特厚松软高突煤层高效开采瓦斯综合治理技术.pdf

特厚松软高突煤层高效开采瓦斯综合治理技术 第六图书馆 介绍了芦岭煤矿8煤层在没有开采保护层的条件下,采用的在底板穿层钻孔大面积预抽瓦斯的基础上首先开采顶分层消除下部分 层煤层的突出危险,下部分层采用综采放顶放技赉实现高效开采的瓦斯综合治理措施,对国内类似条件的特厚松软高突煤层的高 效开采及瓦斯综合治理具有较强的指导意义。介绍了芦岭煤矿8煤层在没有开采保护层的条件下,采用的在底板穿层钻孔大面积 预抽瓦斯的基础上首先开采顶分层消除下部分层煤层的突出危险,下部分层采用综采放顶放技赉实现高效开采的瓦斯综合治理措 施,对国内类似条件的特厚松软高突煤层的高效开采及瓦斯综合治理具有较强的指导意义。突出煤层 高效开采 瓦斯治理煤 矿安全董钢锋 宋庆尧 刘见中 [1]安徽理工大学,安徽淮南232000 [2]煤炭科学研究总院重庆分院,重庆400037 [3]淮北矿业集团芦岭煤矿,安徽宿州234113 [4]煤炭科学研究总院,北京1000132007第六图书馆 第六图书馆 1 0 煤 矿 安 全 T 0 Ia l 3 9 2 特厚松 软 古 同犬 瓦斯 综 煤层高效开采 合 S I i 理 口 五 技术 董钢锋 ， 宋庆尧。 ， 刘见中 1 ． 安徽理工大学 安徽 淮南 2 3 2 0 0 0 ； 2 ． 煤炭科学研究总院 重庆分院， 重庆 4 0 0 0 3 7 ； 3 ． 淮北矿业集团 芦岭煤矿 ， 安徽 宿州 2 3 4 1 1 3 ； 4 ． 煤炭科学研究总院， 北京 1 0 0 0 1 3 摘 要 介绍了芦岭煤矿8煤层在没有开采保护层的条件下， 采用的在底板穿层钻孔大面积预抽 瓦斯的基础上首先开采顶分层消除下部分层煤层的突出危险， 下部分层采用综采放顶放技术实 现 高效开采的瓦斯综合治理措施 ， 对 国内类似条件 的特厚松软高突煤层的高效开采及 瓦斯综合 治理具有较强的指导意义。 关键词 突出煤层 ； 高效开采； 瓦斯治理 中图分类号 T D 7 1 2 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 4 9 6 X 2 0 0 7 0 7 0 0 1 0 0 4 芦岭煤矿为煤与瓦斯突出矿井 ， 8煤层 和及 下 部层间距仅 3 ． 5 1 T I 左右 的 9煤层 均为严重 突 出煤 层 ， 该矿 已经发生的 1 9次突出中有 8次为 8煤层 突 出 ， 突出的最大强度为 8 7 2 9 t ， 涌出瓦斯量 9 31 0 m 。 。8煤层 的厚度为 7 ． 8～1 3 ． 7 n 1 ， 平均 1 0 m， 煤层 瓦斯压力达到了 3 ． 5 M P a ， 瓦斯含量大 ； 煤层极为松 软， 煤层坚固性系数．厂 0 ． 3 ， 施工钻孔过程中极易发 生喷孔、 垮孔和卡钻等现象 ， 钻孔施工难度 大； 而且 煤层的透气性很差 ， 煤层透气性系数为 0 ． 0 0 4 8 4 3～ 0 ． 0 9 8 0 3 8 1 T I ／ MP a d ， 瓦斯预抽效果差。因此 ， 要在如此条件的煤层 中实现高效开采 ， 煤与瓦斯突 出瓦斯防治和瓦斯综合治理是关键。 1 工作面 概 况 试验工作面为该矿 的 Ⅱ8 2 4区段 ， 工作 面走 向 长平均6 3 0 1T I ， 倾斜长1 8 0 ～ 2 0 0 m， 平均 1 9 0 m， 面积 1 1 9 7 0 0 m 。开采的 8号煤层赋存稳定 ， 煤厚 7 ． 8～ 1 3 ． 7 m， 平均 1 0 ． 3 m， 倾角 5 。 ～1 5 。 ， 平均 1 2 。 。工作 面内有 2条落差较大的断层 D F 1 5逆断层 ， 倾 向 1 6 0 。 ， 倾角7 0 。 ， 落差0 ～1 5 r tl ； Ⅱ 8 2 F延3 正断层， 倾 向 1 6 0 。 ， 倾角 7 0 。 ， 落差 0～1 5 r n ， 走向 2 0 r n ， 倾向 1 0 0 rn 。Ⅱ 8 2 4工作面区域 8煤层的原始瓦斯压力 为 3 ． 5 MP a ， 煤层瓦斯含量为 1 6 r n 。 ／ t 。煤尘具有爆 炸危险， 有 自 然发火倾向， 容易自 然发火。 基金 项 目 国家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 9 7 3计 划 课 题 2 0 0 5 C B 2 2 1 5 0 3 ； 国家 自然科学基金重点项 目 5 0 5 3 4 0 8 0 2 高效开采的瓦斯治理途径分析 1 I 8 2 4工作面能否采用综 采放 顶煤开采技术进 行高效开采， 从瓦斯治理与灾害防治上必须考虑 2 个方面问题 ， 一是突 出煤层 采用 综放开采 方法 的前 提是该区域的煤层 已经消 除突 出危 险； 另一方 面是 8 煤层厚度大， 瓦斯含量高， 同时上部有局部可采的 7煤 ， 下部有同样 为有严重突 出危险 的 9煤层且厚 度达到了4 1 T I ， 采用综放技术 高强度开采时本煤层 的邻近层 的瓦斯大量涌出问题能否解决也是关键 。 由于该工作面区域不具备保护层开采条件， 也 没有进行保护层开采 ， 因此提前消除 8煤层突出危 险性只能采取大面积瓦斯预抽的方法 。针对芦岭煤 矿的具体条件 ， 采用底板穿层 网格钻孔进行瓦斯预 抽 ， 但由于 8煤层极为松软 ， 施工钻孔过程 中极易发 生喷孔、 垮孔和卡钻等现象 ， 钻孔施工难度大 ， 而且 煤层的透气性很差 ， 瓦斯预抽效果差。在 8煤和 9 煤的石门揭煤中 ， 一般需要预抽 8～1 2月 ， 局部地点 甚至达到 1 ． 5 a的预抽 时间才能达到消除煤层突出 危险。而 由于控制采面区域的穿层抽放钻孔难度较 大， 在工作面中部有局部区域存在没有钻孔控制的 现象 ， 而且钻孔终孔间距较大， 要通过穿层钻孔预抽 消除 8煤层的突出危 险难度极大 ， 通过煤层的突出 危险直接采用综采放顶煤技术 一次开采 基本不现 实。 因此 ， 在没有开采保护层的前提下， 最有效的办 法就是预采顶分层 ， 消除下部煤层 的突出危险 ， 在下 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 煤 矿 安 全 2 0 0 7 0 7 部煤层 中采用综 放技术高 效开采。而在这种情况 下， 顶分层工作面的瓦斯治理显得成尤为重要。 3 顶分层工作面瓦斯治理 顶分层 工作 面的瓦斯治理分为 2部分 ， 一是采 前预抽煤层瓦斯， 降低煤层的突出危险性和瓦斯含 量； 二是回采过程中的瓦斯综合治理。 3 ． 1 穿层钻孔大面积预抽煤层瓦斯 在 9煤底板巷道 中， 向 8煤层 、 9煤层施工穿层 钻孔， 提前预抽煤层瓦斯， 大幅度降低煤层的突出危 险和煤层 瓦斯含量 ， 为煤层巷道掘进 和工作 面布置 创造条件。钻孔 布置如图 1 所示 ， 钻孔终孔 间距 6 ～ 1 0 m， 钻场间距 2 0 m。同时采用高压水射流扩孔 技术对钻孔的煤层段进行扩孔 ， 增大钻孔 的卸压范 围的瓦斯抽放影响半径 ， 提高钻孔的瓦斯抽放效果 。 轨道巷 集 中巷 图 1 穿层预抽钻孔布置示意 图 在煤巷掘进过程中， 采用 “ 四位一体 ” 综合防突 措施 ， 确保煤巷掘进安全。在工作面形成后 ， 在上下 机巷施工顺煤层 钻孔， 对工作 面区域的煤层进行 了 进一步 的抽放。 3 ． 2 工作 面 回采 瓦斯 综合 治理 在顶分层工作面 回采过程中除本分层涌出大量 瓦斯外 ， 下部分层厚达 8 m的煤层 由于采动影响 的 卸压瓦斯将大量向回采空间涌出， 同时， 由于采动影 响， 上部邻近的 7煤层 和下部邻近的 9煤层产生 的 卸压瓦斯也将向回采空间涌 出。因此工作面回采过 程 中的瓦斯涌出治理 的重点， 是下部分层和邻近煤 层的卸压瓦斯涌 出。 采用 的方法为通风风排 和瓦斯综 合抽 放相 结 合。由于工作面的瓦斯涌出中大部分来源于下部分 层和邻近煤层的卸压瓦斯 ， 因此主要采用顶板高位 钻孔抽放工作面由于采动影响产生 的卸压瓦斯， 同 时采用埋管的方法抽放采空区瓦斯和工作面上隅角 瓦斯。 1 顶板高位钻孔瓦斯抽放。在工作面的回风 巷附近的顶板 中施工高位钻场 ， 钻场距煤层控制在 3 m左右 ， 第一个钻场距工作面切眼的距离为 4 0 m， 钻场间距为5 0 m 。每个钻场施工 6个高位钻孔， 钻 孔终孔间距 1 0 m， 钻孔终孔点距 8煤顶部垂距为 2 0 m。钻孔布置方式见图 2 。 图2 I I 8 2 4 工作面高位钻孔布置示意图 2 采空 区埋管抽放。在工作面上风巷埋设抽 放管路对采空 区瓦斯和工作面上 隅角瓦斯进行抽 放 ， 抽放管直径为 D 2 0 0 m i l l ， 随工作面推进埋入采 空 区后进 行抽放 。采用型号 为 2 B E 14 2 0井下移 动抽放泵进行抽放。 3 工作面风排 瓦斯。工作面通风是保证作业 环境的基础 ， 也是解决工作面 瓦斯涌 出的常规和有 效的技术手段 。工作面采用“ U” 型通风方式 ， 矿井 全负压通风 ， 工作 面的配风量维持在 1 0 6 0～1 3 2 0 m。 ／ mi n左右。 4 工作面瓦斯综合治理效果。工作面从 2 0 0 2 年 4月开始 回采 ， 到 2 0 0 4年 6月停采结束 ， 瓦斯综 合治理效果明显 见表 1 。工作面平均瓦斯抽放流 量为 8 ． 6 9 m ／ mi n ； 抽放率 2 5 ． 1 ％ ～ 7 7 ． 2 ％， 平均达 到了 5 1 ． 0 9 ％ ； 回风流瓦斯浓度平均为 0 ． 7 2 ％ ， 基本 无 瓦斯超限现象 出现 ， 有效地保 障了回采工作面安 全地 生产 。 4 I I 8 2 4 工作面 8煤层突出危险性评价 在顶分层工作面开采后 ， 下部分层 I I 8 2 4 工作 面 8煤层底分层突出危险性评价 以区域预测综合指 标 D 、 、 煤层残余瓦斯压力、 煤样的实验室测定参数 等指标， 并结合底分层煤巷掘进中测定的钻屑瓦斯 解吸指标Ah 、 煤巷掘进期间瓦斯涌出量等资料进 行综合分析确定 。测定和考察结果见表 2 。 从表 2 数据可以看出， 测定底分层 8 煤的残余 瓦斯压力最大仅为 0 ． 3 MP a ， 小于 防治煤与瓦斯突 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 l 2 煤 矿 安 全 T 0 ta l 3 9 2 表 1 Ⅱ8 2 4 工作面瓦斯综合治理效果 出细则 判断煤层突出危险性单顶指标之一瓦斯压 力P的临界值 0 ． 7 4 M P a ； 8 煤层的突出危险性综合 指标 D一 5 ． 7 0 0 ． 2 5． K 6 6 ． 7 ， 虽然 K值 远远大 于突出危险的临界值 K1 5 ， 但 D值为负值 ， 因此 8煤 的底分层区域 由于瓦斯压力的降低而使潜 能大 大降低 ； 在 I I 8 2 4 工作面的煤巷掘进 中进行的突出 日常预测 中， 测定的钻屑瓦斯解 吸指标 △ 的最大 值仅为 8 O P a ， 均没有超过其指标临界值 。而且在预 测钻孔的施工中， 没有出现喷孔、 卡钻等动力现象 ； 同时煤巷掘进过程 中瓦斯 涌出量 不大， 没有 出现瓦 斯超限现象。因此 ， 综合分析上述数据 ， 8煤顶分层 工作面开采后 ， 其下部对应范围内 8煤底分层 已经 消除了煤与瓦斯突出危险。 5 I I 8 2 4 工作面瓦斯综合治理技术 虽然 在顶分层开采后 I I 8 2 4 工作 面范围 内 8 煤底分层 已经消除了煤 与瓦斯突 出危险 ， 可 以采用 综放技术进行高效 开采 ， 但 由于 8煤层 的原始 瓦斯 含量较 大 ， 且 8煤下部 分层厚度平 均达 到了 7 ． 5 O m， 最大厚度达到了 1 1 ． 7 0 m， 而且工作 面开采强度 大产量高， 因此 I I 8 2 4 工作面回采过程中的瓦斯治 理仍不容忽视。 瓦斯综合治理以顶板高位巷道结合高位巷钻 孔、 风巷高位斜交钻孔抽放工作 面采动卸压瓦斯 、 在 工作面顺槽布置本煤层顺层钻孔预抽和边采边抽、 埋管抽放采空区瓦斯和工作面上隅角瓦斯相结合的 综合方法为主。 1 顶板高位巷道结合高位巷钻孔抽放。在工 作面切眼附近回风侧布置顶板高位巷， 距煤层顶板 为 1 0 m， 与风巷平距为 1 0 m。在高位巷 内布置 2个 钻场， 分别施工 6个 和 5个 钻孔 ， 终孔点距煤 层 l O m， 钻孔布置见 图 3 。 2 风巷高位斜交钻孔抽放 。在工作面其它区 域的风巷中布置钻场 ， 施 工高位钻孔进行卸压 瓦斯 抽放。钻场间距 为 1 5 m， 共布 置 2 6个钻场。每个 钻场 4个钻孔 ， 共 1 0 4个钻孔。钻孔布置方式见 图 4。 1 1 8 2 4 2工作 面风巷 二 1 1 8 2 4 - 2工 作面机巷 图 3 顶板高位巷道钻孔布置示意图 1 1 8 2 4 工 作面风巷 一一一一一一一一一一一一 一一一一一一一一一一 高位斜交钻孔 I 1 1 8 2 4 2 工作面 二 1 1 8 2 4 - 工作面机巷 图4 风巷高位斜交钻孔布置示意图 3 本煤层顺层抽放钻孔 。在工作面的机巷和 风巷分别布置顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯 ， 回采时也 进行边采边抽卸压瓦斯。钻孔采用扇形交叉布置 ， 每隔 1 0 m施工一组 3个孔 ， 钻孔深度为 4 0 m， 终孔 间距 7 m。 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆 煤 矿 安 全 2 0 0 7 0 7 1 3 4 采空区埋管抽放。在工作面上风巷埋设抽 放管路对采空区瓦斯和工作面上隅角瓦斯进行抽 放， 抽放管直径为 D 2 0 0 m m， 随工作面推进埋入采 空区后进行抽放。 5 工作面瓦斯综合治理效果。采用瓦斯抽放 结合通风风排的方法对 II 8 2 4 综放工作面瓦斯进 行了综合治理取得了很好的效果 见表 3 。工作平 均瓦斯抽放流量为 4 ． 5 9 m ／ m i n ， 抽放率 5 0 ％ ～ 7 1 ％， 平均为 6 1 ． 6 ％； 工作面回风流瓦斯浓度基本 保持在0 ． 3 ％以下， 基本无瓦斯超限现象出现， 有效 地保障了回采工作面安全、 高效的生产。工作面平 均月产煤炭 8 ． 4 万 t ， 实际的煤炭回收率达到9 1 ％。 表 3 I 1 8 2 4 工作面瓦斯综合治理效果 6结论 1 在采前穿层钻孔大面积预抽大幅度降低煤 层突出危险和瓦斯含量 的前提下 ， 采用顶板 高位钻 孔抽放采动卸压瓦斯及埋管抽放采空区瓦斯和工作 面上隅角瓦斯并结合工作面合理通风， 能有效的解 决顶分层工作面回采中的瓦斯问题。工作面平均瓦 斯抽放流量为 8 ． 6 9 m ／ mi n ， 平均抽放 率 5 1 ． 0 9 ％ ， 工作面回风流瓦斯浓度平均为 0 ． 7 2 ％ ， 基本无 瓦斯 超限现象出现。 2 通过对煤层残余 瓦斯压力、 突出危险性 区 域预测综合指标 D、 、 煤样 的实验室测定参数等指 标 ， 以及下分层煤巷掘进 中的突出预测指标 Ah 、 掘 进期间瓦斯涌 出量等资料进行 的综合分 析确定 ， 8 煤顶分层工作面开采后， 对应范围内 8 煤底分层已 经消除了煤与瓦斯突出危 险， 具备了采用综采放顶 煤开采技术进行高效开采的前提。 3 通过采用顶板高 位巷、 风巷 高位钻孔抽放 采动卸压瓦斯 ， 煤层顺层钻孔预抽和边采边抽瓦斯 及埋管抽放采空区和上隅角瓦斯 的综合瓦斯抽放方 法 ， 并结合工作面合理通风 ， 能有效的解决工作面 回 采过程的瓦斯 问题。工作面平均 瓦斯 抽放 流量 为 4 ． 5 9 m。 ／ mi n ； 瓦斯抽放率平均达到 了 6 1 ． 6 ％ ； 回风 流瓦斯浓度基本保持在 0 ． 3 ％以下， 基本无瓦斯超 限现象出现， 保证了回采工作面安全、 高效的生产， 工作面平均月产煤炭 8 ． 4万 t 。 4 芦岭煤矿在不具备保护层开采条件和没有 开采保护区域 的 8煤层采用的在底板穿层钻孔大面 积预抽瓦斯的基础上首先开采顶分层消除下部分层 煤层 的突出危险， 下部分层采用 瓦斯综合抽放方法 并结合合理通 风的瓦斯 综合治理措施实 现高效开 采 ， 对国内类似条件 的特厚松软 高突煤层 的高效开 采及瓦斯综合治理提供很好 的借鉴。 参考文献 [ 1 ] 淮北矿业 集团 有限责任公 司， 中国矿业大学 北 京 ， 煤炭科学研究总院重庆分院， 等． 特厚松软高瓦 斯突出煤层高效开采关键技术研究[ R] ．2 0 0 6 ． [ 2 ] 张铁岗． 矿井瓦斯综合治理技术[ M]． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 3 ] 于不凡， 王佑安．煤矿瓦斯灾害防治与利用技术手册 [ M] ． 北京 煤炭工业出版社， 2 0 0 0 ． 作者简介 董钢锋 1 9 7 0一 ， 男， 浙江永康人， 高级工程 师， 1 9 9 2年毕业于中国矿业大学通风安全专业， 现为安徽理 工大学博士研究生， 在煤炭科学研究总院重庆分院从事煤矿 瓦斯 灾害防治技术研究工作， 发表论文 2 0多篇。 收稿 日期 2 0 0 70 1 1 6 ； 责任编辑 王福厚 维普资讯 第六图书馆 第六图书馆