高瓦斯工作面瓦斯治理方案及瓦斯抽采效果

国投新集能源股份有限公司新集二矿210108回采工作面瓦斯治理方案国投新集能源股份有限公司新集二矿2012年11月1210108工作面概况1.1工作面设计及施工210108工作面位于井田二水平2101采区，是该采区1煤层组首采工作面。地面标高：+18.2～+24.1m。工作面西起2101采区轨道上山，东至1上煤层阜凤下夹片断层80m防水煤柱线，南到1上煤层-610m底板等高线，北到1上煤层-650m底板等高线；上距4-1煤层平均约74.2m，下距太原组一灰平均约18m。工作面可采走向平均长1338.3m；倾向平均长145.5m；平面积216110m2；煤层倾角5～12°（平均8°），可采斜面积96638m2，井下标高-608.3采用走向长壁回采法，综合机械化采煤法，一次性采全高。210108工作面计划日产为3300t。1.2工作面地质、煤层赋存210108工作面内1上煤总体倾向为NNE的单斜构造，煤层倾角在5～12°之间，平均倾角8°左右。由于本工作面特别是东部距阜凤下夹片断层较近，受阜凤下夹片断层影响，工作面内断层、褶曲及裂隙可能有所发育，对掘进和回采有一定影响。210108工作面中部受冲刷影响，1上煤层有部分缺失，根据工作面不同区域煤层厚度分布情况，将210108工作面划为3个部分。1上煤厚度0～6.0m，可采段平均4.2m工作面内1煤层厚度基本稳定，厚度0.1～5.9m，平均3.9m，其中可采段煤层厚度平均3.4m。上距1上煤0～2.2m由1煤、1上煤顶板岩性钻孔资料可知，自1上煤往上依次为：粉砂岩6.0m、中～细砂岩8.0m、细砂岩10.5m。1煤层组顶板主要为砂岩，中厚层状，强度高。1煤层组直接底板为泥岩，平均厚约1.1m；往下是平均11.7m的砂泥岩互层；同时，该煤组底板距太原组上段灰岩含水组平均距离18m左右。1.3工作面瓦斯目前210108工作面测定最大瓦斯压力P=0.6MPa，测定最大瓦斯含量W=6.9m3/t，工作面平均瓦斯含量为5.82210108工作面瓦斯涌出量预测2.1210108工作面瓦斯涌出量预测方法回采面的瓦斯来源于采落煤炭、采场丢煤、围岩及邻近煤层瓦斯涌出。根据AQ1018-2006《矿井瓦斯涌出量预测方法》5.1.3及附录B之规定，210108回采面瓦斯涌出量主要是瓦斯基础资料按分源预测法，采用公式（2-1）计算与经验数据进行综合而确定210108工作面回采期间的瓦斯涌出量。（2-1）式中：－回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；－开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；－邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。（1）开采层工作面相对瓦斯涌出量计算公式为：（2-2）式中：－开采层工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；－围岩瓦斯涌出系数；－工作面丢煤瓦斯涌出系数，用回采率的倒数来计算；－采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数；，=0.9－开采层厚度，m；－工作面采高，m；－煤层原始瓦斯含量，m3/t；－煤的残存瓦斯含量，m3/t。（2）邻近层相对瓦斯涌出量采用下式计算：（2-3）式中：－邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t；－邻近层1煤层厚度，m；－工作面采高，m；－邻近层1煤层瓦斯排放率，%；=0.9－邻近层1煤层原始瓦斯含量，m3/t；－邻近层1煤层残存瓦斯含量，m3/t。依据《矿井瓦斯涌出量预测方法》5.1.6的规定：考虑各区域瓦斯的不均衡性，利用分源法预测的瓦斯各区域瓦斯涌出量需乘以瓦斯涌出不均衡系数Kn。瓦斯涌出不均衡系数为该区域内最高瓦斯涌出量与平均瓦斯涌出量的比值。由于在1上煤层回采过程中，1煤层瓦斯将会涌入210108工作面内，考虑到瓦斯涌出的不均衡性，不均衡系数Kn取1.2。（3）绝对瓦斯涌出量根据公式(3-2)得出绝对瓦斯涌出量与相对瓦斯涌出量关系。(2-4)式中：—工作面绝对瓦斯涌出量，m3/min；—工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；A—工作面日产量，3300t/d。2.2210108工作面瓦斯涌出量预测根据公式2-1、2-2、2-3、2-4及工作面相关瓦斯参数计算得到210108工作面3个单元的相对瓦斯涌出总量和绝对瓦斯涌出量见表2-3：表3-3工作面瓦斯涌出量预测q本(m3/t)q邻(m3/t)q总(m3/t)q总修(m3/t)q绝对(m3/min)第一单元5.704.9610.6612.7929.31第二单元5.1105.116.1314.05根据210108工作面煤层赋存，第一单元范围最大且大部分为两层煤；而第二单元1上煤层缺失，只有一层煤，瓦斯涌出量相对较小；第三单元范围最小，其瓦斯储量最小，为不规则三角形，因此将第二单元与第三单元合并计算。考虑210108工作面煤层厚度有差异性，考虑瓦斯涌出不均衡系数1.2。综上所述210108工作面瓦斯涌出量取第一单元的预计最大瓦斯涌出量12.79m3/t，对应绝对瓦斯涌出量为3工作面配风量的确定1)按作业人员计算:Q=4N=320m3式中N—为工作面同时工作的最多人数，取80人。2)按瓦斯涌出量计算:Ｑ采=100q采（1-c）K采/C=1905m式中：Ｑ采――回采面的实际需要风量，m3/min；q采――回采面的瓦斯绝对涌出量，29.31mc—回采面瓦斯抽采率%，工作面将采用高抽巷、顺层钻孔及上隅角埋管抽放，根据瓦斯抽采实践，预计瓦斯抽采率为60%。K采―回采面的通风系数，主要包括瓦斯或二氧化碳涌出不均衡及备用风量等因素，该工作面取1.3。C—回风流中允许的瓦斯浓度，取0.8%。3)按气象条件计算:对应不同温度的适宜风速（见表3-1）：表3-1回采工作面空气温度与适宜风速对应表回采工作面空气温度（℃）采煤工作面风速（m/s）<201.020～231.0～1.523～261.5～1.826～281.8～2.528～302.5～3.0Q采=60×70%×V采×S采×K高×K长=60×70%×1.8×15×1.2×1.2≈1632m式中：V采—采煤工作面的风速，取1.8m/s；S采—采煤工作面的平均有效断面积，取15K高—采煤工作面采高调整系数（见表3-2），取1.2；K长—采煤工作面长度调整系数（见表3-3），取1.2；60—为单位换算产生的系数70%—有效通风断面系数表3-2K高—采煤工作面采高调整系数采高M＜2.02.0～2.5＞2.5及放顶煤系数K高1.01.11.2表3-3K长—采煤工作面长度调整系数采煤工作面长度m长度风量调整系数K长＜150.815～800.8～0.980～1201.0120～1501.1150～1801.2＞1801.3～1.44)按炸药量计算:Q采=10A式中：10——以煤矿许用二三级炸药量（Kg）为计算单位的供风标准，m3/min/kg；A——采煤工作面一次爆破的最大炸药用量，kg。由于工作面采用机械落煤，故不需按炸药消耗量计算采煤工作面风量。表3-4配风量回采面回采工艺按人数（m3/min）按瓦斯涌出量（m3/min）按温度（m3/min）按炸药量（m3/min）210108综采32019051632/所以210108工作面配风量为1905m5)按风速验算:按最低风速验算，每个回采面的最低风量1905≥15S采，m3/min按最高风速验算，每个回采面的最高风量1905≤240S采，m3/min式中S采—回采面的平均断面积，取15m根据上述综合计算，210108综采工作面的配风量为1900~2200m34210108回采工作面瓦斯治理方案依据210108工作面相对瓦斯涌出量预算结果，预计210108工作面回采期间相对瓦斯涌出量为12.79m3/t：其中工作面相对瓦斯涌出量q本=5.7~6.84m3/t，占相对瓦斯涌出总量的53%，邻近煤层相对瓦斯涌出量为q邻=4.96~5.95m工作面1上煤层回采时，煤壁瓦斯及210108工作面回采过程中下伏1煤层瓦斯源源不断的涌入采空区及工作面内，易造成瓦斯超限。因此，210108工作面回采过程中瓦斯治理，不仅要考虑210108工作面的瓦斯，还要重点考虑下伏1煤层卸压瓦斯抽采。4.1210108工作面瓦斯抽采方式设计1)选择瓦斯抽采方式的原则(1)应根据矿井瓦斯涌出来源及涌出量构成，有针对性地选择抽采瓦斯方法，以提高瓦斯抽采效果。(2)选择抽采瓦斯方法应适合煤层赋存状况、巷道布置、地质条件和开采技术条件。(3)抽采方法在满足矿井安全生产的前提下，还需满足开发、利用瓦斯的需要。(4)应尽可能利用生产巷道，以减少抽采工程量。(5)选择的抽采方法应有利于抽采巷道的布置和维护。(6)选择的抽采方法应有利于提高瓦斯抽采效果，降低抽采成本。(7)应有利于钻孔、钻场施工和抽采系统管网的设计，有利于增加钻孔的抽采时间。2)210108回采工作面瓦斯抽采方式选择210108工作面采用综合机械化采煤工艺，瓦斯涌出主要来源于本煤层和邻近煤层。根据煤层赋存条件、瓦斯涌出构成和巷道布置形式，采用以本煤层抽采为主，采空区抽采为辅，预抽、边采边抽相结合的综合抽采方法。本煤层主要采用布置顺层钻孔和穿层钻孔相结合的瓦斯预抽和边采边抽方式，邻近层主要采用布置穿层钻孔的瓦斯预抽和边采边抽方式。并采用高抽巷对回采工作面前方卸压瓦斯和工作面后方采空区积聚瓦斯边采边抽，同时采用采空区埋管方式对上隅角积聚瓦斯进行边采边抽。4.2210108工作面瓦斯抽采参数确定1)工作面抽采率确定根据《煤矿瓦斯抽采基本指标》、《抽采达标暂行规定》及新集公司相关规定要求，工作面风速不得超过4m/s，回风流中瓦斯浓度不得超过0.6%。210108工作面配风量为1900m3/min左右，按回风流中瓦斯浓度0.5~0.55%计算，风排瓦斯量为9.5~10.45m3/min，210108工作面回采过程绝对瓦斯涌出量为29.31m3/min，风排量瓦斯量占瓦斯涌出总量的32.4%~35.7%，仅靠通风不能满足排放瓦斯的要求，应对工作面进行瓦斯抽采，经计算210108工作面瓦斯抽采量为18.86~19.812)工作面抽采规模确定方案预计高抽巷卸压瓦斯抽采量10m3/min，抽采率约34.1%。采空区埋管抽采瓦斯量1.5m3/min，抽采率约5.1%。工作面顺层钻孔和穿层钻孔抽采瓦斯量7.4~8.3m3/min、抽采率为25.3%顺层钻孔、穿层钻孔、高抽巷和采空区埋管四种抽采方式综合抽采率为67.5%，符合210108工作面瓦斯抽采设计要求。210108采煤工作面平均瓦斯含量为5.8m3/t，回采前施工穿层及顺层钻孔预抽率为12.3%，依据预抽率确定210108工作面1煤层抽采效果检验残余瓦斯含量为W=5.0为了保证210108工作面回采过程中瓦斯治理效果，方案要求在工作面正式回采前210108工作面范围内1煤层穿层及顺层钻孔瓦斯预抽率达到12.3%以上，对应效果检验残余瓦斯含量小于5.0m3/t；工作面回采过程中穿层钻孔卸压瓦斯抽采率16%；高抽巷卸压瓦斯抽采量10m34.3210108工作面瓦斯治理措施1)210108工作面顺层钻孔预抽在210108工作面风巷每50m设计一个钻场，每组钻场施工14~17个钻孔，均匀布置在工作面中，倾向控制范围65m左右；机巷设计每50m左右布置一个钻场，每个钻场施工14个钻孔，孔底间距10m，均匀布置在工作面中，倾向控制范围90m左右。210108工作面顺层预抽钻孔布置如图4.1所图4.1210108工作面顺层预抽钻孔布置图2)210108工作面穿层钻孔预抽在210108工作面截水巷每40~50m布置一组钻场，工作面上、下钻场分别布置25个钻场，穿层钻孔布置参数20m*20m。210108工作面截水巷穿层预抽工作面钻孔布置如图5.2所示。5~10号钻场位于薄煤层带，1上煤层缺失，煤层厚度3.5m图4.2210108工作面截水巷穿层预抽工作面钻孔布置图其中1号钻场18个钻孔；2、3号钻场15个钻孔；4号钻场15个钻孔11、20、21钻场分别布置21个钻孔，其下钻场15个钻孔已施工，仅上钻场6个钻孔未施工；12~19号8个钻场分别设计12个钻孔；22~25钻场分别设计12个钻孔。4.4210108工作面高抽巷卸压瓦斯抽采沿工作面上方走向布置1条巷道，巷道内错风巷20m，布置在煤层顶板30m～34m范围内。巷道宽3m、高2.4m。高抽巷设计抽采瓦斯量10m3/min，预计抽采混合量44.5210108工作面采空区埋管抽采实践证明，采用采空区埋管抽采工作面上隅角瓦斯对于防止上隅角瓦斯超限是一种有效方法。采空区瓦斯抽采方法有很多种，主要有埋(插)管抽采、向冒落拱上方打钻孔抽采、在老顶岩石中打水平钻孔抽采、直接向采空区打钻抽采和顶板尾巷抽采、工作面尾巷抽采和地面抽采等几种，对具体不同的情况可以采用不同的方法或几种方法的组合。根据210108工作面的实际情况，拟采用采空区埋管的抽采方法，主要解决采空区瓦斯向工作面涌出和老塘角瓦斯积聚的问题。采空区埋管设计抽采瓦斯量1.5m3/min，预计抽采混合量15m3/min，抽采瓦斯浓度采煤工作面上隅角预埋8寸抽采管路，预埋管由带筛孔闷盘和带筛孔的管路组成。在工作面推进过程中，将埋管口保留在工作面的采空区，通过抽采系统对采空区瓦斯进行抽采。回采过程中必须加强上、下隅角的管理，上隅角要提前收一棚并减少向采空区漏风。同时，要定期观测采空区内的CO情况，定期取样化验，防止煤炭自燃。4.6210108工作面抽采系统4.6.1抽采系统1)低负压瓦斯抽采系统（可切换高压装置）①1煤东翼截水巷1煤东翼截水巷联巷（2XΦ250mm管路200m）→2101采区回风上山(Φ300mm管路490m)→1煤东翼总回风巷（Φ300mm管路510m）→风井南石门（Φ300mm管路50m）→风井（Φ400mm管路460m）→地面（Φ600mm管路110m）。②210108高抽巷210108高抽巷（2xΦ300mm管路50m）→2101采区回风上山(Φ300mm管路200m)→1煤东翼总回风巷（Φ300mm管路510m）→风井南石门（Φ300mm管路50m）→风井（Φ400mm管路460m）→地面（Φ600mm管路110m）。2)高负压瓦斯抽采系统①210108风巷a、上隅角：210108风巷（Φ250mm管路1500m）→回风联巷（Φ250mm管路25m）→2101采区回风上山(Φ400mm管路200m)→1煤东翼总回风巷（Φ400mm管路510m）→风井南北石门（Φ600mm管路130m）→分源抽采钻孔（Φ600mm管路460m）→地面（Φ600mm管路200m）。b、顺层钻孔：：210108风巷（Φ250mm管路1500m）→回风联巷（Φ250mm管路25m）→2101采区回风上山(Φ400mm管路200m)→1煤东翼总回风巷（Φ400mm管路510m）→风井南北石门（Φ600mm管路130m）→分源抽采钻孔（Φ600mm管路460m）→地面（Φ600mm管路200m）。②210108机巷210108机巷（Φ250mm管路1500m）→回风联巷（Φ300mm管路25m）→2101采区回风上山(Φ400mm管路360m)→1煤东翼总回风巷（Φ400mm管路510m）→风井南北石门（Φ600mm管路130m）→分源抽采钻孔（Φ600mm管路460m）→地面（Φ600mm管路200m）。4.6.2抽采管路系统根据《矿井瓦斯抽放管理规范》及矿井工作面瓦斯抽采实际情况，则该采面瓦斯抽放管道按下式计算：D＝0.1457（QC/v）^(1/2)式中： D－瓦斯管道内径mQC－瓦斯管中的混合流量V－瓦斯管中气体的平均流速取12m/s(1)风巷：a、上隅角：抽采纯流量取1.5m3/min，浓度取10%，从而可知QC＝15m3/min，按1.3倍运行能力计算得：QC＝19.5mb、顺层钻孔：抽采纯流量取1.5m3/min，浓度取8%，从而可知QC＝18.5m3/min，按1.3倍运行能力计算得：QC＝24.4m3/min，代入上述公式可得：(2)机巷：抽采纯流量取1.5m3/min，浓度取8%，从而可知QC＝18.5m3/min，按1.3倍运行能力计算得：QC＝24.4m3/min，代入上述公式可得：(3)高抽巷：根据矿井其他煤层高抽巷的抽采效果，预计210108高抽巷最大抽采纯流量10m3/min，浓度取25%，从而可知QC＝40m3/min，按1.3倍运行能力计算得：QC＝52m(4)-650m1煤东翼截水巷抽放纯流量取7m3/min，浓度取20%，从而可知QC＝35m3/min，按1.3倍运行能力计算得：QC＝45.5m3/min，代入上述公式可得：D=283mm因此210108工作面安装的瓦斯抽采管路可满足工作面抽采需要。4.6.3阻力计算按下式计算工作面瓦斯抽采管路直管摩擦阻力H＝9.8LrQ2/KD5式中：h－瓦斯管道的摩擦阻力PaL－管道的长度mD－瓦斯管道内径cmQ－混合抽放量m3/h（根据不同区段瓦斯混合抽采量不同，故混合抽采量取1500～3600m3k－与管径有关的系数取0.71r＝混合瓦斯对空气的相对密度取0.9331)低负压抽采系统工作面瓦斯管道总阻力计算：(1)210108高抽巷：H阻＝1.2Σｈ＝2861.42Pa