高瓦斯矿井高等普采工作面瓦斯综合治理技术的研究

高瓦斯矿井高档普采工作面瓦斯综合治理技术的研究贵州省织金县三甲煤矿有有限公司许忠寿摘要：本文主要介绍高瓦斯矿井高等普采工作面的瓦斯治理方法，主要采用通风方式和抽放方式进行解决，重点是高等普采工作面瓦斯抽放工艺的应用，对同类型矿井具有借鉴意义。关键词：“U”型通风本煤层抽放高位钻孔抽放采空区埋管抽放一、概况三甲煤矿位于贵州省织金县城东北，直距织金县城10km，地理坐标为东经105º50′14″~105º51′31″，北纬26º43′15″~26º44′03″。矿井呈不规则的多边形，倾向宽约1.1km，走向长约2.0km，面积约2.6655平方km。行政区划隶属织金县三甲乡管辖。307省道从井田南侧经过，由井口至307省道里程约0.5km，从井口至织金县城为13km，到贵阳为141km，距安顺115km。矿区内可采煤层7层，即6、15、16、21、23、27、28号煤层：（1）6#煤层位于P2l上段中部，距P2c约28m左右，煤层一般厚1.8～3.16m，夹研0～3层(夹石岩性为泥岩)，一般不含夹石。煤层顶板为标三下，底板为泥岩。属较稳定的煤层。(2)15号煤层位于龙潭组中段中下部，距6号煤层约82m，煤层一般厚为0.25～2.67m，为簿至中厚可采煤层，含0～1层夹石，一般无夹石，煤层结构简单。煤层顶板一般有l层0.60m的黑色泥岩，其上为泥质粉砂岩，底板一般有0.50m的泥岩，其下为细砂岩。属较稳定的大部可采煤层。(3)16号煤层位于龙潭组中段的中下部，上距15号煤层约10m，全层厚度0.98～2.49m，为薄至中厚可采煤层，含0～2层夹石，一般无夹石，结构较简单。顶板为一深灰色、灰色粉砂岩或细砂岩，底板一般为含粘土质泥岩，其下部为细砂岩或粉砂岩。属较稳定煤层。(4)21号煤层位于龙潭组中段的底部，上距16号煤层约20m，层位稳定。全层厚度1.32～1.7lm，为中厚可采煤层，主要可采煤层之一。含0～l层夹石，一般l层，夹石多为炭质泥岩，部分为黑色泥岩，结构简单。顶板为央菱铁矿薄层的粉砂岩或细砂岩，底板一般有0.2m的泥岩，其下为细砂岩。属较稳定煤层。(5)23号煤层位于龙潭组下段的上部，上距21号煤层约22m，全层厚度0.33～2.45m，为薄至中厚煤层，井田内大部可采，含0～2层夹石，一般l～2层，结构简单。顶板为标七下，底极为泥岩。属较稳定煤层。(6)27号煤层位于龙潭组下段的中部，上距23号煤层约19m，全层厚度1.29～3.05m，为中厚可采煤层，含2～3层夹石，一般2层，每层结构较复杂。顶板为含菱铁质薄层粉砂岩，局部于其下部发育l层0.30m硅质岩(标九)为直接顶板，底板为泥岩，属较稳定煤层。(7)28号煤层位于龙潭组下段的中部，上距27号煤层约9m，全层厚度0.7l～2.28m，为薄至中厚煤层，含0—2层夹石。顶板有1m左右的含钙质泥岩，其上为细砂岩或粉砂岩，底板一般有0.30m泥岩，其下为细砂岩。（8）地质构造本区位于关寨向斜南东翼，区内为一单斜构造。地层产状平缓，走向北东、倾向北西，倾角10度左右。井田内发现断层3条。断层位于井田南部及其边缘，受断层的影响，地层产状有变化。井田构造复杂程度属中等类型。断层情况详见表断层特征表断层名称井田内长度(m)断层产状落差(m)描述走向倾向倾角(º)F22倾向正断层700南北西60约25位于井田南部，出露清楚，向北延伸不远消失F23走向逆断层900北东北西75约25位于井田南部。地表出露不清F13正断层1000北东东北北西7530～位于井田南部100（9）本矿井实现了双回供电，一回路10kv电源引自三道坡变电站，导线型号为LGJ-70，线路长0.5km,另一路10kv电源引自中山变电站,导线型号为LGJ-95,线路长9km；另配有700GF柴油发电机两台,并消灭了中性点接地的变压器或发电机向井下直接供电的现象。（10）矿井采用斜井开拓,其中一条为主皮带斜,采用胶带运输；一条为副斜井,利用绞车提升；另一条为风斜井，为矿井回风所用。矿井采用中央并列式通风，风井口安装有两台FBCDZ№18-2×132kw同等能力的轴流式主要通风机，一台工作、一台备用，其额定风量为2412～5364m3/min，额定风压为888～3354pa。目前主要通风机运行稳定。二、工作面概况1）、工作面位置及井上下关系见下表水平名称/m＋1065水平工作面名称机1501地面标高/m1407-1483井下标高/m1065-1085地面相对位置三甲煤矿井田北东向的构造侵蚀、溶蚀低中山。回采对地面设施的影响无井下位置及与四邻关系机1501新工作面南为21502采空区，西为二盘区的轨道下山、回风下山及运输下山，东为井田边界，北为井田边界走向长度/m414倾斜长/m105平均可采/m1.5面积/㎡43470工业储量/t100415.7可采储量/t95394.92(2)、煤层状况工作面煤层情况见下表煤层厚度/m0.80-1.80煤层结构简单煤层倾角/（°）6-8°开采煤层M15煤煤种三号无烟煤稳定程度较稳定煤层情况描述本工作面为M15煤层，厚度变化较小，最大1.80m，最小0.80m，平均1.50m，煤岩类型以暗亮煤为主。(3)、煤层顶底板状况工作面煤层顶底板情况见下表顶底板名称岩石特征顶板一般有1层0.60m的黑色泥岩,其上为泥质粉砂岩底板一般有0.50m的泥岩,其下为细砂岩或粉砂岩(4)、地质构造情况工作面为一单斜构造，煤层倾角为6-8°。工作面部分段顶板无伪顶。在工作面实施局部防突措施，施工瓦斯抽放钻孔过程中显示，预计对工作面回采无的影响。(5)、瓦斯根据2010年三甲煤矿瓦斯等级鉴定：三甲煤矿，瓦斯绝对涌出量为50.00m3/min,相对涌出量为61.43m3/t;二氧化碳绝对涌出量为5.49m3/min,相对涌出量为6.74m3/t，为高瓦斯矿井；M15煤层：瓦斯含量为12.61~18.28m3/t,平均含量15.62m3/t：瓦斯成份以甲烷气体为主，常温脱气测定的瓦斯无空气基组份甲烷含量64.78~99.54%，平均含量87.76%。根据《煤矿安全规定》《矿井瓦斯等级鉴定规范》(AQ1025—2006)的规定标准要求，省能源局《三甲煤矿煤矿2010年度矿井瓦斯等级鉴定报告的批复》及中国矿业大学开采与安全教育部重点实验室提供的《三甲煤矿+1055m标高以上的M15煤层瓦斯基本参数测定》科学技术报告，三甲煤矿M15煤层样破坏类型为Ⅱ类破坏煤;对相对瓦斯压力0.38Mpa,小于0.74Mpa;坚固性系数为1.386,大于0.5;瓦斯放散初速度为17.853mmHg,大于10;根据《煤与瓦斯突出矿井鉴定规范》(AQ1024-2006)三甲煤矿M15煤层样的初始释放瓦斯膨胀能为21.457mj∕g,小于弱突出的临界值42.98mj∕g,综上鉴定,三甲煤矿M15煤层在鉴定范围(+1055M以上M15煤层)内没有突危险。(6)、地温本井田属正常地温区，井下温度16°左右，无高温热害。(7)、煤尘根据2009年贵州省煤田地质局实验室鉴定，M15煤层无煤尘爆炸危险。(8)、煤层自燃倾向性根据2009年贵州省煤田地质局实验室鉴定，该回采工作面（M15煤层）自然倾向性属Ⅲ级，为不易自燃煤层。机1501高档普采工作面瓦斯综合治理情况根据矿井生产方式、瓦斯地质情况，按照“以风定产、先抽后采、监测监控”的瓦斯治理方针，本着“抽放为主、风排为辅”的瓦斯治理原则，采取“密钻孔、综合抽”实施瓦斯综合治理。1、工作面通风情况1）采面通风方式根据矿井的生产方式，结合矿井瓦斯地质情况，合理选择通风方式，机1501高档普采工作面采用“U”型通风方式。通风系统简单，风路短，管理方便；但上隅角的瓦斯易聚积。2）采面新鲜风流从副斜井和主斜井分别进入，地面→主斜井、副斜井→机1501进风巷→机1501运输顺槽→机1501工作面→机1501回风顺槽→总回风→地面，采煤工作面风量1146m3/min。工作面风排瓦斯浓度为0.5%；瓦斯量为1272191m3/min；机1501运输顺槽及切眼掘进最大绝对瓦斯量为6.82m3/min，机1501回风顺槽掘进最大绝对瓦斯量为10.07m3/min；风排瓦斯量为2093125m33）采煤工作面需要的风量机1501工作面井下人员需求、稀释瓦斯、风速等要求，且使回风流中瓦斯浓度不超过0.8％，工作面风量采用以下两种方法计算，并选取其中的最大值。机1501工作面的实际需要风量，应按稀释和冲淡抽放以后的工作面瓦斯涌出量要求，根据风速以及人数分别进行计算后，采取其中最大值。经分析认为，本矿井地温不高，机1501工作面人数一般不超过50人，因此，影响工作面风量的主要因素是瓦斯涌出量和风速。a、按瓦斯涌出量：Q=120qk式中：Q——工作面需配风量，m3/min；q——经抽放后需风排放瓦斯量，m3/min；k——采煤工作面瓦斯涌出不均衡的备用风量系数，该数值应经过观察实测后取得；按经验值取2.1计算。即：Q=120×3.50m3/min×2.1=882m3/min。设计计算考虑了一定的备用风量，备用风量系数为1.3,则机1501工作面按1146m3/min配风。b、按工作面人员数量计算Q采=4N=200m3/min式中：N—采煤工作面同时出现（交接班时）的最多人数，50人；c、按风速验算最小采高1.50m最小控顶距4.2m时，工作面通风断面S最小断面=6.3m2，高档普采工作面风速V=Q/S=3.03m/s。根据设计选取机1501工作面配风1146m3/min，工作面的风速为1.5m/s,则0.25m/s＜3.03m/s＜4m/s（符合《煤矿安全规程》规定）。所以机1501采煤工作面需要风量为1146m3/min2、抽放系统矿井配备了两套瓦斯抽放系统，瓦斯泵工况点运行参数高低负压瓦斯泵型号抽气量（m3/min）压力（Pa）轴功率（kW）转速（r/min）高负压2BEA-303465563190390低负压2BEC-4049049578180340高负压选用DN250mm钢管作为瓦斯抽放主管，选用DN100mm钢管作为瓦斯抽放支管。低负压选用DN300mm钢管作为瓦斯抽放主管，选用DN300mm钢管或DN200mm钢管作为瓦斯抽放支管在机1501运输顺上帮安装一趟DN100mm钢管高负压抽放管，主要用于本煤层抽放；机1501回风顺槽下帮安装一趟DN100mm钢管高负压抽放管，主要用于本煤层抽放，上帮安装一趟DN300mm钢管低负压抽放管，用于采空区抽放及高位抽放；高负压抽放管每隔12米安装连接每个钻孔的“扫把头”，低负压抽放管每隔12米装一个“三通”连接高位抽放孔及回采到此处时装筛孔管抽上隅角、采空区瓦斯；分别在每趟（高、低）负压抽放管的连接主管处安装检测孔，对瓦斯抽放进行测定，3、抽放钻孔的施工和封孔工艺1）采用ZYG—150型钻机，ø750mm×42钻杆，本煤层钻孔采用ø65mm合金钻头,高位抽放孔采ø130mm合金钻头；2）封孔①本煤层抽放采用ø1寸×2.5米PVC管，每个钻孔5根(10米）；高位抽放采用ø2.5寸×2米的钢管,每个钻孔4根(8米)，分别在每个钻孔所需的封孔管端头0.6米段做成筛孔管；②采用“马离散”和水泥砂浆封孔，本煤层抽放孔封孔深度8米以上，高位抽放孔封孔深度6米以上。3）连管①本煤层抽放在巷道掘进期间开始钻孔抽放，每施工好一个钻孔后及时封孔，待砂浆凝固后，方能用胶管将PVC管与瓦斯抽放“扫把头”连接；高位抽放均在巷道掘进期间施工钻孔及封孔工作，待工作面回采时在每组有效区域内连管抽放瓦斯。②连管时皮管尽量不与电缆同侧；但必须同一侧时，至少要有0.3米的间距，并且皮管吊挂要整齐，接口处不漏气。4、抽放方法1）本煤层顺层钻孔抽放即在机1501运输顺槽向上直线孔布置和回风巷向下直线孔布置，确定每孔间距为3米，每个钻孔深度为50～60米；（附图）2）高位抽放即在机1501回风顺槽顶板每隔12米布置一组，每组3个；仰角350—460，夹角分别是50、150、250，孔深钻进到M14煤层至。（附图）3