m316 100 顶板冒落形态的影响,钻场间抽放长钻孔存在抽放盲区, 3718m 3 钻孔层位不同易导致钻场交替时瓦斯超限。为了保证瓦斯抽放的连续性,在钻场与钻场之间存在钻孔的压茬;且确定瓦斯抽放钻场间钻孔的合理压茬距离时要考虑采空区顶板的垮落角和周期垮落步距,采空区顶板垮落角一般为70左右,综合考虑确定压茬距离确定为15m。 钻孔与煤层顶板法距取决于采煤冒落带和裂隙带的高度,根据以上计算的裂隙带高度为3718m左右,考虑到非贯穿裂隙带的高度,钻孔的有效抽放高度即要大于冒落带的高度,也不能超过非贯穿裂隙带的高度,所以钻孔与煤层顶板法距应控制在9～20m的范围内。 312 钻场布置 为了达到控制采空区内风流的目的,设计施工高位孔终孔点与回风巷的距离应不小于10m,三个钻孔分别距回风巷平距为10m、15m、20m,从而使高浓度瓦斯通过裂隙带流向抽放孔。 考虑钻孔在回风巷方向上有效抽放长度,设计5323工作面钻场间距应为30m。风巷与钻场的位置关系如图4所示,在回风巷靠近回采煤层的一侧,垂直于上风巷开挖一条倾斜向上的联络巷进入煤层上覆岩层。在12煤层上方的页岩开挖一硐室作为钻场,钻场参数为515m315m213m 长宽高。每个钻场设计3个钻孔,设计钻孔直径为91～108mm,孔与孔之间的距离为500mm。 图4 钻场设计示意图mm 4 效果分析 2007年455所 示10时的钻孔段,,每个钻场可维持8,目前每个钻孔有效平距为说明设计钻场间距30m合理有效。 高位钻孔的有效抽放范围较大,图5 瓦斯抽放浓度变化曲线图 在工作面推进至超过钻孔终孔点平距10～15m时即可并网抽,当工作面推进至钻孔孔口10～15m时,如瓦斯抽放浓度小于10,钻孔必须停抽报废,及时跳过正在抽放下一组钻孔,将应并入的钻孔及时并网抽放。即总能确保有一个钻场3个孔抽放,钻孔并网时有6个钻孔同时抽放,确保瓦斯抽放平稳有效。 2007年6月8日～7月1日抽放28、29、30、31四个 并在2008年4月5323工作面收尾停止抽放,历时18个月,共打钻孔106个,工程量6008104m。累计共抽放瓦斯217112万m3,工作面风排瓦斯194187万m3,抽放率达5217,基本解决了上隅角瓦斯超限的问题。在正常抽放期间,上出口、轨道巷回风瓦斯探头示数维持在013左右,架顶瓦斯浓度也控制在015以下,有利的保证了正常的安全生产。 钻孔根据瓦斯涌出量,每组减少了一个钻孔两组泵的抽放浓度为一号泵抽16127,二号15145。 由此可见钻孔仰角可变化在12～17之间,钻孔与回风巷的夹角在21～29之间均可抽放正常,钻孔终孔点与回风巷的距离最大分别为28m,23m,27m,32m,钻孔报废时此段距离为10m左右。 5323工作面抽放于2006年3月开始上高位钻孔抽放, 5 结 论 1对于吕家坨矿5323综放工作面,通过现场实测与 数值模拟分析,确定上隅角瓦斯超限的原因,并使用高位钻孔治理上隅角瓦斯超限问题,取得了既定效果。 2根据吕家坨矿5323综放工作面情况,确定适合本 工作面的高位钻孔基本参数,并在实际施工中对参数进行验证和修改。 40 2010年第6期 煤 炭 工 程 生产技术 综采工作面中部抽架、整体转架、 循环安装一体化技术 赵开虎 皖北煤电集团公司任楼煤矿,安徽淮北 235123 摘 要综采工作面中部抽架、整体转架、循环安装一体化技术实践成功,从根本上解决了能否快速安装、拆除这一制约矿井产量提升的重要瓶颈,为缓解矿井生产接替赢得了宝贵的时间。联系实际,创新设计,改变传统模式,不断探索安装拆除新工艺,使科学技术在矿井综采工作面拆除安装中直接转化为生产效益。 关键词方案比较;中部抽架;整体转架;循环安装中图分类号TD35016 文献标识码B 文章编号1671-0959201020041204 皖北煤电集团公司任楼煤矿是一座现代化大型矿井,有“两个百万吨综采队加一个综采预备区”进行生产和准备。但综采工作面要实现现代化装备的优势发挥,能否快速安装、为此矿区技术工作者不断探索安装拆除工艺,设计,改变传统模式,转架,。 里段风巷,,、锚网支护,其中,2800mm,巷,切眼刷大采用锚2210工作面及巷道布置如图1所示。 、安装方案211 方案一 1将Ⅱ8211工作面剩余120m风巷,回风斜巷107m, Ⅱ1轨道一车场55m和其上轨道115m重新修护,实行上行抽架。但是受工作面回采超前压力影响,巷道直接顶多处离层下沉,底鼓严重,风巷局部地段净高不足116m,整条巷道全部用三排挑棚超前管理;巷道两帮收缩近1m,风巷最大净宽仅218m,变形相当严重,安全隐患多。为修护工作带来极大的困难,若安排掘进队伍去修护整个出架系统内的巷道,大约需要215～3个月的工期,无法使支架早期拆除升井检修、延迟了新工作面Ⅱ8210的安装时间,将更大造成了任楼矿生产接替紧张的不利局面。如采用下行抽架,机巷等巷道修护量将达到323m,将更加大工作量。 1 综采工作面概况 1需拆除Ⅱ8211综采工作面斜长222m,倾角17,煤 层厚度313m,装备ZZ4400/17/35型液压支架147架。风机巷均采用工字钢对棚支护,梁腿断面规格分别为312m218m、梁腿316m218m。 2Ⅱ8210工作面为接替面,位于Ⅱ8211工作面北翼 同一阶段,一号切眼需安装ZZ4400/17/35型液压支架93架,至二号切眼将回收23架,保留支架70架继续回采。 参考文献 [1] 胡殿明,林柏泉.煤层瓦斯赋存规律及防治技术[M].徐 [4] 钱鸣高,石平五.矿山压力与岩层控制[M].徐州中国 矿业大学出版社,2003. 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