采矿毕业论文（白皎煤矿瓦斯治理技术研究）.doc

重庆大学网络教育学院 毕业设计（论文）题目 白皎煤矿瓦斯治理技术研究学生所在校外学习中心 批次 层次 专业 072，高中起点专科，采矿工程学 号 学 生 指 导 教 师 起 止 日 期2009年3月1日至2009年4月22日目 录摘要31.引言42.煤矿瓦斯概述42.1瓦斯定义42.2瓦斯含量及涌出量52.2.1瓦斯含量及其影响因素52.2.2矿井瓦斯涌出的形式52.2.3矿井瓦斯涌出量的表示方法和主要影响因素53.白皎煤矿矿井瓦斯的特点63.1矿井瓦斯赋存条件及生成原因63.2.1矿井瓦斯赋存条件63.2.2矿井瓦斯生成的原因74.矿井瓦斯防治及效果74.1国内外瓦斯防治主要手段及其优缺点74.1.1防治瓦斯爆炸的措施 74.1.2预防瓦斯喷出及突出的措施 84.1.2.1预防瓦斯喷出的措施 84.1.2.2预防瓦斯突出的措施 84.2白皎矿井瓦斯防治技术及使用效果94.2.1矿井瓦斯抽采94.2.1.1矿井瓦斯抽采系统94.2.1.2矿井瓦斯抽采技术104.2.2瓦斯抽采效果165.总结17参考文献18摘 要白皎煤矿位列全国22对重灾矿井的第五位，是全国有名的难治理煤与瓦斯突出矿井。建矿至今我矿已突出221次，其中特大型突出7次，突出强度最大一次为：突出煤量2777吨，瓦斯量为497573m3，大型突出9次，次大型突出49次。面对如此恶劣的生产条件和自然灾害，为实现安全生产，保障职工的生命安全和国家财产免遭损失，白皎煤矿始终把“一通三防”摆在安全生产重中之重的位置，把防止重大通风瓦斯事故作为“一通三防”工作的主线，严格贯彻落实“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理十二字方针，切实开展瓦斯集中整治，依靠科技进步治理灾害，认真实施抽采瓦斯这一治理瓦斯灾害的根本措施，并坚持“抽、防”并举，为矿井安全生产创造有利条件。 关键词：瓦斯突出 一通三防 先抽后采 监测监控 以风定产 1、引言白皎矿井为国内知名、难治理的严重煤与瓦斯突出矿井，煤层瓦斯含量分别为：B4煤层18.26m3/t、B3煤层18.73 m3/t、B2煤层18.86m3/t，已测煤层瓦斯压力最大3.2MPa。井田内地质构造复杂，每平方公里就有断层多达34.3条，生产揭露落差大于2m的断层多达千余条，构造致使原岩水平应力达到垂直应力的2.8倍。在已测煤层瓦斯压力在1.573.2MPa的情况下，矿井瓦斯灾害异常严重，投产至今已发生突出210次，其中特大型突出7次，大型突出10次,次大型突出50次。平均每次突出煤量169.62T，突出瓦斯量11707m3，其中最大一次突出煤量为2777t、瓦斯量497573m3，瓦斯逆流达千余米。近几年绝对瓦斯涌出量为88124m3/min；相对瓦斯涌出量为66110m3/t。投产至今已发生过瓦斯爆炸事故63起，瓦斯燃烧事故18起，其中死亡事故10起，死亡54人。2006年度白皎煤矿的瓦斯等级鉴定结果为：绝对瓦斯涌出量99.3m3/min，相对涌出量98 m3/T，属煤与瓦斯突出矿井。2、煤矿瓦斯概述2.1瓦斯的定义矿井瓦斯是指从煤岩中释放出的气体的总称，主要成分是甲烷(CH4)，其次为氮气和二氧化碳，还有烃类气体等。瓦斯是一种无色、无味的气体。由于瓦斯的比重轻，容易聚集在巷道的上部。瓦斯的渗透性很强，封闭在采空区内的瓦斯能不断地渗透到矿内空气中，从而增加空气中的瓦斯浓度。空气中瓦斯浓度增加会相对降低空气中氧的含量。当瓦斯浓度达到40时，因缺乏氧气会使人窒息死亡。瓦斯具有燃烧性与爆炸性。瓦斯与空气混合达到一定浓度后，遇火能燃烧或爆炸，对矿井威胁很大。井下瓦斯爆炸产生的高温、高压和大量有害气体，能形成破坏力很强的冲击波，不但伤害职工生命，而且会严重地摧毁矿井巷道和井下设备。有时，还可能引起煤尘爆炸和井下火灾，从而扩大灾害的危险程度。矿井瓦斯在煤体及围岩中的存在状态有游离状态(也称自由状态)和吸附状态两种。2.2瓦斯含量及涌出量2.2.1瓦斯含量及其影响因素瓦斯含量是指单位体积或单位质量的煤体或围岩中所含有的瓦斯量，单位通常用m3m3、m3t来表示。瓦斯含量是确定矿井瓦斯涌出量的基础数据，是矿井通风及瓦斯抽放设计的重要参数。影响煤体瓦斯含量的因素很多，可概括为两类：一类是影响瓦斯生成量多少的因素，如成煤前含有机质的量，煤化程度；另一类是瓦斯的保存和放散条件，如煤的性质，煤层赋存状况，煤层顶、底板和覆盖层的性质、厚度等。2.2.2矿井瓦斯涌出的形式瓦斯涌出是指储存在煤体内的部分瓦斯离开煤体而涌入采掘空间。瓦斯涌出的形式分为普通涌出和特殊涌出两种。瓦斯由煤层或岩层表面非常微细的裂隙和孔隙中缓慢、均匀而持久地涌出称为普通涌出。瓦斯特殊涌出包括瓦斯喷出与突出，即在压力状态下，在很短的时间内自采掘工作面的局部地区，突然涌出大量的瓦斯或伴随瓦斯突然涌出有大量的煤和岩石被抛出。2.2.3矿井瓦斯涌出量的表示方法和主要影响因素矿井瓦斯涌出量是指开采过程中正常涌入采掘空间的瓦斯数量，通常用单位时间或单位质量的煤所放出的瓦斯数量来表示。瓦斯涌出量分为绝对涌出量和相对涌出量两种。影响瓦斯涌出量的主要因素有煤层瓦斯含量、开采规模、开采顺序与回采方法、生产工序、地面大气压力的变化、通风方式、采空区管理方法等。3、白皎煤矿矿井瓦斯的特点3.1矿井概况矿井相对瓦斯涌出量为112.52m3/t，绝对对瓦斯涌出量为62.51m3/min。从建矿至今先后发生煤与瓦斯突出224次，其特大型突出7次，突出强度最大为：突出煤量2777吨，瓦斯量为497573m3，大型突出9次，次大型突出49次，始突深度120m。 3.2矿井瓦斯赋存条件及生成原因3.2.1矿井瓦斯赋存条件从整个矿井来看，主要开采宣威组二煤层，煤质属高变质无烟煤，据整个芙蓉矿区煤变质分析可知，其煤变质作用是以区域深成变质和区域热力变质相互迭加作用为主，仅在井田北部存在明显的接触变质作用。因此，这种区域深成变质和区域热力变质缓慢的相互迭加作用是形成无烟煤这一构造煤和瓦斯含量最大的主要根源，煤层瓦斯含量为18.150m3/t。宣威组煤系地层的聚煤环境属滨海平原型，其顶底板岩性以泥岩、粉砂岩、砂质泥岩和钙泥质胶结的中细砂岩为主，这种岩性组合形式对煤层形成了透气性较差的相对保护层，在无断裂构造或影响较小的地段，煤层通常比较干燥，开采过程中无淋水现象，这说明二煤围岩的岩性组合形式有效阻止了煤层中瓦斯向外逸散和运移，故此形成的瓦斯得以较好的保存。地质构造是影响瓦斯产生的重要条件之一。它一方面可以改变煤层的赋存形态及煤层本身的煤体结构；另一方面可以改变煤层围岩的透气性能。白皎井田总体为一单斜构造，地层走向呈扇状波形变化。其内的中小型断裂构造比较发育，同时还有一些为宽缓的背斜。在目前开范围内的中型断裂构造有F39、F40、F41、F42等断层。3.2.2矿井瓦斯生成的原因煤矿井下的瓦斯产生主要来自煤层和煤系地层，它主要是腐植型有机物在成煤过程中生成的。瓦斯由甲烷及其同系物、非烃类气体CO，N2，H2，CO，H2S以及稀有气体氦、氩等组成，其中CH4 含量较高，一般在60%80%。瓦斯主要具有以下性质：矿井瓦斯是一种无色、无臭、无味的气体，比空气轻，常聚集在巷道的顶部。矿井瓦斯对人有窒息作用。矿井瓦斯虽然无毒，但在空气中的浓度增大时，能使空气中的氧气含量相对降低，使人窒息。当空气中的瓦斯含量达到40以上时，能使人立即死亡。矿井瓦斯具有燃烧性和爆炸性。矿井瓦斯在空气中的含量达到适当浓度时，遇到引爆热源能引起燃烧和爆炸。4、矿井瓦斯防治及效果4.1国内外瓦斯防治主要手段及其优缺点目前国内外大部分煤矿均采取抽放、排放、注水工艺治理瓦斯，大大的减少了煤矿瓦斯事故的发生。4.1.1防止瓦斯爆炸的措施引起瓦斯燃烧与爆炸必须具备3个条件：一定浓度的瓦斯，一定温度的引火源和足够的氧。防止瓦斯爆炸的技术措施很多，可以分为三个方面：防止瓦斯积聚、防止瓦斯被引燃和防止瓦斯事故的扩大。根本措施是前面两个。防止瓦斯积聚的根本措施是加强通风，包括矿井必须根据规定配足风量，采用机械通风，实行分区通风，工作面采用独立通风，采空区必须及时封闭，瓦斯矿井的掘进工作面禁止使用扩散通风等措施。防止瓦斯积聚的其他措施包括及时处理局部积存瓦斯，抽放瓦斯，加强检查等。防止瓦斯被引燃是指防止明火、放炮和电火花、摩擦火花、冲击火花等引火源使瓦斯燃烧爆炸。4.1.2预防瓦斯喷出和突出的措施4.1.2.1预防瓦斯喷出的措施 预防处理瓦斯喷出的措施，应根据瓦斯喷出量的大小和瓦斯压力的高低来制定，一般采取“探、排、引、堵”等措施。 (1)“探”就是探明地质构造和瓦斯情况。(2)“排” 就是排放和抽放瓦斯。如探明断层、裂隙、溶洞大小或瓦斯量不多时，可让它自然排放。如瓦斯量大，喷出强度大，持续时间长，则可插管进行抽放。(3)“引” 就是引导瓦斯到回风巷。(4)“堵”就是堵塞裂隙。可用黄泥或水泥堵住裂隙，防止瓦斯喷出。 同时，对于瓦斯喷出的工作面要有独立的通风系统并加大供风量。4.1.2.2预防瓦斯突出的措施预防煤和瓦斯突出的措施分为区域性措施和局部性措施。开采解放层是最经济、最有效的区域性措施。首先开采的非突出层称为解放层，后开采的突出层称为被解放层。局部性措施是指突出危险煤层采掘时采用的影响范围较小的预防措施。主要方法是排出瓦斯，增大卸压范围；加固煤体，增强煤体抵抗能力；人为诱使煤和瓦斯突出，减少突出损失。4.2白皎矿井瓦斯防治技术及使用效果白皎煤矿位列全国22对重灾矿井的第五位，是全国有名的难治理煤与瓦斯突出矿井。建矿至今我矿已突出221次，其中特大型突出7次，突出强度最大一次为：突出煤量2777吨，瓦斯量为497573m3，大型突出9次，次大型突出49次。矿井内构造主要是断层构造复杂，主要以中、小型断层为主，其中小断层较为发育。至今共查明大小断层共925条，其中逆断层有518条，占总条数的56%，正断层有407条，占总条数的44%。落差在10-20m断层9条，占0.97%，揭2-10m落差的断层132条，小于2.0m落差的断层780条，断层破坏煤层结构，使煤层复杂化，增大了煤层突出危险。2006年矿井瓦斯等级鉴定为煤与瓦斯突出矿井，煤层自然发火倾向性为容易自燃。面对如此恶劣的生产条件和自然灾害，为实现安全生产，保障职工的生命安全和国家财产免遭损失，白皎煤矿始终把“一通三防”摆在安全生产重中之重的位置，把防止重大通风瓦斯事故作为“一通三防”工作的主线，严格贯彻落实“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理十二字方针，切实开展瓦斯集中整治，依靠科技进步治理灾害，认真实施抽采瓦斯这一治理瓦斯灾害的根本措施，并坚持“抽、防”并举，为矿井安全生产创造有利条件。 4.2.1矿井瓦斯抽采4.2.1.1矿井瓦斯抽采系统矿井1979年进行了瓦斯抽放工作，1982年建立永久抽放系统，2004年利用国债资金对抽放系统进行了技改，现有三台2BEC42型和一台SK-60型真空泵，装机功率为1603KW，转速为390r/min,抽采能力达130m3/min。抽采系统的装备见表一。 表一：白皎矿抽采系统装备抽采泵型号台数装机功率（KW）抽采能力（m3/min）抽采干管管径（mm）备注2BEC423160130273SK-60175602734.2.1.2矿井瓦斯抽采技术矿区瓦斯抽采基本参数 1995年，我公司与重庆大学合作，对芙蓉矿区的瓦斯参数分布规律进行了考察，白皎矿区瓦斯基本参数如下表二。 表二：白皎矿区瓦斯基本参数参数项目参数值实测最大瓦斯压力(MPa)3.2最大a常数33.66最大b常数1.76煤层平均瓦斯含量(M3/t)18.86瓦斯压力梯度(MPa/m)0.004770.00707瓦斯含量系数m3/(t. Mpa0.5)7.498.69瓦斯储量(亿m3)48.69瓦斯涌出比8.06穿层钻孔最大瓦斯自排量(L/min)27.3顺层钻孔最大瓦斯自排量(L/min)32.3煤层透气性系数m2/(MPa2.d)00.02百米煤孔(穿层)初始自排量m3/（min.100m)00.070最小f值0.25最大P值30残存瓦斯量(M3/t)4.164.18瓦斯抽采方式方法经过多年攻关试验研究，我矿目前采用有包括工作面采掘前预抽、边掘边抽、采中顺层抽及采后对采空区进行卸压抽等多种抽采方式。 根据矿区煤层的赋存条件，我矿已成功应用包括底板穿层网格钻孔抽采、顺煤层钻孔抽采、俯伪斜下邻近层钻孔抽采、顶板裂隙及采空区抽采等多种方法在内的综合立体抽采方法，矿井基本形成了“先抽后掘” 、“先抽后采”的格局，正规采区区段内瓦斯预抽率达2535%以上才进行煤层巷道的掘进和回采工作。采掘前预抽是在煤层底板沿工作面走向施工抽采瓦斯的专用岩石巷道(底板道)，底板道内每隔15m施工一个钻场，在钻场内向煤层施工网格钻孔，钻孔间距66、88、1010m，控制范围主要是首采煤层巷道掘进条带，钻孔终孔点在巷道两侧轮廓线外不低于10m(见图一)。经过14年时间的预抽，预抽率达到2535%以上后，才安排煤层巷道掘进。此种抽采的目的主要是防止首采煤层巷道掘进时发生煤与瓦斯突出，并降低其掘进过程中的瓦斯涌出量。 对于地质构造较复杂，突出危险性较严重的区段，通过底板道的抽采钻场，向首采层开采范围内的下邻近煤层施工钻孔，钻孔布置也成网格式(见图一)，并与首采层掘进条带钻孔同时投入预抽。此种抽采旨在消除首采层开采期间下邻近煤层的突出、瓦斯喷出并减少卸压瓦斯涌出量，确保回采期间的安全生产。 顺层预抽是在采煤工作面上、下顺槽采用ZY150型钻机和42mm或50mm钻杆配64mm无岩芯钻头，垂直巷道煤壁沿煤层施工一至二排平行钻孔，钻孔间距25m。一般在下顺槽中施工的上斜钻孔长度为5080m，在上顺槽中施工的下斜钻孔为3060m，上、下斜钻孔间留10m隔离带(见图二)。此种抽采方式旨在消除首采煤层工作面回采期间本煤层的突出危险并降低回采工作面的瓦斯涌出量。 俯伪斜穿层钻孔抽采下邻近煤层瓦斯技术，主要是针对无底板岩石抽采巷道或底板道抽采效果不佳的采煤工作面，在首采层开采时为了减少其下邻近煤层卸压瓦斯对开采的影响而实施。即在首采煤层巷道内施工本煤层顺层预抽孔的同时，在其底部每间隔5m，沿与工作面推进方向呈145135夹角的伪斜方向，以-15-20的倾角向其下邻近煤层平行施工下斜钻孔，钻孔深度一般4560m，钻孔穿过层间岩石后见煤长度要尽量长，以保证在开采前更加充分预抽下邻近煤层的瓦斯。钻孔终孔点滞后工作面推进位置一般3050m，保证开采中最大程度的抽采下邻近煤层卸压瓦斯(见图三)。 边掘边抽主要是针对无底板抽采巷道或底板道抽采效果不佳的突出煤层掘进工作面而实施，即在掘进工作面退后510m位置两帮施工一钻场，在钻场内向掘进工作面前方施工35个顺煤层钻孔进行抽采。钻孔长度3050m，终孔间距35m，钻孔控制巷道两侧轮廓线外不小于10m。在掘进过程中实行超前预抽(见图四)。 采空区抽采是为了防止采空区大量高浓度瓦斯由于受气候、采场压力变化造成采煤工作面或巷道瓦斯超限而实施。主要方法有：一是利用底板道原有抽采管路直接抽采，与底板道预抽瓦斯不同之处是必须根据采空区的瓦斯浓度、气体成份变化情况适当、准确、及时调整抽采负压，最大限度的抽采采动卸压瓦斯，并防止抽采引燃采空区浮煤或抽出较低浓度瓦斯；二是在采煤工作面尾巷内埋管抽采，一般埋设直径100150mm的钢管或塑料管，此种方法经过在杉木树矿N2432综采工作面应用，抽采浓度较低（1015%），效果不太理想；三是在工作面的回风巷向工作面后方采空区顶板裂隙带内施工钻孔抽采，一般每个钻场布置3个钻孔，钻孔直径64mm。此种方法抽采瓦斯浓度较高（5080%），但流量较小；四是为了利用瓦斯，当回采工作面开采完毕封闭时，在密闭墙上埋设管道，直接对采空区进行抽采。此种方法抽采的效果较好，但对于有自燃发火的煤层不能长期抽采，且在抽采过程中必须经常检测抽采管道和采空区内的CO、温度等，防止抽采引燃采空区内的浮煤。钻孔施工和封孔工艺施钻工艺关系到钻孔能否施工到位，确保抽采的煤体得到有效控制。1995年，我公司与重庆煤科分院合作进行顺煤层长钻孔施工工艺的研究，通过ZY200型钻机研制，改高压水排煤渣为高压风排渣和孔口高压水防尘，将长1.5m的钻杆改为长0.8m的钻杆，并改用合金刚材料制作以增加其强度，钻头采用PDC（聚晶金刚复合片）制作，在钻头上镶反向切削合金片以处理卡、埋钻事故，同时采用多级组合钻具，增加钻杆与钻头间的直径差值，在瓦斯富集带，遇到强力喷孔、煤层破碎的情况下，将钻进液压控制在35MPa，转速控制在200500rpm之间。施工顺煤层长钻孔深度由原来的50m增加到150m，一般在地质构造较复杂的地段也能够施工到100m左右。近两年来，我公司自身也在不断地进行施钻工艺的改进和革新，通过技术人员的努力，取得了倾角-20以上下斜钻孔施工深度能够达到100m的好成绩。 封孔工艺则关系到钻孔能否抽出瓦斯的成败，是十分关键的一道工序。为了保证钻孔的气密性，确保孔口抽采负压在13KPa以上而不漏气，上斜孔均必须采用水泥砂浆泵机械封孔，下斜孔可采用人工封孔；封孔深度开孔在岩石中的必须在5m以上、开孔在煤层中的必须达8m以上。4.2.2瓦斯抽采效果白皎矿井采取密钻孔高负压预抽、卸压抽和采空区抽等综合抽采措施，且主要采取预抽煤层瓦斯，减小甚至消除煤与瓦斯突出危险性，降低工作面瓦斯涌出量。白皎矿井近几年来抽采指标完成情况如下表(见表三)。 表三白皎矿井近几年抽采指标完成情况年度抽采钻孔进尺(米)吨煤抽采钻孔进尺(米/吨)抽采瓦斯量(万立方米)备注200123.500.172100200224.230.164400200325.000.164800200425.610.165035200527.980.175437200634.940.206606随着打钻及抽采瓦斯量的逐年上升，矿井的瓦斯灾害得到了一定遏制，矿井瓦斯超限次数、煤与瓦斯突出次数和平均突出强度明显下降，其中瓦斯超限次数由2001年的560次下降至200