“三软”不稳定低透气性煤层采空区瓦斯综合治理技术研究＊

刘三钧 林柏泉 李全贵 孟凡伟 李贤忠

(中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

★煤矿安全 ★——晋城煤业集团公司协办

“三软”不稳定低透气性煤层采空区瓦斯综合治理技术研究＊

刘三钧 林柏泉 李全贵 孟凡伟 李贤忠

(中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室,江苏省徐州市,221116)

以瓦斯流动、瓦斯赋存规律为基础,运用三维模拟软件Flunt进行建模,分析了采空区瓦斯在立体空间范围内的分布特征。指出了“三软”不稳定煤层瓦斯综合治理的必要性,提出了以煤层高抽巷抽放为主,以高抽巷埋管抽放、高位钻孔抽放为辅的“一主两辅”的采空区瓦斯综合治理技术。

Flunt模拟 地透气性煤层 一主两辅 瓦斯综合治理

AbstractWith the help of the regularities of gas flow and gas occurrence,3-D simulation software Flunt is used to configure a model.In this way,an analysis is carried out on the characteristics of the 3-D distribution of gas in the space of gob areas.This paper points out the importance of the implementation of comprehensive gas control measures in"three-soft"and unstable coal seams.In concrete terms,it is proposed to mainly execute gas extraction from special drifts over the working coal seams and at the same time gas extraction from tubes buried in the special drifts over the working coal seams and gas extraction from high-positioned bore-holes as auxiliary measures.This"one major gas extraction complemented by two auxiliary gas extractions"is the so called comprehensive gas control technology for use in coal mine gob areas.

Key wordsFlunt simulation,low permeable coal seam,one major gas extraction complemented by two auxiliary gas extractions,comprehensive gas control

我国煤矿很多是高瓦斯或煤与瓦斯突出矿井,瓦斯灾害位居煤矿五大灾害之首,长期以来严重威胁着煤矿的安全生产、制约着煤矿经济效益的提高。随着采掘机械化程度的提高和开采深度的增加,瓦斯压力、瓦斯含量、瓦斯涌出量等也不断增大,尤其是综采放顶煤等高产高效工作面,受通风能力的限制,瓦斯已成为制约安全生产的“瓶颈”。因此,瓦斯综合治理技术的研究一直是我国高、突矿井的重大课题。

1 矿井概况及问题的提出

裴沟煤矿是郑煤集团公司的一个骨干矿井,于1966年建成投产,矿井生产能力180万t/a。主要开采二迭系山西组2-1#煤层,直接顶、直接底为泥岩,老顶为砂岩,老底为灰岩,属于典型的“三软”不稳定低透气性煤层。试验工作面为32003综放工作面,煤层较厚,一般为7～10 m。采煤方法为走向长壁综采放顶煤一次采全高,采用全部跨落法管理顶板。32003工作面瓦斯分布不均匀,掘进期间绝对瓦斯涌出量为4 m3/min左右,工作面相对瓦斯涌出量10 m3/t左右。预测回采期间瓦斯绝对涌出量最大将达到30 m3/min。

随着回采的推进,工作面瓦斯涌出量增大,虽然增加了配风量还是不能有效解决问题,回风流瓦斯仍时有超限,放煤时上隅角瓦斯浓度多在1%以上,严重威胁着煤矿的安全生产。该矿开采实践表明:采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60%以上。因此,如何有效地治理采空区瓦斯是解决该工作面瓦斯超限的关键。

2 采空区瓦斯赋存规律数值模拟研究

为了分析采空区瓦斯在三维空间范围内的赋存情况,使用流体力学三维模拟软件Flunt对裴沟矿32003工作面进行建模。

为了使模拟结果更接近现实情况,各种参数设置基本上和32003工作面的实际情况相同,参数具体设置如下:工作面长度120 m,煤厚10 m,采用U型通风方式加煤层顶板高抽巷抽放瓦斯。高抽巷沿煤层顶板设计,距回风巷内侧为20 m,断面尺寸为2.2 m×2.2 m,长度为200 m,32003工作面数值模型图见图1,32003工作面网格布置图见图2。

32003工作面顶板处瓦斯浓度分布见图3,从图中可以清晰地看到采空区瓦斯浓度的分布情况。在回风流及高抽巷的影响下,采空区中靠近回风巷侧的瓦斯浓度远远高于靠近进风巷侧的瓦斯浓度,以高抽巷靠近回风巷侧的瓦斯浓度为最高。在高抽巷高抽放负压的作用下,采空区瓦斯向高抽巷积聚并被排出而不至于涌向工作面,保证采煤工作面瓦斯不超限。

图3 32003工作面瓦斯浓度分布平面图

32003工作面立体空间瓦斯浓度分布见图4,从图中可以看到:在靠近进风巷侧的采空区浅部瓦斯浓度相对较低,越靠近回风巷侧瓦斯浓度较高,而且随着距工作面距离的增加,采空区瓦斯浓度越来越高。在采空区深部,瓦斯浓度基本不受影响。由于高抽巷设计在煤层中,其抽放负压作用距离有限,高抽巷主要对工作面及近距离采空区的瓦斯进行抽放,无法对采空区深部的瓦斯产生强有效的影响。再加上放顶后煤层空隙增多,工作面一定量的新鲜风流漏入高抽巷,影响高抽巷了对采空区瓦斯的抽放作用。

图4 32003工作面立体空间瓦斯浓度分布图

3 瓦斯抽放技术研究

根据采空区瓦斯流动、瓦斯赋存规律以及数值模拟结果的研究,决定在裴沟矿32003工作面实施以煤层高抽巷抽放为主,以高抽巷埋管抽放、高位钻孔抽放为辅的“一主两辅”的采空区瓦斯综合治理措施。

3.1 煤层高抽巷抽放

裴沟矿32003综放工作面的高抽巷沿煤层顶部设计,这是因为该煤层比较厚,约为7～10 m,并且考虑沿煤层掘进、支护等工作比较容易,可缓解采掘工作面接替紧张问题等。煤层高抽巷的水平投影距回风巷的平行距离要远近适宜:距离过近,巷道漏气现象严重;距离过远巷道不处在瓦斯富集区,抽放效果不好。煤层高抽巷与上副巷内错10～15 m,每段煤层高抽巷长约100～130 m,两段煤层高抽巷至少压茬15 m,采用大断面支护,扩大瓦斯积存空间,煤层高抽巷平面设计示意图见图5。

图5 煤层高抽巷平面设计示意图

3.2 高抽巷埋管抽放

裴沟矿32003综放工作面的煤层高抽巷抽放起到了很好的抽放效果,但其抽放浓度较低,仅在7%左右。原因是高抽巷设计在煤层中,出口与工作面相通,在抽放负压的作用下,工作面的新鲜风流漏入煤层高抽巷,导致瓦斯浓度降低。为此,在煤层高抽巷进行埋管抽放,使抽放端头直接处于采空区内,高抽巷埋管平面设计示意图见图6。

图6 高抽巷埋管平面设计示意图

图6中,ABCDEFA代表高抽巷,其中CD段是靠近采空区侧,AF段是靠近回风巷侧,并且在AF段进行密闭。为避免密闭漏气情况发生,密闭施工时一定要做到周边掏槽并见硬帮硬底,符合通风设施质量标准要求;而且要设计双层密闭,双层密闭之间距离大于2 m,并用水泥砂浆充填;对密闭及附近2～3m巷道四周进行喷浆封闭。在高抽巷内巷高2/3处布置1、2两条管子。2号管子较短,用来对高抽巷进行抽放。1号管子较长深入高抽巷内,在管子前端3 m长度内做花眼,并用铁丝缠绕以防止煤渣堵塞孔口。两条管子最终汇入抽放总管路3。

3.3 高位钻孔抽放

在工作面回采过程中,其周围将形成一个采动压力场,采动压力场及其影响范围在垂直方向上形成3个带,即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带;在水平方向上形成3个区,即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区,3区3带划分示意图见图7。

图7 三区三带划分示意图

高位钻孔是在风巷内向煤层顶板施工的钻孔。高位钻孔抽放又称顶板裂隙带抽放,一般设计在顶板裂隙带内,主要是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放工作面煤壁以及上隅角涌出的瓦斯。在抽放负压的作用下围岩、煤层吸附的瓦斯转为游离状态瓦斯,经高位钻孔抽排出采空区,从而解决上隅角和回风流瓦斯超限问题,达到治理采空区瓦斯的目的。为了提高瓦斯抽放率保证较好的抽放效果,在考虑减少顶板岩石高位钻场掘进工程量的条件下,高位钻孔应尽可能多地设计在顶板裂隙带内和瓦斯富集区内,冒落带、裂隙带高度预测经验公式如下:

式中:M——工作面采厚,m;

Hm—冒落带高度,m;

Hl—裂隙带高度,m。

根据上述公式并结合裴沟矿32003工作面实际情况,得出其顶板裂隙带的高度大致为40～50 m,即为采高的6倍左右。为让高位钻孔更大限度地设计在顶板裂隙带内,这就要求做高位钻场来抬高高位钻孔的开孔位置。从中联巷与高抽巷内错15 m处施工钻场巷,钻场巷是由一段长12 m、高4 m、倾角19°的斜巷和一段长5 m的平巷组成,在平巷的端头做钻场。本钻场共设计上下两排6个钻孔,两排钻孔间距0.7 m,同排钻孔间距0.8 m。钻进深度约150 m,终孔位置约在煤层顶板40 m高度处,整个钻孔的水平投影在靠近回风巷侧50 m的范围内。高位钻孔平面设计示意图见图8,高位钻孔参数设计见表1。

图8 高位钻孔平面设计示意图

表1 高位钻孔参数设计表

4 抽放效果分析

将3种抽放方式任一时间段的抽放总浓度对比分析,得出不同抽放方式瓦斯抽放浓度变化对比图见图9。

图9 不同抽放方式瓦斯抽放浓度变化对比图

从图9可以看出,高抽巷抽放浓度在7%左右,高抽巷埋管抽放浓度在5%左右,两种抽放方式浓度比较低。高位钻孔抽放浓度比较高,基本保持在20%以上。出现这种情况的原因是:高抽巷设计在煤层中,工作面漏风量大,高抽巷漏入大量新鲜风流,稀释了管路的瓦斯浓度。不过,煤层高抽巷抽放负压与抽放量都比较大,在抽放浓度为7%的情况下,抽放瓦斯纯量也达到了7 m3/min以上。地面抽放系统瓦斯抽放浓度高达40%,一般稳定在12%～25%;瓦斯抽放纯量达到8～40 m3/min,长期停止运转的地面瓦斯发电站也因为获得了足够的瓦斯源开始正常运转了。

措施实施后,32003工作面回风流瓦斯浓度基本保持在 0.3%以下,上隅角瓦斯浓度维持在0.4%～0.6%之间,从未发生过瓦斯超限事故;预测值与效检值未曾超标,工作面每天顺利推进3 m左右,消除了一系列瓦斯异常现象;通过瓦斯抽放,减轻了风排瓦斯的压力,实现了高效高产,创造了良好的经济效益和社会效益。

5 结论

(1)高抽巷一般尽量不设计在煤层中,如果煤厚大于10 m可以考虑设计在煤层中。煤层高抽巷的施工要严格沿顶掘进,并靠近回风巷侧。煤层高抽巷与回风巷要内错15 m左右,保证煤层高抽巷处在瓦斯富集区而又减少巷道漏风的可能性。

(2)提高煤层高抽巷密闭的质量,防止密闭漏风,这是提高煤层高抽巷瓦斯抽放浓度和抽放率的根本保证。要做双层密闭,密闭之间距离大于2 m,并用水泥砂浆充填,密闭及附近巷道做全断面喷浆处理。

(3)高位钻孔尽可能多地设计在顶板裂隙带内和瓦斯富集区内,一方面做高位钻场抬高开孔位置,另一方面设计高位钻孔靠近回风巷侧50 m的范围内。

(4)关于典型的“三软”不稳定低透气性煤层瓦斯治理的问题,不能采用单一的治理方式,应结合矿井的实际情采取多种瓦斯治理方式,以达到采、掘、抽综合平衡。

[1]林柏泉.矿井瓦斯抽放理论与技术 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1996

[2]赵旭生.定向长钻孔综合抽放瓦斯方法 [J].煤炭科学技术,2001(3)

[3]郭海亮,王海云.顶板走向高抽巷和内错尾巷联合布置解决综放面瓦斯问题 [J].煤炭科技,2003(1)

[4]童云飞.开采煤层顶板走向钻孔抽放瓦斯技术 [J].煤矿安全,2002(3)

[5]廖安然,魏风清.顶板水平抽放钻孔模型设计 [J].中州煤炭,2007(2)

[6]俞启香.矿井瓦斯防治 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1992

[7]翟成,林柏泉.顶板高位钻孔抽放在瓦斯治理中的应用 [J].煤炭工程,2005(9)

(责任编辑 梁子荣)

A research on comprehensive gas control technology for use in gob areas in"three-soft"unstable coal seams with poor permeability

Liu Sanjun,Lin Baiquan,Li Quangui
(China University of Mining and Technology National Key Laboratory for Coal Resources and Safe Mining,Xuzhou,Jiangsu province 221116,China)

TD721.6

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刘三钧 (1983-),河南永城人,中国矿业大学安全技术及工程专业硕士,主要从事矿业安全方面的研究。

＊国家自然科学基金资助项目 (50534090, 50574093),国家重点基础研究发展计划 (2005cb221506)、国家"十一五"科技支撑计划项目 (2007baq00168-1)资助