开滦瓦斯抽放研究报告2006

开滦瓦斯抽放研究报告2006第一章 绪 论 1.1项目研究的意义瓦斯事故是煤矿生产过程中危险性最大的灾害事故之一。在1981至2000年间，我国煤矿一次死亡3人以上的重、特大事故统计资料表明，平均每年发生333起，几乎每天有一次，其中瓦斯事故次数占63%，死亡人数约占73%；一次死亡10人以上的特大事故，平均每年约48次，几乎每周一次，其中特大瓦斯事故的次数及死亡人数均占80%以上。2005年，在一次死亡3人以上的重特大事故中，瓦斯事故的死亡人数约占58.7%；一次死亡10人以上的特大事故中,瓦斯事故的死亡人数占70.7%。建国以来发生的22起，一起死亡百人以上的特别重大事故中，瓦斯事故次数有17次（占77%）。由此可见，在煤矿事故灾害中，特别是重特大事故灾害中，瓦斯事故的次数及死亡人数均占绝大多数。每发生一次特大瓦斯事故（爆炸或突出），除对煤矿生产及财产造成严重破坏及损失外，皆会引起社会极大的震动，严重影响我国煤矿甚至国家形象。因此，煤矿瓦斯事故已成为我国煤矿安全生产的第一杀手；防止煤矿瓦斯事故，已成为我国贯彻落实以人为本、全面建设小康和谐社会工作中的热点和焦点。煤矿抽放瓦斯是继机械通风后，在防治煤矿瓦斯灾害技术上又一次巨大的进步，目前是治理瓦斯的最主要措施之一。抽放瓦斯可以降低涌入矿井风流瓦斯量，防止煤与瓦斯突出，解放高瓦斯矿井生产力，是防治煤矿瓦斯的治本措施。国家安全生产监督管理总局、国家煤矿安全监察局近斯提出“先抽后采、监测监控、以风定产”的十二字瓦斯治理方针，对煤矿瓦斯抽放提出了更高要求，要求煤矿全面实施抽放瓦斯工作，以保障煤矿安全生产，防止煤矿瓦斯事故。建国以来，在国家的大力支持下，经煤矿广大科技人员及职工的共同努力，我国成功试验了各种地质、开采技术条件下的抽放瓦斯方法，在抚顺、阳泉、重庆松藻、淮南、平顶山等矿区，抽放瓦斯取得了很好的效果，已成为煤矿生产工艺中的一道环节，保障了矿井的安全生产，促进了煤炭生产的发展。但应该看到，由于我国煤田地质构造复杂，煤层及瓦斯赋存状况各矿存在着较大差异，因此每一种抽放瓦斯方法（技术）都有它的适用条件、工艺参数，只有条件合适，工艺参数科学合理，抽放瓦斯工作组织管理工作严密，煤矿抽放瓦斯才能取得保障安全生产的好的效果。开滦矿区煤层赋存条件比较特殊，地质构造复杂，煤层倾角变化大，煤层埋藏深（赵各庄矿开采深度达到1157米），且主采煤层大都处于多煤层组成的煤层群。复杂的自然条件为瓦斯抽放工作增加了很大难度,因此必须针对各矿的煤层地质、瓦斯含量等具体条件，研究适合矿区实际的抽放工艺，有针对性地对各来源瓦斯进行治理。确定邻近层卸压范围，在试验中进行参数优化，确定合理的抽放参数、布孔参数,这对矿井的安全生产和高产、高效以及瓦斯能源的利用有重要的意义,项目研究是十分必要和迫切的。1.2项目的国内外研究现状1.2.1瓦斯抽放工作的现状自上世纪五十年代开始，煤矿抽放瓦斯在德、英、法、苏、波、日、中等国迅速发展，抽放矿井数和抽放瓦斯量与日俱增。迄今世界上已有17个国家抽放瓦斯，年抽放瓦斯量在5000Mm3以上。苏联抽放瓦斯矿井数最多，年抽放瓦斯量最大，达2000Mm3以上。但苏联解体后，独联体各国对煤炭工业进行技术改造，煤产量大幅度下降，抽放瓦斯量急剧减少，1995年抽放瓦斯量为1264Mm3。而德、日、捷、法等国由于煤炭工业萎缩，抽放瓦斯量亦呈下降趋势。据有关资料统计表明，截止到1994年，世界上已有17个采煤国家进行了瓦斯抽放，世界上各主要采煤国家几乎都开展了瓦斯抽放工作，其中，年抽放量超过1亿m3的国家有10个，即原苏联、美国、中国、英国、德国、日本、波兰、原捷克、法国、澳大利亚，其瓦斯抽放情况见表1-1所示。从中可以看出，前苏联瓦斯抽放量最多，达21.2亿m3，约占世界煤矿抽放瓦斯总量的40%左右，其次是德国为7亿m3，英国也在5亿m3以上，我国瓦斯抽放量1993年达到了5.36亿m3。我国煤矿瓦斯灾害日趋严重地威胁着矿井工作人员的生命和安全，制约着矿井的发展，给煤炭企业带来沉重的经济负担，迫使许多高瓦斯突出矿井长期亏损经营，有的甚至濒临破产。为改善煤矿安全开采状况，缓解生产压力，从50年代开始采用井下瓦斯抽放方法，到1999年底，全国已有158个煤矿建立了井下抽放系统和地面输配气系统，年抽放量达7.89亿m3，超过10Mm3以上的有13个矿务局，其中抚顺和阳泉矿区年抽放量均超过1亿m3。煤层气抽放量增长迅速,最近几年，煤矿区煤层气地面井开发活动也十分活跃，盘江、平顶山、淮南、晋城、铁法等煤层气开发试验项目均显示了良好的开发前景。表1-1 主要瓦斯抽放国家的瓦斯抽放情况项目国家井工矿(个)井工矿产量(Mta-1)年瓦斯涌出量(亿m3)年瓦斯抽放量抽放量/总涌出量吨煤抽放量亿m3世界排名%世界排名m3/t世界排名原苏联63143075.021.2122.064.936德国388811.07.0238.927.963英国20912827.75.1315.584.007中国55077235.03.148.1120.4015法国25209.23.0524.8415.381波兰671925.42.8631.631.309原捷克28428.92.7722.956.324美国163027542.02.685.8140.4411日本11183.02.3942.9112.502澳大利亚9485.01.11017.471.3181.2.2瓦斯抽放技术研究现状近年来，国内外在治理瓦斯、防治瓦斯事故方面作了大量的研究工作，如矿井瓦斯涌出量预测、瓦斯抽放、突出预测及防治措施等，对防治瓦斯爆炸与突出事故起到了一定的作用。尽管如此，随着矿井开采深度的延深及开采规模的扩大，特别是综采和综采放顶煤开采、具有煤层群开采条件的矿井，瓦斯灾害更加突出。目前，对富含瓦斯的煤层开采时，通常采用以下几种瓦斯抽放方法：开采层瓦斯抽放、邻近层瓦斯抽放、采空区瓦斯抽放等。开采层瓦斯抽放主要分为预先抽放、边掘边抽和强化抽放（松动爆破、水力化措施）；邻近层瓦斯抽放主要分为上邻近层和下邻近层瓦斯抽放；采空区瓦斯抽放主要有插管抽放、预埋管抽放、顶板巷道抽放和顶板高位钻孔抽放等方法。我国已经建立了一套适应各种地质条件和采掘布置的瓦斯抽放方法，但我国的绝大部分矿井（除抚顺老虎台矿、鹤岗南山矿、晋城寺河矿外）要使本煤层抽放率达到25%以上非常困难，因而近年来采空区抽放比例正在逐步增大。我国煤矿目前采用的瓦斯抽放技术主要有以下几种：1)本煤层瓦斯抽放：目前提高本煤层瓦斯抽放率的技术途径主要有两个：一是采用人为方法预先松动原始煤体，提高煤层的透气性，主要有水力压裂、水力割缝等水力化措施以及预裂爆破等；二是合理布孔和改变钻孔参数。自五、六十年代开始，抚顺分院先后在阳泉、红卫、抚顺、焦作、鹤岗等局试验研究了井下水力压裂、地面水力压裂、水力割缝等预抽本煤层瓦斯的方法，取得了一定的效果。但由于工艺技术复杂，需要专用设备等原因，未能推广应用。70年代，抚顺分院在阳泉矿务局一矿试验研究了大直径钻孔预抽本煤层瓦斯的方法，当钻孔直径由73mm扩大到300mm时，瓦斯抽放量增大3.5倍，抽放效果显著，但钻孔工程量大，且需要1年的预抽时间，预抽期生产接续紧张的条件下，根本无法保证。“八五”期间我国研究了5070m深孔预裂爆破技术，用于机采工作面强化抽放瓦斯与防治突出，取得了较好的效果。“七五”期间抚顺分院与北票矿务局共同试验成功了网络布孔大面积预抽本煤层瓦斯技术。 “八五”期间，交叉布孔抽放本煤层瓦斯工艺技术取得了比较好的效果。试验结果表明，本煤层瓦斯抽放中，由于交叉布孔施工简便，成本低，抽放瓦斯浓度高。交叉布孔比平行布孔提高瓦斯抽放率30%左右，瓦斯抽放量可提高0.461.02倍。“九五”期间，抚顺分院又与平煤集团公司合作在十矿试验研究交叉钻孔扩孔抽放瓦斯以提高低透气性煤层瓦斯抽放率的新技术，抽放率达到25%以上，抽放量在原有基础上提高20%，是目前国内外比较先进有效的预抽本煤层瓦斯技术。2)采空区瓦斯抽放：据对160多个矿井的调查统计，采空区瓦斯涌出量占矿井涌出量的25%30%，个别矿井高达40%50%，一些现采工作面的采空区瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60%70%，造成工作面瓦斯严重超限，限制了产量的提高，给安全生产带来了隐患。减少采空区瓦斯涌出的治本措施是加强采空区瓦斯抽放。对全国41个矿务局133对抽放矿井调查表明，总抽放量高达6.3亿m3/a，而采空区瓦斯的抽放量仅占1/5。究其原因，一是抽放工艺技术不能满足开采方法的改变和采空区瓦斯涌出量大的需要；二是抽放装备及控制技术落后；三是采空区瓦斯抽放的力度不够。因此，抽放效果的好坏关键在于成熟而有效的抽放工艺技术，近年来一些矿井抽放实践表明，高位钻孔的合理应用是能够起到很好的治理采空区和上隅角瓦斯的作用，是一种治本措施。积聚在采空区顶板裂隙带的瓦斯非常大，在井下通风负压作用下这些瓦斯容易流动到采煤工作面，造成工作面瓦斯超限，这时采用高位钻孔来治理瓦斯，会达到理想的抽放瓦斯效果。“九五”期间，平顶山矿区先后开展了采空区埋管、底板卸压钻孔、高抽巷、高位钻孔等抽放方法的试验研究。在此基础上，又相继开展顶板布置长钻孔、上隅角安设抽出式风机、地面布设垂直钻孔等试验，对采空区瓦斯治理起到了良好作用。根据平顶山矿区煤层瓦斯地质状况，从澳大利亚引进了2台千米钻机，进行顶板水平长钻孔抽放瓦斯试验，通过摸索钻进工艺，改进钻具，已打钻孔500m，有望突破600m，它为平顶山矿区瓦斯治理提供了一种先进的技术手段。近年来，顶板长钻孔抽放瓦斯技术在许多矿区得到试验和采用。例如，在阳泉一矿进行的岩石水平长钻孔抽放邻近层瓦斯的试验中，取得了单孔平均抽放量达20.3m3/min的效果。在布孔参数合理的情况下，可以取得较好的抽放效果，代替高抽巷是可能的，而在降低抽放成本上，特别对于走向高抽巷，长钻孔抽放技术有着不容质疑的优势。研究表明，裂隙带钻孔往往能取得较好的效果。淮南矿业集团公司的潘一矿、潘三矿C13-1煤层开采时利用高位钻孔抽放瓦斯,基本上解决了工作面回风流中瓦斯浓度超限问题。水城矿务局汪家寨矿、木冲沟矿、那罗寨矿和顶拉矿、盘江矿务局月亮田矿均取得了较好的抽放效果。3）地面瓦斯抽放：从70年代开始，我国在抚顺和焦作等矿区开展了地面钻井预抽煤层气的试验。截止1998年，我国已施工地面钻井136口，总进尺10多万米，初步掌握了煤层气勘探、压裂和排采技术。从产气效果来看，部分单井产量达10005000m3/d，个别井最高达16000m3/d，显示出煤层气商业化开发的前景。4）综合瓦斯抽放：从80年代开始，随着机采、综采和综放采煤技术的发展和应用，采区巷道布置方式有了新的改变，采掘推进速度加快、开采强度增大，使工作面绝对瓦斯涌出量大幅度增加，尤其是存在邻近层的工作面，其瓦斯涌出量的增长幅度更大，采区瓦斯平衡构成也发生了很大变化。为了解决高产高效工作面多瓦斯涌出源、高瓦斯涌出量的问题，必须结合矿井的地质开采条件，实施综合抽放瓦斯，即把开采煤层瓦斯采前预抽、卸压邻近层瓦斯边采边抽及采空区瓦斯采后抽等多种方法在一个采区内综合使用，在空间上及时间上为瓦斯抽放创造更多的有利条件，在工艺及方式方面，将钻孔抽放与巷道抽放相结合、井下抽放与地面钻孔抽放相结合、常规抽放与强化抽瓦斯相结合、垂直短钻孔抽放与水平长钻孔抽瓦斯相结合的技术措施。采用综合抽瓦斯方法后可最大限度地利用时间及空间增加瓦斯抽放量、提高瓦斯抽放率，尽可能多地降低成本，缓解掘、抽、采的接替紧张状态。在一个矿井或一个工作面采用多种方式方法抽放瓦斯是综合抽瓦斯方法的特点，它是当前高产高效矿井抽瓦斯技术的发展方向，也是关于治理瓦斯的“密钻孔、严封闭、综合抽”技术方针的重要方面。综合抽瓦斯是矿井防止瓦斯事故的可靠的安全保障措施，也为开发、利用煤层气资源提供了经济有效的技术手段。1.2.3煤层群开采瓦斯抽放现状煤层群开采时瓦斯运移规律较为复杂，瓦斯涌出所受影响因素较多，涌出量预测起来也较为困难。特别是在复杂地质条件下煤层群的瓦斯抽放工作方面，国内外专家在进行邻近层瓦斯涌出量预测以及解放层解放范围的研究，并已取得了较丰富的研究成果。（1）国外在这方面的研究比较充分，其中尤以英国、德国、波兰、前苏联等国的方法较为有代表性。表1-15中概述了近年来世界各主要产煤国邻近层卸压范围的研究成果。（2）国内对邻近层卸压范围研究的不多，煤科总院抚顺分院哈明杰教授在1964年结合阳泉矿区瓦斯抽放对邻近层瓦斯涌出作了深入的研究6，他指出：顶板瓦斯卸压区域为半圆拱形，拱半径为工作面长度之半。煤科总院重庆分院、阳泉矿务局科研所在1983年也从事了这一课题的研究7，经过实测得出了如下结论：顶、底板瓦斯卸压区域为矩形，其上界为100m左右，下界为50m左右。目前我国在瓦斯抽放过程中，确定邻近层卸压高度主要的方法是采用现场实测得到的一些经验公式，特别是”三下”采煤研究过程中得到的一些经验公式。综上所述，以往的研究已经取得了大量的成果，但是它们多采用现场实测或实验室相似模拟方法，需要耗费大量的人力和物力，周期性长，不能迅速满足设计和生产的要求，而且局限性很大或仅可作定性分析。况且这些研究成果均是在不同条件下取得的，差距较大,而影响邻近层卸压范围的因素又很多，各因素之间的关系又很复杂，所以预测的效果并不是很理想。1.3开滦矿区概况1.3.1地理位置开滦矿区位于河北省唐山市丰南县、丰润县、玉田县及天津市宝抵县，蓟县境内，包括开平煤田和蓟玉煤田。矿区北依燕山，南临渤海，地势北高南低，地面海拔高程，北部丘陵区，海拔296m，南部平原区，160m之间。区内季节性河流有沙河、石榴河汇陡河入渤海、辽运河汇蓟运河注渤海。矿区有京山铁路纵贯东西，北部有京泰铁路横贯全区，公路四通八达，邻近港口，交通极为便利。本区属南温带亚干旱区气候，夏季炎热多雨，冬季寒冷干燥。极端最高气温为39.6C，最低气温为-21C，年平均气温为11.1C。年平均降水量达650mm，冻结期为11月至次年3月，冻土深度为0.6-0.8m。常年以东风为主，冬季多为偏北风，最大风速为25m/s。矿区电源来自京津唐电力网和自备电厂。水源取自奥陶系石灰岩水、冲积层水和河水。1.3.2基本地质特征开平煤田位于燕山南麓，在大地构造上处于中朝地台（级构造单元）燕山沉降带（级构造单元）的东南侧，主要分布于华北板块东北缘，在华北板块体燕山断褶带南缘的中段，向南与黄骅断陷区相邻，属于燕山旋回所造成的盖层构造-唐山、蓟县陷褶束（凹陷、级构造单元）中的一个复式含煤向斜内，其西与级构造单元京西断褶束相连；东与级构造单元山海关台拱为临；其北部为近东西向展布的太古界变质岩系组成核部的马兰裕巨型复式大背斜；南部伸入了级构造单元华北断坳中。矿区包括开平煤田和蓟玉煤田。开平煤田包括开平复向斜，车轴山向斜，湾道山向斜，西缸窑向斜四个含煤构造区。开平复向斜总体轴向为北东30-60，向西南方向倾伏，长约50km，宽平均约20km，总面积约950km2。向斜轴线偏西两翼不对称，西北翼倾角陡立，局部直立或倒转，断层较发育，构造复杂；而东南翼地层平缓，次级小褶曲发育，断层较少，构造较为简单。分布在向斜西北翼的矿井有：唐山矿、马家沟矿、赵各庄矿；分布在向斜东南翼的矿井有：林西矿、吕家坨矿、范各庄矿、钱家营矿。开滦矿区石炭二迭系总厚为490-530m，含煤15-20层，煤层总厚20-28m，含煤系数为3.91-5.57%；其中煤7、8、9、12为全区主要可采煤层，煤5、6、7、11、12下、14为局部可采煤层，煤3等为不可采煤层。开平煤田：原煤灰分以煤5、煤11和煤12下最低。平均含量小于15%，为低灰煤，以煤14为最高，平均含量大于25%，为富灰煤，其余煤层灰分在15-25%间，为中灰煤。原煤硫分以煤6、煤11和煤12下最高，平均含量2.5-4%之间，为中硫煤，其余煤层平均含量小于1%，为特低硫煤，挥发分含量在开平向斜西北翼较东南翼高，煤类以肥煤为主，次为气煤和焦煤；车轴山向斜的挥发分含量较高，平均大于40%，煤类以气煤为主。其工业用途主要用于炼焦配煤和炼焦用煤，次为动力用煤。蓟玉煤田：由于受火成岩侵入影响，原煤灰份普遍偏高，以煤8、煤9为最高，平均含量大于25%，为富灰煤，其余煤层平均含量15-25%间，均属中灰煤。硫分含量以煤12下和煤14为最高，平均含量1.5-2.5%间，为中硫煤。其余煤层硫分含量平均值小于1%，为特低硫煤。其挥发分由于受火成岩侵入的影响而变化较大。林南仓矿区平均含量大于40%。以气煤为主；大高庄井田平均含量30-40%，以肥煤和1/3焦煤为主，局部为无烟煤；北谭区含量从小于10%到大于40%均有，煤类从气煤肥煤到无烟煤，且无规律性：下仓及大杨庄区挥发分值变化在3.58-48.67%之间，烟煤类及无烟煤类呈区域性分布。其工业用途可做配焦及化肥、化工原料用煤，动力用煤等。本矿区为新生界全掩盖区。开平煤田厚度01000m，自北向南加厚，由砂层、粘上层及卯砾石交互组成，蓟玉煤田林南仓矿及李庄子向斜厚度为140430m，下仓向斜工部断层以北厚80330m，多为粘土、粉砂及砂层互层出现，工部断层以南厚度急剧加厚为7001000m，以粘土、砂土、砂层为主，下部夹有23层中厚层砾卵石层。本区所有可采煤层之顶板底板均由粉砂岩及泥岩组成，个别为中粒砂岩和灰岩，煤8、煤9、煤12在局部地区为易风化的沉凝灰岩，岩性一般均较致密坚硬，岩石吸水性较强，松软易碎，巷道维护困难。煤层顶底板力学性质：开平煤田抗压强度6386.5pa，抗剪强度240584pa；蓟玉煤田抗压强度为200700pa，抗剪强度4169pa。1.3.3 矿区煤炭储量与生产规模开滦矿区内现有9个生产矿井。这些矿井主要分布于开平向斜的边缘部位，只有东欢坨矿位于车轴山向斜，林南仓矿处于蓟玉煤田林南仓向斜。从开采年限来看，可大体分为以下几类：一是解放前投产的老矿井，包括赵各庄矿、林西矿、唐山矿；二是解放后投产矿井，包括范各庄矿、吕家坨矿、荆各庄矿、林南仓矿和钱家营矿等；三是2000年刚投产的新矿井，即东欢坨矿。矿区含煤构造包括开平向斜、荆各庄向斜、车轴山向斜和林南仓向斜构造，截止2004年底矿区含煤构造内地质储量共有659953.8万吨。截止2004年底开滦矿区现有生产矿井井田范围内，煤炭保有储量为325990.7万吨、工业储量295913.9万吨、可采储量148145.8万吨，实际可采储量101706.9万吨。各生产矿井保有储量情况见下表。表1-2 截止2004年底各生产矿井保有储量表 单位：万吨公司名称2004年底保有储量地质储量工业储量可采储量呆滞储量实际可采集团公司325990.7295913.9148145.846438.9101706.9煤业公司255400.1231826.1104417.045999.758417.3赵各庄矿6521.25264.83017.33017.3林西矿15354.715354.7300.3204.096.3唐山矿38602.337383.512688.7730.211958.5荆各庄矿7827.27827.24180.04180.3林南仓矿27661.427141.610861.7401.210460.5钱家营矿95581.288127.561642.944506.214369.9东欢坨矿63852.150726.811726.1158.111568.0精煤公司70590.664087.843728.8439.243289.6范各庄矿32425.632387.720585.920585.9吕家坨矿38165.031700.123142.9439.222703.71.3.4 矿区瓦斯等级瓦斯：开平煤田各矿含量不一。赵各庄矿为突出矿井，唐山矿为高瓦斯矿井；其它各矿均为低瓦斯矿井。煤尘：全区可采煤层煤尘爆炸指数介于21.6655.53%之间，均属有煤尘爆炸危险性。煤的自燃：区内可采煤层属易自燃到自燃，发火期为1.512个月。地温：矿区内地温梯度一般均小于3C/100m，钱矿局部有高温异常区。1.3.5开滦矿区抽放瓦斯现状开滦集团11个生产矿井均为瓦斯矿井，其中，赵各庄矿为煤与瓦斯突出矿井、唐山矿为高瓦斯矿井，其它为低瓦斯矿井。但随着开采深度的增加，低瓦斯矿井已出现了高瓦斯区域。针对开滦矿区瓦斯涌出量逐年增加的情况，开滦矿区加强了矿井治理工作。开滦集团在矿井瓦斯治理方面，贯彻落实“先抽后采”的方针，除了加强矿井通风管理外，主要采用瓦斯抽放。目前赵各庄和唐山矿各有一座地面永久性瓦斯抽放泵站，装备SK型和SMD型瓦斯抽放泵7台，总装机功率为540kw；为贯彻落实“先抽后采”的方针，开滦集团先后又在赵各庄矿、林西矿、唐山矿、钱家营矿建立了井下固定瓦斯抽放泵站，安装2BEA-303型抽放泵9台，总装机功率950kw；在赵各庄、林西、唐山、吕家坨、林南仓、钱家营矿均配备了移动抽放泵站，共安装抽放泵37台，总装机功率1341kw，并实现了双泵双电源要求。井下瓦斯抽放管路超过40000m，瓦斯抽放钻孔920，并配备了相关检测仪器和装备。矿井抽放方式有：固定与移动抽放相结合、本煤层与邻近层抽放相结合、提前预抽与边采边抽相结合；采空区封闭抽放。具体抽放方式有：a、利用现有巷道向工作面后方采空区打钻抽放；b、在工作面的风道向采空区冒落拱打钻抽放；c、沿煤体倾斜方向打钻，随采随抽；d、工作面采空区埋管抽放；e、在回采工作面的回风道打高位钻孔，进行抽放；f、在本煤层的上方煤层内施工高位巷道，密闭抽放；g、施工专用瓦斯道抽放瓦斯；h、地面钻孔抽放；i、老采空区密闭抽放；j、综合抽放即采用上述两种及其以上方法进行抽放。开滦集团公司从1973年起至1978年在赵各矿、唐山矿、马家沟（现已进行了企业改制）三矿地面开始瓦斯抽放。目前各矿抽放方法主要采取本煤层穿层钻孔抽放、采空区抽放、高位钻孔抽放、高位巷道抽放和地面钻孔抽放等。另外还在赵各庄、唐山矿等开展井下移动泵站抽放工作。赵各矿、唐山矿、马家沟矿2003年抽放量为1707万立方米，瓦斯抽放率21.4%38.9%。目前赵各矿、唐山矿、马家沟矿已建立了瓦斯利用系统，抽出的瓦斯作为民用燃料进行利用，年瓦斯利用量900万立方米，利用瓦斯居民达到20000户，不仅在一定程度上解决了瓦斯灾害问题，还为公司增加了创收。开滦集团在有条件的抽放矿井对抽出的瓦斯进行利用，如赵各庄矿、唐山矿等。其中唐山矿属于高瓦斯矿井，1978年开始进行瓦斯抽放和利用，除建立了瓦斯抽放系统外，在1986年兴建了储气罐、加压机房和遍布各居民区的瓦斯气调压站等输配工程，形成了较正规的中、低压两级管网系统，瓦斯气已成为集团公司、矿5874户居民生活中洁净、高效的重要能源，另外供给3个食堂及其它用户。由于开滦集团在瓦斯管理方面贯彻“先抽后采、监测监控、以风定产”的方针，严格瓦斯管理，坚持以人为本，建立健全了包括“瓦斯巡回检查制度”、各级人员“一通三防”岗位责任制、瓦斯超限责任追究等一系列的规章制度，2004年至今杜绝了重大事故的发生。但从总体来说，与阳泉、抚顺、淮南、松藻、北票等矿区相比，瓦斯抽出量、抽出率与抽放效果还是比较低的，主要有以下几个原因： 1)瓦斯含量比上述矿区低；2)目前采取了多种瓦斯抽放方法，但仍未科学地确定适合开滦矿区实际情况的抽放工艺；3)对同一种抽放工艺而言，未确定最优的抽放参数。合适的抽放参数对抽放量、抽放浓度有至关重要的影响。4)封孔工艺和质量有待于提高。目前采用的是水泥砂浆封孔，封孔质量受到很大影响。5)打钻速度和效率有待提高。表1-3 瓦斯抽放情况项目赵各庄矿林西矿唐山矿吕家坨矿钱家营矿矿井瓦斯涌出量(m3/min)24.959.76758.3814.0612.4矿井风排瓦斯量(m3/min)16.89.76753.17614.0612.4煤层百米钻孔瓦斯流量衰减系数(d-1)0.0040.018未测煤层透气性系数(m2/(MPa2d)0.0010.0040.117.18未测1.4实验工作面概况项目拟在唐山矿、赵各庄、吕家坨矿及钱家营矿各选择一工作面作为试验地点，以下为实验工作面概况。1.4.1唐山矿T1392/T1452工作面唐山矿T1392工作面：位于矿井十三水平铁一区，属8、9合区煤层。东邻T1390边眼，南邻T1491采空区，西邻7493二、8491采空区，北部尚无采掘工程，上方5煤层已回采完毕，但留有原7450斜井保护煤柱，5煤层煤柱范围为大面往里122m为8451采空区边缘至小面以外93m为T1353采空区边缘；另外，由大面切眼至加风道有一条7453和8451巷道煤柱。工作面走向长度720米，倾斜长度最短84米,最长145米,平均114.5米。煤层倾角917，平均12。煤层厚度为5.111.3m，平均8.5m，为复合结构，属8、9煤层合区，煤层沉积稳定，煤层中有23层夹石，煤质工业牌号为1/3焦煤。地质储量为103.7095万吨，可采储量为82.9676万吨。直接顶为厚4.5m的深灰色粉砂岩，老顶为厚5.0m灰黑色砂质泥岩，直接底为厚2.8m灰黑色泥岩，老底为厚3.0m的灰褐色砂质泥岩。瓦斯绝对涌出量0.72m3/min；煤尘爆炸指数36.96 %，有爆炸危险性；煤层的自燃发火期：812个月。唐山矿T1452工作面：位于14水平铁一区5煤层，地面标高+12 m，工作面标高-850米。该工作面北邻T1 451工作面，目前正在回采；南部为T1 453掘进工作面，现已停掘；西部无采掘工程；东部为T1350甲、乙边眼。走向长度1240米，倾斜长度148m，回采面积183520 m2。煤层倾角1127，平均为18，煤层为单一结构，厚度为1.53.2m，平均为2.85m。工业储量为700862吨，可采储量为679837吨。工作面直接顶为灰色粉砂岩-砂质泥岩，厚1.8m，硅泥质成份，含大量植物化石。上部有一层0.2m0.8m煤线；顶板为复合顶板；老顶为灰白色中细砂岩，厚8.0m，成份硅质,含有炭化面，局部含细砂岩薄层。伪顶为深灰色炭质泥岩，厚0.10.5 m，泥质成份，炭质成分高。直接底为深灰色泥岩，厚度1.0m，泥质成份，含植物根化石；老底为灰白色粉砂岩，厚度5.5m，成份以石英为主，硅泥质胶结。水平层理，含稀少砾石，坚硬。瓦斯的绝对涌出量为2.93m3/min。煤尘有爆炸危险性，煤尘爆炸指数为37.49。煤无自然发火倾向。1.4.2赵各庄矿3237工作面赵各庄矿3237工作面位于13水平西翼二石门，为12煤层，地面标高+36m，工作面标高1002.1m1055.9m。工作面走向长307m326m，平均长为325m，倾斜长96m，面积32500m2。工作面煤层位于13水平西翼2石门倾斜向急倾斜过渡区。煤层倾角从东向西由下向上逐渐增大，由2435平均倾角28，煤层走向290左右，呈一单斜构造，赋存较稳定。煤层厚度9.12m14.27 m，平均厚度为10.69 m，距上覆9煤层28m40m，平均32m。煤层硬度系数f=0.71.0，工业储量503766t，容重1.45 t/m3，煤尘爆炸指数47.4%；煤的自燃 68个月。该工作面地质构造较复杂，因处于倾斜向急倾斜过渡区，构造应力集中，煤质松软，顶板裂隙发育，破碎，易抽冒，尤其在断层附近,施工中应采取相应安全技术措施。在掘进过程中共揭露三条断层，另外F6断层在十三西3石门所揭露，F7断层在3237西上面老边眼揭露。详见表1-4。表1-4 工作面主要断层表构造名称走向()倾向()倾角()性 质落差（m）对 回 采 影 响 程 度F46015053逆断层2.3造成工作面撞上盘底矸子。F816025045逆断层0.9造成工作面下盘跑底。F913522570正断层0.5对工作面影响不大。F67816864逆断层1020对工作面影响不大。F724533515正断层6对工作面影响不大图1-1 赵各庄煤3237工面12煤层综合柱状图工作面顶板为级类顶板，属来压明显、中等稳定顶板。老顶为深灰色粉砂岩，厚5.62米，泥质胶结，灰褐色条痕致密，含植物根化石。老顶属于级顶板，周期来压明显。老顶初次来压步距为L=2550m。周期来压步距为1020m。直接顶为黑色腐泥质粘土岩，厚5.46米，贝壳状断口，褐色油亮条痕，质脆易碎，含黄铁矿结核。直接顶属于类极不稳定顶板，初次垮落步距为18m。直接底为深灰色粉砂岩，厚2.24米，泥质胶结，含大量植物根化石。老底为深灰色细砂岩，厚3.69米，硅质胶结，长石为主，局部夹粉砂岩，层面有植物碎屑。3237工作面最大涌水量0.15m3/min，正常涌水量0.05m3/min。工作面采用走向长壁综合机械化放顶煤采煤法。机采高度为2.3m，采放比1:3.64，自然垮落式管理顶板。1.4.3 吕家坨矿5323工作面5323工作面位于-800水平三采区十二煤层三中石门东侧。上以53f17断层为界，下距61f20断层平均距离15米，西以停采线（距边眼20米）为界，东以吕范井田边界煤柱为界。工作面倾斜上方的5321工作面正在回采，上覆七煤层的5377工作面正在回采，6171（下）工作面正在掘进,6171工作面于2002年回采完毕、6173工作面于2003年回采完毕。本工作面范围内的十二煤层为复杂简单结构稳定中厚煤层，层状，半亮光亮型，中硬。工作面西部含黑色泥岩夹石一层，厚0.10.2米，向东部夹石层逐渐尖灭。平均煤厚2.00米，煤层倾角为1019，平均为13，与上覆九煤层平均间距24.0米。本工作面老顶为细砂粉砂岩，灰色深灰色，水平波状层理，厚2.3米；直接顶为泥岩，性脆，黑灰色条痕，厚4.6米。直接底为粉砂岩,块状，含植物根化石,厚3.00米；老底为粉砂岩，层状，厚4.00米。本工作面直接顶为腐泥质岩, 结合我矿5321工作面矿压观测资料,直接顶初次垮落步距为812米,对照原部颁试用方案直接顶分类指标，该顶板为类中等稳定顶板。老顶分级主要采用直接顶厚度与采高的比值计算Km=h/m=2.0/2.0=1 且 0.30Km3属有周期来压顶板,另外参照5321工作面来压时的矿压观测结果,老顶初次来压步距为2335米,周期来压步距为915米,按原部颁试用方案中老顶分级指标，本工作面老顶为级。图1-2 5323工作面柱状图本工作面位于范各庄复背斜构造区，煤层走向变化较大，自西向东为N170N125N137，煤层倾角介于1019，一般13左右。根据目前资料分析，对本工作面施工影响的断层有五条。工作面主要构造见表1-5。表1-5 工作面主要构造构造名称走向倾向倾角性质落差对采掘影响53f17100120190210555正47米影响较大61f314316123325150正2.0米有一定影响61f1711520570正2.3米有一定影响61f2011320370正4.0米有一定影响3412454正1.5米有一定影响3612640正1.1米有一定影响5323工作面四邻无老塘积水,倾斜上方5321工作面正在回采，5321工作面在回采时最大涌水量0.12 m/min，现在涌水量0.02 m/min。本工作面开采波及范围内有9号钻孔，经核实均已封闭，且封孔质量可靠。根据相邻工作面的地质水文地质条件及其涌水情况，预计本工作面最大涌水量为0.10m/min，正常涌水量为0.05 m/min。瓦斯绝对涌出量为2.0m/ min。煤尘具有强爆炸性。煤具有自燃可能性，但本公司从未发生过自燃。工作面地质储量556985吨,可采储量540275吨。1.4.4钱家营矿1473工作面1473工作面位于-600水平四采区东翼，标高-430.9-521.0 m，走向长度854868m，倾斜长度168m,面积144480 m2。工作面倾斜上方为1472东工作面，已回采完毕，倾斜下方为1474东设计工作面。西侧为四采7煤边眼，上覆五煤层及下覆8、9煤层、12煤层暂未回采。工作面开采煤层为7层煤，该区域7层煤赋存较稳定，煤层为简单结构，基本情况如表1-6所示。工业牌号为1/3焦煤。表1-6 煤层情况表煤层厚度(m)2.15.23.8煤（矿）层结构复杂简单煤层倾角（度）112720可采系数（%）100变异系数10.04稳定程度稳定煤层情况描述该面煤层较厚，为稳定的中厚煤层，平均厚度3.8m。距底0.4m1.3m有一层不稳定的泥岩夹石（厚00.8m），上层煤质好，下层煤质劣,煤层较硬。煤层倾角较大。煤层走向在N4080之间变化。工作面煤层柱状图如图1-3所示。图1-3 工作面煤层柱状图工作面煤层直接顶以砂岩为主，老顶以粉砂岩、中砂岩为主，直接底以粉砂岩为主，具体情况如表1-7所示。该工作面位于四采区东翼，工作面东部、中部及切眼附近地质构造较为复杂。在断层及裂隙带附近，顶板稳定性较差，局部煤层较软，易片帮。该工作面地质构造较为复杂，掘进中共揭露断层11条，其中对回采有较大影响的断层7条，其中f2、f3、f7在工作面内延伸较长，对回采影响大。另外受断层影响，造成局部全岩及薄煤，顶板破碎易冒落。表1-7 煤层顶底板情况表顶底板名称岩石名称厚度（m）岩 性 特 征老 顶灰色细砂岩中砂岩5.2中下部呈条带状中砂岩直接顶黑灰色粉砂岩细砂岩1.524.5不稳定，易冒落2.8伪 顶褐灰、黑灰色泥岩0.41.4岩性细腻，质均一0.9直接底深灰色粉砂岩0.74.6岩性细腻，致密，含根化石2.4老 底工作面东部顶板渐变为粉砂岩或细砂岩，裂隙发育，且风、运道及切眼均有大范围的顶板破碎区、煤层松软区。另据邻近工作面地质构造特点分析，预计回采中还将会遇到一定数量的隐伏地质构造，详见表1-8。表1-8 断层情况表构造名称走向倾向倾角性质落差（m）对 回 采 影 响 程 度f15532552正1.4 停采线外f235526579正3.0影响大f335926959逆4.5影响非常大f43306068正3.0影响大f533824856逆5.0工作面外f633924940正0.9有影响f734425431正2.6影响大f834925911逆1.4有影响f93558511逆1.0有影响f106133165正1.8影响较大f1135926911逆5.5切眼附近顶板碎工作面正常涌水量：0.03m3/min，最大涌水量：0.05m3/min. 瓦斯涌出量预测为CH4 0.697 m3/min。1473工作面采用综合机械化单一走向后退式采煤法，一次采全高。1.5项目的主要研究内容项目主要有以下研究内容：1）煤层群开采条件下瓦斯运移规律；2）煤层群开采卸压范围的确定；3) 大采深、复杂地质条件下煤层群瓦斯抽放工艺选择及参数优化；即：大采深、复杂地质条件下根据工作面实际情况，选择煤层群瓦斯抽放工艺；优化确定合理的抽放孔布孔参数、抽放参数；4) 开滦矿区现有抽放系统、抽放方法合理性研究； 5) 综合分析研究，提出“开滦矿区瓦斯抽放方法及工艺”。1.6项目研究的技术路线对矿区煤层赋存、生产状况、通风系统、抽放系统、抽放工艺、抽放效果进行广泛地调研和分析；进行覆岩破坏高度及形态的主要影响因素研究；结合各矿井的实际地质情况、煤层情况、生产状况，研究工作面瓦斯涌出主要来源；进行煤层群开采瓦斯运移规律研究。根据瓦斯涌出规律采取针对性的瓦斯抽放方法，确定合理的抽放工艺和抽放参数；对抽放工艺和抽放参数进行优化；在以上工作的前提下，编写“开滦矿区瓦斯抽放方法及工艺”，提交研究报告。整个试验研究的工作以现场调研、数据测试，结合地面和井下试验研究，实现本项目的计划目标。第二章 煤层群开采瓦斯运移规律随着矿井开采深度的延深及开采规模的扩大，特别是综采和综采放顶煤开采、具有煤层群开采条件的矿井，瓦斯灾害更加突出。因此，研究煤层群开采时瓦斯运移规律，对于选择合理抽的放方法、对于确定最优抽放参数是至关重要的。2.1回采工作面的瓦斯涌出构成开采具有邻近层的某一煤层时，除开采层的瓦斯涌出，邻近层也会依存在条件而不同或多或少向回采工作面涌入瓦斯，使回采工作面的瓦斯超过本煤层瓦斯源所能提供的瓦斯量。在阳泉、平顶山等矿区的统计表明，煤层群开采时邻近层的瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出总量的一半以上，开滦矿区邻近层瓦斯涌出在工作面的瓦斯涌出构成中占有非常大的比例。邻近层瓦斯为什么能够卸压，从而涌入回采工作面呢？要回答这个问题，必须以回采工作面的围岩受力分析为基础对围岩受力与瓦斯涌出关系进行分析，才能得出相应的结论。2.2回采工作面围岩应力状态分析采用冒落法管理顶板的回采工作面，随着采空区面积的增加，围岩应力场受采动影响的范围不断扩大，矿山压力的作用使围岩移动的区域也会相应扩展，直至波及到地表。下面以工作面上覆岩层为例，分析围岩在走向、倾向上的应力状态、移动规律。2.2.1 走向方向围岩的应力分布特征岩层在走向上按应力状态、移动特征可以分为四个区、三个带，如图2-1所示。（1）水平方向各区的基本特点原始应力区：该区一般位于工作面前方60150m以远，岩层处于原始应力场，不受采动影响，透气性系数为其原始值。集中应力区：该区出现在工作面前方60150m范围内，岩层处于受采动影响形成的集中应力场中，垂直方向上的应力z一般可升高25倍。岩体在集中应力下处于压缩状态，煤、岩层的孔隙率显著降低，其透气性系数大大降低，一般仅为原始值的数十至数百分之一。岩层的破坏形态以剪切为主、拉断为辅。图2-1 围岩应力分区与瓦斯涌出分带的时空关系示意图应力降低区：应力降低区出现在工作面前方45m到工作面后方50150m以远，岩层处于卸压状态。自开采层水平由近而远岩层有不同程度的沉降与膨胀变形，岩层间出现离层现象。岩层得到充分的卸压、扩张或形成垂直和水平的裂隙，使岩层的透气性系数成十、成百倍的增加。应力恢复区：随着工作面的推进，卸压区的岩层在地应力作用下逐渐压实，岩层中原来产生的水平和垂直裂隙不断缩小以至闭合，使其透气性逐渐减小。该区的岩层应力随时间的推移，应力会逐渐升高，但无论时间多长，该区的应力值也不能恢复到原始应力值。（2）垂直方向各区的基本特点工作面上覆岩层由上向下按其破坏程度可分为三个带：冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。冒落带:冒落带是指用全部跨落法管理顶板时，回采工作面放顶后引起煤层顶板岩层产生冒落破坏的范围。冒落带内岩层破坏的特点是：随着煤层的开采，顶板岩层在自重的作用下，发生弯曲、断裂、破碎成块而冒落。冒落岩块大小不一，无规则地堆积在采空区内。根据冒落岩块的破坏和堆积情况，冒落带可分为不规则冒落带和规则冒落带两部分。在不规则冒落带内，岩层完全失去原有的层位，岩块破碎、堆积紊乱；在规则冒落带内，岩层基本上保持原有层次，位于不规则冒落带之上。冒落岩石具有一定的碎胀性，冒落岩块空间较大，连通性好，有利于瓦斯和水通过。冒落岩石的体积大于冒落前的原岩体积。岩石具有的碎胀性是使冒落能自行停止的根本原因。冒落岩石具有可压缩性。冒落岩块的空隙随着上覆岩层的下沉，压力的增大，在一定程度上可得到压实，一般是稳定时间越长，压实性越好，但永远不会恢复到原岩体的体积。冒落带的高度（简称“冒高” ）主要取决于采出煤层厚度、上覆岩石的碎胀系数和倾角等，通常为采出厚度的35倍。顶板岩石坚硬时，冒高为采出厚度的56倍。顶板为软岩时，冒高为采出厚度的24倍。实践中可用下式近似估算冒高H冒: （2-1）式中：M煤层采厚； k岩石碎胀系数； 煤层倾角；裂隙带:在采空区上方覆岩层中产生裂缝、离层及断裂，但仍保持层状结构的那部分岩层及所属的空间范围称为裂隙带。裂隙带通常位于冒落带和弯曲下沉带之间。裂隙带内岩层产生较大的弯曲、变形及破坏，其破坏特征是：岩层不仅发生垂直于层理面的裂缝或断裂，而且产生顺层理面的离层。层内产生大量的裂隙、裂缝，具有良好的透气、导水性。按裂隙产生的数量及性质，裂隙带又可分成贯穿裂隙带与非贯穿裂隙带。贯穿裂隙带内岩层内部的裂隙、裂隙密度大且相互贯穿，是瓦斯、水的良好流动通道。非贯穿裂隙带内岩层内部的裂隙密度小且连通性差，对