永红煤矿回采工作面瓦斯综合治理技术研究.pdf

2 0 1 5年第 7 期 中州煤炭 总第 2 3 5期 永红煤矿回采工作面瓦斯综合治理技术研究 王 军杰 李建 兵 陈 向军 1 沁和能源集团有限公司 山西 晋城0 4 8 2 0 4 2 河南理 工大学 安全 学院 河南 焦作4 5 4 0 0 0 摘 要 为 了消 除 3 3 0 6回采工作面突 出危 险性和 降低开采过程 中的瓦斯 涌出量 在 分析瓦 斯危险程度 的基础 上 提 出采前顺层钻孔预抽 区段煤层 瓦斯 采 中高位钻 孔抽采和采 后埋管抽采 的综合技术措施 采取 措施后 最大残余瓦斯含 量为 6 5 6 m t 区域验证指标瓦斯解 吸指 标 为 1 2 0 P a 钻 屑量 s 为 1 8 k s m 均 小 于 突出临界值 工作面风排瓦斯量为 4 5 6 m m i n 仅 占瓦斯涌 出量的 2 9 7 8 关键词 顺层钻孔预抽 高位钻孔 埋管抽采 区域防突 中图分类号 T D 7 1 2 文献标志码 A 文章 编号 1 0 0 3 0 5 0 6 2 0 1 5 0 7 0 0 0 6 0 3 S t ud y o n Ga s Co m pr e h e n s iv e Co n t r o l Te ch no l o g y o n M inin g Fa c e o f Yo ng ho ng Co a l M in e Wa n g J u n j i e L i J ia n b in g C h e n X ia n g j u n 1 Q in h e E n e r g y G r o u p C o r p o r a t i o n L t d J in ch e n g 0 4 8 2 0 4 C h i n a 2 S ch o o l o fS a f e t y S ci e n ce a n d E n g i n e e r i n g H e n a n P o l y t e ch n i c U n i v e r s i t y J i a o z u o 4 5 4 0 0 0 C h i n a Abs t r act To e l imin a t e o u t b u r s t da n g e r o n 33 0 6 min ing f a ce a nd r e d u ce t he q ua l it y o f g a s e mis s io n in e x t r a ct ing b a s e d o n t he a n a l y s is o f g as o u t b u r s t co n t e n t o n 33 0 6 minin g f a ce co mp r e he ns iv e co n t r o l t e ch n o l o g y wa s pr o po s e d in cl u ding dr il l ing b o r e h o l e p a r a l l e l wit h co a l s e a m f o r g a s p r e d r a ina g e h ig h l e v e l bo r e h o l e co ns t r uct io n in t h e p r o ce s s o f minin g a n d bu r ing pipe for g a s d r a in a g e a f t e r min in g Aft e r t h e i mp l e me n t a t io n o f t h e s e me t h o d s t h e ma x i mu m o f r e s i d u a l g a s co n t e n t j u s t i s 6 5 6 m t t h e ma x i mu m o f d e s o r p t io n i n d e x A h 2 a s t h e a r e a i n d e x v e r i fica t io n i s 1 2 0 P a t h e m a x i m u m v a l u e o f d r il l i n g cu t t in g s w e i g h t S i s 1 8 k s m a l l o f t h e m a r e l e s s t h a n t h e o u t b u r s t cr i t i ca l p o i n t T h e v a l u e o f g a s d r a i n a g e w i t h a i r i s 4 5 6 m mi n in mi n i n g f a ce w h i ch j u s t i s 2 9 7 8 i n g a s e mi s s i o n q u a n t i t y Ke ywo r ds d r il l b o r e h o l e pa r a l l e l wit h co a l s e a m h ig h l e v e l bo r e h o l e b u r y pipe for g a s d r a in a g e r e g io na l o u t b u r s t p r e v e n t io n 沁和 能源集 团有 限公 司永 红煤矿 位于 山西 省晋 城市 沁水县 东南 部 嘉 峰镇 境 内 属 于 沁 水煤 田 的一 部分 井 田走 向 长 3 2 k m 倾 向 宽 2 6 5 k m 面 积 8 5 1 7 k m 矿井 采 用 斜 井 开 拓 方 式 单水 平 开拓 开 采 3号煤层 矿井设计生产能力为 1 2 M t a 永红 煤 矿位 于 沁 水 复式 向斜轴 部 的南 端 以宽 缓 的褶 曲为主要 构 造 褶 曲轴 向为北 东或 南北 向 未 见落差 5 i n以上的断层 无岩浆活动 无 陷落柱 构 造简单 3号煤 层位 于 山西 组下部 煤 厚 4 7 2 收稿 日期 2 0 1 5 0 6 1 8 基金项 目 国家自然科学基金 资助项 目 5 1 2 0 4 0 6 5 河南省科 技攻 关资助项 且 1 2 2 1 0 2 3 1 0 5 6 4 河南 理工大 学博 士基金 7 2 1 0 3 0 0 1 0 0 2 青年骨干教师资助 7 2 1 0 5 1 4 9 作者简介 王军杰 1 9 7 9 一 男 河 南扶沟人 工程师 硕士 注册安 全工程师 2 0 0 3年毕业 于河 南理工 大学 现从 事矿井 通风及 瓦斯治 理工作 6 6 O 0 m 平 均厚 5 1 5 m 属 全井 田稳定 可采煤层 井 田内 3号煤 层共 划分 为 5个 采 区 其 中 1 2采 区 已经开 采完毕 目前正在 开 采 3采 区 和 5采 区 3采 区和 5采 区各 布 置 1个 综 采 工 作 面 分 2层 开 采 3 号煤层 全部垮落法控制顶板 矿 井 通 风方 式 为分 区对 角机 械 抽 出式 根 据 永 红煤矿 2 0 1 4年瓦斯等级鉴定数据 矿井绝对瓦斯涌 出量 为 6 8 6 1 m m in 相 对 瓦 斯 涌 出 量 为 3 0 1 5 IT I t 批复为煤与瓦斯突出矿井 1 工作面概况 永红 煤矿 3 3 0 6上 分层 综采工 作 面位 于 3 3 0 0运 输巷右翼 工作面西 北为实体煤 南部为 3 3 0 4上分 层运输配巷 东与三采区运输大巷相邻 工作 面煤 层平均厚度为 6 m 煤层倾角为 2 4 伪顶为 泥 岩 直接 顶为 泥岩 或 粉砂 岩 砂 质 泥 岩 基 本 顶 为砂 2 0 1 5年第 7期 王军杰 等 永红煤矿回采工作面瓦斯综合治理技术研究 总第 2 3 5期 质泥岩或中细砂岩 底板为泥岩 粉细砂岩和砂质泥 岩 工作面采高为 2 9 4 m 工作面可采长度 4 8 0 m 切 眼长度 为 1 3 3 m 工作面布置有 2条进风巷 2条 回风巷 和 1条 切眼 运输巷 5 3 5 I n 用于布置设备 行人及工作面 进风 回风巷 4 5 5 m 用于运料 行人及工作面回风 切眼 1 3 3 m 用 于综采工作面设备布置 工作 面采 用分层综采工艺 工作面按长壁式布置 全部垮落法 控制顶板 该 工作 面原 始 煤层 瓦斯 含 量 达 到 1 5 r t l t 处于突出危险区 2瓦斯危险程度评价 2 1 瓦斯涌 出量 预测 根 据 安 全 生 产 行 业 标 准 A Q1 0 1 8 2 0 0 6 矿 井 瓦斯涌 出量 预测方 法 采用分源预测法对永红煤 矿 瓦斯 涌 出量 进 行预测 因为 3 3 0 6回采工作面分 2层开采 故其瓦斯涌 出量预 测采 用下 式计 算 q q 1 g 2 1 g 1 k l k 2 k 3 Wy W 2 m g 叼 W 一W 3 式中 q为回采工作面相对瓦斯涌出量 q 为开采煤 层 包括 围岩 相对 瓦斯 涌 出量 k 为 围岩 瓦斯 涌 出 系数 对于垮落法控制顶板 的工作面 取 k 1 3 k 2 为工作面丢煤瓦斯涌出系数 其值为工作面 回采率 的倒数 k 为准备巷道预排瓦斯对工作面煤体瓦斯 涌出影响系数 J c 为取决于煤层数量和顺序的分层 瓦斯涌 出量系数 为开采煤层原始 瓦斯含量 W 为开采煤的残存瓦斯含量 m为开采高度 m 为第 i 邻近层厚度 田 为第 i邻近层瓦斯排放 率 无量纲 W 为第 i邻近层 原始 瓦 斯含 量 W 为第 i邻 近 层残 存 瓦斯 含量 将 3 3 0 6回采工作 面参数 代人计 算可 知 3 3 0 6 回采工 作 面相对 瓦斯 涌 出量 为 1 7 4 9 I n t 日产 量 按照 2 0 5 5 t 计算 可得 3 3 0 6回采工作 面绝对 瓦斯 涌 出量 为 2 6 7 8 i n m in 2 2瓦斯突 出危 险性评 价 根 据永 红煤 矿 3号煤 层 瓦斯 地 质 图 3 3 0 6回采 工 作 面 区域 煤体 的最 大 瓦斯 压力 达 到 2 5 MP a 测 试的煤体坚固性系数I 厂 为 1 5 4 瓦斯放散初速度 p 为 2 3 煤体破坏类型属于二类 可见 4项单项指标 仅有瓦斯压力和瓦斯放散初速度 p超过突 出临界 值 根据 瓦斯 等级 鉴定暂行办法 第三 十七条规 定 煤层突出危险性指标未完全达到临界指标的 当 0 3 P 0 7 4 MP a 或 0 3 0 5 P 1 0 MP a 或 0 5 0 8 P 1 5 0 MP a 或 P 2 0 MP a的 一 般 确 定 为 突 出 煤 层 因 该 工 作 瓦 斯 压 力 超 过 2 MP a 所以 3 3 0 6回采工作 面煤体具有 突 出危险性 在开采前应进行区域消突 1 3 3瓦斯治理技术 3 3 0 6回采工作 面瓦斯 含 量高 具有 突 出危险 性 且邻近层瓦斯也有瓦斯 涌出 因此 应采取综合 治理 技术 措施 3 1 采前顺 层 钻孔预 抽 采用顺 层 钻 孔 预抽 区段 煤 层 瓦斯 方 式 作 为 3 3 0 6回采工作面区域防突措施 即利用回采工作面 巷道施工顺层钻孔 预抽 回采工作 面区域 的煤层瓦 斯 驯 图 1 钻孔 布 置 参 数 钻 孔 直 径 7 5 mm 钻 孔开 孔 高度 1 5 0 i n 钻孔 间距 3 IT I 钻孑 L 长度 为工 作 面长度减去 1 5 IT I 孑 L 口抽放负压为 1 5 1 7 k P a 图 1 工作面区域防突措施钻孑 L 布置示意 3 2采 中高位 钻孔 抽采 工作 面开 采时 在 3 3 0 6回风副巷 施工 裂 隙带 抽 放钻 孔 开孑 L 间距 0 6 1T I 终 孔 间距 7 11 1 第 1 个 钻 孔距 3 3 0 6回风 巷平 距 5 0 m 组 间距 5 0 m 首组钻 孔开孔位置距离切眼 1 0 IT I 终孔位置覆盖到切眼外 1 0 1 1 1 布置 1 排 钻孔 终 孔位 置分别 布置 到巷 道顶 板 上 2 5 I n位置 每 组钻 孔 数 6个 表 1 开 孔 距 煤 层 顶板 1 1 1 1 每 5 0 m贯眼 口部为钻场 开孔位置靠近 贯 眼 口部 图 2 终 孔 位 置 布 置 到 煤 层 顶 板 上 2 0 r t l 根据计算共需 1 1组钻孔 单组 5 5 0 I 1 1 总进尺为 6 0 5 0 IT I 3 3采后 埋管 抽采 采用密闭尾巷插管抽放采空区瓦斯 随着工 作面的推进 密闭往后迁移 其巷道及管路布置如图 3所 示 密 闭 墙 最 好 采 用 两 层 砖 墙 中 间用 黄 土 充 填 密闭性较好 如果全部采用砖墙 由于要掏槽 一 7 2 0 1 5年第 7 期 中州煤炭 总第 2 3 5 期 必须用水泥抹面 防止有砂眼 抽放管要尽量靠近密 闭墙上部 以抽放到高浓度瓦斯 抽放管伸人密闭 2 3 m 这 样 既可 以减 小 密 闭漏 风 又 能在 靠 近 联 络 巷 口附近产生较大的负压 提高采空区抽放效果 表 1高位钻 孔布置参数 县 偏角 倾角 距 顶板孔深 孔径 终孔距上 隅角 扎 高度 m m mm 平距 m 左偏 1 5 2 1 2 5 8 0 7 5 左偏 1 8 2 0 2 5 8 5 7 5 左偏 2 1 l 9 2 5 9 O 7 5 左偏 2 4 l 8 2 5 9 5 7 5 左偏 2 7 1 7 2 5 1 0 0 7 5 左偏 3 0 l 6 2 5 1 0 5 7 5 6 l 2 1 8 2 4 3 1 3 8 区域防突措施消突效果检验有效的基础上 煤巷掘 进工作面和回采工作面生产过程中必须采用工作面 预测方法对 区域防突措施消 突效果进行 验证 为 此 永红煤矿在 3 3 0 6回采工作面生产过程中采用瓦 斯解吸指标 A h 和钻屑量 s 进行区域验证 测试 的最大瓦斯解 吸指标 A h 为 1 2 0 P a 小于临界值 2 0 0 P a 最大钻屑量 S 为 1 8 k g m 小于临界值 6 k g m 可见 经过 区域预抽后 3 3 0 6回采工作面煤 体 消 除了突 出危 险性 4 3风 排 瓦斯量分 析 工作面正常生产期 间 工作面回风流最大瓦斯 浓 度 为 0 4 配 风量 为 1 1 4 0 m m in 则 风排 瓦 斯 量约为 4 5 6 m mi n 高位抽采钻孔抽采 瓦斯纯量 约为 8 5 5 m m in 采 空 区 埋 管 抽 采 瓦斯 纯 量 约 为 2 2 0 m ra in 工作 面 风 排 瓦斯 量仅 占瓦 斯 涌 出量 的 2 9 7 8 由此可见 采取 的瓦斯综合治理措施 不仅消除 了煤体 的突出危险性 还极大降低 了工作 面 回采 时的风 排瓦斯 量 图2 高 位钻孔 布置示意 5 结论 图 3工 作 面 采 空 区 埋 管 抽 采 示 惹 4治理效 果分析 4 1预 抽效 果检 验 采用残余 瓦斯含量法对永红煤矿 3 3 0 6上分层 回采工作面瓦斯预抽效果进行检验 因 3 3 0 6工作 面长度 超过 1 2 0 m 因此 应 在 回采 工作 面推进 方 向 每间 隔 3 0 5 0 m至 少 沿 工作 面方 向布 置 2个 检 验 测试点 3 3 0 6工作 面走 向长度 为 4 8 0 m 共布置 了 2 0个 测点 残余瓦斯含量采用井下钻屑解吸