李艷奎,吳世躍,安省偉,薛麗萍,武青林

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.山西西山煤電(集團)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,太原 030053)

瓦斯綜合治理“一面一策”標(biāo)準(zhǔn)研究
——西山煤電礦井回采工作面瓦斯分級治理標(biāo)準(zhǔn)

李艷奎1,吳世躍1,安省偉2,薛麗萍2,武青林2

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院,太原 030024;2.山西西山煤電(集團)有限責(zé)任公司 技術(shù)中心,太原 030053)

為得到回采工作面瓦斯治理的規(guī)范性、標(biāo)準(zhǔn)性方案,以西山煤電集團回采工作面的瓦斯抽采方案為例,根據(jù)瓦斯來源將回采工作面瓦斯抽采方法歸納為本煤層、裂隙帶、下鄰近層及采空區(qū)4類,將這4類抽采方法和工作面瓦斯絕對涌出量組成復(fù)合指標(biāo)體系,采用系統(tǒng)聚類分析法,并借助SPSS數(shù)據(jù)處理軟件對這些指標(biāo)進行分析,根據(jù)聚類分析結(jié)果把回采工作面瓦斯治理劃分為4個等級,并提出了不同等級工作面瓦斯治理的基本方法。該劃分方法能提高制定瓦斯抽采方案的效率,對相似地質(zhì)條件礦井的瓦斯治理工作具有指導(dǎo)意義。

瓦斯抽采;回采工作面;分級治理;聚類分析;一面一策

增加通風(fēng)量已不能滿足目前高產(chǎn)高效回采工作面的排瓦斯要求,進行瓦斯抽采是目前的共識,但對于回采工作面瓦斯抽采措施的制定,卻沒有標(biāo)準(zhǔn)性的參考方案。針對瓦斯抽采方案的制定、歸類,程遠(yuǎn)平、俞啟香等[1-2]提出先以煤層開采時間為依據(jù)，將抽采方法分為采前、采中、采后三大類，再用空間位置進行細(xì)分。申寶紅等[3]總結(jié)了適合我國不同煤田地質(zhì)條件的瓦斯抽放技術(shù)體系,提出了促進和加強我國煤礦瓦斯抽放工作的技術(shù)對策,并將瓦斯抽采分為煤層氣地面開發(fā)、煤礦井下抽放和地面井下綜合抽放三種方式。一些現(xiàn)場工作者從某一具體礦區(qū)出發(fā),提出適合自己礦區(qū)的瓦斯抽采方案,如田富軍[4]針對義馬煤田綜放工作面不同瓦斯涌出量提出針對性治理措施。郭峰[5]對平頂山礦區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和瓦斯地質(zhì)規(guī)律進行分析,制定了防治瓦斯的抽采方案。根據(jù)國家安全生產(chǎn)監(jiān)督總局對瓦斯治理“一礦一策”、“一面一策”的要求[6],在前人研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合西山煤電集團所屬礦井瓦斯治理成熟案列,對回采工作面瓦斯抽采技術(shù)進行綜合聚類分析,依據(jù)工作面絕對瓦斯涌出量和采用的抽采方法對瓦斯綜合抽采方案進行歸類和分級,再依據(jù)相關(guān)法規(guī)及經(jīng)驗,對其結(jié)果進行微調(diào),得出每級回采工作面瓦斯抽采的模板性方案——瓦斯綜合治理“一面一策”標(biāo)準(zhǔn)。

1 回采工作面瓦斯治理現(xiàn)狀

以西山煤電集團現(xiàn)有的回采工作面瓦斯抽采方案為例。

1.1 幾種抽采方法定義

各礦對抽采方法命名不一致,為便于統(tǒng)計分析,對幾個命名有歧義的抽采方法定義如下。

1.1.1 高低位傾斜裂隙帶鉆孔

高低位傾斜裂隙帶鉆孔主要抽采裂隙帶內(nèi)的瓦斯,這類瓦斯一般為上鄰近層向本煤層運移的瓦斯和工作面回采后采空區(qū)向裂隙帶運移的瓦斯[7]。高低位傾斜裂隙帶鉆孔是從下一個工作面的進風(fēng)巷施工一組高低位鉆孔,抽采裂隙帶范圍內(nèi)的瓦斯,如圖1所示。

1.1.2 回風(fēng)巷傾斜高位鉆場鉆孔

回風(fēng)巷傾斜高位鉆場鉆孔,亦稱回風(fēng)巷頂板走向鉆場,是在工作面回風(fēng)巷內(nèi)施工頂板鉆場,每個鉆孔施工上下兩排鉆孔并指向工作面方向,如圖2所示。

1.1.3 上鄰近層老空區(qū)鉆孔

在工作面回風(fēng)巷打鉆,終孔進入上鄰近層老空區(qū),抽采老空區(qū)瓦斯,如圖3所示。

圖1 高低位裂隙帶鉆孔剖面圖

圖2 回風(fēng)巷傾斜高位鉆場鉆孔示意圖

圖3 上鄰近層老空區(qū)鉆孔示意圖

1.1.4 煤柱鉆孔

在相鄰工作面進風(fēng)巷布置煤柱鉆孔,鉆孔終孔打至本煤層進風(fēng)巷與采空區(qū)頂板交界處,橫穿整個工作面推進后的采空區(qū),抽采工作面推進后的采空區(qū)瓦斯。

1.2 抽采方法的分類匯總

根據(jù)西山煤電集團的地質(zhì)條件和現(xiàn)有的抽采措施,將抽采方法按照瓦斯來源劃分為本煤層、裂隙帶、下鄰近層、采空區(qū)四類,并按此分類方法對各回采工作面資料進行收集整理,結(jié)果見表1。

表1 西山煤電集團部分回采工作面抽采措施及抽采量匯總

2 回采工作面瓦斯治理方案聚類分析

2.1 聚類方法

聚類分析是根據(jù)事物本身的特征,對事物進行分類的多元分析方法,并通過數(shù)學(xué)建模達到簡化數(shù)據(jù)的目的[8]。運用IBM SPSS Statistics軟件內(nèi)置的聚類分析中的系統(tǒng)聚類分析模塊進行分類工作,其流程如圖4所示。借助于SPSS數(shù)據(jù)分析軟件,可以對表1中的所有工作面進行比較,確定不同工作面之間的關(guān)系,從而對工作面進行歸類分級。

2.2 聚類結(jié)果

現(xiàn)有的回采工作面瓦斯抽采方案比較多,為了發(fā)現(xiàn)他們之間的聯(lián)系,同時為其它類似地質(zhì)條件的工作面瓦斯抽采方案的制定提供建議,采用IBM SPSS Statistics 19作為工具,以表1中的瓦斯絕對涌出量、本煤層瓦斯抽采量、裂隙帶(包括高抽巷)瓦斯抽采量、底抽巷(包括下鄰近層順層鉆孔)瓦斯抽采量、采空區(qū)瓦斯抽采量為指標(biāo),對回采工作面進行聚類分析,得到聚類合并的樹狀圖(圖5)。

圖4 系統(tǒng)聚類分析法計算流程圖

圖5 聚類分析得到的樹狀譜系關(guān)系圖

3 聚類結(jié)果在瓦斯等級劃分中的應(yīng)用

根據(jù)圖5,當(dāng)距離系數(shù)D=5時,可以得到4類工作面群組。然后將表1中各工作面絕對瓦斯涌出量與之對照可知:聚類分析后的第一組工作面序號為1～7,絕對瓦斯涌出量(Q表示回采工作面絕對瓦斯涌出量)范圍為1.8 m3/min≤Q≤4.6 m3/min;第二組工作面序號為8～14,絕對瓦斯涌出量范圍為6 m3/min≤Q≤12 m3/min;第三組工作面序號為15～25,絕對瓦斯涌出量范圍為13.7 m3/min≤Q≤28 m3/min;第四組工作面序號為26～30,絕對瓦斯涌出量范圍為30 m3/min≤Q≤48.6 m3/min。

根據(jù)以上分析,以回采工作面瓦斯涌出量、工作面瓦斯抽采方法作為復(fù)合指標(biāo),將回采工作面聚類為4個等級。其中,與四個等級相對應(yīng)的例子分別為圖5中的群集1，2，4，3中包含的工作面。由于回采工作面瓦斯綜合治理樣本較少,各等級臨界處工作面瓦斯涌出量不連續(xù)情況難以避免,故采取就近原則,并以保證安全為目標(biāo),從而得到回采工作面瓦斯綜合治理等級表,見表2。

表2 回采工作面瓦斯綜合治理等級表

4 分類標(biāo)準(zhǔn)治理方法圖示

為了對各等級的回采工作面瓦斯綜合治理方案有更直觀的認(rèn)識,同時提高瓦斯“一面一策”方案的制定效率,本節(jié)針對每一等級均給出了模板性的標(biāo)準(zhǔn)方案以供參考。由于本標(biāo)準(zhǔn)是最基本的統(tǒng)計學(xué)措施,是煤礦安全生產(chǎn)的最低要求,在對新的回采工作面瓦斯抽采方案進行設(shè)計或評價時,各礦可根據(jù)地質(zhì)因素、人員設(shè)備等條件增加抽采措施。

4.1 等級一(Q<5 m3/min)

該等級不屬于規(guī)程中必須進行抽采的范圍[9],一般情況下通風(fēng)就能滿足排放瓦斯的要求,但要注意風(fēng)流和瓦斯?jié)舛鹊淖兓４送?在工作面推進速度較快的工作面,可以采用上隅角埋管抽采方法防止采空區(qū)瓦斯向上隅角積聚。等級一抽采標(biāo)準(zhǔn)方案布置如圖6所示。

圖6 等級一的回采工作面瓦斯綜合抽采標(biāo)準(zhǔn)示例

4.2 等級二(5≤Q<12 m3/min)

西山煤電集團規(guī)定工作面瓦斯?jié)舛炔坏酶哂?.8%,風(fēng)速不超過4 m/s。在瓦斯涌出量較大時,僅靠增加風(fēng)量會導(dǎo)致工作面風(fēng)速超限,通風(fēng)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)要求,需要進行瓦斯抽采。該等級回采工作面常用的措施為通風(fēng)排瓦斯、上隅角埋管、本煤層順層鉆孔抽放,有鄰近層的工作面一般采用上鄰近層老空區(qū)鉆孔或打高低位傾向裂隙帶鉆孔進行瓦斯抽采。等級二抽采標(biāo)準(zhǔn)方案布置見圖7。

圖7 等級二的回采工作面瓦斯綜合抽采標(biāo)準(zhǔn)示例

4.3 等級三(12≤Q<28 m3/min)

該等級采區(qū)除了保障合理的通風(fēng)量外,還需要布置本煤層順層鉆孔、上隅角埋管、高低位裂隙帶鉆孔、回風(fēng)巷斜巷高位鉆場鉆孔等措施,下鄰近層瓦斯涌出量比較大的工作面一般還布置有底抽巷,并在底抽巷中布置下鄰近層順層鉆孔。等級三抽采標(biāo)準(zhǔn)方案布置見圖8。

圖8 等級三的回采工作面瓦斯綜合抽采標(biāo)準(zhǔn)示例

4.4 等級四(Q≥28 m3/min)

該等級工作面瓦斯涌出量大,鄰近層瓦斯向工作面涌出比較嚴(yán)重,除合理的通風(fēng)量外,還需要采用綜合的抽采措施。該等級比較明顯的特點是高抽巷開始作為一種專項治理措施廣泛運用到瓦斯抽采中,其它常用的方法有本煤層順層鉆孔、上隅角埋管、裂隙帶傾斜高低位鉆孔、底抽巷、煤柱鉆孔、上鄰近層老空區(qū)鉆孔等,部分條件許可的礦井還可以采用千米鉆井掩護預(yù)抽瓦斯提高回采速度。等級四抽采標(biāo)準(zhǔn)方案布置見圖9。

圖9 等級四的回采工作面瓦斯綜合抽采標(biāo)準(zhǔn)示例

此外,每個回采工作面初采時期瓦斯管理都比較困難,建議在回風(fēng)巷向切眼方向打初采初放鉆孔控制初采期的瓦斯?jié)舛?。此?還可以采用人為控制放頂間距、布置切眼與回采面成一定夾角等方式減小因頂板垮落步距大而導(dǎo)致的工作面瓦斯大量涌出的影響。

5 主要結(jié)論

1)以西山煤電8個主要礦井30個回采工作面的成熟案例的絕對瓦斯涌出量和每類抽采方法的實際抽采量作為聚類指標(biāo),對回采工作面瓦斯綜合治理方法進行了聚類分析,根據(jù)聚類分析結(jié)果按絕對瓦斯涌出量和抽采方法將回采工作面瓦斯治理劃分為四個等級。根據(jù)分類結(jié)果,在制定瓦斯防治措施和方案時,能夠根據(jù)工作面實際瓦斯涌出量方便地選擇出相應(yīng)的有效的瓦斯治理基本方法。

2)回采工作面瓦斯治理等級劃分:等級一,Q<5 m3/min;等級二,5≤Q<12 m3/min;等級三,12≤Q<28 m3/min;等級四,Q≥28 m3/min。

3)瓦斯治理方法聚類分級不足之處是樣本和部分涌出量區(qū)段的數(shù)據(jù)較少,隨著成功實踐案例增加、樣本增大,分類精度會更高,不同瓦斯涌出等級工作面所應(yīng)采用的基本方法更符合實際。

致謝:在資料收集過程中得到西山煤電集團技術(shù)中心和山西焦煤集團通風(fēng)部相關(guān)人員的大力支持,特表感謝!

[1] 程遠(yuǎn)平,付建華,俞啟香.中國煤礦瓦斯抽采技術(shù)的發(fā)展[J].采礦與安全工程學(xué)報,2009(2):127-139.

[2] 俞啟香,程遠(yuǎn)平.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2012：79-85.

[3] 申寶宏,劉見中,張泓.我國煤礦瓦斯治理的技術(shù)對策[J].煤炭學(xué)報,2007(7):673-679.

[4] 田富軍,兀帥東.義馬煤田綜放工作面瓦斯分級治理技術(shù)[J].煤礦安全,2010(7):36-37.

[5] 郭峰.平頂山礦區(qū)瓦斯防治對策研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保,2014(1):95-98.

[6] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會,國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦瓦斯治理經(jīng)驗五十條[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2005.

[7] Zhang Meihong,Wu Shiyue,Wang Yongwen.Research and application of drainage parameters for gas accumulation zone in overlying strata of goaf area[J].Safety Science,2012 (50):778-782.

[8] 韓金炎.數(shù)學(xué)地質(zhì)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1987：153-178.

[9] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局.煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)[S].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006.

(編輯：張愛絨)

Methane Classification Governance Standard of Xishan Coalface

LI Yankui1,WU Shiyue1,AN Xingwei2,XUE Liping2,WU Qinglin2

(1.SchoolofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.TechnologyCenter,XishanCoalandElectricityGroupComp,Taiyuan030053,China)

For the standardization of the coal face gas management,put xishan coal electricity group mine working face gas extraction scheme as an example for sorting.According to the gas source,extraction methods will be summarized as the coal working face,fissure zone,adjacent layer and goaf.Then put the four types of extraction method and the working face of absolute gas emission quantity as an composite index system,use the method of system clustering,and with the aid of SPSS data processing software,got the result of clustering analysis of the working face gas control is divided into four grades,and put forward the basic methods of different grade working face gas control.The dividing method can improve the efficiency of gas extraction scheme,and to similar geological conditions of coal mine gas control work as a guiding significance.

gas extraction;coal face hierarchical governance;cluster analysis; one face;one scheme

2014-09-22

國家科技支撐計劃資助項目(2007BAK29B01)；橫向項目：瓦斯綜合治理“一面一策”標(biāo)準(zhǔn)化研究

李艷奎(1989-)，男，河南封丘人，博士，主要從事礦井瓦斯防治方面的研究，(E-mail)liyankui0631@163.com

吳世躍，教授，博導(dǎo)，(E-mail)wushiyue2000@aliyun.com

1007-9432(2015)01-0055-05

TD712

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.011