開元煤礦1.5Mta新井設計含5張CAD圖-采礦工程.zip
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煤礦瓦斯區(qū)域治理技術研究
摘要:礦井瓦斯是生產礦井中嚴重自然災害的重要根源之一。井巷及采場瓦斯的超限存在可導致人員窒息、遇火爆炸等礦井重大安全事故。多年以來,為了徹底治理好礦井瓦斯隱患,國內外廣大煤炭科技人員已經進行了長期的艱苦努力和技術探索。特別是近20多年來,隨著礦井安全技術工作向縱深方向的逐步發(fā)展,攻克了一個又一個的瓦斯治理技術難題。
關鍵詞:瓦斯區(qū)域治理;煤與瓦斯共采;瓦斯抽放;鉆爆抽一體化
1 緒論
1.1引言
我國是世界第一產煤大國,煤炭產量占世界的37%,煤炭作為我國的主要能源,分別占一次能源生產和消費總量的76%和69%。國家《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要(2004—2020午)》中已經確定,中國將“堅持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展的能源戰(zhàn)略”。顯然,在相當長的時期內,煤炭作為我國的主導能源不可替代。
我國的煤礦瓦斯與煤塵爆炸事故、煤與瓦斯突出事故頻繁發(fā)生,傷亡人數多,嚴重影響著煤礦的安全生產。目前,全國共有高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井約9000多處,占生產礦井總數的30%左右。建國50多年來,我國一次傷亡100人以上的特別重大事故共發(fā)生71次,僅瓦斯爆炸事故就達49起,占全部特別重大事故的69%??梢哉f,礦井瓦斯災害防治工作不論是過去還是將來,一直是煤礦安全工作的重中之重。
我國煤礦開采深度平均每年增加10~20m,隨采深的增加,地應力、瓦斯壓力、地溫也越來越高,煤礦自然災害的威脅逐步加重,治理的難度也越來越大。煤層瓦斯壓力平均過年增加0.1~0.3MPa,瓦斯涌出量每年增加約1.5Bm3。45戶重點監(jiān)控企業(yè)中高瓦斯和突出礦井的比例2005年比2004年增加了10%。
瓦斯作為一種潔凈能源,應予以開采和利用的科學采礦觀,它既是我國煤礦生產過程中的主要災害源,也是一種新型的潔凈能源和優(yōu)質化工原料,因此,對于煤礦瓦斯的災害防治和治理利用應予以高度重視。
煤礦瓦斯災害防治的主要目的是防止瓦斯積累,消除瓦斯突出,防治瓦斯煤塵煤炸。防止瓦斯積聚的主要技術途徑是減少瓦斯向采掘空間涌出和稀釋采掘空間的瓦斯?jié)舛?,其中,瓦斯抽放是減少瓦斯涌山的一種最有效途徑,加強礦井通風是稀釋采掘空間瓦斯?jié)舛茸钣行У姆椒?。消除瓦斯突出等動力現(xiàn)象的主要技術途徑是釋放煤巖層中的瓦斯和地壓。瓦斯災害防治的輔助手段主要是控制井下火源、建立防隔爆、抑爆和個人防護體系、加強瓦斯監(jiān)測。電器防爆、使用抗靜電和阻燃性材料、使用煤礦許用安全爆破器材、有效防治煤層自然發(fā)火、有效控制外因火災等措施是控制井下火源的主要途徑。
隨著煤炭工業(yè)的技術進步,我同的瓦斯抽放技術也得到了不斷的提高和發(fā)展,我國的煤礦瓦斯抽放技術大致經歷以下4個階段:
(1) 高透氣性煤層抽放瓦斯階段。20世紀50年代初期,在撫順高透氣性特厚煤層中首次采用井下鉆孔抽放瓦斯,獲得了成功,解決了撫順礦區(qū)高瓦斯特厚煤層開采的關鍵技術問題。在煤層透氣性遠遠小于撫順煤田的其他礦區(qū)采用類似的方法抽放瓦斯時,未能取得撫順礦區(qū)的抽放效果。
(2) 鄰近層抽放瓦斯階段。20世紀50年代末,采用井下穿層鉆孔抽放上鄰近層瓦斯在陽泉礦區(qū)獲得成功,解決了煤層群開采首采煤層工作面瓦斯涌出量大的問題,且認識到利用采動卸壓作用對未開采的鄰近煤層實施邊采邊抽,可以有效地抽放瓦斯,減少鄰近層瓦斯向開采層工作面涌出。該技術在具有鄰近居抽放條件的礦區(qū)得到廣泛應用.取得了較好的抽放效果。
(3) 低透氣性煤層強化抽放瓦斯階段:在低透氣性高瓦斯和突出煤層,采用常規(guī)鉆孔抽放瓦斯技術效果不理想。為此,從20世紀70年代開始,國內試驗研究了煤層中高壓注水、水力壓裂、水力割縫、松動爆破、大直徑鉆孔多種強化抽放技術;90年代又試驗研究了網格式密集布孔、預裂控制爆破、交叉布扎等抽放新技術。網格式密集布孔在煤礦得到了應用,但多數方法因存在工藝復雜、實用性差等問題,在煤礦未能得到廣泛應用。
(4) 綜合抽放瓦斯階段。20世紀紀80年代開始,隨著機采、綜采,尤其是放頂煤采煤技術的應用,采掘速度加快、開采強度增大,工作面瓦斯涌出量大幅度增加。為了解決高產、高效工作面瓦斯涌出問題,開始實施綜合抽放瓦斯,即在時間上,將預抽、邊采邊抽及采空區(qū)抽放相結合;在空間上,將開采層、鄰近層和圍巖抽放相結合;在工藝方式上,將鉆孔抽放與巷道抽放相結合、井下抽放與地面鉆孔抽放相結合、常規(guī)抽放與強化抽放相結合。實施綜合抽放瓦斯方法.最大限度地提高瓦斯抽放效果。
中國的含煤地層一般都經歷了成煤后的強烈構造運動,煤層內生裂隙系統(tǒng)遭到破壞、成為低透氣性的高延性結構,煤層普遍具有變質程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點,70%以上煤層的滲透率小于1×10-3mD,其透氣性比美國和澳大利亞低2~3個數量級,這使得地面鉆井完孔后采氣效果差,水力壓裂增產效果不明顯。地面鉆孔有效排放半徑和鉆孔瓦斯流量小,衰減快,透氣性最好的撫順煤層井下水平鉆孔與美國同類條件相比,鉆孔影響范圍僅30~50m,而美國可達到100m以上。煤層的低滲透率特點,決定了我國地面開發(fā)煤層氣的難度很大。雖然地面鉆井開采煤層氣在個別高透氣性煤層的礦區(qū)(沁水煤田)試驗取得成功,但是我國70%以上礦區(qū)的煤層賦存在高地應力、高瓦斯、低透氣性復雜地質條件下,先采氣后采煤技術沒有突破,采用現(xiàn)行煤層氣開采技術難以實現(xiàn)國家制定的“先抽后采”安全開采方針和“煤與瓦斯共采”能源戰(zhàn)略。
實踐表明,一旦煤層開采引起巖層移動,即使是滲透率很低的煤層,其滲透率也將增大數十倍至數百倍,為瓦斯運移和抽放創(chuàng)造了條件。我國煤層的主要特點是地質構造復雜、煤層群開采,煤層透氣性低、瓦斯含量高、煤層突出危險嚴重,我國的煤層賦存條件決定了我同的瓦斯抽采應以卸壓抽采為主,瓦斯抽采的重點應放在井下,利用井下的采掘巷道,通過采礦活動引起的采動影響,卸壓增透,用拙采鉆孔和各種有效配套技術強化卸壓煤層的瓦斯抽采。因此若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個既相對獨立又相互依賴的完整系統(tǒng),即形成“煤與瓦斯共采”的開采體系,則不僅有益礦井的安全,而且實現(xiàn)了在采煤的同時采出了潔凈的瓦斯能源。因此必須創(chuàng)新設計理念,實現(xiàn)安全高效開采在礦井設計理念和技術的突破,尋求科學的深部開采技術難題的解決方法,創(chuàng)新煤與瓦斯共采技術、在開采煤炭的同時,利用采礦技術的基本原理將瓦斯安全高效地開采出來,是我國煤炭和瓦斯資源開發(fā)的一條重要途徑。
1.2國內外研究現(xiàn)狀
1.2.1國外研究現(xiàn)狀
瓦斯在煤層及采動裂隙巖體中的運移和聚積規(guī)律,是煤礦瓦斯防治和抽放技術發(fā)展的基礎,而這項研究涉及滲流力學、巖石力學、采礦及安全工程學等多學科,但關鍵卻在于力學學科的滲流理論。自1947年前蘇聯(lián)學者P. M.克里切夫斯基將滲透理論用于描述煤層內瓦斯運移過程,得出了考慮瓦斯吸附性質的瓦斯?jié)B流規(guī)律,為煤巖瓦斯?jié)B流理論的發(fā)展奠定了基礎,到現(xiàn)在,煤巖瓦斯耦合作用理論已經發(fā)展了近60年。目前,在國內外指導煤礦瓦斯防治和抽放瓦斯機理的數學模型主要集中在煤層瓦斯?jié)B流規(guī)律、煤層瓦斯擴散理論、煤層瓦斯?jié)B流一擴散規(guī)律以及多物理場、多相煤巖瓦斯禍合規(guī)律、煤層卸壓瓦斯越流理論和采動裂隙帶瓦斯運移規(guī)律等方而的研究。
從理論、實踐及其結合上,幾十年來國外都對礦井瓦斯災害防治工作進行了廣泛而深入的研究與探索,現(xiàn)簡單分述如下。
⑴對礦井瓦斯預測工作的研究
在對礦井瓦斯預測工作的研究中,美國、澳大利亞、波蘭、德國、英國等世界主要產國家圍繞地質開采因素、煤巖結構應力及井巷面區(qū)瓦斯預測預報等方面開展了大量而深的實驗室和現(xiàn)場試驗研究工作,取得了令人矚目的巨大成就。各國所研發(fā)的許多礦井瓦預測方法己經在生產實際中得到了廣泛使用并取得實際成效。特別是近年來計算機技術應用則顯著提高了礦一井瓦斯預測計算的速度和精度,使礦井瓦斯預測工作更加及時和準。
⑵對礦井瓦斯涌出量方面的研究
礦井瓦斯涌出量方面的研究內容主要包括:研究煤層瓦斯的形成和遷移規(guī)律;測定煤瓦斯含量;預測礦井瓦斯涌出量,等等。
①煤層瓦斯成分研究。煤層瓦斯通常指甲烷(沼氣),因為甲烷CH4是主要成分,一般占總量的80%以上,但是,即使在室溫下,煤層瓦斯也含有其他小分子的碳氫化合物及CO2、N2、O2和H2等氣體物質。
②煤層瓦斯含量測定。目前各國主要采用的是解吸法測定煤層瓦斯含量。
③礦井瓦斯涌出量測定。生產礦井中的瓦斯來源主要包括井巷煤巖中的緩慢析出瓦斯、掘進區(qū)瓦斯、采煤區(qū)瓦斯以及采空區(qū)瓦斯。目前進行礦井瓦斯涌出量預測時所采用的方法主要有三類:礦山統(tǒng)計法、煤層瓦斯含量法和瓦斯分源法等。
④礦井瓦斯等級劃分。國外大多數國家都劃分礦井瓦斯等級,目的時便于采取相應的礦井安全技術措施。例如,俄羅斯礦井瓦斯等級的劃分方法是:按照平均日產1t煤涌出的瓦斯量劃分為四個等級:一級瓦斯礦井,5 m3/t以下;二級瓦斯礦井,5-10 m3/t;三級瓦斯礦井,10—15 m3/t;超級瓦斯礦井,15 m3/t以上。德國所有的煙煤礦井都劃分為瓦斯礦井;工作面絕對瓦斯涌出量大于20 m3/min時,視為特大瓦斯工作面。
⑶有關礦井瓦斯抽放方面的研究
在許多國家,礦井瓦斯抽放己經成為降低工作面瓦斯涌出量和防止礦井瓦斯突出的一項主要措施。前蘇聯(lián)一年的瓦斯抽放量為25億m3;德國的平均抽放率達50%,其年抽放量約為6億m3。
1.2.2國內研究現(xiàn)狀
早在20世紀50年代初期至60年代中期,隨著我國煤炭工業(yè)的發(fā)展,煤礦瓦斯問題逐漸嚴重。對此,我國煤礦一方面開展礦井通風系統(tǒng)技術改造,改善生產礦井的通風條件和加強瓦斯管理;另一方面開始在瓦斯防治技術上全面進行試驗研究,在瓦斯含量和瓦斯涌出量預測、瓦斯抽放等多個方面同時進行了實驗室和現(xiàn)場研究工作。
60年代中期至70年代末,我國在瓦斯抽放等方面進行了大量的基礎理論和實用技術措施的研究,均取得了較大進展。例如,在瓦斯預測方面,針對地面鉆孔密閉式和集氣式巖芯取樣器的采芯率低、瓦斯損失量大、預測結果偏低的問題,研究了解析法直接測定煤層瓦斯含量的方法,開拓了直接測定瓦斯含量的新領域。與此同時,在瓦斯涌出量預測研究方面也有所發(fā)展,除了廣泛采用礦山統(tǒng)計法外,還開始采用一般計算法來預測礦井瓦斯涌出量。但由于缺乏必要的試驗研究,這一時期的計算式中采用的參數值多為國內外經驗數據,瓦斯涌出量預測采用計算法還處于開始階段。在瓦斯抽放方面,除了繼續(xù)對鄰近層抽放技術和開采層高透氣性煤層抽放技術進行研究外,重點轉入低透氣性煤層抽放技術的研究。在這個時期,瓦斯抽放研究的方向是煤層注水、水力割縫、水力壓裂等強化型瓦斯抽放技術。
為從根本上消除瓦斯根源,廣泛開展了本層瓦斯抽放、鄰近層瓦斯抽放、采空區(qū)瓦斯抽放、低透氣性煤層強化瓦斯抽放等技術裝備和工藝,以及包括瓦斯泵、鉆機鉆具、抽放系統(tǒng)配套裝置和抽瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)等裝備;“九五”、“十五”時期在突出危險預測方面,試驗研究了突出危險區(qū)域無線電波透視技術:利用無線電電波在不同煤巖介質中吸收系數的變化探測預測區(qū)域范圍內的構造異常帶、煤層厚度變化帶、煤層強度變化帶、瓦斯富集帶等,然后利用專家系統(tǒng)等專用軟件綜合分析判斷煤巖區(qū)域的突出危險性。另外這個時期研制的KJ系列煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)已經具備了能夠實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與突出危險性實時監(jiān)測的功能,在一定程度上實現(xiàn)了突出預測的自動化。與此同時,在研究和改進瓦斯抽放技術方面,特別是本煤層瓦斯抽放技術和采空區(qū)瓦斯抽放技術等方面,均取得了重大進展,產生了良好的經濟效益和社會效益。
在瓦斯含量和瓦斯涌出量預測方面,目前已經較為完善地建立了地勘瓦斯含量測定方法及裝置、解吸法測定煤層瓦斯含量方法及裝置、瓦斯涌出量分源預測法、計算機繪制瓦斯地質圖件的技術及軟件,并制定了相應的技術規(guī)范,使預測精度達到了80%以上,為礦井通風設計、瓦斯管理提供了必要的技術依據。
1.2.3本文主要研究內容
本文立足陽煤集團的新元煤礦,主要研究基于區(qū)域瓦斯治理的抽采方案的研究,以及針對煤層透氣性低和封孔質量差是造成高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采效果普遍較差的情況,提出鉆爆抽一體化技術。針對開元煤礦煤層賦存特點及目前煤礦區(qū)域瓦斯治理過程中存在的問題,理論分析了煤與瓦斯耦合作用下爆生裂隙形成機理,開發(fā)了新型抽放鉆孔封材料,采用理論研究、數值模擬和現(xiàn)場測試相結合的方式,研究了基于區(qū)域瓦斯治理的鉆爆抽一體化卸壓增透技術,通過控制爆破以及PD 復合材料密封抽放鉆孔的一體化技術,達到整體卸壓、增透、抽放瓦斯和消除突出的目的。
2 礦井概況及礦井瓦斯基礎參數測定
2.1礦井概況
新元礦為高瓦斯礦井,瓦斯抽放始終是治理瓦斯的一項重要措施。近一段時期以來,在鄰近層開采時,該礦根據相鄰煤層層間距較近,頂板發(fā)育、冒落性好的特點,采用對鄰近層采空區(qū)瓦斯抽放方法,解決了高瓦斯煤層開采區(qū)受鄰近層瓦斯影響大的問題。經過實踐證明,取得了較好的經濟效益和安全效益。
根據煤炭科學研究總院撫順分院2003年11月編制陽泉煤業(yè)(集團)有限責任公司新元煤礦《礦井瓦斯危險程度預測及工作面瓦斯治理措施》中,首采工作面瓦斯涌出量預測結果詳見表2-1。
表2-1 首采工作面瓦斯涌出量預測結果
預測
方法
開采
位置
瓦斯涌出量預測值
開采層
鄰近層
合計
m3/t
m3/min
m3/t
m3/min
m3/t
m3/min
分源法
上段
3.02
34.86
2.53
17.57
7.55
52.43
中段
7.61
52.85
3.68
23.56
11.29
78.40
下段
10.21
70.90
3.30
36.81
13.51
107.71
從表2-1中可以看出,本井田首采3號煤層的相對瓦斯涌出量大于 10 m3/t,根據《煤礦安全規(guī)程》劃分標準,屬高瓦斯礦井。
從瓦斯分布情況看,向斜軸部瓦斯含量高于其它區(qū)域,太原組煤系地層高于山西組煤系地層,煤層埋藏較深的區(qū)域瓦斯含量高于埋藏較淺的區(qū)域。
2.2瓦斯抽放系統(tǒng)
依據礦井瓦斯涌出量預測結果,首采工作面最大瓦斯涌出量為107.71 m3/min。根據《規(guī)程》第一百四十五條,“礦井的絕對瓦斯涌出量大于或等于40 m3/min時,必須建立抽放瓦斯系統(tǒng)”。因此,本礦井應設立抽放瓦斯系統(tǒng)。
2.2.1 瓦斯抽放
1礦井瓦斯來源分析
⑴礦井瓦斯來源及涌出構成
礦井瓦斯主要來源于回采、掘進工作面涌出的瓦斯,部分來源于采空區(qū)涌出的瓦斯。根據預測,回采工作面的瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的61.5%,掘進工作面的瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的26.2%,采空區(qū)瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的12.3%。
⑵回采工作面瓦斯來源及涌出構成
回采工作面瓦斯主要來源于開采層、鄰近層和圍巖瓦斯涌出。根據陽煤集團生產經驗,開采層的瓦斯涌出約占工作面瓦斯涌出的54%,鄰近層和圍巖的瓦斯涌出
2瓦斯抽放系統(tǒng)方案
由于本礦井為新建井,同時瓦斯儲量豐富,為保證礦井的安全生產,同時便于管理,設計推薦設地面永久抽放瓦斯系統(tǒng)。
結合礦井煤層賦存條件、瓦斯涌出來源構成和我國煤礦(特別是陽泉礦區(qū))井下鄰近層和開采層瓦斯抽放的成功經驗與實踐,對礦井達產時回采工作面瓦斯抽放方式采用如下方案。
為了保證工作面達產,同時盡量多抽瓦斯,建議的總體抽放方式為:采用穿層鉆孔和采空區(qū)預埋管的綜合方式抽放鄰近層瓦斯;采用交叉鉆孔強化預抽3號煤層瓦斯,并利用工作面前方采動卸壓圈內的交叉鉆孔,邊采邊抽開采層瓦斯。
⑴開采層瓦斯抽放方案
從陽泉礦區(qū)煤層預抽實踐看,3號煤層屬于較難抽煤層,由此可以推測,井田3號煤層的透氣性不太可能明顯好于陽泉礦區(qū)現(xiàn)有各生產礦,采用常規(guī)鉆孔布置方式,其抽放率難以超過10%。基于此,采用交叉鉆孔方式高效強化預抽3號煤層瓦斯,據煤科總院撫順分院在焦作、平頂山這些低透氣性煤田的試驗,抽放率能比常規(guī)孔方式提高50~80%。
可在回采前提前在回采面進、回風巷沿3號煤層向工作面內打長距離鉆孔,預抽煤層瓦斯,在具有相當預抽時間的條件下,利用鉆孔預抽未卸壓的3號煤層瓦斯的優(yōu)點是:①依靠降低煤體中的瓦斯含量,來減少回采工作面的總瓦斯涌出;②降低了煤體應力,可防止回采工作面的瓦斯動力現(xiàn)象;③可利用抽放鉆孔進行煤層注水,起到降塵和防火的作用。
預抽效果的好壞主要取決于煤層的透氣性、布孔方式、預抽時間長短,由于3號煤層透氣性一般較差且煤質松軟,首先可通過采取打交叉鉆孔(根據測定結果確定鉆孔間距:平行孔為8 m,斜向孔與平行孔相同,其平行孔與斜向孔行間距0.5 m,傾角與煤層傾角相同??紫颍浩叫锌状笾疗叫谢夭晒ぷ髅?,斜向孔與平行孔呈15°夾角,傾角較平行孔大1.5°~2°,平行孔開孔位置距底板0.8~1.2 m。鉆孔深度:上向孔120 m,下向孔80 m。或者開展大直徑鉆孔及深孔松動爆破等工藝技術研究,增大抽出量。采用聚氨酯快速封孔方法,為爭得較長的預抽時間,在回采面形成后即進行鉆孔施工,并及時封孔聯(lián)網抽放。
用兩個回采工作面實現(xiàn)礦井生產能力,本煤層瓦斯抽放率要達到55% ⑵ 鄰近層瓦斯抽放方案(頂板高抽巷邊采邊抽)
工作面在回采時可沿頂板鄰近層的1號煤層布置高抽巷進行邊采邊抽,借以提高瓦斯抽放效果。在工作面回采期間,因采空區(qū)頂板冒落鄰近層煤體破壞而卸壓,頂板圍巖體遭破壞而產生裂隙,使之與采空區(qū)溝通,瓦斯抽出量會有明顯增加。根據該礦井工作面的具體條件,建議在回采工作面上方頂板鄰近層1號煤層沿走向方向做小斷面巷道(斷面積6.16 m2,寬2.8 m,墻高1.1 m,半圓拱半徑1.4 m,錨噴支護),其中高抽巷布置在距3號煤層頂板16 m位置的巖層內、工作面上隅角裂隙帶內,平面位置平行布置在靠近回風巷側,中心距14 m。根據瓦斯涌出預測最大時107.71 m3/min的結果,考慮該巷道施工通風實際現(xiàn)狀,主要是施工高抽巷時因距離遠、斷面小,在通風上存在一定的困難,建議可在施工高抽巷時分兩段施工,每段巷長1000 m左右,在沿工作面走向長度1000 m時做一上山。建議長度少于工作面走向長度150 m,在巷道到達預定位置后,采取向工作面采空區(qū)上方的裂隙帶內打水平長鉆孔進行抽放。鉆孔深度應不小于150 m,鉆孔直徑應不小于Ф91 mm,鉆孔數量3~4個。
若條件許可,最好采用千米鉆機或西安產Ⅵ型鉆機施工該鉆孔,鉆孔深度可達300 m以上,這樣可減少高抽巷的施工。以處理上隅角和采空區(qū)瓦斯,減少工作面上隅角瓦斯超限的問題。抽放率按65%考慮。
⑶高位鉆孔抽放:主要解決上隅角瓦斯超限問題
⑷瓦斯抽放量預計:
①頂板高抽巷邊采邊抽:
主要抽放鄰近層及采空區(qū)的瓦斯。鄰近層瓦斯涌出量36.08 m3/min,采空區(qū)瓦斯涌出量7.16 m3/min,共計43.24 m3/min。本煤層瓦斯有15%進入采空區(qū),即鄰近層、采空區(qū)瓦斯涌出量增加9.67 m3/min??紤]本煤層瓦斯進入采空區(qū)后,鄰近層、采空區(qū)瓦斯涌出量52.91 m3/min。預計抽放率65%,抽放量34.39 m3/min,剩余瓦斯量18.52 m3/min。
②鉆孔預抽及邊采邊抽:
主要抽放本煤層,抽放率55%。本煤層的瓦斯涌出量64.46×(1-15%)=54.79 m3/min,抽放量30.13 m3/min,剩余瓦斯量24.66 m3/min。
③高位鉆孔抽放:主要解決上隅角瓦斯超限問題。
3. 抽放巷道選擇
礦井不設專用抽放巷道,利用已掘的進風巷或回風巷兼作抽放巷。
鉆場、鉆孔參數確定
⑴鉆場布置
本煤層抽放不設鉆場,鄰近層鉆場間距50~80 m,鉆場寬4 m,深5 m,高3.5 m,采用錨桿掛網錨噴支護。
⑵鉆孔布置
采空區(qū)預埋管管間距為50~100 m。建議將來根據瓦斯情況,在回采面使用定向長鉆孔和分支孔技術,目標孔深將達到500 m以上。這些鉆孔將根據實際需要進行定向和改造,在不同系列鉆孔組之間實現(xiàn)產氣激勵,提高抽放效果。
5.封孔方式、材料及工藝
本煤層預抽鉆孔采用人工封孔,封孔材料為聚胺脂,封孔深度5~6 m。
設備選型及主要檢測儀表
⑴鉆機
TUX—75鉆機2臺
⑵主要檢測儀表
主要檢測儀表包括: ①孔板流量計,②皮托管,③抽放管道參數檢測儀,④0~100%光干涉瓦檢儀,⑤空盒氣壓計;⑥U型壓差計和傾斜壓差計。
設有抽放瓦斯監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)自動監(jiān)測調控。
2.2.2礦井瓦斯儲量及可抽放量
1.瓦斯儲量計算范圍
瓦斯儲量計算范圍:除井田范圍內各可采煤層參與瓦斯儲量計算外,還應包括受開采采動影響的向礦井涌出瓦斯的不可采煤層和圍巖的瓦斯。
2.瓦斯儲量及可抽量 瓦斯儲量
(1)瓦斯儲量
瓦斯儲量按下式計算:
(2-1)
式中 WC——礦井瓦斯儲量,萬m3;
K1——圍巖瓦斯儲量系數,取1.1;
K2——不可采鄰近層瓦斯儲量系數,取1.1;
Ai——第i個可采煤層地質儲量, Mt;
Xi——第i個可采煤層平均瓦斯含量,m3/t。
經計算井田范圍內可采煤層瓦斯儲量2382780.6萬m3。
⑵瓦斯可抽量
瓦斯可抽量是指在瓦斯儲量中能被抽出的最大瓦斯量,其計算公式為 (2-2)
式中: W抽——可抽瓦斯量,m3;
K可——可抽系數, K可=K1·K2·Kg’;
K1——煤層瓦斯排放系數, K1=K3(X-Xk)/X;
K3——瓦斯涌出程度系數;
X——煤層原始瓦斯含量,m3/t;
Xc——運到地面煤的殘余瓦斯含量,m3/t;
(2-3)
式中 k——折合成可燃物的殘余瓦斯含量,m3/t,根據煤的揮發(fā)分查表選?。?
ad——煤中水分,%;
Ad——煤中灰分,%;
K2——負壓抽放時抽放作用系數,K2=1.2;
Kg——礦井抽放率,%。
本礦井瓦斯涌出主要來自于開采層和鄰近層,所以取K3=0.8;3號煤層的殘余瓦斯含量經查表為4.0 m3/t。
由于新元礦井煤層埋藏較深,黃土覆蓋較厚,煤層透氣性較差。但在礦井淺部瓦斯含量相對較低,有些地點可能不具備抽放條件。所以綜合分析取礦井抽放率Kg¢=0.25,則瓦斯可抽量為595693.2萬m3。
3瓦斯涌出量計算
(1)煤層瓦斯主要參數
①瓦斯壓力
根據地質報告3號煤層瓦斯壓力為:4號鉆孔1.73MPa,21號鉆孔為2.21Mpa、22號鉆孔2.61MPa,24號鉆孔為1.96MPa。
② 煤層瓦斯含量
根據撫順分院對3號煤層瓦斯含量分布預測結果,3號煤層瓦斯含量為5~22.75 m3/t。
③煤層透氣性系數、百米鉆孔瓦斯流量衰減系數、瓦斯吸附常數和煤的孔隙率地質報告未提供,建議揭露煤層后盡快測定。
(2)瓦斯涌出量計算
本井田是一個待開發(fā)的礦區(qū),為了保證預測結果的準確性與可靠性,因此,選用分源預測法預測礦井瓦斯涌出量。
分源預測法的主要技術途徑是:以煤層瓦斯含量、開采技術條件、配采關系為基礎,根據礦井瓦斯涌出源——回采瓦斯(包括圍巖和鄰近層)、掘進瓦斯、采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律,對礦井內各回采工作面、掘進工作面瓦斯涌出量進行預測,進而達到預測采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的。
分源預測法主要計算公式采用《礦井瓦斯涌出量預測規(guī)范》中的有關公式及針對本井田的相關預測參數選取如下:
① 回采工作面瓦斯涌出量預測
回采工作面瓦斯涌出由二部分組成:開采層(包括圍巖)瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出。
a開采層瓦斯涌出量
開采層瓦斯涌出量采用下式計算:
(2-4)
式中: K1——圍巖瓦斯涌出系數,取K1=1.3;
K2——工作面丟煤瓦斯涌出系數,K2=1.053;
K3——準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出系數,
(2-5)
其中: L——回采工作面長度L=200m;
h——巷道預排等值寬度,m,3號煤為貧煤~貧瘦煤取h=10m;
K3=(200-2×10)/200=0.9
m——煤層厚度,m;m=2.5m;
M——煤層開采厚度,m;M=2.5m;
X0——煤層原始瓦斯含量,m3/t;
XC——煤的殘存瓦斯含量,m3/t。
(2-6)
b鄰近層瓦斯涌出量
根據煤炭科學研究總院撫順分院一九九九年十二月編制的《陽泉礦區(qū)韓莊礦井瓦斯涌出量預測》報告中關于鄰近層瓦斯涌出量分析,礦井鄰近層瓦斯涌出量占鄰近層與開采層瓦斯涌出量之和的46%。因此鄰近層瓦斯涌出量=開采層瓦斯涌出量÷(1-46%)×46%。
c回采工作面瓦斯涌出量
(2-7)
② 掘進工作面瓦斯涌出量
a掘進巷道煤壁瓦斯涌出量
(2-8)
式中: n——煤壁暴露個數,雙孔送巷,n=4;
l——巷道斷面煤壁計算當量長,l=2.5m;
V——巷道掘進速度,m/min,V=0.02m/min
L——巷道長度,m,L=2500m;
q0——煤壁瓦斯涌出初速度,m3/min;
(2-9)
其中: Vdaf——原煤揮發(fā)份含量,Vdaf=11.24%
X0——煤層原始瓦斯含量,m3/t。
b掘進落煤的瓦斯涌出量
(2-10)
式中: S——掘進巷道斷面積,m2,S=15m2;
γ——煤的容重,γ=1.4t/m3。
c掘進工作面瓦斯涌出量
(2-11)
d采區(qū)瓦斯涌出量:
(2-12)
式中: q采區(qū)——采區(qū)瓦斯涌出量,m3/t;
K′——采空區(qū)瓦斯涌出系數,取K′=1.3;
Ai——第i個回采工作面瓦斯涌出量,m3/t;
A0——采區(qū)平均日產量,t/d。
③ 礦井瓦斯涌出量
(2-13)
式中: q礦井——礦井瓦斯涌出量,m3/t;
K"——礦井內已采采區(qū)瓦斯涌出系數,K"=1.2。
礦井一期工程投產時,抽放前采煤工作面瓦涌出量、掘進工作面瓦斯涌出量、采區(qū)瓦斯涌出量和礦井瓦斯涌出量見表3-1。
2.2.3抽放瓦斯的必要性和可能性
1.抽放瓦斯的必要性
⑴回采工作面抽放瓦斯必要性分析
根據預測,回采工作面的瓦斯涌出量達38.9~66.6 m3/min,遠大于5 m3/min,且采用通風方法,難以將風流中的瓦斯含量稀釋到1%以下,所以必須進行抽放。
⑵掘進工作面抽放瓦斯必要性分析
根據預測,掘進工作面瓦斯涌出量將達7.79~10.19 m3/min,遠大于3 m3/min,且采用局扇通風,難以能將瓦斯稀釋到1%以下,所以完全有必要進行瓦斯抽放。
2. 抽放瓦斯的可能性
根據陽煤集團的生產經驗,3號煤層基本屬于可以抽放類型且鄰近層抽放效果特別明顯。綜合分析認為,預抽瓦斯完全可行。
3.抽放瓦斯效果預計
⑴瓦斯預抽率
預抽率的確定目前在我國大致有三種方法:①根據百米鉆孔瓦斯流量衰減變化規(guī)律進行計算;②在抽放過程中進行實際考察測定;③參照其他礦井的抽放情況確定。由于瓦斯參數不全,并受現(xiàn)場實際條件和時間的限制,只能參照其他礦井的抽放情況確定。
設計暫參照陽煤集團其他抽放礦井的抽放情況確定本煤層瓦斯預抽率為15%,鄰近層瓦斯預抽率為60%,建議今后在實際抽放過程中,對抽放半徑和預抽率進行實際考察測定。
⑵工作面瓦斯抽放量
①回采工作面開采層瓦斯抽放量預計
開采層瓦斯抽放采用預抽和邊采邊抽兩種方式配合抽放,預抽鉆孔布置采用能較顯著提高抽放效果的交叉鉆孔布置方式。此時,開采層瓦斯抽放量由下式計算:
(2-14)
式中: q開抽——開采層瓦斯抽放量,m3/t;
q開——開采層瓦斯涌出量,m3/t;
η開——開采層瓦斯抽放率,根據陽泉礦區(qū)生產井3號煤層預抽實踐,同時考慮交叉鉆孔預抽和邊采邊抽可提高瓦斯抽放效率,取η開=15%。
②鄰近層瓦斯抽放量預計
據陽煤集團的經驗,鄰近層瓦斯抽放考慮采用穿層鉆孔和采空區(qū)預埋管相結合的抽放方式,其瓦斯抽放量按下式計算:
(2-15)
式中: q鄰抽—鄰近層瓦斯抽放量,m3/t;
q鄰—鄰近層瓦斯涌出量,m3/t;
η鄰—鄰近層瓦斯綜合抽放率,根據陽泉礦區(qū)的抽放實踐,η鄰取60%。
回采工作面瓦斯抽放量根據井田瓦斯平均含量按下式計算:
(2-16)
其中,取20 m3/min。
③礦井瓦斯抽放量
按目前礦井生產安排,2個綜采工作面生產,考慮兩個備用工作面提前抽放。則礦井瓦斯抽放量為:
2.2.4抽放瓦斯方法
1礦井瓦斯來源分析
⑴礦井瓦斯來源及涌出構成
礦井瓦斯主要來源于回采、掘進工作面涌出的瓦斯,部分來源于采空區(qū)涌出的瓦斯。根據預測,回采工作面的瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的61.5%,掘進工作面的瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的26.2%,采空區(qū)瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的12.3%。
⑵回采工作面瓦斯來源及涌出構成
回采工作面瓦斯主要來源于開采層、鄰近層和圍巖瓦斯涌出。根據陽煤集團生產經驗,開采層的瓦斯涌出約占工作面瓦斯涌出的54%,鄰近層和圍巖的瓦斯涌出約占工作面瓦斯涌出的46%。
2抽放瓦斯方法
⑴選擇抽放方法原則:
總體抽放方式為:采用穿層鉆孔和采空區(qū)預埋管的綜合方式抽放鄰近層瓦斯;采用交叉鉆孔強化預抽3號煤層瓦斯,并利用工作面前方采動卸壓圈內的交叉鉆孔,邊采邊抽開采層瓦斯。
⑵瓦斯抽放方法
①本煤層瓦斯抽放方法
從陽泉礦區(qū)煤層預抽實踐看,3號煤層屬于較難抽煤層,由此可以推測,井田3號煤層的透氣性不太可能明顯好于陽泉礦區(qū)現(xiàn)有各生產礦,采用常規(guī)鉆孔布置方式,其抽放率難以超過10%?;诖?,采用交叉鉆孔方式高效強化預抽3號煤層瓦斯,據煤科總院撫順分院在焦作、平頂山這些低透氣性煤田的試驗,抽放率能比常規(guī)孔方式提高50~80%。
②采空區(qū)瓦斯抽放
對采空區(qū)采用采空區(qū)預埋管的方式抽放采空區(qū)瓦斯。
③鄰近層瓦斯抽放
結合礦井鄰近層賦存條件和回采工作面巷道布置特征,采用穿層鉆孔抽放鄰近層和圍巖瓦斯。
⑶ 抽放巷道選擇
礦井不設專用抽放巷道,利用已掘的進風巷或回風巷兼作抽放巷。
⑷鉆場、鉆孔參數確定
①鉆場布置
本煤層抽放不設鉆場,鄰近層鉆場間距50~80 m,鉆場寬4 m,深5 m,高3.5 m,采用錨桿掛網錨噴支護。
②鉆孔布置
結合礦井3號煤層條件,本煤層交叉鉆孔布置方式。鄰近層穿層鉆孔布置形式;采空區(qū)預埋管管間距為50~100 m。建議將來根據瓦斯情況,在回采面使用定向長鉆孔和分支孔技術,目標孔深將達到500 m以上。這些鉆孔將根據實際需要進行定向和改造,在不同系列鉆孔組之間實現(xiàn)產氣激勵,提高抽放效果。
⑸封孔方式、材料及工藝
本煤層預抽鉆孔采用人工封孔,封孔材料為聚胺脂,封孔深度5~6 m。
⑹設備選型及主要檢測儀表
①鉆機
TUX—75鉆機2臺
②主要檢測儀表
主要檢測儀表包括: a)孔板流量計,b)皮托管,c)抽放管道參數檢測儀,d)0~100%光干涉瓦檢儀,e)空盒氣壓計;f)U型壓差計和傾斜壓差計。
設有抽放瓦斯監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)自動監(jiān)測調控。
2.2.5礦井年抽放量及抽放年限
⒈礦井瓦斯儲量及可抽放量
⑴瓦斯儲量計算范圍
瓦斯儲量計算范圍:除井田范圍內各可采煤層參與瓦斯儲量計算外,還應包括受開采采動影響的向礦井涌出瓦斯的不可采煤層和圍巖的瓦斯。
⑵瓦斯儲量及可抽量
①瓦斯儲量
瓦斯儲量按下式計算:
(2-16)
式中 Wc——礦井瓦斯儲量,萬m3;
K1——圍巖瓦斯儲量系數,取1.1;
K2——不可采鄰近層瓦斯儲量系數,取1.1;
Ai——第i個可采煤層地質儲量, Mt;
Xi——第i個可采煤層平均瓦斯含量,m3/t。
經計算井田范圍內可采煤層瓦斯儲量2382780.6萬m3。
②瓦斯可抽量
瓦斯可抽量是指在瓦斯儲量中能被抽出的最大瓦斯量,其計算公式為:
(2-17)
式中 W抽——可抽瓦斯量,m3;
K可——可抽系數, K可=K1·K2·Kg’;
K1——煤層瓦斯排放系數, K1=K3(X-Xk)/X;
K3——瓦斯涌出程度系數;
X——煤層原始瓦斯含量,m3/t;
Xc——運到地面煤的殘余瓦斯含量,m3/t;
(2-18)
Xk——折合成可燃物的殘余瓦斯含量,m3/t,根據煤的揮發(fā)分查表選?。?
Mad——煤中水分,%;
Ad——煤中灰分,%;
K2——負壓抽放時抽放作用系數,K2=1.2;
Kg——礦井抽放率,%。
本礦井瓦斯涌出主要來自于開采層和鄰近層,所以取K3=0.8;3號煤層的殘余瓦斯含量經查表為4.0 m3/t。
由于新元礦井煤層埋藏較深,黃土覆蓋較厚,煤層透氣性較差。但在礦井淺部瓦斯含量相對較低,有些地點可能不具備抽放條件。所以綜合分析取礦井抽放率Kg¢=0.25,則瓦斯可抽量為595693.2萬m3。
(2)瓦斯涌出量計算
⑴煤層瓦斯主要參數
①瓦斯壓力
根據地質報告3號煤層瓦斯壓力為:4號鉆孔1.73MPa,21號鉆孔為2.21Mpa、22號鉆孔2.61MPa,24號鉆孔為1.96MPa。
② 煤層瓦斯含量
根據撫順分院對3號煤層瓦斯含量分布預測結果,3號煤層瓦斯含量為5~22.75 m3/t。
③煤層透氣性系數、百米鉆孔瓦斯流量衰減系數、瓦斯吸附常數和煤的孔隙率地質報告未提供,建議揭露煤層后盡快測定。
(2)瓦斯涌出量計算
本井田是一個待開發(fā)的礦區(qū),為了保證預測結果的準確性與可靠性,因此,選用分源預測法預測礦井瓦斯涌出量。
分源預測法的主要技術途徑是:以煤層瓦斯含量、開采技術條件、配采關系為基礎,根據礦井瓦斯涌出源——回采瓦斯(包括圍巖和鄰近層)、掘進瓦斯、采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律,對礦井內各回采工作面、掘進工作面瓦斯涌出量進行預測,進而達到預測采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的。
分源預測法主要計算公式采用《礦井瓦斯涌出量預測規(guī)范》中的有關公式及針對本井田的相關預測參數選取如下:
① 回采工作面瓦斯涌出量預測
回采工作面瓦斯涌出由二部分組成:開采層(包括圍巖)瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出。
a開采層瓦斯涌出量
開采層瓦斯涌出量采用下式計算:
(2-19)
式中: K1——圍巖瓦斯涌出系數,取K1=1.3;
K2——工作面丟煤瓦斯涌出系數,K2=1.053;
K3——準備巷道預排瓦斯對開采層瓦斯涌出系數,K3=(L-2h)/L
其中: L——回采工作面長度L=200m;
h——巷道預排等值寬度,m,3號煤為貧煤~貧瘦煤取h=10m;
K3=(200-2×10)/200=0.9
m——煤層厚度,m;m=2.5m;
M——煤層開采厚度,m;M=2.5m;
X0——煤層原始瓦斯含量,m3/t;
XC——煤的殘存瓦斯含量,m3/t。
b鄰近層瓦斯涌出量
根據煤炭科學研究總院撫順分院一九九九年十二月編制的《陽泉礦區(qū)韓莊礦井瓦斯涌出量預測》報告中關于鄰近層瓦斯涌出量分析,礦井鄰近層瓦斯涌出量占鄰近層與開采層瓦斯涌出量之和的46%。因此鄰近層瓦斯涌出量=開采層瓦斯涌出量÷(1-46%)×46%。
c回采工作面瓦斯涌出量
(2-20)
② 掘進工作面瓦斯涌出量
a 掘進巷道煤壁瓦斯涌出量
(2-21)
式中: n——煤壁暴露個數,雙孔送巷,n=4;
l——巷道斷面煤壁計算當量長,l=2.5m;
V——巷道掘進速度,m/min,V=0.02m/min
L——巷道長度,m,L=2500m;
q0——煤壁瓦斯涌出初速度,m3/min;
(2-22)
其中: Vdaf——原煤揮發(fā)份含量,Vdaf=11.24%
X0——煤層原始瓦斯含量,m3/t。
b掘進落煤的瓦斯涌出量
(2-23)
式中: S——掘進巷道斷面積,m2,S=15m2;
γ——煤的容重,γ=1.4t/m3。
c掘進工作面瓦斯涌出量
q掘=q壁+q落
③采區(qū)瓦斯涌出量
(2-24)
式中: q采區(qū)——采區(qū)瓦斯涌出量,m3/t;
K′——采空區(qū)瓦斯涌出系數,取K′=1.3;
Ai——第i個回采工作面瓦斯涌出量,m3/t;
A0——采區(qū)平均日產量,t/d。
④礦井瓦斯涌出量
(2-25)
式中: q礦井——礦井瓦斯涌出量,m3/t;
K"——礦井內已采采區(qū)瓦斯涌出系數,K"=1.2。
2.2.5抽放管路方法
⑴抽放管路系統(tǒng)的選擇原則
A、抽放管路盡可能沿回風巷布置;
B、抽放管路系統(tǒng)在滿足抽放需要的情況下盡可能減少管路長度
C、便于安裝和使用管理。
抽放管路系統(tǒng)的選擇
抽放管路系統(tǒng)布置如下:
抽放站─中央回風立井─井下總回風巷─采區(qū)回風巷—抽放面(預抽)抽放巷─回采面平巷。
抽放管道管徑、材質、規(guī)格
①瓦斯管徑計算
根據瓦斯抽放服務的范圍和所負擔的抽放量的大小,其管徑按下式計算:
(2-26)
式中: D——瓦斯管內徑,m;
V——管道中混合瓦斯的經濟流速,m/s,一般取V=5~15 m/s;
Q混——管內混合瓦斯流量,m3/min。
抽放瓦斯管徑計算結果見表3-2。
表2-2 抽放管徑計算表
管 路
名 稱
瓦斯流 量
(m3/min)
瓦斯?jié)舛龋?)
混合瓦斯流量(m3/min)
氣體流速
(m/s)
管 道 內徑(m)
備 注
主管
80
60
133.33
12
0.483
地面和井下主管
干管1
40
60
66.67
10
0.376
西采區(qū)大巷干管
干管2
40
60
66.67
10
0.376
軌道下山干管
支管1
20
65
33.33
8
0.286
西采區(qū)平巷
支管2
20
65
33.33
7
0.305
東采區(qū)平巷
②抽放管材的選擇和管徑確定
地面抽放主管選用螺旋焊接鋼管D520×10,井下抽放主、干管選擇煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管,西采區(qū)大巷干管和軌道下山干管直徑均為D400,支管選擇無縫鋼管D325×9 mm。
③瓦斯管的連接方式、主管趟數
考慮到井下大巷斷面較小以及安裝時對生產會有一定的影響,所以地面和井下抽放主干管采用一次敷設完成,敷設一趟主管。
④抽放管路阻力計算
a直管阻力損失計算
直管阻力損失按下式計算
(2-27)
抽放管路阻力損失計算按抽放系統(tǒng)服務年限內最長的一條抽放管路進行計算,根據新元礦井初步設計的礦井開拓布置圖,到西采區(qū)邊界的瓦斯管路最長,所以按從地面到井下西采區(qū)的抽放管路長度計算直管阻力損失,抽放系統(tǒng)的直管阻力損失H直總=15913 Pa。
b局部阻力損失計算
管路局部阻力損失按直管阻力損失的10%計算,則抽放系統(tǒng)的局部阻力損失為1591 Pa。
c總阻力損失計算
H直總=17504 Pa。
⑤管路敷設及附屬裝置
地面管路采用埋地敷設,連接方式為焊接連接;井筒管路采用法蘭連接,井下管路采用吊掛敷設,連接方式為法蘭連接。
為了便于管路系統(tǒng)負壓的調節(jié),掌握各抽放地點瓦斯抽出量、瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r以及保證管網系統(tǒng)的正常抽放,設計時在各主、干、分、支管路上已考慮分別安設閥門、流量計和放水器。
在瓦斯泵房和地面管路上還安設有防爆、防回火裝置及放空管(含放空燃燒火炬)等。
3基于區(qū)域瓦斯治理的鉆爆抽一體化技術及應用
煤層透氣性低和封孔質量差是造成我國高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采效果普遍較差的主要原因之一。為了解決上述問題,主要采取卸壓增透和提高封孔質量的方法,目前卸壓增透方式有兩種: 層間的區(qū)域卸壓增透技術和層內卸壓增透技術。保層開采作為層間的區(qū)域卸壓增透技術基本趨于成熟,能夠有效增加煤層透氣性,得到了廣泛的推廣應用; 在不具備開采保護層條件時,只有在煤層內部采取措施,溝通及擴展煤層內部的裂隙網,張開原有煤層裂隙,人為增加新裂隙,形成卸壓條件,才能改善煤層內部瓦斯的流動情況,而在煤層內部進行深孔控制爆破和PD 復合材料密封抽放相結合的鉆爆抽一體化技術,則是一種有效的技術措施。
3.鉆爆抽一體化技術
3.1 煤與瓦作用爆生裂隙形成機理分析
3.1.1 爆炸應力波作用
爆炸應力波在煤體的傳播過程中主要形成沖擊波、壓縮應力波和地震波。爆炸應力波的作用范圍大致可分為沖擊波作用區(qū)、壓縮波作用區(qū)和地震波作用區(qū)。作用范圍如圖1 所示。
圖1 爆炸應力波的傳播范圍和作用范圍
在爆炸沖擊波和應力波的直接作用下,由于爆炸壓力遠遠超過介質的抗壓強度,炮孔周圍的煤體被強烈壓縮、粉碎,形成壓縮粉碎區(qū)( 爆破近區(qū)) 和震動區(qū)( 爆破遠區(qū)) 。在應力波作用下,介質質點產生位移,在壓縮粉碎區(qū)內形成了徑向裂隙和圓環(huán)狀的切向裂隙,新增的裂隙中斷或減弱了圍巖中徑向和切向應力的傳遞,降低了圍巖的應力,有利于瓦斯的解析; 同時地應力得到部分釋放并且使圍巖應力分布狀態(tài)發(fā)生改變,導致圍巖應力向工作面前方及巷道兩側轉移; 在震動區(qū)( 爆破遠區(qū)) 內,雖然沒有形成可見的宏觀裂隙,但爆生氣體產生的準靜態(tài)應力場的擾動作用于已產生的裂隙內,使裂隙進一步擴展,并使煤體儲存的彈性能部分釋放出來,應力水平趨于下降,瓦斯變得易于抽放。
3.1.2 爆生氣體作用及貫通裂隙形成的條件
應力波過后,爆生氣體產生準靜態(tài)應力場,并楔入空腔壁上已張開的裂隙中,在裂隙尖端產生應力集中,使裂隙進一步擴展。在爆生氣體壓力驅動下,裂隙始終朝著壓力( 或應力) 低的方向擴展,即向著遠離炮孔的方向擴展。
由線性斷裂力學可知,在孔內壓力作用下,裂隙尖端應力強度因子為:
3-1)
式中, L 為裂隙擴展瞬間長度;
Pm為孔壁壓力;
P 為地應力。
裂隙失穩(wěn)擴展條件為:
Kr ≥1. 6Krc (3-2)
式中Krc———靜態(tài)斷裂韌性,N/m3 /2。
綜合上述分析,可得出孔間形成貫通裂隙條件是:
(3-3)
爆破孔與控制孔間距Lk
應滿足下列條件:
Lk≤ L
3.1.3 煤層瓦斯壓力作用
深孔控制爆破是在煤與瓦斯固流耦合介質中進行的。
爆破前處于力學平衡狀態(tài)下的原生裂隙中的瓦斯,由于爆炸應力場的擾動將作用于已產生的裂隙內,使裂隙進一步擴展。由于瓦斯的作用,煤體中爆破裂隙圈會相應的增大,煤體中瓦斯對爆破裂隙的影響主要體現(xiàn)在降低圍巖應力上。瓦斯壓力驅動作用下裂隙尖端應力強度因子為:
(3-4)
式中,Pg為孔隙內瓦斯壓力;
σ 為圍巖應力與爆生氣體準靜態(tài)應力的合力;
L 為裂隙長度;
β 為裂隙面與垂直方向夾角。
由式( 3-4) 可知隨著瓦斯壓力Pg的增大,Kr值增大,因而有利于裂隙的擴展。
3.2 鉆爆抽一體化技術
3.2.1 鉆爆一體化技術簡介
該技術是在采煤或掘進工作面前方的煤層上交替布置順層或穿層抽放鉆孔( 控制孔) 和爆破孔孔位,爆破后,使炮孔周圍產生包括壓縮粉碎圈、徑向裂隙與環(huán)向裂隙交錯的裂隙圈和沿爆破孔和控制孔孔位連心方向的貫穿裂隙網,使地應力轉移、煤體透氣性增大,降低了瓦斯壓力梯度和突出勢能,“鉆爆抽”三位一體卸壓防突區(qū)域卸壓增透示意圖如圖2 所示。
1—爆破孔; 2—控制孔( 抽放孔) ; 3—煤體; 4—裂隙
圖2 “鉆爆抽”三位一體卸壓防突區(qū)域卸壓增透示意圖
3.2.2 爆破孔與控制孔間距L 的數值模擬及分析
為了確定爆破孔與控制孔的間距L,對其進行數值模擬。取爆破孔直徑為75mm,在兩爆破孔中間加設直徑為89mm 的控制孔,爆破孔與控制孔等間距布置。運用LS -DYNA 軟件進行數值模擬,結果如圖3 所示。從圖3 可以看出,由于爆破孔與導向孔的間距不同,產生的卸壓效果有明顯的差別,孔間距增大,爆破后地應力的峰值也提高,兩孔周圍的卸壓強度進一步得到提高。從模擬結果可知當L在3 ~ 4m 之間時,有效應力的卸壓效果較好。
圖3 爆破孔與控制孔間距對卸壓效果的影響
3.2.3 瓦斯抽放鉆孔密封材料
抽放瓦斯是解決高瓦斯突出煤層開采防突及瓦斯超限問題最有效、最直接的辦法之一,封孔效果的好壞將直接影響抽放瓦斯量和抽放效率。膨脹水泥凍( PD) 是基于微膠囊技術研發(fā)的密封材料,經驗證,PD 材料密封效果優(yōu)于高水材料和聚氨酯有效的解決了抽放鉆孔的密封問題。
3.3 現(xiàn)場試驗應用及分析
崔廟礦主采煤層為煤與瓦斯突出煤層,瓦斯含量較高,且煤質松軟破碎。采用傳統(tǒng)的煤層瓦斯預抽難以達到消突效果,必須采取強化抽放措施。在該礦工作面采取鉆爆抽一體化技術進行預抽瓦斯作業(yè),取得了良好的效果,消除了煤與瓦斯突出危險性。試驗通過不同間距的鉆孔各控制一段條帶,通過一段時間的抽放,測試其消突效果。將設計的百米消突條帶分為三個區(qū)段,其中1、2 號鉆場控制區(qū)段為第一區(qū)段,3、4號鉆場控制區(qū)段為第二區(qū)段,5、6 號鉆場控制區(qū)段為第三區(qū)段。鉆場布置如圖4 所示。
圖4鉆場布置示意圖( m)
第二區(qū)段的鉆孔采用該礦常用的聚氨酯封孔方法進行封孔,第二階段對第一區(qū)段和第二區(qū)段的鉆孔使用PD 復合材料進行二次封孔。第三階段在第三區(qū)段進行控制爆破,并在該區(qū)段使用PD 復合材料密封抽放鉆孔,比較三個區(qū)段的瓦斯抽放效果。第一區(qū)段和第二區(qū)段技術改進前后抽放效果見表1。
在使用PD 材料封孔技術各孔抽放濃度在原來抽放濃度基礎上提高了5 ~ 20 倍,總體抽出比均上升了40%,即在原封孔方法所封抽放鉆孔已經不能再發(fā)揮作用時,采用PD 復合材料封孔技術措施之后,鉆孔又重新發(fā)揮作用。
在第三區(qū)段進行控制爆破后,三個區(qū)段不同抽放時間所對應的煤層瓦斯抽放率如圖5 所示。
圖5 各區(qū)段爆破前后抽出率變化
從圖5 可以看出第一區(qū)段和第二區(qū)段在技術改進前,抽出率最大為30%,采取鉆爆抽一體化技術后,第一區(qū)段抽出率為57. 0%,第二區(qū)段抽出率為48. 5%。技術改進后,第一區(qū)段煤層殘余瓦斯含量為6. 56 m3 /t,第二區(qū)段煤層殘余瓦斯含量為7. 65 m3 /t。第三個區(qū)段在爆破完成后開始抽放,90d 后其抽出率達到48. 6%,其殘余瓦斯含量為7. 45 m3 /t,三個區(qū)段的殘余瓦斯含量均低于8m3 /t,消除了措施范圍內煤層的突出危險性。
3.4 結論
試驗證明,實施基于區(qū)域瓦斯治理的鉆、爆、抽一體技術后,煤層透氣性可提高20 ~ 50 倍,單孔瓦斯抽采量可提高5 ~ 10 倍,瓦斯抽采濃度大于50%,回采工作面瓦斯抽放率大于80%,預抽瓦斯時間可縮短一半,瓦斯抽放孔數減少20% ~ 30%。隨著研究工作的進一步深入,鉆爆抽一體化技術在對危險性煤層進行卸壓增透、提高瓦斯抽放量和施工速度方面必將成為一項
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采礦工程
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開元煤礦1.5Mta新井設計含5張CAD圖-采礦工程.zip,開元,煤礦,1.5,Mta,設計,CAD,采礦工程
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