煤与煤层气共采（精选6篇）
煤与煤层气共采 第1篇
七台河矿区位于黑龙江省东部,地处勃利煤田,煤炭资源赋存条件较差,向斜、背斜构造及断裂构造较多,煤层平均厚度0.86 m,是全国煤层最薄的矿区之一。产品以焦煤、1/3焦煤和动力煤为主,是全国三大稀有保护性开采煤田之一。目前,七台河矿区部分生产矿井的开采深度已达-500~-600 m,且开采深度、瓦斯含量和瓦斯涌出量每年以较高的速度递增,未来10年,煤与瓦斯突出威胁继续增大,深部开采面临巨大的技术挑战;另一方面,瓦斯(煤层气)既是我国煤矿生产过程中的主要灾害源,也是一种洁净能源和优质化工原料,是21世纪的重要接替能源之一。针对七台河区煤层群的煤层薄、透气性差、煤的坚固性系数小、瓦斯含量高、吸附性强、瓦斯涌出初速度衰减快等特点,考虑到矿区煤层群具有分组性,各组内煤层间距小,存在邻近层和采空区瓦斯涌出量大,煤层顺层钻孔施工难度大、抽放效果差,回采工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度容易超限等问题,提出煤与瓦斯共采技术新思路:煤层群进行分组开采,每组选取最佳首采关键层作为保护层进行开采,同时结合沿空留巷穿层钻孔抽采技术,对邻近层卸压瓦斯进行抽采,实现连续抽采卸压瓦斯与回采工作面采煤同步推进,实现高效的工业化煤与瓦斯共采,将抽采的高、低浓度瓦斯分别输送到地面加以利用。
1 煤与瓦斯共采的基础理论
煤与瓦斯共采是针对我国高瓦斯矿区煤系地层多为煤层群的条件和煤层的低透气性特征,将煤与瓦斯作为资源,结合我国煤矿长期治理瓦斯的成功经验,通过固、气2套系统进行煤与瓦斯安全高效共采的矿井瓦斯治理理念与方法,即通过 “首采煤层”的开采,在煤系地层中产生“卸压增透增流”效应图,形成瓦斯“解吸—扩散—渗流”活化流动的条件,并通过合理高效的瓦斯抽采方法和抽采系统,同时实现瓦斯资源的高效抽采。瓦斯资源的抽采可大幅度地减少“卸压煤层”的瓦斯含量,消除其煤与瓦斯突出危险性,减少卸压煤层开采时的瓦斯涌出量,从而实现卸压煤层的安全高效开采[1,2]。
1.1 采空区顶板裂隙发育及瓦斯流动规律
煤层开采将引起岩层移动与破断,并在岩层中形成采动裂隙。按采动裂隙性质可分为2类:离层裂隙;竖向破断裂隙。当采空区顶板充分垮落后,采空区中部岩层和下方的矸石紧密接触,从而使得采空区中部顶板岩层裂隙基本被压实,其四周形成一个环形的采动裂隙发育区,称之为“O”形圈。在“O”形圈上方或者下方受采动影响的煤层瓦斯在含量梯度和压力梯度作用下以扩散和渗流的形式向“O”形圈内运移,使得“O”形圈成为卸压煤层瓦斯聚积和运移的主要通道[3,4,5]。
研究表明,在采空区竖直方向上,形成了一个“∩”形拱采动裂隙区。采空区不同涌出源的瓦斯在浮力作用下沿采动裂隙带裂隙通道上升,上升中不断掺入周围气体,使涌出源瓦斯与环境气体的密度差逐渐减小,直到密度差为0,混合气体则聚积在裂隙带上部的离层裂隙内。涌入采空区的瓦斯,在其含量梯度作用下引起普通扩散,由于空气的重力作用产生方向向下的压强梯度,则其产生的扩散流方向,与压强梯度反向,即瓦斯气体具有向上扩散的趋势。因此,在瓦斯浮力、含量梯度及通风负压的作用下,“∩”形拱采动裂隙区成为瓦斯聚积区,为采动裂隙带内钻孔抽采、巷道排放等治理瓦斯技术提供依据[3,4,5,6]。
1.2 采空区底板裂隙发育及瓦斯流动规律
在沿工作面推进方向,煤层底板岩层将出现压缩、膨胀、再压缩的过程。在煤壁前方附近,煤层底板受支承压力的作用而被压缩,工作面推过后,底板处于膨胀状态,随着工作面的进一步推进,顶板岩层开始在采空区垮落,采空区内垮落矸石对膨胀底板又起着压实作用,并且随顶板垮落或顶板活动的结束施加给底板的压实荷载也越来越大,直至恢复或接近恢复到原岩应力状态。
上保护层开采后,采空区底板一定范围的煤岩层发生底鼓破坏和膨胀变形,结合采场底板岩层的裂隙发育状况,可将底板受到采动影响的煤岩层分为底鼓裂隙带和底鼓变形带,如图1所示。根据现场试验考察及相关资料统计分析[7],底鼓裂隙带下限在底板下方15~25 m,该带内的裂隙主要为煤岩层离层后形成的沿层理的顺层张裂隙和岩层破断后垂直、斜交层理形成的穿层裂隙,穿层裂隙将该带内的煤层与采空区导通,煤层瓦斯可沿穿层裂隙进入保护层采空区,瓦斯涌入采空区的阻力随深度的增加逐渐加大;底鼓变形带下限在底板下方50~60 m,该带内裂隙以沿层理形成的顺层张裂隙为主,处于该带的被保护层发生膨胀变形,吸附瓦斯解吸,大量卸压瓦斯汇集在煤层中的裂隙内,裂隙随层间距加大逐渐减少。沿工作面走向,随着底板煤岩层应力的变化,可分为应力增高区、应力降低区和应力恢复区,如图2所示。沿走向三区的划分,为下被保护层卸压瓦斯抽采最佳时间的确定提供了理论依据。
2 煤与瓦斯共采技术
2.1 煤与瓦斯共采技术体系
由于七台河矿区煤层群具有分组性,各组内煤层间距较小,煤层开采受邻近层瓦斯涌出量影响较大,因此选择煤层群各组煤的中间煤层作为首采煤层,采用沿空留巷上向和下向穿层钻孔抽采首采煤层采空区和邻近煤层瓦斯,形成七台河矿区煤层群煤与瓦斯共采技术体系,实现首采层及其邻近煤层煤炭资源和瓦斯资源的安全高效开采。七台河煤层群煤与瓦斯共采技术体系见图3。
2.2 沿空留巷穿层抽采技术
根据七台河煤层群赋存地质特征、煤层实际开采情况及有效卸压范围计算可知,上保护层有效卸压范围小于50 m,下保护层有效卸压范围小于100 m,因此在进行沿空留巷抽采邻近层卸压瓦斯时应选用中低位钻孔抽采采空区富集瓦斯技术。
在沿空留巷中设置抽采瓦斯管道,各倾向抽采瓦斯钻孔与抽采瓦斯管道连通,采空区上部及环形裂隙圈内的解吸游离瓦斯通过倾向抽采瓦斯钻孔,并通过抽采瓦斯管进入瓦斯抽采系统。倾向抽采瓦斯钻孔布置的参数选取:终孔位置距采煤工作面回风巷的水平距离为10~30 m,距煤层顶板法向距离为采高的8~10倍,并且不小于30 m;倾角小于采动卸压角,缓倾斜煤层钻孔倾角不大于80°,急倾斜煤层钻孔倾角不大于75°;在中近距离保护层开采工作面,由留巷回风巷中施工的抽采瓦斯钻孔直接穿过上保护层,进行被保护层卸压瓦斯抽采。留巷穿层钻孔抽采平面图见图4。
3 应用与效果
3.1 矿井概况
桃山煤矿位于七台河矿区西部生产区的东部,始建于1958年,原设计能力为75 万t/a,1983年经改扩建后设计生产能力为105 万t/a, 2007年核定能力为117万t/a。42035采煤工作面位于三水平钢带机道左侧下部,为桃山煤矿三采区的第5个区段,工作面走向可采区域长度为900 m,倾向长度为150 m,平均煤层采高1.5 m,工作面煤层厚度比较稳定。煤层走向115°~145°,倾向205°~234°,倾角22°~26°,平均24°,采区边界处倾角较大。煤层属比较稳定性煤层,结构复杂,西南倾向单斜构造,产状稳定,煤层变化不大。开采煤层及邻近煤层结构如表1所示。
3.2 抽采参数及效果
采用留巷穿层钻孔抽采技术对42035采煤工作面采空区顶底板裂隙带进行瓦斯抽采,主要参数如下:穿层钻孔的终孔高度为14~20 m,倾角不大于75°,施工时间在采煤工作面采后20 m以后,钻孔直径90 mm,钻孔成组设置,每组3个,钻孔偏向工作面60°~70°,抽采钻孔组间距20~25 m,孔口的封孔长度8 m。
对42035采煤工作面采空区顶底板裂隙带进行瓦斯抽采后,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.8%以下,且钻孔抽采瓦斯体积分数达54%以上,抽采量达48 m3/min以上,解决了工作面上隅角和回风流瓦斯浓度超限问题,实现了煤与瓦斯共采目标。
4 结语
针对七台河矿区特点,为解决煤层顺层钻孔施工难度大、抽放效果差,回采工作面上隅角和回风流中瓦斯浓度容易超限等难题,提出了沿空留巷邻近层瓦斯抽采、顶板高位钻孔瓦斯抽采技术,构建了七台河矿区近距离薄煤层群煤与瓦斯共采技术体系,并在七台河桃山煤矿进行了应用研究,结果表明:桃山煤矿42035采煤工作面沿空留巷穿层钻孔瓦斯抽采技术治理瓦斯的效果明显,上隅角瓦斯体积分数稳定在0.8%以下,且钻孔抽采瓦斯体积分数达54%以上,抽采量达48 m3/min以上,可以实现七台河矿区其他类似矿井的煤与瓦斯安全高效共采。
参考文献
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煤与煤层气共采 第2篇
谢一矿1952年11月投产, 设计年生产能力为30万t。 2005年底, 集团公司对谢一矿和望峰岗矿建项目部进行资源和系统的合并后, 井田技术边界和矿井生产能力发生了巨大变化, 改扩建后的设计生产能力达300万t。谢一矿北与新庄孜煤矿毗邻, 南至隗店断层 (浅部以新谢边界和Ⅵ—Ⅶ为界) , 西以A1煤层露头线为界, 东止于-1 200 m C15煤层等高线, 矿井浅部 (-660 m以上) 走向3.29 km, 深部 (-660 m以下) 走向8.1 km, 全矿井总面积约28.9 km2。谢一矿1979年被定为突出矿井, 可采煤层13层, 其中C15、C13、B11b、B9b、B4b为突出煤层, B7、B8煤层为富瓦斯煤层。煤层瓦斯含量较高, C13、B11及B9煤层瓦斯含量高达15~20 m3/t。实测各主要煤层最大瓦斯压力:C13煤层4.2 MPa, B11煤层3.47 MPa, B9b煤层5.4 MPa, B4b煤层2.1 MPa[1]。
1 工作面概况及瓦斯来源分析
谢一矿5121B10保护层工作面走向长1 120 m (一期走向长650 m) , 倾斜长168~172 m, 平均170 m, 开采面积为19.08万m2, 煤厚1.3~1.7 m, 平均1.5 m, 为单一型煤层结构, 煤层赋存不稳定, 局部块段为无煤区。煤层倾角19°~24°, 平均21°。该面北起-720 m、-780 m中央石门, 南至F13-4断层, 上限标高-714.6 m, 下限标高-783.6 m, -720 mⅣ线石门以北下伏的5121B9b工作面在2005年已经回采完毕, 上覆B11ab煤层未回采。该工作面范围内B10煤层总体呈单斜构造形态, 地质构造复杂, F13-4断层走向SE100°~115°, 倾向NE13°~205°, 倾角39°~69°, 落差2~4 m, 工作面回采期间有一定的影响。根据谢一矿井田煤层群赋存和瓦斯地质条件分析, 采用非突出煤层保护突出煤层 (B10煤层保护B11b、B9b煤层, B6煤层保护B4b煤层) , 弱突煤层保护强突煤层 (C15、C14煤层保护C13煤层) 的开采程序。因B10煤层上距B11b煤层26.88 m, 下距B9b煤层35 m, 因此B10煤层是B11b煤层理想的下保护层, 也是B9b煤层理想的上保护层, 见图1—2。
5121B10工作面于2008年4月下旬开始回采, 初次放顶前, 工作面绝对瓦斯涌出量为37 m3/min。初次放顶后工作面瓦斯涌出量逐渐增大, 正常回采期间工作面绝对瓦斯涌出量为97 m3/min, 最高达115 m3/min, 抽采瓦斯量为90 m3/min, 抽采率92%。根据该矿瓦斯涌出规律及瓦斯涌出资料分析, 其瓦斯来源:一部分为B10煤层的瓦斯涌出, 与B10煤层厚度和工作面的推进速度有关, 占总涌出量的10%~20%;另一部分是邻近层B11b及B9b煤层的卸压瓦
斯, 占工作面瓦斯总涌出量的80%~90%。因此瓦斯治理的关键是治理B11b和B9b煤层的卸压瓦斯。
2 无煤柱煤与瓦斯共采技术
2.1 技术方案的选定
以往的保护层工作面回采期间瓦斯治理措施是:顶、底板穿层钻孔对邻近原始煤层瓦斯进行预抽, 时间1 a以上, 预抽率25%以上;施工高抽巷和低抽巷等专用瓦斯抽采岩石巷道;采空区预埋管及尾抽等综合瓦斯治理措施[2]。由于邻近煤层透气性差、预抽率低, 高抽巷和低抽巷密闭不严、地压大, 造成墙体漏风, 上隅角充填不到位等, 致使抽采率低, 难以抽出高浓度瓦斯, 抽出的瓦斯不能进行利用, 地面排空造成环境污染和资源浪费, 且上下水平要保留阶段煤柱, 对煤炭资源也造成浪费。经过分析并反复试验, 采用“Y”型通风技术, 并在留巷段施工网格立体式穿层钻孔, 其平面布置见图3, 对邻近煤层卸压瓦斯进行拦截抽采, 彻底解决了上述问题, 并推广使用。
2.2 “Y”型通风技术
以往回采工作面采用“U”型通风方式, 但在高瓦斯和突出煤层工作面, “U”型通风不仅容易造成工作面上隅角瓦斯积聚, 而且上风巷负压大, 如果上隅角收作充填不及时, 易造成上隅角瓦斯积聚和回风巷道瓦斯超限, 严重制约工作面生产, 对矿井安全构成较大威胁。 5121B10工作面彻底改变了传统的通风方式, 即采用“Y”型通风方式[3]。利用上风巷、下机巷进风, 采空区留设的巷道回风, 留设的巷道采用充填泵进行沿空留巷巷旁充填墙体技术, 彻底解决了上隅角瓦斯积聚、超限难题, 工作面配风量1 400~2 000 m3/min, 回采期间回风流瓦斯浓度0.4%以下, 提高了安全生产的可靠性, 工作面日推进度6.4 m, 日产原煤3 000 t以上, 创同类工作面日产新纪录, 同时, 在一定程度上解决了深井开采热害问题, 工作面回风侧可以降温3~5 ℃, 改善了职工作业环境。
2.3 机巷和留巷穿层钻孔抽采技术
在B10工作面回采前, 机巷内每隔20 m施工1组钻孔, 每组2个上向钻孔, 抽采B11b煤层瓦斯。通过采空区边缘留设的巷道作为上一阶段的1条回采巷道, 实现无煤柱连续开采, 减少了资源浪费。在留设的巷道向卸压区内施工上向及下向穿层钻孔, 从切眼开始, 沿工作面推进方向, 滞后工作面每10 m施工1组钻孔, 每组施工2个下向孔、3个上向孔, 钻孔方向与工作面夹角45°, 提高钻孔的有效抽采长度, 钻孔穿过B11b、B9b煤层顶底板, 终孔控制在B11b、B9b煤层的塌陷影响范围内, B10工作面回采推过后, 拦截抽采B10煤层顶、底板卸压瓦斯。工作面回采期间, 机、风巷钻孔抽采瓦斯浓度20%~90%, 抽采量38 m3/min, 抽采率达39%。随工作面推进, 实现了煤与瓦斯高效共采, 创新了以留巷替代多条瓦斯治理专用岩石巷道。
2.4 底板巷下向穿层钻孔抽采技术
利用现有的-660 m C13、-720 m C13、-780 m B10底板巷施工下向穿层钻孔拦截抽采B11b、B9b煤层的卸压瓦斯, 钻孔始终保持与上下风巷钻孔终孔10 m间距。由于下向钻孔设计孔较深, 液压钻机施工时排渣较困难, 施工难度大。通过引进新型KQJ-120型潜孔钻机, 采用空气压缩机产生的压风风力排渣施工时, 彻底解决了钻孔排渣难问题, 单台钻机一小班进度最高达207 m。工作面回采期间, 抽采瓦斯浓度在15%~88%, 抽采量44 m3/min, 抽采率达45%。
2.5 采空区埋管抽采技术
随着工作面向前推进, 在工作面充填留巷墙垛内向北每隔20 m埋设1根直径305 mm的瓦斯抽采管 (L=3.5 m) , 其管口位置距离留巷墙垛内墙面大于0.5 m, 管口端设置花管及金属网罩, 高度大于巷道高度的2/3, 位于留巷墙垛中上部, 构成采空区尾抽系统。主要是防止上下邻近煤层的卸压瓦斯大量涌入采空区造成回风瓦斯超限事故。自该面回采开始, 采空区抽采效果一直较好, 抽采瓦斯浓度8%~20%, 抽采量5 m3/min, 最高达13 m3/min。
3 抽采系统的建立
工作面回采期间地面采用3套永久抽采系统进行瓦斯抽采, 分别为2BEI-355、2BEF-6702、2BEF-72型抽采泵, 抽采能力600 m3/min。工作面上风巷接2路瓦斯管, 1路Φ356 mm尾抽系统, 1路Φ305 mm钻孔抽采系统, 采用2BEF-72型瓦斯泵抽采瓦斯。机巷接1路Φ305 mm瓦斯管, 采用2BEF-6702型瓦斯泵进行上向穿层钻孔抽采瓦斯。-660 m C13底板巷接1路Φ254 mm瓦斯管, 采用2BEI-355型瓦斯泵进行下向穿层钻孔抽采瓦斯。-720 m C13、-780 m B10底板巷分别接1路Φ254 mm瓦斯管, 采用2BEF-6702型瓦斯泵进行下向穿层钻孔抽采瓦斯。该面回采期间, 月抽采瓦斯量380万m3, 抽采的瓦斯作为民用和低浓度发电, 既节能又环保, 取得了较好的经济效益。
4 结束语
利用开采关键保护层形成的卸压作用, 可数千倍地提高被卸压煤层的透气性[4], 从而实现煤与瓦斯共采。成功研发低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术, 是煤矿安全高效开采技术的重大突破, 对于解决我国煤矿开采中瓦斯灾害威胁、资源回收率低等诸多难题, 推动实施煤矿瓦斯防治战略“先抽后采、煤气共采”具有重要的现实意义:
1) 彻底改变了传统煤矿采区开拓布局, 采用“Y”型通风方式, 解决了“U”型通风工作面上隅角瓦斯积聚超限难题。
2) 利用采空区留设的巷道和矿井现有的-660, -720, -780 m底板巷, 设计施工顶、底板立体网格式穿层钻孔, 抽采上邻近层B11b和下邻近层B9b煤层的卸压瓦斯, 解决了低透气性煤层群先抽后采问题, 实现了煤与瓦斯共采, 使瓦斯抽采率达90%以上。
3) 采用该技术减少了该面高、低抽巷等瓦斯治理巷道, 大大降低煤矿安全生产成本。
4) 一定程度上解决了深井开采热害问题, 工作面回风侧可以降温3~5 ℃, 改善了煤矿职工作业环境。
5) 实现无煤柱开采, 沿空留设的巷道后期可再利用, 提高了煤炭资源的回采率。
参考文献
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煤与煤层气共采 第3篇
但随着矿井开采深度的不断增加, 矿区煤层瓦斯地质赋存条件日趋复杂:瓦斯含量高、瓦斯压力大、煤层透气性差, 使矿区开采深部煤层的矿井逐渐演变为国内煤矿瓦斯灾害威胁最严重的矿区之一。
平煤六矿是平煤集团的主力生产矿井, 由于矿井主采煤层戊8煤层与戊9-10煤层平均层间只有4.71m, 在戊8煤层开采过程中, 其近距离下覆的戊9-10煤层中的瓦斯大量涌入回采工作面采空区, 给回采工作面安全生产带来极大影响, 严重制约了自动化装备生产能力的有效发挥, 进一步开展高瓦斯超近距离煤层群煤与瓦斯共采工艺研究是实现矿井安全、高效生产的重要基础工作。
1 自动化回采工作面概况
平煤六矿戊8-22140工作面位于矿井二水平戊二下山采区, 埋藏深度接近830m, 采面走向880m, 倾斜长度180m, 可采储量27万吨, 工作面安装一套自动控制的综采装备, 采取自动控制回采工艺, 自动化回采工艺流程为:
1) 采煤机上行割煤, 自动拉架推运输机至机尾。
2) 采煤机反向牵引, 缓慢上行, 滚筒逐渐切入煤壁。
3) 机尾推移后, 采煤机上行割三角煤至机尾, 然后反向牵引, 下行割煤。
4) 自动割煤→自动拉架→自动推移运输机, 循环作业。见下图-1采面设备布置图。
实际揭露的地质情况表明, 随着开采深度的不断增加, 矿井主采煤层戊8煤层与戊9-10煤层的层间距变化较大 (层间距最小不足1.0M) , 戊9-10煤层的瓦斯含量大于戊8煤层的瓦斯含量, 在开采过程中, 邻近层瓦斯对开采层产生很大影响。
在近距离保护层开采过程中, 受采动压力的作用下, 底板岩层逐渐卸压、往采空区方向膨胀而生产离层, 从而产生大量裂隙, 形成“O”形裂隙圈, 煤层中的瓦斯沿此“O”裂隙圈涌入回采工作面采空区。
由于自动化装备生产能力大, 在工作面的快速推进过程中, 邻近层戊9-10煤层的卸压瓦斯大量涌入工作面。在自动化设备首采实验工作面快速推进过程中实测瓦斯绝对涌出量26.94m3/min, 现场实测数据显示, 本煤层瓦斯涌出量仅占总量的10%~20%, 80%~90%的瓦斯来源于邻近层, 如此大量的瓦斯从上隅角涌出, 时常造成上隅角瓦斯聚积、很容易导致瓦斯超限事故的发生。
2 煤与瓦斯共采工艺研究
高瓦斯超近距离自动化回采工作面的布置设计, 应充分考虑瓦斯、水、火、顶板等矿井自然灾害因素的影响, 只有在充分消除这些灾害因素影响的基础上, 才能充分发挥自动化设备的生产能力。
在自动化回采工作面的初步设计过程中, 设计人员认真分析了高瓦斯煤层群回采过程中瓦斯的涌出规律, 首先提出了加强风排瓦斯的思路, 增加工作面机、风巷设计断面;其次在预抽采空区瓦斯工作设计方面进一步优化设计方案、加大瓦斯抽采强度, 大幅度降低自动化工作面回采过程中采空区的瓦斯涌出量。
设计人员还及时深入自动化装备生产厂家详细了解设备性能, 深入井下现场了解工作面煤层赋存的变化情况, 在综合考虑邻近层瓦斯的涌出量受采面的推进迅速、配风量、采空区管理方法、瓦斯抽放工艺等多种影响因素的基础上, 设计组认为要充分发挥自动化工作面的综合产能, 不能只考虑回采装备的产能, 而应在合理配风的基础上综合考虑回采工作面的整体产能, 把瓦斯治理纳入到回采工艺管理过程中, 即进行抽、采工艺的优化设计, 力图最大限度地扩大自动化工作面的整体产能。
3 煤与瓦斯共工艺实践
在自动化回采工作面现场生产过程中, 实行瓦斯抽采、自动化回采专业分工制度, 执行抽、采平行作业的方式。
1) 瓦斯抽采:回采工作面回风巷中布置双趟Φ500mm抽放管路, 一路进行高位钻孔抽放、一路进行上隅角插管抽放;风巷下帮每80m做一钻场, 每个钻场内按一定角度向采空区上方打8个Φ89mm的钻孔, 封孔抽放;瓦斯抽采采大功率、大管径、大流量抽放系统以适应自动化回采工作面产能高、瓦斯涌出量大的实际需要。
2) 自动化回采:工作面正常区段自动化追机作业, 机头 (尾) 组织专业准备组, 人工超前准备、分组轮流作业, 适应机组自动快速回采的要求。
3) 上隅角瓦斯抽采综合布置、集中控制。工作面上 (下) 隅角使用自移式黄泥墙、窗帘式风障、窗帘式导风帘等设施进行上封下堵、综合控制, 减少进入采空区的风量、合理控制采空区瓦斯涌出量;上隅角内设大管径抽拉式插管, 满足工作面过机尾时瓦斯抽采连续进行的要求。见下图-2示。
在具体实践中, 采取了下隅角黄泥墙及挡风帘, 上隅角黄泥墙及挡风帘, 机头 (机尾) 导风帘等三项局部小措施, 前两项立足于堵截, 导风帘主要起引导、控制风流作用。
为便于定量管理, 现场管理部门制定了上隅角瓦斯分级定量管理方法, 以上隅角瓦斯涌出增量为分类依据, 实行三级管理。经过改进, 逐渐形成了规范操作, 效果显著。
下表1为上隅角瓦斯的分级标准:一级属于上下隅角风帘的挂设和黄泥墙设施处于最佳状态, 完全符合上隅角瓦斯管理规定;二级属于设施状况较差的情况;三级属于上隅角措施失效、处于开放状态, 属移架、移锯末墙时出现, 出现时必须加快移架、移墙的速度, 并在限定时间内完成, 这一阶段要加强瓦斯的监测、瓦斯抽采设施的管理工作。
4 结论
1) 高瓦斯超近距离自动化回采工作面煤与瓦斯共采基本原则是:分源治理、综合配套、最佳组合、既要确保安全, 又要实现高产稳产。
2) 自动化工作面超前瓦斯抽采是降低工作面回采过程中瓦斯涌量的有效手段, 为充分发挥自动化装备的生产能力提供了有力保障。
3) 上、下隅角的有效封堵是控制采空区瓦斯涌出的基础手段。现场应用了拉帘式导风帘、整体移动式黄泥墙等设施, 为缩短上、下隅角封堵时间、提高工效, 适应自动化工作面快速生产奠定了基础。
4) 高瓦斯超近距离煤层群上分层开采的安全生产前提是瓦斯的有效治理, 尤其是工作面上、下隅角是采空区瓦斯涌出的主要通道, 也是瓦斯管理的重点, 为定量化管理, 在实践中提出了上隅角瓦斯涌出分级方法, 对于进一步规范上隅角瓦斯检查、瓦斯抽采效果的检查管理提供了可操作的量化标准。
参考文献
[1]袁亮.卸压开采抽采瓦斯理论及煤与瓦斯共采技术体系[J].煤炭学报, 2009, 34 (1) , 1-8.
煤与瓦斯共采领跑煤炭科学开采 第4篇
关键词：煤,瓦斯,共采方法,技术创新
0 引言
2010年11月18日,由中国工程院、国家能源局举办的首届中国能源论坛明确提出:中国将“坚持以煤炭为主体、电力为中心、油气和新能源全面发展的能源战略”,2030年至2050年煤炭需求达35×108t/a,在能源结构中的比例仍占50%。可见,在相当长的时期内,煤炭作为中国主导能源和基础能源的地位无法替代。
然而,中国煤炭开采难度大,-1 000 m以下煤炭资源量占总资源量的53%,全中国95%以上的煤矿为井工开采,瓦斯、水、火、地压、地温等自然灾害严重,特别是瓦斯问题尤为突出,国有重点煤矿70%以上是高瓦斯、煤与瓦斯突出矿井,且大部分为低透气性煤层。长期以来,中国在低透气性煤层中开展的地面煤层气开采一直未能取得突破,国家曾引进美国技术在两淮矿区实施数口地面钻井开采煤层气,试验均告失败。同时,在煤矿井下引进德国、澳大利亚钻机直接在煤层中抽采瓦斯的尝试也没有成功。这些研究至今仍未取得进展,因此,自20世纪80年代以来,随着煤矿开采深度增加,瓦斯灾害升级,此类煤矿瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故频繁发生。
淮南矿区是瓦斯危害最典型的矿区之一,历史上是中国煤矿瓦斯事故重灾区。近10年来,我们针对低透气性煤层瓦斯治理状况,即地面煤层气开采和地下直接抽采瓦斯均走不通的客观事实,从煤矿井下开采源头解决低透气性高瓦斯煤层瓦斯治理难题,依靠井下采场卸压开采来增加煤层透气性,并抽采卸压瓦斯的煤与瓦斯共采理论,解决了低透气性煤层煤矿瓦斯治理这一世界性、历史性的难题,杜绝了瓦斯爆炸事故,解放了矿区生产力。10多年淮南矿区及中国类似条件安全开采瓦斯治理的实践已证明,煤与瓦斯共采是实现煤炭科学开采的必由之路。
1 把“老虎”关进笼子里
淮南矿区资源丰富,探明资源量500×108 t,其中,-1 200 m以浅国家批准的总体资源量285×108 t,煤层气资源近7 000×108m3,是中国东部和南部最大的一块整装煤田,占中国东部煤炭储量的50%,占安徽省煤炭储量的74%。
然而,淮南煤炭赋存条件差,为低透气性煤层群开采条件,渗透率极低,地质条件极为复杂,煤层瓦斯含量高,瓦斯涌出量达1 100m3/min,居中国前列,是中国开采难度最大的煤田之一,瓦斯事故多发。几十年来,被瓦斯这只“猛虎”所束缚,矿区煤炭产量一直徘徊在1 000×104 t左右,丰富的煤炭资源和良好的区位优势难以发挥。
众所周知,低透气性煤层瓦斯治理是世界性难题,传统的治理办法是“拼刺刀”,即直接在低透气性高瓦斯、煤与瓦斯突出煤层进行采取治理措施,进行采掘活动,对瓦斯是“堵”而不是“疏”。这条路子已被证明是行不通的,大量瓦斯仍然存留在煤层之中,治理效果差。要想降伏瓦斯这只“拦路虎”,消除瓦斯威胁,实现安全生产,就必须开辟新的路子。
1996年4月,通过大量试验研究和理论论证,我提出了“卸压开采煤与瓦斯共采”的技术原理。即打破传统自上而下的开采顺序,先开采瓦斯含量相对较低的薄煤层,造成上下岩层移动,膨胀卸压,从而增加煤层透气性,使得相邻煤层的瓦斯被解析为游离瓦斯,再通过预先布置的巷道和钻孔“抽采”到地面。这样,实现了煤与瓦斯共采,煤层得以在低瓦斯状态下安全开采,抽采到地面的瓦斯通过地面永久抽采系统进行综合利用,实现低碳经济。
经过在淮南煤矿的试验,1998年9月,“卸压开采抽采瓦斯煤与瓦斯共采技术”取得了巨大的成功,仅潘一矿1条巷道就抽出了1 000×104m3以上的瓦斯,煤层透气性增加了2 880倍,低透气性煤层卸压增透后,煤层中60%以上瓦斯被抽采出来,瓦斯威胁得到了解除,实现了高瓦斯煤层在低瓦斯状态下的安全开采。
2000年之后,该技术逐步成熟并在淮南矿区全面铺开,形成了井上下立体的卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采和先抽瓦斯后采煤的工程技术体系。瓦斯,这只昔日吞噬多少矿工生命的“老虎”终于被温顺地关进了笼子里。
2“代表了中国煤炭工业发展方向”
“卸压开采煤与瓦斯共采技术”实现了瓦斯“治得住”,但它存在着巷道工程量大、瓦斯治理成本高等弊端。为找到技术经济最佳结合点,2004年我又提出了“无煤柱煤与瓦斯共采”理论,并开展了系统的研究工作。首先在通风方式上进行变革。2004年之前,中国煤矿均采用U型通风方式。它的好处是系统简单,1条进风巷道,1条回风巷道,但是存在着工作面上隅角瓦斯积聚的重大安全隐患。据统计,中国煤矿采煤工作面80%以上瓦斯事故发生在上隅角,且都是因为瓦斯积聚。而当时德国、波兰等世界先进采煤国家在20多年前就淘汰了U型通风方式,采用Y型通风方式。即采煤工作面采用2条进风巷道、1条回风巷道的通风方式,能有效地解决上隅角瓦斯积聚的问题,消除安全隐患。
要实现Y型通风,最关键的就是回采工作面留巷,沿着采空区构筑一道密不透风、铜墙铁壁般的墙体,上能支撑顶板的压力,下能阻断采空区的瓦斯外溢,并利用这条巷道对煤层群开采条件下的上下煤层进行瓦斯抽采和综合治理。
其实,中国老一代采矿界对Y型通风并不陌生。20世纪90年代初,煤炭部为了解决无煤柱开采问题,组织研究了一次沿空留巷工艺,采用1种高水充填材料,但是试验失败。从此,沿空留巷Y型通风在中国再无人问津。
德国煤矿采用重型U型钢支护,壁后充填,实现Y型通风。在德国,开采1t煤,政府补贴80欧元,吨煤成本高达1 600元人民币,而淮南商品煤市场价只达到500多元,显然,如果走德国的技术路线既不经济,更不现实。
好在我们已经从“卸压开采煤与瓦斯共采技术”的自主研发中尝到了创新的甜头,因此,对Y型通风试验有了更大的热情。在淮南矿区要研究成功Y型通风,关键是研制出1种强度高、易于井下长距离泵送的充填材料和机械化护巷工艺系统。
企业是创新的主体,2004年提出课题并立项研究,2005年完成实验室模拟、相关材料、系统设计研究,在过去技术积淀的基础上,经过近4年理论研究和3 000多次试验后,充填材料终于研制成功。2007年2月,膏体材料和远距离复杂条件下的泵送试验一举成功。
2007年7月,“低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术”这项具有中国自主知识产权的煤矿工程技术与理论,在瓦斯绝对涌出量为中国第二位的新庄孜矿正式应用。几个月后,工作面安全顺利回采完毕,回采期间瓦斯抽采率最高达85%,平均为75%,工作面瓦斯威胁彻底消除,实现了安全开采。
2007年底,这项技术在中国高瓦斯、高地温、高地压复杂地质条件的顾桥煤矿1115 (1)综采工作面再次成功应用,实现了“无煤柱煤与瓦斯共采”,最高日产安全煤量18 681 t,月产36×104 t,产能高达486×104 t/a,充填留巷长度达2 900m,是德国的2倍,成本仅为欧洲的1/3,抽采瓦斯气30 946 m3,抽采率达72%,抽出的高浓瓦斯直接利用,实现了绿色开采、节能减排,创造了世界纪录。
这项技术,a)解决了高瓦斯、高地应力、低透气性煤层等复杂地质条件煤矿煤与瓦斯共采技术难题,保证了安全高效开采;b)实现了无煤柱开采,煤炭资源回收率提高了5%～8%;c)简化系统,少掘3条～4条巷道,降低了生产成本和瓦斯治理成本,实现连续开采;d)完善了通风流场,有利于防止煤层的自燃发火;e)“两进一回”通风方式,工作面感觉温度降低3℃～5℃,大大改善了职工井下作业条件;f)经济效益、社会效益和环境效益显著,新区顾桥矿应用这项技术,1个工作面节省费用1×108元,老区矿井节省5 000×104元,并把煤矿井下有害温室气体——瓦斯高效利用,变害为利,变废为宝。
2007年12月,中国煤炭学会组织专家对“低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术”进行了鉴定,由中国工程院钱鸣高、周世宁等院士和专家组成的鉴定委员会一致认为:无煤柱煤与瓦斯共采技术集成、创新了所涉及的理论、技术、材料、装备和工艺系统,形成了整套创新技术体系,达到国际领先水平,很有推广价值。钱鸣高院士评价说,这是中国第一个完整地在1个矿区实现煤与瓦斯共采、将瓦斯变害为宝的重大创新项目,使矿井开采向本质安全型迈进了一大步,取得了显著的经济和社会效益,开创了该类条件下国内外煤层安全高效开采先例。这项技术获中国煤炭工业协会科学技术奖特等奖、国家科技进步奖二等奖。
2008年1月26日,时任国家安全生产监督管理总局局长的李毅中同志在顾桥煤矿1115 (1)工作面考察时,感慨地说,“Y型通风沿空留巷很了不起,解决了煤与瓦斯共采问题,代表了中国煤炭工业发展的方向。”并用粉笔在井下写了“沿空留巷,Y型通风好”9个字,以表达自己对应用煤矿新技术的喜悦之情。
3 杜宾斯基的3个“没想到”
淮南矿区创新的以煤与瓦斯共采关键技术为核心的瓦斯综合治理技术不仅得到了国内的充分肯定,也受到了国际采矿界的关注和认可。自2007年以来,淮南矿业集团每年承办1次煤矿瓦斯治理技术国际会议,来自世界10多个产煤大国的煤矿瓦斯防治顶尖级专家以及科研机构的学者共同研讨煤矿瓦斯治理技术。
2008年10月,世界采矿大会国际组委会主席杜宾斯基先生应邀参加了当年度的中国(淮南)煤矿瓦斯治理技术国际会议。会议期间,他认真听取了有关“煤与瓦斯共采关键技术”的介绍,并深入顾桥煤矿700 m深的井下实地考察后,激动地评价说:“我多次到中国,这次给了我很大的冲击。我没想到中国的瓦斯治理效果这样好,没想到淮南煤矿的瓦斯治理技术这样先进,没想到已经超过了我的祖国波兰,也超过了德国和欧洲。中国无疑是采煤大国,也是技术强国,袁亮在煤炭开采的技术理论研究上大胆创新,领跑了世界煤炭开采技术!”
德国煤矿技术研究院首席科学家维利·卡莫是世界顶级的围岩控制和地压治理专家,曾多次劝说淮南引进德国的“煤与瓦斯共采技术”,并断言在顾桥煤矿这样的地质情况下,不走德国路线是行不通的。2008年5月,他第三次来到淮南顾桥煤矿,当得知中国人自主创新的“煤与瓦斯共采技术”在顾桥煤矿成功应用,并且工作效率和经济性远远超过德国后,不禁翘起了大拇指。
4 技术创新为企业插上翅膀
煤与瓦斯共采技术创新带动了企业理念、管理的全面创新,同时,借助国家和安徽省重大科技支撑项目和政策支持,淮南煤矿基本找到了瓦斯治理的方法与途径,淮南矿区连续13年杜绝了瓦斯爆炸事故,100×104 t死亡率降至0.1左右,比历史平均100×104 t死亡率下降30倍以上,淮南煤矿实现了科学发展、绿色发展,发生了脱胎换骨的变化。
这些年,淮南煤矿建设和改造升级了顾桥、张集、谢桥3个1 000×104 t级的特大型矿井以及一批井型在400×104 t以上的现代化煤矿,并用先进技术改造了一批老矿井,生产能力得到了充分发挥。原煤产量过去50多年一直徘徊在1 000×104 t,通过8年多的努力,提升到6 000×104 t以上,2009年达到6 7 1 5×104 t。2010年在中国500强企业排名中列第183位。瓦斯抽采量由1997年的1 000×104 m3增加到3.5×108 m3,抽采率由5%提高到65%。抽出的瓦斯作为洁净能源直接利用,建成了世界第一座低浓度瓦斯发电站,共建成瓦斯发电站8座,装机容量24 232 kW,实施了亚太地区首例热电冷联供项目,同时,实施瓦斯民用工程,能满足10×104户居民需求。
淮南煤矿被国家列为13个1×108 t级煤炭基地和6个大型煤电基地之一,国家发改委于2008年12月在顾桥煤矿举行了两淮1×108 t级煤电基地竣工投产仪式,也是中国第一个建成的大型煤电基地。企业被授予“国家第四批创新型试点企业”“中华环境友好型企业”和“国家首批循环经济试点企业”。
近10年来,淮南煤矿在瓦斯综合治理与利用方面由经验治理上升到科学治理,形成了瓦斯治理20种理念、50项技术和50条经验。获得国家授权有效发明专利11项,实用新型专利29项。主持(或参与)制定国际标准1项、国家标准2项、行业标准13项,获国家科技进步奖6项,获省部级科技进步奖55项。
国家批准在淮南矿业集团组建煤矿瓦斯治理国家工程研究中心、深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室、煤矿生态环境保护国家工程实验室,顾桥矿为国家“高瓦斯、高地压、高地温示范矿井”、谢一矿为国家“深井开采试验矿井”。
目前,淮南煤矿已成为安徽省、华东地区乃至黄河以南最大的煤电基地。现在,平均每天有2 000多节满载“淮南煤”的火车皮从这里驶向浙江、江苏、江西、福建、上海等华东省市,发挥了能源对区域经济社会发展的重要作用。
瓦斯治理技术实现重大突破后,淮南煤矿主业的实力逐步增强。目前,电力权益总规模达1 192×104 kW,成为安徽省最大的电力企业。淮南矿业集团在行业内首创煤电一体化,与合作方均股建成了田集电厂、凤台电厂,把一部分煤炭资源就地转化为电力,直送上海、浙江两地。
世博会期间,淮南矿业集团累计向世博输送电量79.73×108 kW·h,上海每天所用的7 kW·h电中就有1 kW·h是“淮南电”。2010年11月,淮南矿业集团收到来自上海市人民政府的一封感谢信,来信真诚地说:“贵集团为保障上海能源供应、城市正常运行特别是上海世博会的成功举办作出了很大的贡献。”
5“淮南经验”惠及全行业
2003年,吴邦国委员长视察淮南煤矿,对矿区在瓦斯治理上取得的成功经验给予了充分肯定。
中国70%以上煤矿的开采条件和淮南矿区基本相似,淮南的瓦斯问题具有典型性和代表性。国家发改委有关领导指出,淮南瓦斯问题解决了,对中国高瓦斯煤矿的瓦斯治理能够起到很好的示范作用。
2004年至2005年,中国煤矿共发生了6起死亡100人以上的瓦斯事故。党中央、国务院对此高度重视。为了有效控制煤矿瓦斯事故,温家宝总理在听取有关专家关于淮南矿区瓦斯治理情况的汇报后,决定在中国推广淮南瓦斯治理经验。
2005年3月,由时任国务院副总理的黄菊同志主持,在淮南召开了中国煤矿瓦斯防治工作现场会,推广了淮南矿业集团瓦斯治理20种理念、50项技术和50条经验。企业受国家发改委委托,编写了《中国煤矿瓦斯治理与利用总体方案》。
5 个月后,温家宝总理视察安徽,在听取淮南矿业集团汇报后说,淮南煤矿这几年在瓦斯治理和安全生产上是中国学习的1个榜样。
2005年12月,按照国务院第八十一次常务会议的精神,国家发改委批准,由淮南矿业集团联合中国矿业大学组建煤矿瓦斯治理国家工程研究中心,在淮南落户。这个中心是中国第一个煤矿瓦斯治理领域的国家级研究中心,也是中国第一个设在企业的国家工程研究中心。国家要求,这个中心要以企业为产业化基地,加快煤矿瓦斯治理与利用技术研发,辐射全行业,为行业提供技术培训和技术服务。
2006年以来,受国家发改委委托,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心共举办了全行业瓦斯治理技术和管理培训班30多期,培训6 000多人次,其中,包括45户中国煤矿安全重点监控企业的董事长、总经理、总工程师及所属矿井的矿长、总工程师等500多名企业高管。
同时,根据国家发改委和国家煤监局授权,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心以技术咨询服务为主要发展方向,面向全行业开展技术服务。
华晋焦煤公司沙曲矿是中国单井口瓦斯涌出量最大的煤矿之一,瓦斯涌出量高达479 m3/min。2006年至2008年该矿的瓦斯超限次数分别为3 635次、2 605次、1 648次。由于瓦斯的威胁,设计产量为300×104 t的矿井,实际产量却只能达到120×104t。接受淮南瓦斯治理技术服务以后,2009年瓦斯超限次数下降到93次,同比下降90%以上,控制了瓦斯超限事故,实现了安全生产。2010年沙曲矿被山西焦煤集团公司授予“瓦斯治理先进矿”称号。
而在整个山西焦煤集团,煤矿瓦斯治理国家工程研究中心对该集团12对高瓦斯矿井及煤与瓦斯突出矿井和汾西矿业6对低瓦斯矿井进行安全技术会诊后,从根本上改变了山西焦煤集团瓦斯治理观念。
皖北煤电公司的卧龙湖煤矿是在淮南矿业集团以外第一家成功实施“煤与瓦斯共采技术”的煤矿,该技术已成为皖北煤电公司保护层开采的主要模式。
松藻煤矿是与淮南矿区瓦斯地质条件复杂程度相似的煤矿,在应用无煤柱煤与瓦斯共采技术后,生产效率提高了4倍,瓦斯从没超限过,瓦斯从根本上得到了治理。
近几年,国家发改委、煤矿瓦斯防治部际协调领导小组、国家煤矿安全生产监察局办公室先后下文,向中国推广低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术。
截至目前,以“煤与瓦斯共采技术”为代表的淮南瓦斯治理技术创新成果在中国类似条件的40多个矿区100多个矿井推广应用,占中国高瓦斯突出矿井60%以上。2006年以来,中国煤矿瓦斯事故死亡人数减少1/2以上,其中,重要的原因就是从2005年开始推广淮南瓦斯治理的技术与经验。
2010年11月份,中澳煤矿安全技术国际研讨会在澳大利亚港口城市纽卡斯尔举行,我应邀参会并作主题报告,系统介绍了中国淮南等高瓦斯矿区在低透气性煤层群瓦斯治理方面所取得的成绩。会后,澳大利亚采矿界同仁对“无煤柱煤与瓦斯共采技术”给予了高度评价,并发来信件,希望有机会实地考察淮南矿区煤与瓦斯共采技术,也有意将其引进到澳大利亚的高瓦斯煤矿区。
6 科学开采面临的问题与思考
中国煤矿95%以上是井工开采,平均开采深度近500m,且以20 m/a～30 m/a的速度增加,将有一批矿井陆续进入深部开采。在中国煤炭资源储量中,近50%埋深在-1 000 m以上。据最新一轮的中国煤田预测结果,中国-2 000 m以浅的煤炭资源总量为5.57×1012 t,其中,埋深在-1 000 m以下的为2.95×1012 t,占煤炭资源总量的53%。随着开采深度的增加,开采所遇到的难度并不是线性增加,而是几何级增加,超过浅部开采的几倍,甚至数十倍、上百倍,高瓦斯、高地温、高地压、高承压水“四高”等急难技术问题日益突出,成为世界性难题。瓦斯压力、含量快速升级,煤与瓦斯突出灾害日趋严重,瓦斯治理的难度越来越大;在高承压水作用下,突水危险趋于严重;随着开采深度的增加,热害威胁增加;深部地应力大,冲击地压现象急剧增加,破坏性很大;矿井生产规模逐步扩大,开采强度增大,生产系统日趋复杂,危险性不断增大,一旦发生事故,其灾难性、破坏性更大,且增大了事故应急救援的难度。
应清醒地看到,中国煤炭行业还存在着一系列管理上的严重问题。a)部分煤矿企业对瓦斯、水、火等井下灾害认识不够,管理标准低,在安全没有保证的情况下盲目组织生产,为煤矿安全埋下重大隐患;b)技术落后、基础薄弱。煤矿深部开采理论研究不够,实时动态的灾害预防技术缺乏,煤矿开采设计、安全技术标准低,高瓦斯复杂地质条件矿区采场内构造场、应力场、裂隙场和瓦斯场不清楚,基础研究严重不足,已经在很多大事故中反映出来;c)安全投入存在历史欠账。由于过去煤矿企业经济困难,安全投入不够,装备得不到及时更新,许多矿区仍然使用落后的装备,达不到深部开采的安全标准;d)煤炭行业办矿门槛低,煤矿员工队伍整体素质与高危行业的灾害威胁和严格的作业要求差距较大,相当一批企业人才匮乏,煤炭行业高等教育距离培养高素质人才的要求有较大差距。
今后,相当长的时期内,煤炭作为中国主导和基础能源的地位不会改变,煤矿实现科学产能是保障煤炭能源安全和煤炭工业全面协调可持续发展的关键所在。
建议国家和地方政府加大煤炭行业的科技攻关力度,开展煤矿瓦斯治理、水害防治、地压治理、深井开采、生态环保等重大技术难题的攻关研究。尤其是煤与瓦斯共采技术与理论要在中国煤矿进一步推广,需要对不同矿区、不同煤层地质条件等技术问题进行深入研究,使煤与瓦斯共采技术能够适用于中国各类条件的煤矿。
工作面煤与瓦斯共采技术实践 第5篇
1 方案设计及实施
1.1 采空区插管抽采
采空区插管抽采即对上隅角的采空区瓦斯聚积区进行插管抽放。工作面回采时, 煤壁涌出的瓦斯一部分被风流带到回风巷中排出, 另一部分升浮、扩散到采空区内, 汇同采空区内的浮煤中的瓦斯共同形成采空区瓦斯。工作面瓦斯不仅有来源于工作面煤壁、破煤及运煤过程中的瓦斯释放, 而且采空区内未能采出的顶煤也释放大量的瓦斯, 这部分瓦斯约占工作面瓦斯涌出总量的40%。
由于采空区中部采动裂隙基本被压实, 而四周采动裂隙还明显存在, 从而在采空区形成一连通的裂隙发育区, 称之为采动裂隙“Ο”形圈。由于采动裂隙“Ο”形圈的存在, 为采空区瓦斯流动和储存提供了空间和通道, 是采空区瓦斯聚积的地方, 因而瓦斯抽放工作应充分利用采动裂隙“Ο”形圈的特征。
针对工作面的具体情况, 将Ø219 mm抽放管路末端的4条支管插入上隅角采空区, 对采空区瓦斯进行抽采, 管路布置如图1所示。
1.2 钻场覆岩裂隙带抽采
根据采空区节理裂隙场的分布和瓦斯在覆岩采动裂隙带内的运移规律, 实施了钻场覆岩裂隙带抽采。根据矿压理论, 工作面回采时其上覆岩层采动裂隙划分为竖“三带”和横“三区”。即在采空区沿垂直方向由下往上分为垮落带、裂隙带、弯曲下沉带;沿工作面推进方向又分为煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区。因此卸压抽放钻孔在层位上应布置在该区域上覆岩层的裂隙区下部及规则垮落带上部, 而不是采动稳定后稳定的裂隙带下部。若在该位置不存在较坚硬的覆岩关键层时, 垮落将继续向上发展, 则需合理布置钻孔孔位, 钻孔应布置在裂隙带与规则垮落带交接处区域, 该工作面的终孔位置如图2所示。
1.3 工作面前方卸压带抽采
针对采动后支承压力对开采煤层渗透系数的影响, 当低渗透高瓦斯煤层卸压、围岩松动后, 瓦斯会瞬间解吸, 涌出量急剧增加, 实施工作面前方卸压带浅孔抽放。工作面支架顶梁上部的卸压煤体裂隙是瓦斯涌出的主要通道, 刚好处于“回”字环形区, 所以可获得最佳的充分卸压瓦斯流, 不仅抽采期长, 而且卸压瓦斯来源充足, 既有环形区的卸压瓦斯源, 又有中间核心区向环形区补给的卸压瓦斯。曾利用吸管式瓦检仪对顶板裂缝空洞检测, 瓦斯浓度在70%, 局部甚至高达82%。工作面前方卸压带抽采在回风巷内靠近最上部支架顶梁外侧沿走向密集布置斜向工作面下方的钻孔, 对瓦斯进行集中抽排。
在支架顶梁外边缘位置外错1 m, 沿走向方向打1排密集斜眼, 深6 m, 倾角60°, 基本能跨过2个支架 (约3 m) 的宽度;将带有2 m长钢管接头的铠装软管插入钻孔, 所有的钻孔都由铠装软管与Ø219 mm主抽放管路连接, 从而在支架尾梁上部的煤体裂隙中形成一个较高的负压区, 将此处涌出或积聚的瓦斯通过抽放管路采出。此种布置具有多重效用:当钻孔处于支架顶梁上方时, 可以对顶梁上方的裂隙煤体实施边采边抽。随着工作面推进, 当钻孔移动到支架尾梁侧时, 则主要以抽放采空区瓦斯为主, 如图3所示。该负压屏障一方面可以围堵采空区瓦斯, 另一方面可以在支架外边缘形成高负压区, 对瓦斯集中抽排, 也就是所谓“先堵后抽”。
2 效果检验
实践结果表明, 该矿在实施煤与瓦斯共采技术后, 瓦斯的抽采量大大增加, 保持在10 000 m3/d。实施卸压抽放前后, 工作面相对瓦斯涌出量变化比较明显。实施卸压抽放前, 瓦斯相对涌出量变化比较大, 高且不均衡, 在14%～22%之间波动, 这主要是瓦斯受工作面开采工序的影响涌出不均所致。实施卸压抽放后, 瓦斯相对涌出量明显降低, 且趋于均衡, 在8%～12%之间波动, 说明卸压抽放起到了明显的治理效果。
图4为钻场瓦斯抽放量随时间的变化曲线。在起初的一段时间里, 钻场瓦斯抽放率有先降后增的趋势, 这主要是因为开始抽放的是钻孔影响半径内的煤层瓦斯, 由于煤层透气性比较低, 瓦斯抽放流量很快衰减。随着工作面的推进, 钻场前方的煤层卸压, 透气性提高, 且钻孔终孔位置与工作面上方覆岩裂隙场贯通, 获得了持续的源源不断的瓦斯流。通过采取瓦斯综合抽采措施, 保证了工作面三班安全正常生产, 煤炭产量由治理前的960～2 120 t/d提高到2 840～3 160 t/d, 达到了稳产高效的要求, 既保证了工作面安全生产, 消除了瓦斯隐患, 又抽取了瓦斯, 取得了双重效果。实施煤与瓦斯共采前后工作面有关指标对比见表1。
3 结语
(1) 工作面在开采高瓦斯特厚煤层的同时, 利用岩层运动特点将瓦斯开采出来并加以利用, 实现了经济效益、安全效益和环境效益的统一。
(2) 合理利用采动矿山压力引起的岩层活动规律, 有效地进行井下瓦斯抽放是煤与瓦斯共采新的研究方向。
摘要：山西某综放工作面瓦斯治理难度大, 针对该工作面进行了煤与瓦斯共采实践。在采煤过程中, 工作面布置了325 mm和219 mm两条抽放管路, 该矿充分利用覆岩移动对瓦斯的卸压作用, 并根据岩层移动规律来优化了抽放方案、提高了抽出率, 成功地实现了煤与瓦斯共采。采取的抽采工艺有顶煤高位钻孔抽采瓦斯、采空区上隅角插管抽采放和钻场覆岩裂隙带抽采。
关键词：工作面,煤与瓦斯共采,瓦斯抽放
参考文献
[1]谢文兵, 陈晓祥, 郑百生.采矿工程问题数值模拟研究与分析[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2003.
[2]王魁军, 许昭泽.交叉钻孔预抽本煤层瓦斯[J].煤炭科学技术, 1995, 23 (11) :1-5.
煤与煤层气共采 第6篇
关键词：煤矿,绿色开采,煤与瓦斯,共采集术
1 煤矿绿色开采
以煤矿中土地、地下水、瓦斯以及矸石的分布情况作为具体的研究对象, 必须要坚持绿色生产, 绿色开采的原则。这主要涉及:第一, 以保护水资源为前提形成“保水开采”模式;第二, 土地与建筑物保护, 形成离层注浆、充填与条带开采模式;第三, 以瓦斯抽采作为基本方法形成“煤与瓦斯共采”模式;第四, 煤层巷道支护措施以及降低矸石排放量措施;第五, 地下气化措施。以上内容共同形成了绿色开采模式的结构, 如下所示。
2 煤与瓦斯共采
2.1 煤与瓦斯共采的“O”形圈原理
在实际的采煤作业中, 主要有两种煤层瓦斯抽采法:第一种叫做“采前预抽”, 第二种叫做“采后的卸压抽放”。通过相关实验我们可以看到, 在国内, 广泛存在的一个问题就是煤层容易变质, 有渗透程度小、压力和含气饱和度低等特征, 超过70.1%的煤层总的渗透力仍然没有超过1.1×10-3μm2。
通过相关研究我们可以得到的结论是, 在采煤作业中如果煤层分布区容易出现移动即表示该区的煤层渗透力比较大。需要注意的是不管煤层的渗透率如何低也会因为某些特殊的原因发生变化而变成渗透率比较高的地区, 也就是岩层移动比较活跃快速的地区。在这些地区作业除了能够有瓦斯运移和抽放更加便捷的好处外, 也增加了开采作业的危险性。根据实际的采煤作业经验我们可以将煤层分布区域的岩层裂缝分成以下两类:第一, 沿层离层缝隙, 这种缝隙主要的扩展区域就在上覆岩层上面, 时间一长就会引起煤层膨胀卸压;第二种是穿层竖向破断缝隙, 这种缝隙在上覆邻近层卸压瓦斯流向开采作业面及其采空区的通道中发生扩展, 不过它的扩展在高度上会受到一定的限制, 同时又要受到煤层开采的高度与覆岩特性的影响。
2.2 卸压瓦斯抽放的不足
煤层卸压瓦斯的流动主要通过两个环节来完成。
步骤一:通过扩散来实现, 瓦斯通过完整的没有任何裂缝的煤层流向周围的煤层中去。
步骤二:瓦斯通过渗流的模式, 通过缝隙传递到抽放钻孔的位置上, 采动缝隙成为瓦斯流动的途径。把抽放钻孔安排在缝隙生成且可以长久保存的范围内, 有利于将卸压瓦斯排放到抽放钻井里面。该种类型的钻孔应打到采动裂隙“O”形圈内, 通过这种方式来保证抽放的区域、效率以及时间满足要求。为了做到这一点, 抽放孔的终孔点或抽放巷位置距回风巷水平距离为s, 具体参考以下公式:
在这个公式里面:S表示的是抽放孔的终孔点或抽放巷与回风巷之间在水平面上的距离的大小;H表示的是抽放孔的终孔点或抽放巷和储煤层之间的垂直高度;B表示的是钻孔 (巷) 距“O”形圈有多远;Α表示的是煤层的倾斜度;θ表示的是缝隙边界与采煤作业边界之间的连线与储煤岩层之间的角度。
2.3 煤与瓦斯共采技术
(1) 开采保护层技术。对如何顺利展开远距离煤层上向卸压、开采的作业, 以及近距离煤层下向多重卸压和开采急倾斜煤层平行卸压等相关措施与手段进行研究分析, 以作业穿层钻孔抽采卸压煤层作为渠道, 将煤层可能会出现的一系列问题进行排查与综合考虑, 防止煤层中的瓦斯总含量超过既定要求。
(2) 顶板走向钻孔抽放技术。在实际的作业中, 我们可以采取抽放方式将上邻近层瓦斯涌向作业层的途径隔断, 另外也能拉动采空区下部的瓦斯, 防止该区域内的瓦斯流入作业层面。这种活动的主要原理就是防止采空区域上的汇入点的增加。
(3) 创新开采方法。不断地调整开采范围的分布情况扩大开采区域, 不断增加作业区域的长度, 这样做能够减少矿井的数量, 降低开采风险。在煤层的倾斜度小于12.1°的情况下, 可以在作业的过程中使用倾斜条, 作业措施应该为综合开采。
3 煤与瓦斯共采的效果
现阶段, 国内采煤企业的瓦斯管理能力、装备能力以及管理能力都有了一定的进步, 煤与瓦斯开采措施得到了不断完善, 作业质量也获得了一定的提高。相关数据显示, 国内煤矿瓦斯抽采的总量有了新的突破, 煤与瓦斯共采技术的进一步发展, 提高了煤矿开采作业的安全性, 使得矿难死亡人数不断下降。
4 展望
综上所述, 煤矿行业必须要和学校、科研机构共同努力, 有效结合, 在保护生态环境的基础上, 不断地提高技术水平与整体实力, 改变生产工艺转变生产模式, 以实现经济效益的最大化。
参考文献