平沟煤矿瓦斯治理中采空区埋管抽放技术的应用

袁绍国 臧建领 周连春,2 李默然 王礼

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院,内蒙古 014010;2.神华乌海能源有限责任公司,内蒙古 016000)

平沟煤矿瓦斯治理中采空区埋管抽放技术的应用

袁绍国1臧建领1周连春1,2李默然1王礼1

(1.内蒙古科技大学矿业工程学院,内蒙古 014010;2.神华乌海能源有限责任公司,内蒙古 016000)

详细分析了采煤过程中瓦斯涌出量增大的原因,概述了采空区埋管抽放技术的工作原理。该技术成功地对平沟煤矿0908综采工作面采煤过程中产生的瓦斯进行了有效地治理,保证了采煤工作面安全、稳定、高效的生产。

应用 采空区埋管抽放技术

Abstract:It analyzes the reasons for the increase of gas emission in the mining process,and explains the working Principle of G ob Drainage Pipe Technology.The technology successfully controls the gas which generates during the mining process of 0908 working face,Pinggou Coal Mine,which ensures a safe,stable and effective production for the working face.

Keywords:Application;gob drainage pipe technology

1 引言

神华集团乌海能源有限责任公司平沟煤矿位于内蒙古乌海市海渤湾区卡布其,矿井核定生产能力为1.2Mt/a;该矿通风方式为分区抽出式通风,每个盘区在浅部开一个回风井。该矿采用两井筒进风,即一、二号副井同时入风,各盘区上山回风。平沟煤矿的矿井绝对瓦斯涌出量为44.275m3/min,根据2010年新出版的《煤矿安全规程》第一百三十三条规定:“高瓦斯矿井:矿井相对瓦斯涌出量大于10m3/t或矿井绝对瓦斯涌出量大于40m3/min”,可以判定平沟煤矿为高瓦斯矿井。

由于煤层地质条件复杂,煤层在开采过程中,破坏了煤(岩)体的原始压力平衡状态,上、下部负荷卸除,引起煤(岩)体移动,并向采空区方向膨胀,从而导致由于错动而产生的各个方向的裂隙。这些裂隙与采空区贯通,形成通向采空区排放瓦斯的通道,这样邻近层的瓦斯在自身压力作用下,通过这些通道向采空区发散进入采空区及上隅角,从而造成该矿工作面上隅角及采空区聚积大量瓦斯,严重制约了工作面的安全生产。针对这种情况,该矿积极探索瓦斯抽放新工艺、新方法,采用了采空区埋管抽放技术,对工作面的瓦斯进行了有效地治理,取得了较好的经济效益和社会效益,保证了采煤工作面安全、高效、稳定地生产。

2 问题的提出及采煤过程中瓦斯涌出量增大的原因

2.1 问题的提出

0908综采工作面南侧距F9断层约30m,北侧为中组煤轨道下山保安煤柱,东侧为0906工作面采空区,采空区已封闭,西侧未开采,下覆10#、16#煤层未开采。该工作面走向长度为830m,倾向长度251m,可采储量864857t;采高控制在2.7m。0908综采工作面采用走向长壁后退式一次采全高全部垮落法控制顶板的综合机械化采煤方法。该工作面2009年10月投入生产以来综采队在采煤过程中发现其上隅角瓦斯经常处于临界状态,由于该工作面采用了瓦斯-电闭锁装置,瓦斯浓度达到临界值时工作面电气设备便自动跳闸,由于跳闸频率较高,严重地制约了工作面的安全生产。

2.2 采煤过程中瓦斯涌出量增大的原因

分析认为,0908综采工作面采煤过程中瓦斯涌出量增大原因主要有:

(1)采煤机在破煤过程中,煤层原有应力平衡遭到破坏,在煤壁前方的煤体内,产生3个应力带(见图1),即卸压带、集中应力带和原始应力带[1]。在卸压带(长度一般为3～5m)中,煤层的透气性增大,地应力与瓦斯压力都大大降低,大量吸附在煤层中的瓦斯都沿着煤层的裂隙释放到工作面,从而导致工作面瓦斯涌出量增加。

图1 煤体内的应力带分布

(2)采空区瓦斯流动大体可划分3个带(如图2所示):Ⅰ涌出带(距切眼0～20m)、Ⅱ过渡带(距切眼20～40m)和滞留带(距切眼40m外)。在涌出带中,采空区丢煤和卸压邻近层解吸的瓦斯向工作面和采空区排放,进入涌出带的瓦斯流动速度较快,多以层流形式存在,且这部分瓦斯几乎全部被工作面风流和采空区的漏风流携带到回风道内,从而导致工作面上隅角的瓦斯浓度增大。另外漏风大小与工作面供风量大小及支架位置和工作面通风方式有关,随着工作面的推进,采空区进入过渡带,过渡带的瓦斯在工作面和采空区的压差作用下,一部分进入工作面,一部分暂时或永远滞留在采空区内,该区域瓦斯流动速度明显下降。流动呈现不均衡性,处于层流、紊流交错阶段;而进入滞留带时,释放采空区内的瓦斯一般滞留在采空区的深部,流动速度较低。上述3个带并不是固定不变的,随着工作面的推进向前移动,采空区瓦斯涌出三带出现“浪涌”现象。

涌出带、过渡带、和滞留带的范围,受煤层开采条件特别是开采高度、顶板岩性和采空区瓦斯涌出源供给情况等因素的影响,同时,由于受工作面风流和采空区漏风的影响,各带中的瓦斯浓度也各不相同,滞留带最高,过渡带次之,涌出带最低。采空区内顶板浓度高于底板瓦斯浓度;采面采用上行通风时,采空区上部(回风侧)瓦斯浓度比下部高[2]。

图2 采空区瓦斯涌出规律示意图

3 采空区埋管抽放技术的工作原理及应用

针对在0908综采工作面采煤过程中瓦斯涌出量增大的难题,该矿采取了在0908综采工作面的上隅角向采空区实施埋管抽放技术,有效地治理了工作面的瓦斯,保证了工作面的安全生产。

3.1 采空区埋管抽放技术的工作原理

图3为0908综采工作面埋管抽放采空区瓦斯方法示意图。采空区埋管抽放技术是沿0908综采工作面的回风巷的上帮敷设一条φ150mm的瓦斯抽放管4,瓦斯管路每隔12m设一个φ150mm三通3,每个三通开口位置都朝上并用堵板堵死防止漏气;在瓦斯抽放管的外部分别安装一个φ150mm的阀门2和孔板流量计1,可以方便的打开和关闭抽放管,并能测量抽放管内瓦斯浓度、负压、流量等技术参数;在0908上顺槽准备十几根长1.5m,直径为150mm的花管6(该花管一端带法兰盘,另一端用铁板堵牢、焊死,然后在管壁上每间隔50mm打一个φ10mm的小孔,由于孔较多所以叫花管,其主要作用是抽放瓦斯并防止发生堵管现象)。随着工作面的推进,当瓦斯管的三通到达上隅角时把三通上的堵板打开,把花管加上,然后在花管周围打上一个木垛5防止顶板垮落把花管砸坏,最后放顶将花管埋入采空区,埋管的有效长度一般为20～50m,埋管后抽放采空区的瓦斯,每个三通到上隅角时都重复上述工序,如此反复抽放从而达到降低采空区及上隅角瓦斯的目的。

图3 采空区埋管抽放瓦斯示意图

埋管抽放口的位置对瓦斯抽放浓度等具有重要影响,当抽放口的位置距0908综采工作面切顶线很近时,由于通过采空区的绝大部分流线汇集于抽放口,抽放浓度不高。研究表明,采空区瓦斯浓度的分布规律一般为,沿工作面的推进方向呈驼峰状,其峰顶距工作面约为20～30m;沿工作面倾斜方向是在上顺槽一侧瓦斯浓度最高,如图4所示。因此埋管抽放口应适当调整,使其始终与工作面相距20～30m。

图4 0908综采工作面瓦斯浓度分布规律

3.2 采空区埋管抽放设备

上述抽放管采用井下移动泵站带抽,瓦斯泵用ZWY60/90型水环式真空泵,该泵额定流量为60m3/min,功率90KW,完全能满足采空区埋管抽放的需要。抽放队定期安排人员检查处理抽放管放水、漏气,并及时观测抽放管内的瓦斯浓度、负压、流量等技术参数。

4 应用效果分析

2009年10月中旬综采队初次进入0908综采工作面采煤时其上隅角瓦斯浓度经常保持在0.9%左右,并时有超限现象发生,严重影响了0908综采工作面的安全生产。2009年11月下旬,该矿开始在0908综采工作面采用采空区埋管抽放技术以来瓦斯抽放效果十分明显,抽放队安排放水人员在0908上顺槽测量φ150mm抽放管内负压、浓度等技术参数时发现管内负压一般保持在35.4～39.8KPa之间,瓦斯浓度一般保持在10%～18%之间。实施采空区埋管抽放技术后,11月下旬以后在该工作面采煤时,上隅角的瓦斯浓度已降至0.3%～0.4%,此后观察抽放管内瓦斯浓度至今没有反弹,保证了0908综采工作面的安全、稳定、高效生产,收到了良好的社会与经济效益。

[1] 徐永圻.采矿学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

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[3] 张子敏,张玉贵.瓦斯地质规律与瓦斯预测[M].北京:煤炭工业出版社,2005.

[4] 张子敏.瓦斯地质学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2009.

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[6] 于不凡,王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京煤炭工业出版社,2000,437-50.

[7] 沈广辉,樊艳虹,樊斌,等.采空区瓦斯分布规律及瓦斯抽采方法研究[J].工矿自动化,2009,4:95-96.

[8] 张小东,王利丽.中国煤层气勘探开发利用技术进展[M].北京:地质出版社,2006:244-245.

Application of Gob Drainage Pipe Technology for Gas Control in Pinggou Coal Mine

Yuan Shaoguo1,Zang Jianling1,Zhou Lianchun1,2,Li Moran1,Wang Li1
(1.Mining Engineering College,Inner Mongolia University of Science&Technology,Inner Mongolia 014010;2.Shenhua Wuhai Energy Co.Ltd.,Inner Mongolia 016000)

袁绍国,男,内蒙古科技大学矿业工程学院教授,硕士生导师,内蒙古煤炭研究所安全评价员,研究方向为岩石力学,控制爆破。

(责任编辑 桑逢云)