劉三鈞 林柏泉 李全貴 孟凡偉 李賢忠

(中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116)

★煤礦安全 ★——晉城煤業(yè)集團公司協(xié)辦

“三軟”不穩(wěn)定低透氣性煤層采空區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)研究＊

劉三鈞 林柏泉 李全貴 孟凡偉 李賢忠

(中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,江蘇省徐州市,221116)

以瓦斯流動、瓦斯賦存規(guī)律為基礎(chǔ),運用三維模擬軟件Flunt進行建模,分析了采空區(qū)瓦斯在立體空間范圍內(nèi)的分布特征。指出了“三軟”不穩(wěn)定煤層瓦斯綜合治理的必要性,提出了以煤層高抽巷抽放為主,以高抽巷埋管抽放、高位鉆孔抽放為輔的“一主兩輔”的采空區(qū)瓦斯綜合治理技術(shù)。

Flunt模擬 地透氣性煤層 一主兩輔 瓦斯綜合治理

AbstractWith the help of the regularities of gas flow and gas occurrence,3-D simulation software Flunt is used to configure a model.In this way,an analysis is carried out on the characteristics of the 3-D distribution of gas in the space of gob areas.This paper points out the importance of the implementation of comprehensive gas control measures in"three-soft"and unstable coal seams.In concrete terms,it is proposed to mainly execute gas extraction from special drifts over the working coal seams and at the same time gas extraction from tubes buried in the special drifts over the working coal seams and gas extraction from high-positioned bore-holes as auxiliary measures.This"one major gas extraction complemented by two auxiliary gas extractions"is the so called comprehensive gas control technology for use in coal mine gob areas.

Key wordsFlunt simulation,low permeable coal seam,one major gas extraction complemented by two auxiliary gas extractions,comprehensive gas control

我國煤礦很多是高瓦斯或煤與瓦斯突出礦井,瓦斯災(zāi)害位居煤礦五大災(zāi)害之首,長期以來嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)、制約著煤礦經(jīng)濟效益的提高。隨著采掘機械化程度的提高和開采深度的增加,瓦斯壓力、瓦斯含量、瓦斯涌出量等也不斷增大,尤其是綜采放頂煤等高產(chǎn)高效工作面,受通風(fēng)能力的限制,瓦斯已成為制約安全生產(chǎn)的“瓶頸”。因此,瓦斯綜合治理技術(shù)的研究一直是我國高、突礦井的重大課題。

1 礦井概況及問題的提出

裴溝煤礦是鄭煤集團公司的一個骨干礦井,于1966年建成投產(chǎn),礦井生產(chǎn)能力180萬t/a。主要開采二迭系山西組2-1#煤層,直接頂、直接底為泥巖,老頂為砂巖,老底為灰?guī)r,屬于典型的“三軟”不穩(wěn)定低透氣性煤層。試驗工作面為32003綜放工作面,煤層較厚,一般為7～10 m。采煤方法為走向長壁綜采放頂煤一次采全高,采用全部跨落法管理頂板。32003工作面瓦斯分布不均勻,掘進期間絕對瓦斯涌出量為4 m3/min左右,工作面相對瓦斯涌出量10 m3/t左右。預(yù)測回采期間瓦斯絕對涌出量最大將達(dá)到30 m3/min。

隨著回采的推進,工作面瓦斯涌出量增大,雖然增加了配風(fēng)量還是不能有效解決問題,回風(fēng)流瓦斯仍時有超限,放煤時上隅角瓦斯?jié)舛榷嘣?%以上,嚴(yán)重威脅著煤礦的安全生產(chǎn)。該礦開采實踐表明:采空區(qū)瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的60%以上。因此,如何有效地治理采空區(qū)瓦斯是解決該工作面瓦斯超限的關(guān)鍵。

2 采空區(qū)瓦斯賦存規(guī)律數(shù)值模擬研究

為了分析采空區(qū)瓦斯在三維空間范圍內(nèi)的賦存情況,使用流體力學(xué)三維模擬軟件Flunt對裴溝礦32003工作面進行建模。

為了使模擬結(jié)果更接近現(xiàn)實情況,各種參數(shù)設(shè)置基本上和32003工作面的實際情況相同,參數(shù)具體設(shè)置如下:工作面長度120 m,煤厚10 m,采用U型通風(fēng)方式加煤層頂板高抽巷抽放瓦斯。高抽巷沿煤層頂板設(shè)計,距回風(fēng)巷內(nèi)側(cè)為20 m,斷面尺寸為2.2 m×2.2 m,長度為200 m,32003工作面數(shù)值模型圖見圖1,32003工作面網(wǎng)格布置圖見圖2。

32003工作面頂板處瓦斯?jié)舛确植家妶D3,從圖中可以清晰地看到采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊姆植记闆r。在回風(fēng)流及高抽巷的影響下,采空區(qū)中靠近回風(fēng)巷側(cè)的瓦斯?jié)舛冗h(yuǎn)遠(yuǎn)高于靠近進風(fēng)巷側(cè)的瓦斯?jié)舛?以高抽巷靠近回風(fēng)巷側(cè)的瓦斯?jié)舛葹樽罡摺Ｔ诟叱橄锔叱榉咆?fù)壓的作用下,采空區(qū)瓦斯向高抽巷積聚并被排出而不至于涌向工作面,保證采煤工作面瓦斯不超限。

圖3 32003工作面瓦斯?jié)舛确植计矫鎴D

32003工作面立體空間瓦斯?jié)舛确植家妶D4,從圖中可以看到:在靠近進風(fēng)巷側(cè)的采空區(qū)淺部瓦斯?jié)舛认鄬^低,越靠近回風(fēng)巷側(cè)瓦斯?jié)舛容^高,而且隨著距工作面距離的增加,采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍絹碓礁摺Ｔ诓煽諈^(qū)深部,瓦斯?jié)舛然静皇苡绊?。由于高抽巷設(shè)計在煤層中,其抽放負(fù)壓作用距離有限,高抽巷主要對工作面及近距離采空區(qū)的瓦斯進行抽放,無法對采空區(qū)深部的瓦斯產(chǎn)生強有效的影響。再加上放頂后煤層空隙增多,工作面一定量的新鮮風(fēng)流漏入高抽巷,影響高抽巷了對采空區(qū)瓦斯的抽放作用。

圖4 32003工作面立體空間瓦斯?jié)舛确植紙D

3 瓦斯抽放技術(shù)研究

根據(jù)采空區(qū)瓦斯流動、瓦斯賦存規(guī)律以及數(shù)值模擬結(jié)果的研究,決定在裴溝礦32003工作面實施以煤層高抽巷抽放為主,以高抽巷埋管抽放、高位鉆孔抽放為輔的“一主兩輔”的采空區(qū)瓦斯綜合治理措施。

3.1 煤層高抽巷抽放

裴溝礦32003綜放工作面的高抽巷沿煤層頂部設(shè)計,這是因為該煤層比較厚,約為7～10 m,并且考慮沿煤層掘進、支護等工作比較容易,可緩解采掘工作面接替緊張問題等。煤層高抽巷的水平投影距回風(fēng)巷的平行距離要遠(yuǎn)近適宜:距離過近,巷道漏氣現(xiàn)象嚴(yán)重;距離過遠(yuǎn)巷道不處在瓦斯富集區(qū),抽放效果不好。煤層高抽巷與上副巷內(nèi)錯10～15 m,每段煤層高抽巷長約100～130 m,兩段煤層高抽巷至少壓茬15 m,采用大斷面支護,擴大瓦斯積存空間,煤層高抽巷平面設(shè)計示意圖見圖5。

圖5 煤層高抽巷平面設(shè)計示意圖

3.2 高抽巷埋管抽放

裴溝礦32003綜放工作面的煤層高抽巷抽放起到了很好的抽放效果,但其抽放濃度較低,僅在7%左右。原因是高抽巷設(shè)計在煤層中,出口與工作面相通,在抽放負(fù)壓的作用下,工作面的新鮮風(fēng)流漏入煤層高抽巷,導(dǎo)致瓦斯?jié)舛冉档?。為?在煤層高抽巷進行埋管抽放,使抽放端頭直接處于采空區(qū)內(nèi),高抽巷埋管平面設(shè)計示意圖見圖6。

圖6 高抽巷埋管平面設(shè)計示意圖

圖6中,ABCDEFA代表高抽巷,其中CD段是靠近采空區(qū)側(cè),AF段是靠近回風(fēng)巷側(cè),并且在AF段進行密閉。為避免密閉漏氣情況發(fā)生,密閉施工時一定要做到周邊掏槽并見硬幫硬底,符合通風(fēng)設(shè)施質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)要求;而且要設(shè)計雙層密閉,雙層密閉之間距離大于2 m,并用水泥砂漿充填;對密閉及附近2～3m巷道四周進行噴漿封閉。在高抽巷內(nèi)巷高2/3處布置1、2兩條管子。2號管子較短,用來對高抽巷進行抽放。1號管子較長深入高抽巷內(nèi),在管子前端3 m長度內(nèi)做花眼,并用鐵絲纏繞以防止煤渣堵塞孔口。兩條管子最終匯入抽放總管路3。

3.3 高位鉆孔抽放

在工作面回采過程中,其周圍將形成一個采動壓力場,采動壓力場及其影響范圍在垂直方向上形成3個帶,即冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶;在水平方向上形成3個區(qū),即煤壁支撐影響區(qū)、離層區(qū)和重新壓實區(qū),3區(qū)3帶劃分示意圖見圖7。

圖7 三區(qū)三帶劃分示意圖

高位鉆孔是在風(fēng)巷內(nèi)向煤層頂板施工的鉆孔。高位鉆孔抽放又稱頂板裂隙帶抽放,一般設(shè)計在頂板裂隙帶內(nèi),主要是以工作面回采采動壓力形成的頂板裂隙作為通道來抽放工作面煤壁以及上隅角涌出的瓦斯。在抽放負(fù)壓的作用下圍巖、煤層吸附的瓦斯轉(zhuǎn)為游離狀態(tài)瓦斯,經(jīng)高位鉆孔抽排出采空區(qū),從而解決上隅角和回風(fēng)流瓦斯超限問題,達(dá)到治理采空區(qū)瓦斯的目的。為了提高瓦斯抽放率保證較好的抽放效果,在考慮減少頂板巖石高位鉆場掘進工程量的條件下,高位鉆孔應(yīng)盡可能多地設(shè)計在頂板裂隙帶內(nèi)和瓦斯富集區(qū)內(nèi),冒落帶、裂隙帶高度預(yù)測經(jīng)驗公式如下:

式中:M——工作面采厚,m;

Hm—冒落帶高度,m;

Hl—裂隙帶高度,m。

根據(jù)上述公式并結(jié)合裴溝礦32003工作面實際情況,得出其頂板裂隙帶的高度大致為40～50 m,即為采高的6倍左右。為讓高位鉆孔更大限度地設(shè)計在頂板裂隙帶內(nèi),這就要求做高位鉆場來抬高高位鉆孔的開孔位置。從中聯(lián)巷與高抽巷內(nèi)錯15 m處施工鉆場巷,鉆場巷是由一段長12 m、高4 m、傾角19°的斜巷和一段長5 m的平巷組成,在平巷的端頭做鉆場。本鉆場共設(shè)計上下兩排6個鉆孔,兩排鉆孔間距0.7 m,同排鉆孔間距0.8 m。鉆進深度約150 m,終孔位置約在煤層頂板40 m高度處,整個鉆孔的水平投影在靠近回風(fēng)巷側(cè)50 m的范圍內(nèi)。高位鉆孔平面設(shè)計示意圖見圖8,高位鉆孔參數(shù)設(shè)計見表1。

圖8 高位鉆孔平面設(shè)計示意圖

表1 高位鉆孔參數(shù)設(shè)計表

4 抽放效果分析

將3種抽放方式任一時間段的抽放總濃度對比分析,得出不同抽放方式瓦斯抽放濃度變化對比圖見圖9。

圖9 不同抽放方式瓦斯抽放濃度變化對比圖

從圖9可以看出,高抽巷抽放濃度在7%左右,高抽巷埋管抽放濃度在5%左右,兩種抽放方式濃度比較低。高位鉆孔抽放濃度比較高,基本保持在20%以上。出現(xiàn)這種情況的原因是:高抽巷設(shè)計在煤層中,工作面漏風(fēng)量大,高抽巷漏入大量新鮮風(fēng)流,稀釋了管路的瓦斯?jié)舛?。不過,煤層高抽巷抽放負(fù)壓與抽放量都比較大,在抽放濃度為7%的情況下,抽放瓦斯純量也達(dá)到了7 m3/min以上。地面抽放系統(tǒng)瓦斯抽放濃度高達(dá)40%,一般穩(wěn)定在12%～25%;瓦斯抽放純量達(dá)到8～40 m3/min,長期停止運轉(zhuǎn)的地面瓦斯發(fā)電站也因為獲得了足夠的瓦斯源開始正常運轉(zhuǎn)了。

措施實施后,32003工作面回風(fēng)流瓦斯?jié)舛然颈３衷?0.3%以下,上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.4%～0.6%之間,從未發(fā)生過瓦斯超限事故;預(yù)測值與效檢值未曾超標(biāo),工作面每天順利推進3 m左右,消除了一系列瓦斯異常現(xiàn)象;通過瓦斯抽放,減輕了風(fēng)排瓦斯的壓力,實現(xiàn)了高效高產(chǎn),創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

5 結(jié)論

(1)高抽巷一般盡量不設(shè)計在煤層中,如果煤厚大于10 m可以考慮設(shè)計在煤層中。煤層高抽巷的施工要嚴(yán)格沿頂掘進,并靠近回風(fēng)巷側(cè)。煤層高抽巷與回風(fēng)巷要內(nèi)錯15 m左右,保證煤層高抽巷處在瓦斯富集區(qū)而又減少巷道漏風(fēng)的可能性。

(2)提高煤層高抽巷密閉的質(zhì)量,防止密閉漏風(fēng),這是提高煤層高抽巷瓦斯抽放濃度和抽放率的根本保證。要做雙層密閉,密閉之間距離大于2 m,并用水泥砂漿充填,密閉及附近巷道做全斷面噴漿處理。

(3)高位鉆孔盡可能多地設(shè)計在頂板裂隙帶內(nèi)和瓦斯富集區(qū)內(nèi),一方面做高位鉆場抬高開孔位置,另一方面設(shè)計高位鉆孔靠近回風(fēng)巷側(cè)50 m的范圍內(nèi)。

(4)關(guān)于典型的“三軟”不穩(wěn)定低透氣性煤層瓦斯治理的問題,不能采用單一的治理方式,應(yīng)結(jié)合礦井的實際情采取多種瓦斯治理方式,以達(dá)到采、掘、抽綜合平衡。

[1]林柏泉.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù) [M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1996

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[7]翟成,林柏泉.頂板高位鉆孔抽放在瓦斯治理中的應(yīng)用 [J].煤炭工程,2005(9)

(責(zé)任編輯 梁子榮)

A research on comprehensive gas control technology for use in gob areas in"three-soft"unstable coal seams with poor permeability

Liu Sanjun,Lin Baiquan,Li Quangui
(China University of Mining and Technology National Key Laboratory for Coal Resources and Safe Mining,Xuzhou,Jiangsu province 221116,China)

TD721.6

A

劉三鈞 (1983-),河南永城人,中國礦業(yè)大學(xué)安全技術(shù)及工程專業(yè)碩士,主要從事礦業(yè)安全方面的研究。

＊國家自然科學(xué)基金資助項目 (50534090, 50574093),國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃 (2005cb221506)、國家"十一五"科技支撐計劃項目 (2007baq00168-1)資助