低透气性煤层瓦斯抽采技术研究与应用

云南新吉克矿业有限公司瓦斯治理分源抽放综合治理技术2013年4月主讲：刘须超2云南新吉克矿业有限公司基本情况瓦斯治理---分源抽放综合治理技术展望报告提纲3一、云南新吉克矿业有限公司基本情况4云南新吉克矿业有限公司设计能力45万吨/年；开拓方式为斜井开拓；开采煤层有6层（M9、M11、M15、M16、M21、M29），矿井现在开采M11煤层，根据掘进揭煤情况，M11煤平均厚1.7M，煤层赋存稳定；属于稳定可采煤层；主采煤层为M9煤层，煤层厚3.8米，矿区面积6.58km2。矿井目前保有地质储量7224.8万吨，可采储量2960.85万吨；矿井通风方式为中央并列抽出式通风，主、斜井进风，回风斜井回风；矿井为煤与瓦斯突出矿井。矿井运输大巷、轨道大巷和回风大巷顺岩层布置，M11煤层作为解放层和泄压层首先开采。矿井水文地质条件简单；矿井正常涌水量9m3/h，最大涌水量15m3/h。1、矿区基本情况5新吉克煤矿采取的瓦斯治理技术——分源抽放综合治理瓦斯技术6关键技术（一）分源抽放：我们也曾采用将本煤层、上隅角、高位水平走向钻孔以同一管路、单台小流量抽放泵进行抽放，虽然做了抽放钻场，安装了抽放系统和抽放设备，但抽放效果仍然不佳，经分析认为上隅角需要采用大流量和低负压进行抽放，而高位水平走向钻孔和本煤层需要采用高负压低流量进行抽放。因采用同一系统进行抽放，造成负压不匹配，抽放效果差。7找准瓦斯来源，测定瓦斯涌出规律：瓦斯涌出来源：本煤层、邻近层和采空区。本煤层瓦斯是通过落煤和煤壁涌出；邻近层瓦斯经采动影响后，涌入采场、巷道和采空区。采空区瓦斯涌出来源于遗留在采空区的浮煤和邻近层卸压瓦斯。采空区大量高浓度瓦斯积聚在冒落带和裂隙带之间，在通风负压的作用下，进入采场和回风流中。根据现场多次实测，工作面瓦斯涌出量为26~35m3/min，采空区占总瓦斯涌出量的40~60%。关键技术（一）分源抽放：8根据以上情况，采面瓦斯综合治理在优化通风系统，合理配风的基础上，下决心甩掉抽出式风机，采用分源（高位水平走向钻孔、上隅角、本煤层及采面浅孔）独立系统、强力进行抽放。（一）分源抽放：关键技术9关键技术采动覆岩“三带”规律：煤层开采后，开采煤层的直接顶失去支撑而跨落，形成冒落带。跨落稳定后，在其上部形成采动裂隙带和弯曲下沉带，弯曲下沉带对工作面瓦斯涌出量影响不大，冒落带和裂隙带与工作面采空区瓦斯涌出有着非常密切的关系，大量高浓度瓦斯聚积在冒落带和裂隙带之间。1、高位水平走向钻孔抽放10采动覆岩“三带”示意图ABCabcdⅠⅡⅢ回采工作面上覆岩层采动影响的分区A煤壁支撑影响区(a-b)B离层区(a-b)C重新压实区(c-d)а冒落带裂隙带弯曲下沉带а支撑影响角11关键技术1、高位水平走向钻孔抽放己15煤层冒落带高度：6～8m左右，冒采比为3～4。己15煤层裂隙带高度：上下两个分带，上分带裂隙发育较弱，顶界高度47m，平均41.4m，裂采比20.7。下分带裂隙发育较强，顶界高度27.3m，平均23.5m，裂采比11.75。裂隙带跨落带6~8m47m27m上裂隙带下裂隙带中粒沙岩(夹层)已组煤层12在上下两个裂隙带中间存在一段中粒砂岩，渗透性很弱。最强的裂隙发育位置处于下分带中的16m上下。从抽放角度看，在下裂隙带14～19m范围的抽放效果最好。己15煤层顶板上方20m左右存在一层极坚硬的中粒砂岩，钻孔钻进十分困难，瓦斯抽放的最理想层位在这层坚硬岩层下方裂隙带的一定范围之内，且其中连通裂隙离层空间大，易于积聚大量瓦斯含量较高的气体。关键技术1、高位水平走向钻孔抽放13戊9、10煤层“三带”规律戊9、10煤层：戊9、10煤层冒落带高度大致在10～12m左右，冒采比为3.7左右。戊9、10煤层最强的裂隙发育位置在31m上下，裂采比11.14。裂隙带31m跨落带10~12m戊组煤层1、高位水平走向钻孔抽放关键技术14戊9、10煤层“三带”规律从瓦斯抽放的角度看，在煤层顶板上方28－34ｍ范围内的抽放效果最好，最适宜抽放瓦斯的层位在戊８煤层顶板细砂岩中。关键技术1、高位水平走向钻孔抽放15•在风巷沿走向每隔60m布置一个高位钻场，每个钻场布置6～8个钻孔，开孔孔径φ95mm，孔深60m。•钻孔末端孔制到冒落带顶部和裂隙带下部的范围内。即己15煤层顶板粗粒砂岩裂隙带到距离风巷水平距离5～20m。巷道关键技术1、高位水平走向钻孔抽放16高位钻场设计参数表孔号水平角(度)仰角(度)孔径mm孔深(m)开口与风巷水平距离(m)开口与煤层法线距离(m)钻孔在风巷水平投影(m)终孔与风巷水平距离(m)终孔与煤层法线距离(m)122951206.67.68119.82.49.6202951207.68.26119.97.612.56304951208.68.83119.78.617.334-22951209.69.41119.813.7816.135-249512010.69.99119.614.7720.89171、高位水平走向钻孔抽放抽放泵采用2BEF-42泵，抽放管径φ250mm，形成分源抽放的第一套独立抽放系统。关键技术高位水平走向钻孔抽放示意图机巷采面风巷第一趟抽放系统抽放泵采空区19水平高位抽放钻孔剖面示意图钻孔钻场20高位孔抽放期上隅角瓦斯涌出变化高位钻孔抽放与上隅角瓦斯涌出量关系0123456712.311.11.21.31.41.51.61.71.81.91.11.141.151.16测量日期m3/min高位孔抽放量（m3/min）上隅角瓦斯涌出量（m3/min）21关键技术采动裂隙“0”形圈：随着工作面推进，采动裂隙不断发展，当采出面积达到一定值后，位于采空区中部的采动裂隙趋于压实，而在采空区四周存在一连通的采动裂隙发育区，称其为采动裂隙“0”形圈，其周边宽度为30～40m左右。2、上隅角采空区抽放22上隅角采空区抽放示意图机巷风巷采面CH4CH4O型圈23采动裂隙“0”形圈能长期保持，是卸压瓦斯的储存空间和流动通道。对采动裂隙“0”形圈进行抽放，可以减少高浓度瓦斯向上隅角涌出，切断采空区瓦斯补给来源。关键技术2、上隅角采空区抽放242、上隅角采空区抽放工作面上隅角瓦斯涌出量占总瓦斯涌出量的30～50%，上隅角的瓦斯来源主要是遗留在采空区的浮煤、底板下部的己16、17邻近层、周围煤壁和围岩。上隅角是最容易发生瓦斯事故的地方。对上隅角瓦斯治理将是工作面瓦斯治理的重点。以往上隅角采用局扇抽风机抽放，采用局扇抽风机抽放上隅角瓦斯，有非常大的隐患。一是效果差；二是管理难度大；三是设备移动困难，堵塞巷道，增大采面通风阻力，影响行人、运输和回风；四是不安全。关键技术25上隅角采用远距离负压水环式真空泵抽放，克服了局扇抽风机的不足和缺点。上隅角瓦斯涌出量大，浓度低。对上隅角采用大流量140m3/min、大管径φ500mm、低负压连续可控独立抽放，以减少瓦斯向工作面涌出。抽放管末端是一根4m长φ500mm直径的玻璃钢抽拉套管。抽放泵采用2BEF－42泵，形成分源抽放的第二套独立抽放系统。2、上隅角采空区抽放关键技术上隅角采空区抽放系统图机巷采面风巷第二趟抽放系统抽放泵采空区27上隅角抽放末端管路示意图风巷Φ500mm抽放管抽拉管抽放室28关键技术本煤层抽放是防治瓦斯超限和瓦斯突出的最有效措施，抽放后的煤层瓦斯压力、瓦斯含量和突出的危险性大大地降低。在进行本煤层打钻时，为保证钻孔深度，采用压风机排粉和大功率钻机打钻。在风机两巷沿煤层倾斜方向布置钻孔，钻孔孔径φ75mm，孔距5m，钻孔深度：上行孔70-80m，下行孔50～60m。3、本煤层抽放294、采面密集浅孔卸压抽放由于采掘工作的影响，导致工作面前方应力重新分布，瓦斯压力降低、瓦斯透气性变化以及煤体瓦斯向外排放，由此而形成应力降低带、集中应力带和原始应力带.在塑性极限应力带，煤体开始破坏，发生扩容膨胀现象，大量裂隙形成并相互贯穿，煤体由三向应力状态转为二向应力状态，煤体发生变形，产生裂纹、松动和膨胀.关键技术30在塑性极限应力带内煤层空隙和裂隙率相对于原始煤层增大10%~50%。因此在塑性极限应力带，煤层透气性显著提高，瓦斯排放能力增强，煤层瓦斯透气性由煤壁最大值向煤体深部逐渐减少。4、采面密集浅孔卸压抽放关键技术31•钻孔深度的确定根据现场观测结果，采掘工作面前方卸压带宽度一般为4~5m,塑性极限应力区宽度一般为8~10m,回采工作面动压抽放量最佳范围为工作面前方5~20m,所以采煤工作面浅孔动压抽放的钻孔深度为23m。4、采面密集浅孔卸压抽放关键技术32关键技术当工作面较长或遇到断层和软煤时，受其影响，钻孔控制不到位，使工作面存在抽放空白带。空白带易造成瓦斯超限和突出。为防止由于空白带而引发的瓦斯事故和突出事故。我们采取了采面浅孔卸压抽放。4、采面密集浅孔卸压抽放33沿采面每隔1.5m布置一个φ89mm、10m深密集卸压抽放钻孔，采取可循环利用抽放装置进行抽放.钻孔进气孔封空器软管抽放管机巷风巷采面浅孔抽放示意图关键技术4、采面密集浅孔卸压抽放34采面密集浅孔卸压抽放成功关键是封孔工艺，为保证快速便捷封孔，我们研制了CF-2快速瓦斯封孔器，后经实验又对其进行了改造，又研制了第二代瓦斯抽放快速封孔器。其型号为：STF-1型。4、采面密集浅孔卸压抽放关键技术35CF-2快速瓦斯封孔器的原理及特点为：原理：利用锥形密封原理特点：重量轻、速度快、操作简便使用方法：只需插入钻孔，用力推紧即可，使用极为方便，无须其它复杂操作适用范围：适用于φ89mm4、采面密集浅孔卸压抽放关键技术364、采面密集浅孔卸压抽放关键技术37STF-1型瓦斯封孔器的原理及特点为：原理：利用软囊受压膨胀原理，进行密封，内有多个小气囊，保证封孔的可靠性；特点：重量轻、速度快、操作简便；使用方法：将封空器插入钻孔，推动操作手柄并旋转即可，封孔十分快捷，只需几秒钟即可完成封孔；适用范围：适用于φ89mm–φ105mm4、采面密集浅孔卸压抽放关键技术384、采面密集浅孔卸压抽放关键技术39采面浅孔抽放：一方面可以防止煤与瓦斯突出，另一方面减少落煤时瓦斯涌出量，防止瓦斯超限事故，最后一个孔抽放时间不得低于两个小时。风机两巷及采面浅孔卸压抽放采用2BEF-42型泵，φ250mm管子进行抽放，形成分源抽放的第三套独立抽放系统4、采面密集浅孔卸压抽放关键技术40为保证上述三套系统独立分源抽放，避免因机械、电气等原因发生事故导致停泵，将上述三套抽放系统与地面站相连，闸阀控制形成网络，地面站抽放泵额定流量260m3/min，大巷管路为φ400mm无缝钢管。一旦某个系统检修或发生故障，通过调节阀门，实现连续稳定抽放。4、采面密集浅孔卸压抽放关键技术采面密集浅孔卸压抽放系统图机巷风巷第三趟抽放系统抽放泵采空区采面42分源抽放示意图高位孔抽放管本煤层抽放管浅孔抽放管上隅角抽放管抽放气室采面浅孔高位钻孔高位钻场己１５－１２１００采面本煤层钻孔本煤层抽放管采空区435、抽放“五大”为加大了抽放力度和抽放效果。我们进行大投入、购置大流量抽采泵、大功率钻机、大管径抽采管路、实施大孔径钻孔来防治瓦斯。抽放管径由￠100mm改为￠500mm；抽放钻机TXU75型改为ZDY-1900型，钻机额定打钻能力由75m提高到300m。关键技术44抽放孔径由￠56mm改为￠95mm和￠110mm，抽放泵单机能力由7m3/min改为现在最大的500m3/min。5、抽放“五大”关键技术45推广应用情况1.分源抽放综合治理瓦斯技术的成功应用，为高突高瓦斯矿井在瓦斯治理方面开创了一个新的局面。2.该治理瓦斯技术已在河南省鹤壁局、江苏大屯、华晋高突和高瓦斯矿井得到广泛推广和应用。并取得了显著效果。46新吉克煤矿瓦斯抽放应用情况介绍1、采用高位瓦斯抽放巷提前预抽煤层瓦斯。工作面布置高位瓦斯抽放巷，高位瓦斯抽放巷布置在煤层顶板12米-15米处，内错风巷20米（巷道中线对中线），高位瓦斯抽放巷超前掘进，每隔40米施工