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项目负责单位：淮北矿业（集团）公司淮北矿业（集团）朱仙庄煤矿项目负责人：李伟项目副组长：陈家祥黄华山吴建国项目组成员：姚曹节李子明张传来叶礼明张育宝专家组成员：刘华民马嘉荣张树齐1目录一、前言二、矿井概况及瓦斯赋存状况2.1矿井概况2.2瓦斯赋存状况三、Ⅱ103、Ⅱ105采区及Ⅱ1034、Ⅱ1051工作面概况3.1Ⅱ103采区及Ⅱ1034工作面概况3.2Ⅱ105采区及Ⅱ1051工作面概况四、地面采动井抽采理论和矿区抽采实践4.1下保护层开采作用机理4.2井下开采岩层移动特征4.3“O”形圈理论4.4下保护层及被保护层开采范围的确定4.5矿区采动井抽采实践五、Ⅱ1034、Ⅱ1035工作面瓦斯储量和可抽瓦斯量的预测六、Ⅱ103、Ⅱ105地面钻井予抽8煤卸压瓦斯方案6.1地面采动布置原则6.2地面钻井布置方案6.3钻井结构设计七、地面管路设计及设备校核7.1新建抽放泵站7.2新建地面瓦斯抽放管路系统2八、地面钻井抽采工程费用概算九、井上下两种抽采瓦斯方案比较9.1井下抽放方式9.2井上下工程费用比较9.3地面钻井及井下抽采优缺点比较9.4有关抽采参数的考察十、地面钻井抽采工程效益分析10.1产气量预测10.2经济效益10.3矿井安全效益10.4环境效益十一、结论和建议11.1结论11.2建议3淮北矿业集团朱仙庄煤矿地面钻井预抽Ⅱ103、Ⅱ105采区8煤卸压瓦斯防治瓦斯初步设计一、前言朱仙庄煤矿为高瓦斯突出矿井，年产煤炭200吨左右。8煤层属特厚构造煤结构，煤层透气性系数低，λ=8.3×10-4毫达西。8煤开采过程中曾发生煤与瓦斯突出事故及自燃发火事故，始突深度－294m。由于第一水平煤炭储量不多，矿井正向二水平过度，煤和瓦斯突出的危险性也将进一步增大，为解除8煤突出威胁，二水平拟改变开采程序，先采Ⅱ103、Ⅱ105采区10煤下保护层，经采动卸压释放，同时抽采被保护层8煤卸压瓦斯。由地面钻井抽采采动区中组煤卸压瓦斯，已先后在淮北芦岭矿、海孜矿取得成功，共施工了13口井，单井产气最大已达368万m3。实践证明：地面钻井抽采中组煤卸压瓦斯，是解除8煤突出威胁，和减少回采面瓦斯涌出量防治瓦斯的最佳途径之一；同时地面井抽采瓦斯的浓度高，是发电或民用的清洁、高效燃料。因此贯彻“以抽促采，以用促抽”的方针，应做到抽采与利用并重，实现先抽后采，提高瓦斯利用经济效益，保护矿区环境，达到“一举三得”的效果。根据集团公司领导指示，充分利用该矿二水平先采10煤保护层的条件，安排地面钻井抽采8煤卸压瓦斯。为此，特编制朱仙庄矿《地面钻井预抽Ⅱ103、Ⅱ105采区8煤卸压瓦斯，防治瓦斯初步设计》，结合开采进度，分期安排实施。4二、矿井概况及瓦斯赋存状况2.1矿井概况朱仙庄煤矿位于安徽省宿州市东15公里，属于宿东向斜的北半部，往东南以F1断层和Ⅶ-Ⅷ勘探线与芦岭矿分界。走向长9.5公里，宽1.5-4.5公里，井田面积23.5km2。第四系覆盖层厚度247m，地面标高+25.0m，含煤地层为二迭纪石盒子组和山西组，地层倾角西部平缓15-25°，东部45-90°，局部倒转。含煤18-25层，平均可采总厚度13.65-16.08m，其中8、10煤层为主采煤层，煤种为气煤、1/3焦煤，煤岩特征见表2-1及附图2-1。可采煤层特征表2-1煤层名称厚度（m）层间距（m）结构稳定程度顶、底板岩性可采范围最大最小平均顶板底板61.9001.0125-3020-251-570-80简单不稳定泥岩泥岩Ⅰ2、Ⅰ4采区77.4501.50复杂较稳定砂、岩粉砂岩泥岩大部分可采828.075.49.98复杂稳定泥岩粉砂岩泥岩全井田可采92.501.70简单不稳定泥岩泥岩Ⅰ7采区可采104.902.30简单较稳定粉砂岩粉砂岩大部分可采井田位于徐州—宿县弧形构造带南端的宿东向斜北部，受燕山期构造运动的影响，地质构造复杂，井田内东翼地层倾角60-80°受F4逆断层切割，西翼地层倾角12°-25°（图2-2），井田内落差大于30m的断层有19条，其中正断层13条，逆断层6条，按断层走向可分三组，F10以南为N10-20E的斜切断层组，以北为N60-80W的斜切断层组，井田东翼为走向断层组。井田北部煤系上方有砾岩含水层（五含）、岩溶发育，富水性5强，水文地质条件比较复杂，南翼水文地质条件比较简单。矿井年原设计生产能力120万吨，1974年12月建井，1983年4月投产，1988年扩建为180万吨/年，2007年核定220万吨/年，目前年生产能力200万吨。矿井设计以竖井—底板运输大巷—采区石门开拓，两个开采水平。第一水平标高-435m，回风水平标高-275m，一水平设计10个采区，南部向斜西翼有一、三、五、七4个采区，北部向斜西翼有二、四、六、八4个采区，东翼有十、十二两个采区，采区以断层为界，一般长800-1200m，倾斜长520-600m。二水平设计标高-680m，目前开采正向二水平过度。采煤方法，采用走向长壁顶板垮落、放炮落煤，单体液压支柱和铰接顶梁支护、部分采用简易放顶煤开采。矿井有3座回风井（南一、南二、西风井），采用两翼对角混合式通风，其中南一风井已于2002年关闭停运，目前总抽风量为162513/min，工广西部风井已建瓦斯抽放泵站,装备两台纳西姆公司生产的2BE3-420水环式真空泵，配132KW电机，能力120m3/分，南二风井拟建抽放泵站，装备2台2BE1600型水环式真空泵，配备315KW电机，额定流量为300m2/min，其中1台工作、1台备用，服务于三、五、七及南翼二水平采区。井下八七采区装备一套移动抽放系统，能力80m3/分。2007年矿井瓦斯鉴定绝对涌出量38.56m3/分，相对涌出量10.96m3/t，抽放量2006年为529.0万m3。2.2矿井瓦斯赋存状况朱仙庄矿南、北两翼瓦斯赋存状况有明显的差异，由于F106剪切断层斜切宿东向斜北段，造成朱仙庄矿南、北翼煤层互不相连，瓦斯也不构通，彼此成为独立的块段。断层北侧是向斜的仰起端，三面可以沿露头排放瓦斯，加之中生代对煤系切割深，煤盆变浅，煤系之上是透气性好的“五含与四含”，煤系瓦斯经历了长期排放，形成了今天的低瓦斯区。断层南侧，向斜的枢组（褶皱轴）往南加深，地表基岩面又有所提高，煤层枢纽轴到煤层的露头斜距长，煤内拥有瓦斯的绝对量大，煤系上覆的第三系“四含“不发育，透气性低，自第三纪以来煤层处于封闭状态，因此南翼为瓦斯突出危险区，始突深度约在-294m标高附近。朱仙庄主要高瓦斯突出煤层为8煤层，也是该矿主采煤层，由于宿东向斜是西寺坡断层上盘的一个逆冲推覆构造体，相对于宿南向斜，它是外来系统。它的推移距离在20公里以上，地层在推移过程中沿软弱层8煤层的层面滑动，使宿东向斜8煤层遭受搓揉和不同程度的破碎。8煤破坏类型，据有关调查资料，全区内由顶部到底部破坏程度差异较明显，而在走向上差异不明显，并有下列规律：由朱仙庄矿北翼采区到南翼采区，一直再延续到芦岭矿8采区，8煤层顶部是一层1.0-1.3m厚分布稳定的破坏轻微煤层，为完好的块状煤或碎裂煤，除顶分层外，各剖面上煤层均以碎粒煤、鳞片煤为主。各种破坏类型煤分层在走向不连续。这种结构往南到芦岭八采区不明显，芦岭八采区8煤层底部变成块状煤，形成四层结构。7据实测煤的坚固性系数（f），瓦斯放散初速度（△P）和综合指标K值，为评价煤层突出可能性的指标。8煤层顶分层各实测点f值，△P值，K值很接近，说明顶分层这层硬煤特性很一致。除顶分层外，而南北两区的f、△P、K值的平均值也较接近，可以看作南、北差异不大，所有剖面平均f值均小于0.5、K值均不大于15，所有剖面平均△P值小于10。由于综合指标K值等于或大于15，这些煤分层具有突出倾向性，在其它条件配合下，突出会从它些层位发生。详见表2-2-1井田南翼各钻孔煤样f、△P、K值统计表（顶分层除外）2-2-1采区F值△P值K值最小－最大/平均（样品数）最小－最大/平均（样品数）最小－最大/平均（样品数）一采（2个孔）0.26－0.77/0.54－(14)4－10/6(14)5－39/12(14)三采（2个孔）0.3－0.64/0.51(8)6－10/7(8)9－33/16(8)五采（3个孔）0.23－0.67/0.45(13)5－10/7(13)9－35/17(13)井田内仅有瓦斯取样钻孔10个，其中以补9线3号孔瓦斯含量最大，标高－473.44，可燃基甲烷含量15.97m3/t，分析基甲烷含量12.29m3/t，推算压力值3.05Mpa，气体成分甲烷为92.26%,CO2、0.58%、N23.16%为优质煤层气。南翼一、三、五采区内共有5个有效实测瓦斯压力值，三采-435大巷为2.6Mpa，五采人行下为2.1Mpa，中国矿大1994年根据瓦斯压力梯度及8煤瓦斯含量等值线图推算8煤Ⅱ3、Ⅱ5采区不同深度的煤层瓦斯压力及瓦斯含量见表2-2-288煤层Ⅱ3、Ⅱ5采区瓦斯压力和瓦斯含量推算值表2-2-2煤层标高瓦斯压力/Mpa瓦斯含量/m3/t-3601.949.95-3902.2710.79-4102.4911.29-4502.9312.19-4803.2612.80-5303.8113.70-5604.1414.19-5904.4714.65-6204.8015.08-6505.1315.49-6805.4615.88-7105.7916.26-7406.1216.62煤层瓦斯（又称煤层气）为洁净、高效的新能源，必须做到开发与利用并重，为规划开发利用，有关单位曾计算了资源量，预测总资源量31.0亿m3，其中矿井范围内为14.74亿m3，深部16.43亿m3，综合开发、利用瓦斯资源的潜力很大。三、Ⅱ103、Ⅱ105采区及Ⅱ1034、Ⅱ1051工作面概况3.1Ⅱ103采区及Ⅱ1034工作面概况Ⅱ103采位位于朱仙庄矿二水平南翼，采区北以F23断层及南一风井煤柱为界，南以F19-1断层为界，浅部以1031工作面为界，深部以-680等高线为界，采区为单翼开采，走向长650－700m，倾斜长580-600m，采区可采储量220.6万吨，划分成4个阶段，第一阶段为-400大巷煤柱，首采面为Ⅱ1034面，正准备掘进。9上覆8煤为Ⅱ83采区首采面，底板瓦斯抽放巷已开好（约530m）抽放巷距8煤底板30m、岩巷断面9m2、锚喷支护巷道中每30m布置钻窝，向8煤打密集扇形钻孔，抽放8煤卸压瓦斯，8煤-430m，瓦斯含量10.5m3/T。Ⅱ1034工作面为Ⅱ103采区北翼二区段，走向长530m，倾斜140m，倾角23-24°，煤厚2.5m，工作面可采煤量19.3万吨，工作面风巷标高-473m，机巷标高-53771m，预计工作面瓦斯含量12-13m/T，煤层直接顶板岩性为砂质泥岩，老顶为中粒砂岩。工作面计划于2008年7月16日投产，至2009年2月结束。为二水平10煤第一个投产的综采面。3.2Ⅱ105及Ⅱ1051工作面概况Ⅱ105采区位于朱仙庄矿二水平南翼，南以芦岭矿Ⅱ108采区为邻，北以Ⅱ105回风上山与Ⅱ103采区相邻，浅部以-450m等高线，深部-680等高线为界，设计为单翼采区，走向长1250m，划分为6个阶段，详见图3-2。首采面为Ⅱ1051工作面，该面尚未掘进。上覆8煤为Ⅱ85采区、Ⅱ85一阶段底板设计一条瓦斯抽采巷，预计1200m，由底板瓦斯抽采巷向8煤打扇形密集钻孔，抽采8煤卸压瓦斯。8煤可采储量1147.8万吨，该采区10煤可采储量266.4万吨。Ⅱ1051工作面走向长1249m，倾斜180m，煤层倾角12°—15°，煤厚2.21—2.86m，风巷标高-460，工作面可采储量55.3万吨，计划于2009年10月1日投产，2010年7月15日结束，为接替Ⅱ1034的综采面。10四、地面采动区井抽采瓦斯理论和矿区抽采实践4.1下保护层开采作用机理国内外大量实测资料表明：保护层开采后，在突出危险煤层的对应区域，地应力和瓦斯压力太大降低，瓦斯在煤层内部所构成的破坏力减少，消除了突出的危险性，煤层的强度也相对地增加，同时突出煤层向开采层采空区