薄煤层群（精选7篇）
薄煤层群 篇1
1 概述
四川广旺能源发展 (集团) 有限责任公司赵家坝煤矿地质条件复杂, 目前有7#、8#、9#、10#、11#、12#六层可采或局部可采煤层。7#煤层与8#煤层的层间距约为15.6m, 8#煤层与9#煤层的层间距约为30.16m, 9#煤层与10#煤层的层间距约为1.78m, 10#与11#煤层的层间距约为4.04m, 11#与12#煤层的层间距约为6.12m, 绝大部分岩层的层理和节理高度发育, 呈现出松软破碎的特性。
为了更好地回收煤炭资源, 探索安全高效新方法, 我们对近距离薄煤层群和近距离“三软”薄煤层采煤工作面矿山压力显现规律、近距离薄煤层群联合开采的区段垂高及巷道布置、近距离薄煤层群采煤工作面布置及合理安全错距进行了研究, 提出一套优化的联合开采方案, 进行现场实施并取得成功, 有效地提高了经济效益。
2 近距离薄煤层群和近距离“三软”薄煤层联合开采技术研究
2.1 有效采场围岩矿山压力显现规律研究
采场的移动支承压力和残余支承压力随工作面推进的时间分布不一, 同时在空间上分布也各异, 在空间上呈三维分布, 其情况如下图所示。
1-工作面前方超前支承压力2-工作面沿倾斜残余支承压力3-工作面沿仰斜残余支承压力4-工作面后方残余支承压力
支承压力在煤层底板传播规律:随着采煤工作面向前推进, 支承压力影响区内剪应力增强, 极易破坏上方砌体梁平衡结构, 会导致工作面顶板沿煤壁切落, 发生顶板台阶下沉。客观要求工作面支架支护强度必须提高, 以保证有足够的初撑力。
国内外研究表明, 支承压在煤层底板中的传播在垂直方向的不同深度和在水平方向的不同距离不尽相同。传播在煤层底板中的支承压力大小并不一样, 但呈现出一定的规律性, 如图2所示。
1-支承压力曲线2-原岩应力曲线3-应力增高区界线4-应力降低区界线
(1) 开采造成的支承压力显现一般规律, 通过采空区内未遭破坏的残留煤柱或附近未采动的煤层而传递到底板岩石中, 因而使煤柱或煤体下方形成应力增高区, 而在采空区下方形成应力降低区。
(2) 通过煤柱向底板中传递的支承压力, 其应力集中程度随远离煤层底板会逐渐降低, 当达到一定深度以后, 煤柱所造成的应力集中的影响变得很小。
(3) 支承压力沿水平方向在底板岩层中的传播规律, 是在与煤柱边界处法线成一定夹角的范围内向外扩展, 这说明底板岩层中的集中应力在水平方向也向煤柱外侧扩展到一定范围。
上述分析表明, 近距离煤层联合开采时, 开采下覆煤层时必须避开工作面受到上煤层底板中支承压力的影响, 应当将下煤层工作面布置在上煤层工作面底板应力降低区。
2.2 联合开采的巷道布置研究
根据前节分析, 我们将区段运输巷布置在下层煤层底板岩层应力降低区内, 近距离煤层群组成联合开采模式。多层煤开采时, 布置一条共用的集中运输巷道, 通过掘进溜煤反眼揭穿各煤层。同时在煤层群中下层煤层中掘进一条回风巷道, 同样通过回风石门揭穿各煤层, 上部煤层回风经过回风石门进入下部煤层回风巷形成通风系统, 布置如下图所示。
图中, α-煤层倾角;M1-煤层间距;λ-底板岩石移动角;h1-上覆煤层开采下界与区段集中运输的垂高;h2-急倾斜近煤层开采对底板影响的垂高;h-区段集中运输巷与工作面上风巷垂高;β-溜煤反眼倾角。
结合图中内容, 可分析得到影响关系:h=h1+h2;h2=sinλ/sin (α-λ) ×M1。
对于上下煤层同区段同时开采, 区段垂高h的选择, 要求h1、h2的最小值为最合适。由于垂高h与煤层层间距M1成正比, 当煤层层间距很小时, 所得的垂高也小。从急倾斜煤层开采的特点来看, 在开采过程中, 及时挑落上部的区段煤柱, 使下部采空区得到上区段冒落矸石的及时充填, 而本区段采空区顶、底板暂时没有冒落, 因而在开采时对本区段相邻近距离煤层没有产生影响。
2.3 联合开采合理安全错距研究
近距离煤层上下层联合开采, 为减少上下层工作面之间的相互影响, 在空间上要求保持一定的滞后距离, 该距离即为工作面的合理安全错距。
这个最小距离Xmin的计算模型如图4。计算公式为:Mmin=H×ctgδ+L+B。
式中, H-煤层间距;δ-岩石移动角;L-考虑上煤层工作面顶板岩石冒落基本稳定及上、下煤层工作面推进速度不均衡的安全距离;B-上煤层最大控顶距。
根据前面章节对采煤工作面支承压力的分析可知, 采面推进过后, 直接顶垮落, 老顶暂时承受上覆岩层的全部重量, 并把压力传递到工作面前方煤壁和后方采空区冒落的矸石上。因此, 一般在工作面后方形成减压区。若同时开采的下部煤层工作面处于该区域内, 将使工作面所受矿山压力较小, 有利于开采中控制采煤工作面矿山压力。但采用此方案, 一方面上、下工作面的错距不能太小, 否则下煤层工作面回采引起的顶板岩层移动将波及上煤层工作面, 使上煤层工作面顶底板产生裂隙, 甚至使上部煤层产生错动, 给上煤层工作面的开采带来困难;另一方面, 上、下工作面的错距不能太大, 不然下煤层工作面将进入因上煤层工作面顶板岩石垮落而产生的动压影响区, 使下煤层工作面矿压显现剧烈, 达不到减压区下采煤所期望的效果。因此必须确定上、下工作面的最小及最大错距。
3 工业性试验
实验项目位于该矿306采区东翼第一个区段, 实验开采的两煤层为11#煤层和12#煤层, 两煤层的层间距为6.12m。12#煤层煤厚为0.57 m-1.04 m, 平均0.77m, 煤的比重为1.40 t/m3, 煤的硬度f=2-3, 煤层倾角平均59°;11#煤厚0.60m-1.10m, 平均0.85m, 煤的比重为1.35t/m3, 煤的硬度f=2-3, 煤层倾角平均55°;直接顶为5.2m厚的炭质泥岩加煤线, 11#煤层顶板松软破碎易垮落。本次联合开采工作面分别是上覆的11#层31162工作面和下覆的12#煤层31262工作面。
3.1 煤层群的开采顺序及开采错距计算
据上述2.3节叙述, 计算联合开采的开采错距:
式中, H-煤层间距6.12m;δ-岩石移动角, 坚硬岩石为60°-70°, 软弱岩石为45°-55° (取50°) ;B-上煤层采面最大控顶距1.6m。
根据以上参数得出X=6.12 m×cot50°+22m+1.6m=28.73 m, 同时根据地质资料以及前面2.2节的分析求出区段垂高可取到77m。为确保安全, 避免上覆煤层开采对下覆煤层顶板造成破坏, 本次工业实验项目, 设计开采垂高70m。
该矿六采区11#、12#煤层层间岩性为松软易破碎的碳质页岩, 夹煤屑泥质粉砂岩, 平均倾角64°, 区段垂高70 m。9#、11#煤层的开采, 造成12#煤层平巷变形严重。根据该矿对煤层矿压显现研究, 不同错距时的煤体垂直水平应力沿走向变化趋势基本一致, 最大应力在工作面附近, 下层煤前方支撑压力比上层大。结合我矿西翼11#、12#煤层联采开采成功经验, 合理错距为上层煤超前下层煤29m-40m。
3.2 联采方案布置
我们将区段运输巷布置在12#煤层底板岩层应力降低区内, 11#层与12#层布置一条共用的集中运输巷道, 通过掘进溜煤反眼揭穿各煤层, 同时在12#煤层中掘进一条回风巷道, 同样通过回风石门揭穿11#煤层, 11#煤层工作面回风通过回风石门进入12#煤层回风巷中, 形成有效地通风系统。
3.3 成果
该实验项目已于2012年8月结束, 两工作面安全顺利收尾, 已安全回采煤炭15万吨, 其中31162工作面6.8万余吨, 31262工作面8.2万吨。
4结论
本次试验的成功运用充发证明了这种新技术的科学性、实用性和有效性, 并提供了宝贵的理论基础和实践经验, 同时将会为我矿其他近距离薄煤层群开采和近距离“三软”薄煤层开采提供一定的技术经验, 促进矿井的安全生产、稳产高产, 产生巨大的经济、社会效益, 极具推广意义。
摘要：对近距离薄煤层群和近距离“三软”薄煤层采煤工作面矿山压力显现规律、近距离薄煤层群联合开采的区段垂高及巷道布置、近距离薄煤层群采煤工作面布置及合理安全错距进行研究, 提出一套安全合理的联合开采方案。该方案在广旺集团公司赵家坝煤矿得到成功应用, 在国内同等条件下具有重要的推广意义。
关键词：近距离薄煤层群,近距离“三软”薄煤层,巷道布置,开采错距,联合开采技术
参考文献
[1]许有圻.煤矿开采学[M].中国矿业出版社, 1999.
[2]钱鸣高, 刘听成.矿山压力与控制[M].煤炭工业出版社, 1991.
[3]曹允伟, 王春城.煤矿开采方法[M].煤炭工业出版社, 2005.
薄煤层群 篇2
针对矿井近距离高瓦斯煤层群的特点, 对9#开采底板破裂规律、9#煤层回采工作面围岩走向应力分布以及邻近层卸压机理等进行了系统分析, 通过实践, 形成了以9#煤层采前定向长钻孔区域预抽、10#煤层卸压抽采、顶板走向高位水平长钻孔抽采上隅角瓦斯的近距离高瓦斯煤层群开采综合瓦斯治理技术。
1 煤层开采底板破坏裂隙规律分析
随着工作面推进和采空区的形成, 采场周围应力重新分布, 造成周围煤体一定范围内出现应力增高区 (支承压力区) , 在支承压力作用下, 煤体底板煤岩层将发生不同程度的移动[1,2]。
9#煤层回采时, 在工作面前后的4个应力区带中, 由于岩层移动造成了4个不同的裂隙发育区, 沿着采面推进方向, 按瓦斯渗流能力的变化分为:原始渗流区 (原始应力区) →渗流减速减量区 (压缩区) →渗流急剧增速增量区 (卸压膨胀陡变区) →渗流平稳增速增量区 (卸压膨胀平稳区) 。其中, 卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区统称为膨胀区。
煤层底板在煤柱区应力一直处于上升 (增压) 状态, 底板煤岩体处于压缩状态;而在采空区下方底板应力总是处于下降 (卸压) 状态, 底板煤岩体处于膨胀状态。即正常回采阶段底板煤岩体总处于增压 (压缩区) →卸压 (膨胀区) →恢复阶段 (实压区) , 且随着工作面推进而重复出现, 在压缩区与膨胀区的交界处, 底板岩体容易产生剪切变形而发生剪切破坏;处于膨胀状态的底板岩体则容易产生离层裂隙及破断裂隙。所以, 岩体在煤柱边缘区内最容易产生裂隙并发生破坏。煤层底板受开采矿压作用, 岩层受到周期性破坏, 其底板导气性也发生明显变化, 下部卸压瓦斯将沿着裂隙通过扩散和渗流的方式进入上部采掘作业空间。
煤层底板水平变形明显出现2个区域, 切眼前方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向一致;工作面后方一定距离煤层的水平移动方向与回采方向相反, 两区域煤层水平移动呈现不对称性, 卸压区煤层受到水平拉伸和挤压作用, 使得该区域煤体机械破坏增加, 有利于煤层底板裂隙发育, 增加煤体的透气性。
近距离煤层群上覆煤层开采条件下, 自开采煤层底板至下部煤层的最深裂隙称为底板导气裂隙带。由于底板导气裂隙带的存在, 下部煤层的透气性将成百上千倍地提高[3]。
底板导气裂隙带的深度与开采深度及下部煤岩体的物理力学性质有关。在此深度范围内, 一般分布3种裂隙:①竖向张裂隙。分布在紧靠上覆煤层的底板最上部, 是底板膨胀时层向张力破坏所形成的张裂隙。②层向裂隙。主要沿层面以离层形式出现, 一般是底板浅部较发育区, 是在采煤工作面推进过程中底板受矿压作用而压缩→膨胀→再压缩反向位移沿层向薄弱结构面离层所致。③剪切裂隙。一般分为2组, 以60°左右, 分别反向交叉分布。这是由采空区与煤壁 (及采空区顶板冒落再受压区) 岩层反向受力剪切形成的。这3种裂隙相互穿插, 无明显分界。当它们与下部卸压瓦斯沟通时, 下部瓦斯将顺着裂隙进入上部空间。
2 回采工作面围岩应力场分布规律
根据矿井实际情况, 对黄白茨煤矿9#煤层工作面围岩应力场分布规律进行模拟研究。
本项研究利用所建模型, 采用ANSYS大型有限元软件得到的9#煤工作面推进支承压力分布云图如图1所示。
由图1可知, 在回采初期, 只在煤层顶板及底板形成一定范围的卸压区, 而在切眼及工作面煤壁附近出现了应力集中。随着工作面的推进, 煤壁附近应力集中的程度和范围逐渐增大, 而在煤层顶板及底板会形成间隔不等的卸压区和应力升高区, 这对应于初次来压及周期来压期间, 采场基本顶或上部关键层断裂时在采场采空区触矸的部位。
工作面推进时, 自上而下移动的岩层分为垮落带、断裂带和整体弯曲下沉带。岩石的破坏分为压破坏、拉破坏和剪破坏, 就应力的角度可从最大主应力、最小主应力及剪应力变化判断上述“三带”的范围。图2分别为工作面推进170 m时的最大主应力、最小主应力及剪应力云图。
由图2可以初步判断, 9#煤层垮落带最大高度为8.7 m, 断裂带最大高度约25.9 m, 厚8.4 m的砂岩为关键层, 其上覆岩属整体弯曲下沉带。
3 回采工作面瓦斯来源分析
对于9#煤层来说, 开采时除本煤层瓦斯涌出外, 还有下伏的10#、12#等煤层的大量卸压瓦斯涌到9#煤层回采工作面。
以该矿9#煤层工作面为例, 采用分源法对工作面瓦斯涌出量进行了计算。计算结果表明, 回采9#煤层工作面时, 在不考虑煤层预抽的情况下, 其下邻近层瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的比例在60%左右。而矿井瓦斯治理工作中, 对本煤层瓦斯的预抽效果要远大于邻近层的瓦斯预抽效果。因此, 在9#煤工作面的回采过程中, 下邻近层尤其是10#煤 (层间距仅3 m) 的瓦斯治理是工作面瓦斯治理的重点。
4 近距离高瓦斯煤层群瓦斯治理方案
在对9#煤层开采底板破坏裂隙规律、9#煤层回采工作面围岩应力场分布规律研究的基础上, 经现场摸索和实践, 逐渐形成了一套以9#煤层采前定向长钻孔区域预抽、10#煤层卸压抽采、顶板走向高位水平长钻孔抽采的综合瓦斯治理技术方案。
(1) 9#煤层工作面采前走向顺层长钻孔预抽。
为了减少9#煤层在回采期间本煤层瓦斯涌出量, 对9#煤层可以在轨道下山等合适地点, 利用千米定向钻机, 对煤层开采区域进行全方位覆盖型预抽瓦斯, 从而达到提前预抽的目的。煤巷掘进条带区域钻孔的布置应比回采区域适当加密, 以便提高预抽的效率和效果。具体钻孔布置参数 (图3) 应根据煤层瓦斯赋存情况、煤层透气性、钻具作业能力等而定。
(2) 10#煤层卸压抽采。
在9#煤层回采工作面运输巷布置2~3个钻场, 利用千米钻机施工10#煤层的穿层走向顺层长钻孔, 对10#煤层的卸压瓦斯进行拦截抽采, 钻孔布置如图4所示。
(3) 9#煤层回采面顶板走向高位水平长钻孔抽采 (图5) 。
为了更有效地抽出采空区上部涌入的高浓度瓦斯, 抽放钻孔处于裂隙带中的长度应尽可能加长。因此, 可以利用定向钻机, 施工高位水平钻孔, 预抽采空区瓦斯。
每隔400 m左右施工1个钻场, 每个钻场布置6个钻孔, 每2个为1组, 层位距煤层垂高约15 m。每个钻孔的水平投影间距为5 m, 从而控制从回风巷到工作面30 m的距离。
5 结语
针对9#和10#煤层瓦斯赋存情况, 开展了相关计算、模拟、分析和调研工作, 经过2 a多的实践, 已形成了适合矿井近距离高瓦斯煤层群的立体瓦斯治理技术:①9#煤层采前走向顺层长钻孔预抽;②9#煤层回采期间, 10#煤层卸压瓦斯抽采;③9#煤层顶板走向高位水平长钻孔抽采。实践证明, 采用近距离高瓦斯煤层群瓦斯治理技术能有效治理9#煤层回采工作面的瓦斯, 为矿井的安全、高效回采提供了技术支撑。
参考文献
[1]陈炎光, 钱鸣高.中国煤矿采场围岩控制[M].徐州:中国矿业大学出版社, 1994.
[2]李先才.超前集中应力分布与矿山地下工程的矿压显现[J].煤炭学报, 1986 (1) :7-12.
薄煤层群 篇3
我国煤矿瓦斯灾害严重矿井多数为煤层群赋存的突出矿井。近年来,随着我国煤炭资源大规模开发,采掘深度、地应力、瓦斯压力不断增大,瓦斯灾害十分严重,尤其在近距离煤层群开采的突出矿井曾多次发生煤与瓦斯突出事故,如安徽芦岭煤矿、云南白龙山煤矿、贵州马场煤矿等,给我国煤矿安全生产带来巨大损失,严重制约了煤炭工业绿色、安全、高效和可持续发展[1,2,3]。
贵州织纳矿区为突出煤层群开采矿区,该矿区具有地质构造复杂、瓦斯压力大、瓦斯含量高、煤层松软、透气性差等特点。研究表明,开采保护层是防治突出矿井瓦斯灾害最经济、最有效的根本手段[4,5],但是保护层选择及开采程序不合理是该矿区突出煤层群区域瓦斯治理的核心问题,尚未得到有效解决。
肥田煤矿为织纳矿区典型的突出煤层群开采的新建矿井,瓦斯灾害严重。建设初期,肥田煤矿选择6号煤层作为保护层开采,6号煤层属松软低透气性突出煤层,钻孔施工过程中喷孔、卡钻现象严重,突出预兆明显,煤巷掘进过程中发生多次炮后瓦斯超限现象,其煤巷掘进进度缓慢,严重影响了矿井正常的采掘接替。为有效治理肥田煤矿突出煤层群开采区域瓦斯,实现矿井安全高效生产,积极探索适合矿井自身的保护层选择和合理开采程序并及时进行调整,是保障矿井采掘工作面正常接续、安全高效生产的核心和关键[6]。
1 矿井概况
肥田煤矿位于织纳矿区织金县境内,规划生产能力240万t/a,其中一期工程为120万t/a。井田含煤地层为二叠系上统龙潭组,含可采及局部可采煤层11层,分别是6、6-1、7、16、17、20、21、23、27、29和34号煤层。其中煤层分为上下两个煤组,6、6-1和7号煤层为上煤组,其他煤层属于下组煤,上下组煤之间平均间距为120.8 m。
井田内6、16号煤层全区稳定可采,其他煤层为大部或局部可采煤层。经鉴定,肥田煤矿开采的6、7、16号煤层均为突出煤层,矿井为突出矿井。
1.1 地质构造
肥田煤矿位于扬子准地槽的织金纳雍凹褶断束,位于黔西弧形构造体系东翼,井田煤层及瓦斯赋存主要受珠藏向斜控制。
珠藏向斜轴线位于矿区中南部,是一分区和二分区分界线,该构造是影响井田瓦斯赋存主要构造组成部分。地勘资料表明,珠藏向斜封闭性较好,有利于瓦斯的聚集和保存[7,8,9]。
1.2 煤层赋存
根据矿井地质勘探报告及地勘钻孔柱状等资料,对矿井不同分区内地勘钻孔揭露的煤厚和层间距情况进行了统计(表1)。
1.3 瓦斯赋存
(1)煤层突出危险性参数。建井期间,一、二分区现场测定了部分可采煤层的瓦斯参数,其测定结果见表2。
(2)瓦斯含量赋存分析。根据矿井地勘期间及井下测定的瓦斯含量,分析得出一、二分区部分可采煤层瓦斯含量与埋深的拟合关系见表3。
2 保护层选择
2.1 选择原则
(1)在开采突出煤层群时,选择突出危险程度较小的煤层作保护层,但保护层开采时不得破坏被保护层的开采技术条件[10]。
备注:W为瓦斯含量;H为埋深;R为相关系数。
(2)保护层选择时,择优选择突出危险性小、赋存稳定、开采条件好、保护效果好、具备建立区域措施时空条件的可采煤层作为保护层。
(3)保护层选择应在煤层采动影响条件下,建立宏观性区域瓦斯治理格局,保障矿井中后期瓦斯治理的有效性和矿井持续安全高效生产。
2.2 组间开采程序分析
(1)区域突出危险性分析。经对织金矿区煤层突出危险性情况的调研,矿区内上下煤组均有不同程度的瓦斯事故的发生,其上煤组发生瓦斯事故的次数高于下煤组,其上煤组的突出危险性程度整体高于下煤组。
(2)上下煤组突出危险性程度分析。从一分区巷道揭露上下煤组煤层分析,上煤组6号煤层属松软严重突出煤层,多次发生喷孔、卡钻等突出预兆;7号煤层在主斜井揭煤时曾发生一次煤与瓦斯突出事故;下煤组16号煤层煤体破坏类型低,硬度较高,相比上煤组煤层来说,突出危险程度相对较低,且抵抗突出的能力也较强。由表2、表3可以看出,上、下煤组煤层总体瓦斯赋存为下煤组16号煤层的突出危险程度要低于上煤组6号和7号煤层。
(3)组间开采程序确定。综上所述,肥田煤矿下煤组的突出危险性程度低于上煤组。因此,从井田内上下煤组的瓦斯赋存条件来看,肥田煤矿宜选择下煤组优先开采,开采程序为:下煤组→上煤组,即“组间上行”的开采程序,利用下煤组多重采动影响来增加上煤组煤层的透气性,从而形成突出煤层群开采的宏观区域性瓦斯治理格局(图1)。
2.3 首采层选择
基于矿井煤层群宏观区域瓦斯治理的“组间上行”开采程序,结合矿井资源储量评审备案证明及矿产资源储量评审意见书,矿井资源量仅核准至下煤组20号煤层,21号—34号煤层暂不进行开采。因此,下煤组首采层的选择仅在16号、17号、20号煤层之间进行。
(1)下煤组瓦斯赋存条件。查阅地勘资料下煤组瓦斯含量数据进行数据统计,并按照井田所在矿区瓦斯含量梯度经验,推算埋深在300 m时下煤组各煤层原煤瓦斯含量如下:16号煤层瓦斯含量16.93 m3/t;20号煤层瓦斯含量17.31 m3/t;21号煤层瓦斯含量19.78 m3/t;23号煤层瓦斯含量20.18m3/t。在埋深300 m时下煤组各煤层原煤瓦斯含量比较如下:W23号煤>W21号煤>W20号煤>W16号煤。
按照《防治煤与瓦斯突出规定》第四十六条第(三)款“当矿井中所有煤层都有突出危险时,选择突出危险程度较小的煤层作保护层先行开采”的相关规定。因此,从瓦斯赋存条件来看,宜选择突出危险倾向程度相对较小的16号煤层作为保护层先行开采。
(2)下煤组煤层赋存条件。由表1可知,下煤组16号煤层煤厚变化不大,赋存稳定且全区可采;17号煤层整体较薄,存在多处薄化区或缺失,赋存不稳定,可采程度低;20号煤层煤厚变化不大,赋存相对稳定,可采程度较高。按照《防治煤与瓦斯突出规定》第四十六条第(二)款“当煤层群中有几个煤层都可作为保护层时,择优开采保护效果最好的煤层”的相关规定;因此下煤组宜首先选择16号或20号煤层作为保护层先行开采。
(3)开采技术条件。按照《防治煤与瓦斯突出规定》第四十六条第(四)款“保护层选择应优先选择上保护层,在选择开采下保护层时,不得破坏被保护层的开采条件”。按照顶板管理系数法和比值判别法[11]计算得出:矿井开采16号、20号煤层时不会破坏上邻近层的开采条件;因此,从开采技术条件分析,下煤组可选择16号或20号煤层作为保护层先行开采。
(4)区段石门揭穿突出煤层次数。按照《防治煤与瓦斯突出规定》第十六条第二款“突出矿井的巷道布置应减少井巷揭穿突出煤层的次数”,因矿井现有采区开拓巷道均布置在上下煤组之间,下煤组首采16号煤层相对下组其他煤层,揭穿突出煤层或具有突出倾向性的煤层的次数最少。因此,从区段石门揭穿突出煤层次数分析,矿井宜选择下煤组16号煤层作为保护层先行开采。
(5)首采层确定。综上所述,肥田煤矿宜选择下煤组16号煤层作为保护层先行开采。
3 开采程序优化
3.1 下煤组开采顺序
(1)保护范围。根据《防治煤与瓦斯突出规定》附录D3,下煤组首采16号煤层时,其作为下煤组的上保护层开采时有效保护层垂距的计算值和参考值如下:开采层16号,最大保护垂距参考值50 m,最大保护垂距计算值66 m,完全保护17、20号。因此,下煤组的17号、20号煤层均在16号煤层的保护范围内,从保护范围的角度分析,下煤组17号、20号煤层均可作为16号煤层的接续煤层。
(2)煤层赋存的稳定性和可采程度。从井田范围内下煤组17号和20号煤层的赋存情况来看,17号煤层整体较薄,存在多处薄化区或缺失,赋存不稳定,可采程度低;20号煤层煤厚变化不大,赋存相对稳定,可采程度较高。因此,从矿井下煤组17、20号煤层赋存的稳定性和可采程度来看,在下煤组16号煤层的接续煤层宜选择20号煤层。
(3)煤质条件及开采经济价值。从实验室对下煤组17号和20号煤层的煤质分析来看,20号煤层的灰分为14.16%,全硫为0.49%,17号煤层的灰分为27.47%,全硫为1.49%,20号煤层的灰分和硫分远小于17号煤层。因此,从煤质条件和开采经济价值分析,在下煤组16号煤层的接续煤层宜选择20号煤层。
(4)下煤组开采程序确定。综上所述,下煤组煤层开采顺序为:下煤组16号煤层→下煤组20号煤层。
3.2 上煤组开采顺序
(1)瓦斯赋存条件。由表2得出,一分区上煤组6号、7号煤层均具有突出危险性,且6号煤层的突出危险性程度要大于7号煤层。因此,从瓦斯赋存条件来看,上煤组宜选择突出危险性程度较低的7号煤层作为下煤组开采接续煤层先行开采。
(2)煤层赋存及构造复杂程度。从上煤组煤层赋存及可采程度分析,上煤组的6号煤层赋存稳定,且全区可采;6-1号煤层赋存不稳定,可采程度低;7号煤层在一分区赋存不稳定,可采程度低,在二、三分区煤层赋存较稳定,可采程度较高。因此,一分区下煤组开采后,上煤组只能选择6号煤层作为接续煤层进行开采;二、三分区下煤组开采后,上煤组宜选择7号煤层作为下煤组开采后的接续煤层进行开采。
(3)开采技术条件。按照顶板管理系数法和比值判别法计算得出:上煤组6-1号、7号煤层开采时均不会破坏上邻近层的开采技术条件,但由于6-1号煤层赋存不稳定、局部缺失、可采程度较低。因此,二、三分区上煤组的接续煤层宜选择7号煤层。
(4)揭穿突出煤层次数。从二、三分区采区巷道布置及区段石门揭穿上煤组突出煤层次数分析,上煤组开采7号煤层相对于开采其他煤层揭穿突出煤层或具有突出倾向性的煤层的次数最少。因此,二、三分区上煤组的接续煤层宜选择7号煤层。
(5)保护范围。根据《防治煤与瓦斯突出规定》附录D3,上煤组开采7号煤层时,其作为上煤组的下保护层开采时有效保护层垂距的计算值和参考值如下:开采层7号,最大保护垂距参考值100 m,最大保护垂距计算值164 m,完全保护6-1、6号煤层。因此,上煤组的6-1号、6号煤层均在7号煤层的保护范围内,从保护范围的角度分析,上煤组6-1号、6号煤层均可作为7号煤层的接续煤层。但由于6-1号煤层赋存不稳定,可采程度低,不宜作为7号煤层的接续煤层开采,因此二、三分区上煤组7号煤层开采后的接续煤层宜选择6号煤层。
(6)上煤组开采程序确定。综上所述,上煤组煤层开采顺序为:一分区:接续6号煤层;二、三分区:接续7号煤层→6号煤层。
3.3 开采程序确定
一分区:下煤组16号煤层→下煤组20号煤层→上煤组6号煤层;二、三分区:下煤组16号煤层→下煤组20号煤层→上煤组7号煤层→上煤组6号煤层。
4 矿井区域瓦斯治理及达产可行性分析
4.1 矿井区域瓦斯治理可行性分析
(1)瓦斯抽采巷布置空间条件。由表1得出,在16号煤层顶板、29和34号煤层的层间距满足《防治煤与瓦斯突出规定》和贵州省地方政府关于顶底板瓦斯抽采巷布置层位的相关要求。但是若瓦斯抽采巷布置在29、34号煤层间,其距离16号煤层远,预抽钻孔长、施工难度大、不利于采掘接替,且巷道揭穿突出煤层的次数多。矿井上下煤组层间距为118~130 m,无可采煤层,层间赋存砂质泥岩、砂质灰岩(辅标)、粉砂岩、细砂岩及不可采煤线等。因此,16号煤层具备瓦斯抽采巷布置的空间条件。
(2)采掘工作面瓦斯治理可行性。针对16号煤层工作面煤巷掘进条带,可采用瓦斯抽采巷穿层钻孔预抽和递进式顺层长钻孔预抽的方式。其中瓦斯抽采巷穿层钻孔预抽方式已在国内各大矿区成熟应用,技术可行;对于递进式顺层长钻孔预抽方式,肥田煤矿已进行顺层长钻孔定向钻进施工工艺的现场试验,可实现煤层全孔段达到188 m以上,为该方案的实施奠定了基础[12]。针对16号煤层回采工作面,可采用穿层钻孔网格式和顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯的方式。其中穿层钻孔网格式预抽在国内部分矿区进行应用,能够解决工作面回采区段区域防突的问题,但存在较大局限,如钻孔工程量较大、施工工期较长,影响采掘正常接替等;顺层钻孔预抽在国内得到了普遍应用,能够有效解决工作面回采区段防突问题,因此,回采工作面可采取顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯的预抽方式。
(3)邻近层瓦斯治理可行性。矿井将16号煤层作为保护层开采,由于16号煤层无上邻近层可采,仅存在17号、20号、23号煤层等下邻近层,其邻近层卸压瓦斯主要来源于17号、20号、23号等煤层。对于下邻近层卸压瓦斯抽采方法,常见的主要有采用底抽巷、底板穿层钻孔等[13,14]。底板穿层钻孔在贵州水城矿区和盘江矿区应用较多,从抽采效果来看,能够较好解决回采期间下邻近层瓦斯涌出,平均单孔流量为2 m3/min,抽采浓度为40%~60%。因此,16号煤层下邻近层卸压瓦斯抽采可采用底板走向长钻孔进行卸压瓦斯抽采的方式。
4.2 矿井达产可行性分析
从矿井煤层的赋存条件来看,16号煤层赋存相对稳定,属中厚煤层,适合机械化综合开采工艺。在16号煤层开采期间,可布置下覆20号煤层进行配采,可以大大提高矿井产能。按照矿井一个分区以1个16号煤层综采面配采1个20号煤层综采面计算年产量为例,矿井年产量=采高×斜长×煤的密度×年推进度。以一期工程一、二分区首采16号煤层、配采20号煤层为例,以综采工作面采高为煤层平均厚度,倾斜长160 m、煤的密度1.5 t/m3,年推进度1 000 m计算,则可实现矿井一期工程120万t/a的设计产能。
5 结论
按照《防治煤与瓦斯突出规定》的相关规定和矿井煤层瓦斯赋存条件,对肥田煤矿突出煤层群保护层选择及开采程序进行优化,得出如下结论。
(1)建立了肥田煤矿突出煤层群开采区域瓦斯治理的宏观格局,即“组间上行、下煤组下行、上煤组上行”的开采程序。
(2)基于肥田煤矿合理的开采程序,对矿井区域瓦斯治理及实现设计产能的可行性分析,有利于矿井瓦斯有效治理和安全高效生产。
薄煤层群 篇4
1.1 地质条件概况
肖家洼煤矿位于山西省兴县, 井田内自上而下可采煤层为山西组的4、6、8 号煤和太原组的13 号煤。13 煤富含1/3 焦煤, 根据《特殊和稀缺煤类开发利用管理暂行规定》属国家保护和合理开发利用的特殊和稀缺煤类, 4、6、8 煤为普通气煤。4、6、8 及13 号煤层平均厚度分别为1.21 m、0.85 m、2.18 m和12.39 m, 煤层间距分别为15.35 m、22.63 m和70.30 m。
1.2 矿井设计概况
矿井设计生产能力8.0 Mt/a, 采用斜井多水平开拓方式[1]。4、6、8 三层煤开采条件相近, 煤层平均间距较小, 设计将其划分为一煤组, 13 煤独立划分为二煤组。
设计在一、二煤组内分别布置一个采区, 每个采区内布置一个回采工作面, 矿井以两区两面形式达到设计生产能力。
2 存在的问题
肖家洼煤矿资源储量丰富、地质条件简单, 适合建设特大型矿井, 开采存在的主要问题是:
问题一:13 煤为厚煤层, 是矿井实现稳产的主力煤层, 但其上覆4、6、8 三层煤, 压茬关系复杂, 13 煤生产接续困难。
问题二:13 煤为1/3 焦煤, 属稀缺煤类, 产品煤可作配焦煤, 售价高, 而一煤组为普通气煤, 产品煤主要作动力煤, 售价相对更低。由于两组煤同时开采, 主斜井只布置了一条皮带, 造成一、二煤组不同煤类煤混杂, 增加洗选成本, 同时造成产品煤煤质指标不稳定, 影响产品煤售价, 最终影响全矿井经济效益。
3 开采优化设计
针对矿井开采中存在的问题, 通过对周边生产矿井和类似条件 (高硫煤矿井) 生产矿井进行调研, 并借鉴相关研究经验[2,3], 确定从解决矿井压茬关系、井上下煤炭分开储存、主斜井皮带分时运输及煤炭合理比例配洗等方面进行优化设计, 优化设计技术路线如图1 所示。
3.1 问题一优化方案
对于问题一, 设计两种优化开采方案:方案一为13 煤对一煤组煤层进行上行开采;方案二为一、二煤组由上往下顺序开采。
3.1.1 方案一 (上行开采)
根据我国煤矿生产经验和研究成果, 上行开采判别方法主要有比值判别法、三带判别法和数理统计判别法等。
(1) 比值判别法:13煤与8 煤间距与13煤采厚比大于7.5。
(2) 三带判别法:8 煤处于13 煤开采后的采动裂隙带之上。
(3) 数理统计判别法:此法为煤科院北京开采所的科研成果, 即13 煤与8 煤间距与13 煤采厚关系为:
式中:H为两煤层间距, m;m为13 煤厚度, m;Δm为附加值, 小于1.0 m。
13 煤煤层厚度为2.54~15.72 m, 平均12.39 m, 与8 煤间距为52.10~82.40 m, 平均70.30 m。经计算, 采用比值判别法和数量统计判别法均认为, 13 煤无法对8 煤进行上行开采。对于三带判别法, 经计算, 13 煤裂隙带平均高度58.8 m, 介于52.10~82.40 m之间, 因此可认为13 煤对8 煤无法全区进行安全上行开采。
根据生产实践经验, 上行开采中, 上煤层开采需待下沉基本稳定后方可进行, 即8 煤层的开采至少要在13 煤层开采结束后半年以上, 这显然不利于矿井稳产。
综上所述, 无论从时间还是空间上, 本矿井实行上行开采均为不合理方案。
3.1.2 方案二 (下行开采)
首先确定首采区位置。通过对煤层厚度、倾角、风氧化带和无煤带位置等赋存条件进行分析, 确定将井田东部浅部区域作为首采区, 两煤组首采区分别为11 和21 采区。首采工作面布置于8煤和13 煤层, 靠近风氧化带保护煤柱边界。受风氧化带影响, 8 煤和13 煤首采工作面空间上无压茬关系, 可以正常开采。
其次确定两组煤压茬关系的合理推进度。通过对全井田各采区进行工作面划分并进行统计分析, 确定选择煤层埋藏浅且一煤组煤层可采工作面数量较少的12 采区 (双翼采区) 作为接续采区, 对应二煤组接续采区则为22 采区 (双翼采区) , 首采和接续采区工作面数量统计如表1。根据表1结果可知, 当一、二煤组工作面推进度之比不小于2∶1 时, 一、二煤组可解决压茬关系。
最后确定两煤组工作面产量:通过上述分析, 经计算, 确定当13 煤工作面每班进2 刀, 年推进度1 713 m, 一煤组工作面平均每班进4 刀, 年平均推进度3 426 m时, 矿井可以解决压茬关系, 此时一、二煤组总推进度之比为2∶1, 一、二煤组产量分别为1.5 Mt/a和6.4 Mt/a, 考虑4%的掘进煤量, 则矿井年生产能力为8.22 Mt/a。
通过分析, 方案二可以解决矿井压茬关系和保证矿井稳定达产, 因此, 是合理可行的方案。
3.2 问题二优化方案
对于问题二, 设计两种优化方案。
3.2.1 方案一 (两组煤独立开采、储运和洗选)
井上下采用两套独立的生产、运输、储存系统, 两组煤单独洗选。本方案虽可以解决本矿井稀缺煤类煤层群开采存在的问题, 但存在着主斜井井筒断面过大、生产系统复杂、建设投资高和经济效益低下等缺点, 因此, 方案一不是理想方案。
3.2.2 方案二 (两组煤独立开采、分储分运和配选)
设计适当增大井底煤仓和区段煤仓容量, 使井下煤仓总容量可容纳一煤组工作面一天的产量 (约4 545 t) , 主斜井只布置一条皮带, 在每天生产班时期, 主斜井皮带只运输13 煤工作面出煤, 一煤组工作面出煤通过井下煤仓暂时存储, 在矿井检修班时期, 通过煤仓放煤 (放煤时间约2 h) 使主斜井皮带集中运输一煤组出煤, 运出地面后单独存储, 再根据煤质情况进行合理比例配洗。
本方案仅需适当增大井下煤仓总容量, 通过分时运输, 实现了一、二煤组出煤井上、下有效分储, 具有生产系统简单、对矿井生产影响小、投资少等优点, 因此方案二是合理可行的。
4 经济效益
一煤组煤具有高灰、低发热量和低硫特性, 二煤组煤具有低灰、高发热量和硫分含量相对较高的特性。通过对煤质指标的分析, 二煤组煤洗选出的产品煤可以作配焦煤, 而一煤组煤单独洗选时产品煤只能作为动力煤, 但通过按一定比例掺入二煤组煤进行混合洗选后, 则可以洗选出配焦煤, 从而提高产品煤售价, 实现效益最大化。
经计算, 一煤组煤与二煤组煤进行配洗时的当量产值比一煤组煤与二煤组煤单独洗选时的当量产值高出2.326 元/t。按矿井设计生产能力8 Mt/a计算, 则每年可增加经济效益1 861 万元。
5 结语
为解决肖家洼煤矿稀缺煤类煤层群开采中存在的问题, 通过调研、方案设计、方案比选、反复验算、效益分析等多个环节, 确定了“由上向下解决压茬关系、煤炭实行分时运输、井上下进行分别存储、再进行合理比例配洗”的优化设计方案, 最终较好地解决了肖家洼矿井稀缺煤类煤层群开采中存在的问题, 取得了良好的经济效益和社会效益。
本矿井开采优化设计经验对其他相似条件矿井设计具有很好的借鉴意义。
参考文献
[1]张忠文.肖家洼煤矿工业场地位置及开拓方式设计方案[J].煤炭工程, 2014 (10) :74-77.
[2]万彬, 余志勇.上庄煤矿分装分运系统改造[J].江西煤炭科技, 2013 (1) :68-69.
薄煤层群 篇5
宁夏红一煤矿位于宁夏银川市, 设计生产能力为2.4 Mt/a, 主、副、风立井筒布置同一个工业场地内。井田构造复杂程度为简单偏中等, 瓦斯矿井, 自燃煤层, 煤尘具有爆炸危险性, 井田水文地质条件复杂。岩性综合柱状如图1所示。井筒穿过的地层主要为第四系、古近系, 落底于石炭系上统土坡组。主立井、副立井、回风立井穿过表土层、煤层风氧化带厚度300~400 m。古近系为砂、砂砾和粘土、亚粘土的互层, 其中细砂、中砂、粗砂层厚度1.25~41.65 m。古近系底部多为半胶结砂砾石, 钙质、泥质半胶结, 分选差, 砾径3~5 cm, 最大15 cm, 磨圆度差, 孔隙式接触式胶结, 孔隙较发育。基岩风化带由砂岩、泥岩、煤层组成, 厚度10~40 m, 裂隙较发育, 红墩子勘查区富水性较强。该矿井可采煤层由上往下分别为4、5、5下、8、9、10共计6层煤, 煤层倾角在12°~18°。
2 井筒落底层位设计方案比较
从井筒穿过的地质条件和可采煤层赋存情况分析, 设计对井筒落底水平考虑了2个方案。
2.1 方案1:浅部立井 (+755 m立转暗斜井车场) 开拓方式
主、副、风井位于同一工业场地, 位于井田西部煤层风氧化带之外H3线附近。主立井井口标高+1 203.5 m, 副立井井口标高+1 203.8 m, 回风立井井口标高+1 204.0 m。考虑主、副、风井井底车场硐室的围岩条件以及使用与施工便利, 设计副井井筒落底+725 m标高 (井底水窝标高) 、主井井筒落底+725 m标高 (清理撒煤标高) 、回风立井井筒落底+755 m标高 (立转暗斜井车场标高) 。根据煤层分组情况, 初期开采上煤组 (4、5煤) 时, 沿3DF11断层北侧伪倾斜布置3条暗斜井, 暗斜井兼作首采区的3条上山, 上山煤柱与断层煤柱重合, 后期开采下煤组 (8、9、10煤) 时, 再增设1条轨道上山与1条回风上山。其中暗主斜井长1 074 m, 倾角为16.5°;暗副斜井长1 074 m, 倾角为17°;暗回风斜井长1 082 m, 倾角为15°~17°。在后期开采12、22分区时, 于红墩子断层西部2301钻孔附近设后期副立井、回风立井, 满足后期辅助运输及通风需求。该方案剖面如图2所示。
该方案的优点: (1) 主、副、风井工业场地距离规划工业园最短, 联系工程量最省, 外部建设条件相对优越; (2) 轨道石门、回风石门均位于同一个水平, 利于巷道的施工; (3) 井筒落底较浅, 工程量最省; (4) 工期较短; (5) 工广场地煤柱与煤层风氧化带煤柱重合, 压煤量较小。
缺点: (1) 3条暗斜井均为下山掘进, 条件相对较差; (2) 21分区下山提升时增加提升环节, 提升费用较高; (3) 矿井水全部自流到+450 m水平车场排水泵房, 通过暗主斜井、副立井排出地面, 设备、井巷工程量费用较高, 排水费用较高; (4) 主井底采用水平下清理方式, 排水、清理撒煤较为不便。
2.2 方案2:浅部立井 (+450 m水平井底车场) 开拓方式
方案2与方案1的井口位置、工业场地、首采区位置及上山布置方式完全相同, 其中暗主斜井长为1 074 m, 倾角为16.5°;暗副斜井长1 074 m, 倾角为17°;暗回风斜井长1 082 m, 倾角为15°~17°。仅主、副井井筒落底标高不同。
为了解决副井后期提升以及主井井底撒煤的清理、井筒淋水的自流问题, 设计主、副井井筒落底标高+450.0 m。该方案布置如图3所示。
该方案的优点: (1) 主、副、风井工业场地距离规划工业园最短, 联系工程量最省, 外部建设条件相对优越; (2) 主、副井落底+450 m水平, 利于主井底撒煤的清理以及主井井筒淋水的排出; (3) 采区水全部自流到井底水仓, 矿井排水设备、工程量省, 排水费用较低; (4) 后期材料矸石运输费用较低; (5) 工广场地煤柱与煤层风氧化带煤柱重合, 压煤量较小。缺点: (1) +450 m水平轨道石门需独头掘进1 700 m左右, 施工困难, 且存在副井井筒装备期间不能施工等缺点, 工期较长, 投资较高; (2) 3条采区上山均为下山掘进, 条件相对较差; (3) 初期辅助运输存在反向运输, 运输费用较高。
3 方案比较
方案1、2各有优势, 可从3个方面作比较:
(1) 投资方面:方案1投资最省, 方案2比方案1投资约多3 277万元;
(2) 工期方面:方案1比方案2少3个月左右;
(3) 技术方面:方案1在排水、后期运输方面都弱于方案2, 但初期基本没有区别。具体如表1所示。
经以上分析比较, 设计从外部建设条件、工业场地压煤量 (考虑后期工业场地的可扩展性) 、投资、工期等方面综合考虑, 推荐方案1。
4 结论
随着我国西部大开发, 能源基地的转移, 宁夏地区作为能源基地重点开发区域, 越来越多的新矿井存在单倾斜、缓倾角、多煤层群开采问题。因此, 研究该类煤层赋存条件下开拓巷道布置设计优化, 对矿井能够在建设和生产中提高运输效率、减少投资、缩短工期方面具有重要意义, 也可为同类矿井生产建设提供参考。
摘要：针对宁夏红一煤矿单倾斜缓倾角多煤层群煤层赋存条件, 分析了可采煤层间距、可采厚度以及井筒穿过的基岩情况, 通过对井田开拓巷道进行了技术经济分析比较。研究分析结果实现了开拓巷道工程量少, 系统简单、投资少、缩短建设工期, 并节省了生产提升运输费用等。
薄煤层群 篇6
神华乌海能源有限公司地处内蒙古自治区西部乌海市, 2011年底, 煤炭保有储量22.37亿t, 剩余可采储量8亿t, 所属煤矿原设计生产能力1 290万t/a, 总生产能力1 940万t/a。乌海能源公司下属高瓦斯矿井的9#和10#煤层层间距在3.5 m左右, 这两个煤层相对瓦斯含量均达到8 m3/t左右, 局部区域达到了11 m3/t左右, 属近距离高瓦斯煤层群[1], 先行开采上覆的9#煤层。由于这两个煤层距离近, 9#煤层开采时, 除本煤层瓦斯涌出外, 其上覆煤层及下伏的10#等煤层会有大量的卸压瓦斯涌到9#煤层工作面, 经常造成9#煤层工作面瓦斯超限, 给9#煤层工作面安全生产带来隐患。
针对乌海能源公司近距离高瓦斯煤层群的特点, 通过对9#煤层开采底板破裂规律[2,3]、9#煤层开采顶板三带数值模拟、9#煤层开采时工作面瓦斯涌出等的分析和研究, 提出了以9#煤层采前定向长钻孔区域预抽、10#煤层卸压抽采、顶板走向高位水平长钻孔抽采、10#煤层工作面顺槽上向钻孔抽采以及采空区埋长短双管抽采的立体瓦斯治理技术方案, 该方案通过现场实践和应用, 有效治理了9#煤层开采瓦斯涌出问题, 未出现瓦斯超限等给矿井安全生产带来隐患的情况, 该套瓦斯治理技术可为其他类似地质及瓦斯赋存条件下的矿井瓦斯治理提供参考。
2 9#煤层开采底板破坏裂隙规律分析
9#煤层开采时在工作面前后的4个应力区带中, 由岩层移动造成了4个不同的裂隙发育区, 沿着采面推进方向上瓦斯渗流能力的变化分为:原始渗流区 (原始应力区) →渗流减速减量区 (压缩区) →渗流急剧增速增量区 (卸压膨胀陡变区) →渗流平稳增速增量区 (卸压膨胀平稳区) , 卸压膨胀陡变区和卸压膨胀平稳区统称为膨胀区。9#煤层开采时底板应力与破坏裂隙分布规律如图1所示。
如图1所示, 煤层底板在煤柱区应力一直处于上升 (增压) 状态, 底板煤岩体处于压缩状态;而在采空区下方底板应力总是处于下降 (卸压) 状态, 底板煤岩体处于膨胀状态。也就是说正常回采阶段底板煤岩体总处于增压 (压缩区) →卸压 (膨胀区) →恢复阶段 (实压区) , 且随着工作面推进而重复出现, 在压缩区与膨胀区的交界处, 底板岩体容易产生剪切变形而发生剪切破坏;处于膨胀状态的底板岩体则容易产生离层裂隙及破断裂隙, 所以, 岩体在煤柱边缘区内最容易产生裂隙并发生破坏。煤层底板受开采矿压作用, 岩层连续受到周期性破坏, 其底板导气性也发生明显变化, 下部卸压瓦斯将沿着裂隙通过扩散和渗流的方式进入上部采掘作业空间。对于近距离煤层群上覆煤层开采条件下自开采煤层底板至下部煤层的最深裂隙称为“底板导气裂隙带”。由于“底板导气裂隙带”的存在, 下部煤层的透气性将成百上千倍地提高。
3 9#煤层开采顶板三带数值模拟分析
运用ANSYS大型有限元软件, 对乌海能源公司9#煤层工作面开采时顶板三带高度进行了数值模拟分析。9#煤层工作面推进时, 上覆顶板岩层由下往上移动的岩层分为垮落带、断裂带、整体弯曲下沉带。岩石的破坏分为压破坏、拉破坏或剪破坏, 用应力的角度可从最大主应力、最小主应力及剪应力变化判断上述三带的范围。乌海能源公司9#煤层垮落带最大高度约为8.7 m, 裂隙带最大高度约为25.9 m, 其上覆岩属整体弯曲下沉带。
4 9#煤层工作面瓦斯来源分析
在9#煤层开采时, 除煤层瓦斯涌出外, 还有上覆煤层及下伏的10#等煤层的大量卸压瓦斯涌到9#煤层回采工作面, 如图2所示。
由于瓦斯较之空气轻, 其密度约为空气密度的0.55倍, 瓦斯上浮时在采空区、工作面或裂隙带内的向上运动, 造成工作面上隅角瓦斯超限。9#煤层工作面上隅角瓦斯多次超限就是邻近层卸压瓦斯涌到采空区的瓦斯积聚区, 然后经漏入采空区的微弱风流带入回采工作面, 在回采工作面与回风巷交界处形成一片高浓度瓦斯积聚的区域 (上隅角瓦斯积聚区域) 的结果[4,5]。
5 近距离高瓦斯煤层群立体瓦斯治理
根据9#煤层开采底板破裂规律、9#煤层开采顶板三带数值模拟、9#煤层开采时工作面瓦斯涌出分析的分析和研究结果, 结合乌海能源公司瓦斯治理装备配备情况, 提出了以9#煤层采前定向长钻孔区域预抽、10#煤层卸压抽采、顶板走向高位水平长钻孔抽采、10#煤层工作面顺槽上向钻孔抽采以及采空区埋长短双管抽采的立体瓦斯治理方案。
5.1 9#煤层工作面采前走向顺层长钻孔预抽
为了减少9#煤层在回采期间瓦斯涌出量, 采用定向钻机施工分段走向顺层长钻孔对9#煤层工作面区域进行预抽, 钻孔孔径为93 mm, 钻孔间距为20 m。
具体方案为: (1) 首先在工作面下顺槽巷道开口位置施工走向顺层钻孔, 设计3个钻孔, 孔底间距为15 m, 其中1个钻孔位于顺槽中部, 其余2个钻孔位于巷道的上帮和下帮区域;施工完上述3个钻孔后, 再施工工作面区域内的走向顺层钻孔, 如图3所示。 (2) 由于下顺槽加强了抽采, 等下顺槽区域抽采达标后, 就先行掘进下顺槽, 第一分段顺槽掘进到位后, 第二分段抽采钻孔布置示意图如图4所示。
5.2 10#煤层卸压拦截抽采
根据瓦斯涌出量计算, 9#煤层回采时, 工作面瓦斯涌出有60%以上来自10#煤层卸压瓦斯, 因此, 在9#煤层回采工作面的运输顺槽, 布置2～3个钻场, 利用千米钻机施工10#煤层的走向顺层长钻孔, 对10#煤层的卸压瓦斯进行拦截抽采, 钻孔布置如图5所示。
5.3 9#煤层回采面顶板走向高位长钻孔抽采
根据近距离煤层群煤层的特点、顶底板岩性、工作面回采高度、数值模拟确定9#煤层工作面上覆岩层三带高度以及类似工作面高位钻孔应用的经验, 利用定向钻进技术, 施工高位水平长钻孔, 抽采9#煤层采空区瓦斯。钻孔层位位于9#煤层工作面顶板裂隙带内, 共布置2～3组不同层位的钻孔, 每组2～3个钻孔, 钻孔控制到与回采工作面距回风巷30～45 m的位置。
5.4 10#煤层工作面上、下顺槽上向钻孔抽采
由于10#煤层工作面上覆采空区内积聚有大量瓦斯, 为了避免回采时9#煤层采空区瓦斯回流到10#采掘工作面, 影响安全生产, 在10#煤层工作面上、下掘进顺槽内, 紧跟10#煤层掘进头, 每隔20 m做一钻场, 每个钻场内向上部采空区施工2个钻孔, 孔深一般在6 m, 其中1#钻孔与运输巷进风方向夹角为135°, 2#钻孔与运输巷进风方向夹角为45°, 每个钻场中的2个钻孔开孔位置不小于1 m, 如图6所示。
5.5 回采面上隅角埋管抽采
由于9#煤层回采期间瓦斯涌出量大, 乌海能源公司创新性地在9#煤层工作面回风巷上侧内敷设长短两趟抽采管, 管径均为219 mm, 随着工作面推进, 一趟探抽采管管口保持伸入采空区不超过30 m, 另外一趟探抽采管管口保持伸入采空区不超过6 m, 将采空区瓦斯抽出。
在10#煤层工作面回风巷内 (靠上侧) 敷设抽采管 (抽采管前端兼作埋管) , 管径设计为219 mm, 随着工作面推进, 抽采管管口保持伸入采空区不超过30 m, 将采空区瓦斯抽出。
6 结语
在对9#煤层开采底板破裂规律、9#煤层开采顶板三带数值模拟、9#煤层开采时工作面瓦斯涌出进行分析和研究基础上, 根据分析和研究结果, 提出以9#煤层采前定向长钻孔区域预抽、下伏10#煤层卸压拦截抽采、9#煤层回采期间顶板走向高位水平长钻孔抽采、10#煤层工作面顺槽上向钻孔抽采以及采空区埋长短双管抽采的立体瓦斯治理技术方案。该方案能够有效解决乌海能源公司近距离高瓦斯煤层群开采时瓦斯涌出问题, 保证了9#煤层回采工作面和10#煤层回采工作在正常通风情况下, 回风瓦斯体积分数保持在0.3%左右, 上隅角瓦斯体积分数保持在0.45%左右, 并且未出现瓦斯超限等异常情况。
乌海能源公司摸索成熟的近距离高瓦斯煤层群开采瓦斯治理技术, 为其下属的各高瓦斯矿井安全高产高效提供了技术支持, 同时也为其他类似矿井的瓦斯治理提供了参考。
参考文献
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[2]于不凡, 王佑安.煤矿瓦斯灾害防治及利用技术手册[M].北京:煤炭工业出版社, 2000
[3]翟成.近距离煤层群采动裂隙场与瓦斯流动场耦合规律及防治技术研究[D].徐州:中国矿业大学, 2008
[4]程建圣.高瓦斯矿井近煤层群综采工作面上隅角瓦斯治理[J].矿业安全与环保, 2011 (1)
薄煤层群 篇7
新发煤矿随着矿井向西部 (西三采区) 及矿井深部开拓, 矿井瓦斯鉴定等级不断升级。 (1997年投产至2010年矿井瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井, 2011年至2012年鉴定为高瓦斯矿井, 2013年鉴定为突出矿井) 防突工作便成了新形势下的重中之重, 而治理的关键在于抽排系统的优化设计。西三36A右一采面采取顺层钻孔预抽及高抽巷、高位水平钻孔、仰角钻孔、尾排巷等综合治理措施, 已经回采结束, 经过对36A右一面瓦斯治理效果评价, 摸清了瓦斯来源及构成和初步确定了三带高度。为我矿下一步瓦斯治理建立新格局。
1 36A右一工作面自然概况:
该面煤厚度1.6m~2.0m, 平均厚1.8m, 顶板、底板均为细砂岩, 煤层呈单倾斜赋存状态。该采面地质储量15.1万t, 可采储量13.6万t。该面走向长480m, 倾斜长155m, 煤层平均倾角21°;工作面绝对瓦斯涌出量为15m3/min。相对瓦斯涌出量为7.14 m3/t。
2 36A右一工作面瓦斯治理方案
36A右一工作面采取了高抽巷、高位水平钻、仰角钻孔、尾排巷、本煤层孔等瓦斯综合治理工程。
3 抽采效果分析
3.1 西三36A右一面本层钻孔抽放效果分析
西三36A右一面由于该煤层瓦斯压力指标经测定超过突出规定指标, 因此对该面开采前, 采取顺层钻孔预抽煤层瓦斯。必须保证抽放时间, 预抽时间达到9个月以上, 其中上巷施工82个钻孔, 下行施工83个长钻孔, 然后按照规定进行效果检验。采取直接测定瓦斯压力或瓦斯含量的方法, 检验孔的残余瓦斯压力为0.2MPa, W为3 m3/t, 均小于规定的0.74MPa或瓦斯含量小于8m3/t, 预抽防突效果非常好。预抽瓦斯量为74.89万m3。
3.2 高抽巷治理工程的抽放效果分析
本高抽巷施工长度480m, 距工作面煤层顶板为12倍, 即22m。煤层顶板育裂后, 伴随回采推进, 抽放效果初期不明显, 直到七个月后抽放效果明显上涨, 抽放瓦斯浓度最高达到35%, 而此时上巷所有布置的仰角钻场、高位钻场已经全部废弃。原因: (1) 在回采过程当中, 本煤层涌出的瓦斯绝大多被仰角钻孔和高位钻孔节流, 导致高抽巷失去作用。启示:在解决回采过程中涌入卸压区裂隙带中的高浓度瓦斯, 采取合理的高位钻孔和仰角钻孔的治理工程完全可以解决; (2) 从剖面图上分析, 瓦斯主要来源于下邻近层29#的瓦斯。
3.3 仰角钻孔及高位水平抽放钻孔在实际抽放当中的数据分析
在工作面上方向采空区方向顶板施工钻孔, 钻孔应打在顶板裂隙带中, 随开采层工作面的推进, 老顶冒落瓦斯逐渐增加, 通过顶板裂隙抽放瓦斯, 根据实际观测计算分析, 钻孔终孔高度为24m~29m时, 终孔距上巷下帮水平距离10m~40m时, 钻孔效果最佳, 抽放浓度一般在30%以上, 最大达到50%左右, 故钻孔布置在高瓦斯浓度富集区。
根据本工作面地质基本情况,
由此, 可以确定瓦斯富集区裂隙带高度为24m~29m区间内。
3.4 36A右一面抽放量分析
瓦斯抽放来源构成主要来自本煤层和回采过程中邻近层的卸压瓦斯, 其中本煤层瓦斯约占瓦斯总量的20%~30%, 邻近层瓦斯约占瓦斯总量的70%~80%, 即主要是下邻近层29#的瓦斯。
4 结论
(1) 由于该工作面施工了高抽巷, 高位水平钻孔, 仰角钻孔, 本层预抽, 并且又设计了尾排巷, 边界尾排巷等治理工程措施, 在开采本煤层期间, 回风瓦斯始终在0.3%, 工作面回风在0.3%, 上转角在0.3%, 尾排巷瓦斯浓度在0.5%~0.6%, 为此, 保证36A右一面安全回采。
(2) 在回采过程当中, 高抽巷抽放量小主要原因是:涌入上邻近层裂隙带的瓦斯绝大多数被仰角钻孔和高位钻孔抽采, 因此, 今后采取合理的高位钻孔和仰角钻孔的治理工程, 完全可以治理回采过程中涌入卸压区裂隙带中的高浓度瓦斯。
(3) 对于采取顺层钻孔预抽9个月以上, 抽采达标。
(4) 瓦斯抽放来源构成主要来自本煤层和回采过程中邻近层的卸压瓦斯, 其中本煤层瓦斯约占瓦斯总量的20%~30%, 邻近层瓦斯约占瓦斯总量的70%~80%, 即主要是下邻近层29#的瓦斯。
参考文献
[1]程远平, 等.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报, 2009, 02.
[2]付建华, 程远平.中国煤矿煤与瓦斯突出现状及防治对策[J].采矿与安全工程学报, 2007, 03.