沈家峁高瓦斯综放工作面的瓦斯治理

1、高瓦斯综放工作面的瓦斯治理1 高瓦斯综放工作面瓦斯涌出规律及治理方法1.1 涌出规律综放工作面的特点是一次开采高度大，对围岩及邻近层的影响和破坏程度远远高于单一开采煤层。模拟实验结果表明，采高6m的综放工作面，冒落带高度可达30m以上。同单一煤层和分层开采相比较，综放工作面瓦斯涌出有以下特点：1、工作面瓦斯涌出量大。无论相对瓦斯涌出量还是绝对涌出量都高出单一煤层工作面数倍以上。2、局部瓦斯积聚现象增加。特别是采用U型通风工作面，上隅角超限更为严重。超限范围长达十几米至几十米。3、初采与来压期间瓦斯涌出异常。在老顶初次垮落前后，工作面往往只能停产，等待排放瓦斯。4、工作面瓦斯涌出呈现阶段性，随放

2、煤强度大小而变化。主要是因为放顶煤过程中，在顶板上方形成“瓦斯团”，并随放顶煤地点变动而移动。当上行放顶煤时，瓦斯团随漏风直接进入工作面，可造成局部瓦斯超限；下行放顶煤时，瓦斯团随漏风上行，在工作面上隅角附近进入工作面，导致上隅角瓦斯超限。1.2 治理方法高瓦斯综放工作面瓦斯治理方法除了坚持常规钻孔抽放措施以外，国内常用的技术手段为一是工作面采用“J”型通风系统，施工专用瓦斯尾巷；二是施工高位抽放巷。1、J型通风系统J型通风系统是在“U+L”系统基础上发展而来。主要是增加了沿空维护的专用瓦斯抽放巷。由于采用两进一回的通风方式，大大改善了工作面的作业条件。典型的J型通风的巷道布置和基本原理见下图

3、。如下图所示，J型通风系统由工作面两巷、沿空维护的专用瓦斯抽放巷和专用回风巷组成。两巷进风，回风经沿空保留的专用瓦斯抽放巷进入专用回风巷。中国矿业大学对J型系统进行的数值模拟结果见附图。从图（a）中可以看出，在整个工作面长度范围内，风流方向均指向位于采空区的专用抽放巷。从图（b）可以看出，在采空区后方100m范围内，风流受工作面风压影响，向回风巷扩散；再向后由于压实作用影响，风流向巷道四周扩散，可能导致瓦斯浓度增加。图（c）给出采空区后方瓦斯分布情况，瓦斯浓度随着远离工作面而逐步增加。图（d）说明专用瓦斯巷瓦斯浓度随巷道长度增加而缓慢增长，在500m左右急剧升高。从上述理论分析可知，J型通风系

4、统有以下特点： 专用瓦斯抽放巷的抽排作用明显，改变了采空区流场的分布特征。沿整个工作面的风流均指向采空区，工作面瓦斯和放顶线瓦斯随采空区漏风流全部汇入专用瓦斯抽放巷。 由于专用瓦斯尾巷的抽排作用，整个回风流瓦斯浓度较低，避免了瓦斯积聚现象。专用瓦斯巷走向长度过大时，后部瓦斯浓度将急剧增加。适当控制瓦斯尾巷长度，可以防止尾巷瓦斯浓度过高。采用两进一回通风方式，改善了工作面作业条件。2、走向高抽巷为了控制放顶煤和顶板大面积垮落带来的瓦斯突然涌出问题，采用高抽巷是较好的解决办法。根据抽采目的层不同，走向高抽巷可分为煤层高抽巷和顶板高抽巷。下图所示为顶板高抽巷布置图。高抽巷可以沿走向布置，也可沿倾向布

5、置。走向布置的优点是：瓦斯抽放量大而且稳定；资源回收率高；防止自燃发火；工程量相对较少。高抽巷一般布置在煤层顶板裂隙带中。巷道位于工作面回风侧1/3长度处，距开切眼5m左右。采用高抽巷，可以有效解决顶板离层带瓦斯积聚区和放顶煤形成的瓦斯团的瓦斯排放问题。2 10103工作面风流分配规律及对瓦斯涌出的影响2.1 实测工作面风流分配规律1、U型通风10103工作面采用U型通风系统。根据数值模拟结果，U型通风采空区流场及CH4涌出规律见下图。从图中可以看出，工作面采空区后方形成一稳定漏风场，漏风流从工作面中部开始溢出，至工作面上隅角集中排出。由于漏风带出采空区瓦斯，自工作面中部开始，切顶线一侧瓦斯浓

6、度逐步增加，至上隅角达到最大。2、10103工作面实测情况8月7日，对10103工作面流速场和瓦斯涌出情况进行了观测，观测结果如下。支架号风速(m/s)CH4%后部中部前部放顶线后溜尾梁32.51.52.80.010.010.0162.21.53.10.010.010.0192.11.53.30.010.010.01121.71.63.20.010.010.01150.81.94.20.010.010.01180.81.64.30.020.020.02211.523.70.020.020.02241.11.73.50.020.020.02270.81.93.70.030.020.02301.2

7、1.64.20.070.040.05330.81.54.40.080.050.07361.21.83.80.080.060.06390.51.84.20.040.040.04421.21.93.70.040.040.04451.31.84.40.040.040.04480.72.44.20.060.040.04511.82.53.30.060.050.05540.61.24.30.060.050.04570.92.53.70.160.110.14601.51.83.80.280.180.18631.31.64.10.240.20.17661.62.53.50.240.20.186921.53.

8、70.370.280.317211.74.30.370.290.29751.31.840.560.380.41781.12.23.70.570.470.42810.91.84.10.640.560.62840.72.83.60.630.620.66871.61.73.80.70.60.64901.42.54.10.860.760.74931.72.13.60.980.840.83961.31.73.81.030.90.94990.62.13.81.081.030.941001.141.060.96平均1.261.8793.820.30940.2650.264观测到的流速场和瓦斯变化情况见下图。

9、风速变化趋势图风速测定按照前、中、后三部分分别测定。前部指支架前立柱至煤壁、中部指支架前立柱至掩护梁、后部指掩护梁至切顶线。从测定结果看出以下规律：从前至后，受到通风断面限制，风速呈线性递减。工作面进风口附近，受采空区漏风影响，工作面前部风速较低，后部风速较大。从风速变化幅度看，后部受放顶煤和移架等因素影响，变化幅度最大。相对于平均风速，变化幅度达到98%，前部达到54%，中部最小为27%。根据风量统计，工作面内风量变化在11001250m3/in之间，平均1175m3/min。工作面回风巷测得风量为1500m3/min。采空区漏风量在300m3/min左右。从流速图看出，前、后部风流呈紊流状

10、态，中部风流呈层流状态。前、中部进回风风量基本一致，但是后部进风大于回风。根据计算，后部进风侧风量为180m3/min，回风量仅为100m3/min。说明工作面后部漏风，回风从上隅角流出。瓦斯涌出变化趋势图瓦斯测定主要意图在于查明采空区瓦斯溢出路线和受工序影响的变化情况。受条件制约，没有观测到放顶煤和移架期间瓦斯溢出情况。从观测数据中可以得出以下结论：由于煤壁侧溢出瓦斯被风流带走，工作面瓦斯主要分布在工作面后部。后部瓦斯溢出情况分为上下两部分。工作面下部为漏风区，后部瓦斯含量极低；自中部开始，采空区漏风开始增加，瓦斯溢出呈线性增加。在后部2.7m宽的区域内，瓦斯含量变化较小，说明此区域受中部风

11、流影响小。工作面上端头附近风速低，瓦斯含量较高。2.2 风流对瓦斯涌出的影响工作面瓦斯主要来源一是煤壁侧和割煤时的瓦斯溢出，二是放顶煤和采空区遗煤释放瓦斯在漏风流作用下溢出。根据工作面风流流速场分析，10103工作面风排瓦斯的来源为前部回风、后部回风和上隅角回风。根据通风科提供数据，10103工作面平均风排瓦斯量为4.59m3/min，按照实测数据：工作面后部瓦斯浓度为1.05%，回风量为50m3/min，排出瓦斯量0.525m3/min。前部和中部回风量为1100m3/min，瓦斯含量为0.27%，排出瓦斯量为2.97m3/min。据此计算，上隅角排出瓦斯量应为1.1m3/min。当回风量大

12、于110m3/min时，瓦斯含量可以降到1%以下。考虑到瓦斯溢出变化因素，回风量不应低于200m3/min。 3 10103工作面瓦斯管理现状及改进措施3.1 现场管理措施10103工作面时沈家峁煤矿第一个采用U型通风的综放工作面。由于抽放时间长，瓦斯抽放率较高，工作面瓦斯涌出情况平稳。但是，上隅角瓦斯超限问题仍经常出现。为此现场采取的主要措施是：1、采空区瓦斯抽放。现场采用9根2吋胶皮管，沿上帮敷设，深入采空区后部23m。抽出量为1.3m3/min，按照2%浓度反算，混合气体抽出量为65m3/min。现场测试，抽放影响范围呈扇形，与抽放管夹角为30°，以此计算，抽放覆盖范围深度约为

13、5m，宽度最大为3m。2、支设移动风障。设临时风障后，上隅角回风最大达到180m3/min。3、采用喷雾头，稀释瓦斯。3.2 存在问题虽然采取了多种措施，但是由于U型通风存在的固有弊病，工作面瓦斯管理仍然存在以下问题：1、上隅角瓦斯经常超限。当工作面上端头进行移架作业、工作面放顶煤、周期来压期间尤为突出。2、临时风障控风效果差，上隅角回风量变化较大。3、上端头设备较多，形成的通风盲区多，在这些地点常出现瓦斯超限。4、低负压抽放覆盖范围小，抽放浓度低，效果不明显。3.3 改进措施根据10103工作面实际情况，建议对现有措施进行改进：1、扩大低负压抽放范围，要求覆盖上巷全断面。主要考核指标看抽放浓

14、度的变化情况。主要措施：将1排9管1组改为3排3管1组。间排距按1m左右布置。每组的上管改为抽取顶板瓦斯，插入顶板35m处。顶板插管的布置方式，可采用带锥顶的花管作为套管，用大锤夯入顶板内23m处，用吊链挂在顶板钢丝网上。抽放软管插入套管内，对顶板松散煤体内瓦斯进行抽放。管口防尘装置增加保护罩。上隅角治理措施示意图2、制作卷帘式风障，由固定门帘和卷帘两部分组成。固定门帘放在工作面煤壁前方1m处，宽度0.5m左右；卷帘沿门帘铺设，长度可以调节。固定门帘可采用单体支柱固定，提高牢固性和可靠性。3、增加压风喷嘴。主要用于后部溜头处稀释底板和上帮积聚瓦斯。4 10101工作面瓦斯治理工程4.1 工作面

15、专用回风巷鉴于10101工作面为一采北区首采工作面，且瓦斯抽放时间较短。为确保安全生产，需要采取“U+L”通风系统布置采面巷道，工作面采用“J”型通风方式。轨道巷与专用回风巷关系见下图。巷道工程量主巷1450m，联络巷28个，462m，合计1912m。为加快施工进度，建议采取以下措施：1、专用回风巷自轨道巷开门，开门点位于皮带机头以外20m，减少过桥工程量。2、施工顺序先主巷，贯通后在施工联络巷。联络巷施工顺序为由里向外。3、主巷对穿施工。里段施工队由10101下巷施工队负责。切眼施工完成后，先不开宽，继续向上掘进1#回风联络巷，到主巷位置后，向外施工。4、10101轨道巷施工至切眼位置后，回

16、风巷里段掘进队改运输系统至轨道巷皮带，切眼开宽由轨道巷掘进队进行。5、里段施工主巷同时，一并施工联络巷。4.2 切眼水力预裂抽放瓦斯方案1、工作面抽放系统能力验算工作面开采区域按照常规计算，没有瓦斯抽放时间。根据沈家峁煤矿经验，钻孔抽放期在6个月以上，才能保证抽放效果。即使保证巷道掘出后立即开始抽放，自切眼起的400m范围内，抽放时间也无法满足6个月的要求。由于时间紧，抽放量大，建议采取走向钻孔水力压裂抽放方案，争取以最短的时间，达到最好的抽放效果。工作面抽放量预算根据煤矿瓦斯抽放规范AQ1027-2006第8.6.3条规定，瓦斯抽出率：预抽煤层瓦斯的矿井，矿井抽出率应不小于20%；回采工作面

17、抽出率应不小于25%。沈家峁煤矿10号煤层瓦斯含量为5.45m3/t，切眼前方100m范围内，工作面煤层瓦斯含量为69.1万方，邻近层涌出量按照15%计算，涌入量为10.4万方，累计瓦斯储量为79.5万方。按25%抽放率计算，抽放量为19.88万方。当抽放期按30天计算时，抽放能力（纯瓦斯量）要求为4.6m3/min。泵站抽放能力验算瓦斯泵流量验算：式中：Q瓦斯泵额定流量，m3/min；QZ矿井瓦斯最大抽放总量（纯量），m3/min；X瓦斯泵入口处的瓦斯浓度，%；瓦斯泵的机械效率，一般取=0.8；k瓦斯抽放的综合系数（备用系统）取K=1.2。10101工作面最大瓦斯抽放量为4.6m3/min。

18、则瓦斯泵流量验算为：抽出混合气体瓦斯浓度达到15%以上时，流量要求为46m3/min。现有瓦斯泵设计最大流量为260m3/min，满足要求。瓦斯抽放管径的计算D=0.1457QV式中：D瓦斯管内径，m；Q管内瓦斯流量，m3/min；V瓦斯在管内的平均流速，m/s；一般取V=10m/s15m/s。当Q取46m3/min，V取12m/s时，要求管路直径为0.285m。管道阻力计算管路摩擦阻力计算式中：H摩阻力损失，Pa；L管路长度，m；r混合瓦斯对于空气的密度，查表；Q瓦斯流量，m3/h；K0与管径相关的系数，查表；D管道内径，cm。现有主管路管径0.315m，主管管路长度1200m；支管管路长度

19、1500m，其中800m管径0.415m，剩余管路管径0.159m。则管路摩擦阻力为：局部阻力：可按估算法计算，一般取摩擦阻力系数的10%20%。H局0.15H摩10801Pa瓦斯泵压力验算：式中：H瓦斯泵压力，Pa；H入井下负压段管路全部阻力损失，Pa；H出井上正压段管路全部阻力损失，Pa；K备用系数，取k=1.2；h入摩井下负压段管路摩擦阻力损失，Pa；h入局井下负压段管路局部阻力损失，Pa；h钻负井下抽放钻场或钻孔孔口必须造成的负压，Pa；根据经验，对于非卸压煤层可取h钻负13kPa；对于卸压煤层可取h钻负6.7kPa；对于采空区瓦斯抽放，孔口负压不可太高，以免引起采空区煤的自燃；h出摩

20、井上正压段管路摩擦阻力损失，Pa；h出局井上正压段管路局部阻力损失，Pa；h钻负用户在瓦斯出口所需的正压，Pa；h摩井上、下管路最大总摩擦阻力损失，Pa；h局井上、下管路最大总局部阻力损失，Pa。10#煤层，孔口负压取6.7kPa。则H=h入摩+h入局+h钻负+h出摩+h出局+h出正k=72008+10801+6700+200×1.2=107.65kPa瓦斯泵最低吸入绝压160hPa，满足泵压要求。现在矿井瓦斯抽放泵共计安装三台，型号2BEC62，两开一备，每台最大抽气量260 m3/min，实际抽气量100 m3/min左右。矿井抽放主管路管径为315mm，10101工作面临时支管路管径分别为415mm和159mm。2BEC62系列真空泵技术参数见下表泵型号最低吸入绝压hPa吸气量（m3/min）最大轴功率(kw)电机功率(kw)转速r/min泵重kg外型尺寸长×宽×高mm吸入绝压200hPa吸入绝压250hPa吸入绝压350hPa吸入绝压400hPa吸入绝压550hPa2BEC6216020021724325026024828023091003132×1830×1720243260280286290297355260272286312317325340