煤与瓦斯共采

煤与瓦斯共采（共3篇）

煤与瓦斯共采 篇1

摘要：煤与瓦斯共采技术可有效降低瓦斯爆炸和瓦斯突出的发生, 但煤与瓦斯共采理论和技术还不太成熟。因此, 通过加强煤与瓦斯共采技术的研究与应用, 不仅可以实现矿井安全生产, 还可以很好地利用煤层气资源。

关键词：煤层瓦斯,瓦斯抽放,卸压区,煤与瓦斯共采

0 引言

煤层瓦斯, 又称为煤层气, 是由煤层产生的, 又赋存在煤层中的气体。一旦瓦斯冒出超过一定浓度, 可能引起瓦斯爆炸等灾害, 造成人员伤亡。随着煤炭开采深度不断增加, 受上覆岩层围岩压力的作用日渐增强, 瓦斯突出事故不断发生, 严重影响煤矿的发展。另外, 瓦斯又是一种高效、清洁的可燃气体, 它的发热量在35 MJ/m3左右, 并且燃烧不产生有毒气体, 不污染环境。采用煤与瓦斯共采策略, 不仅可以控制瓦斯引起的矿难事故, 而且可合理地利用煤层气能源, 给煤矿带来经济效益, 这就要求科研工作者为之奋斗[1]。

1 煤与瓦斯共采技术现状

在20世纪50年代, 中国煤矿就开始研究瓦斯抽放技术, 其中阳泉和抚顺煤矿对瓦斯的抽放量较大, 但瓦斯抽放率只有不到20%。在20世纪60年代—70年代, 高瓦斯矿井抽放的瓦斯开始在人们生活或小型企业使用。在抚顺龙凤矿、阳泉矿等进行地面瓦斯抽放技术研究和利用, 但效果一般。在20世纪80年代初期, 针对煤层瓦斯相关资料分析和探究。“六五”期间, 煤炭、石油等行业成为国家重点科技攻关项目, 对煤矿瓦斯资源的开采进行初步的理论和区域性测评。中国“七五”期间, 煤炭行业设立了“中国煤层CH4的富集条件及资源评价”专题, 对煤矿CH4资源初步了解。“八五”期间, 煤炭局设立了“有利区块煤层吸附气开发研究”专题, 将应对煤层瓦斯的重点转向对其开发的工艺研究上。“九五”期间, 煤炭部设立了“煤层气选区评价与配套工艺技术”“新集浅层煤层气示范开发成套工艺技术及专用装备研究”等专题, 对煤层气资源分布基本明确, 对煤层气储层较丰富的地区进行研究。但是, 由于中国煤层地质较复杂, 具有构造较多, 瓦斯含量较高, 瓦斯压力低, 瓦斯渗透率低的特点, 致使瓦斯地面开发技术不能很好解决高瓦斯问题。随着科技的不断前进, 煤矿瓦斯抽放技术越来越多, 列举如下, 卸压瓦斯钻孔抽取、掘前预抽、采后抽取、边掘边抽及开采层、邻近层、采空区瓦斯抽取等措施。这些技术措施都将瓦斯抽采与煤矿开采阶段紧密联系在一起, 由此, 合理地将瓦斯抽采与地面煤层气开发结合在一起, 成为当前重点研究的项目之一。[2]

2 煤与瓦斯共采技术的理论基础

由于中国煤矿地质特征较为复杂, 形成煤层之后要经历巨大的岩层运动及构造运动, 煤层产生裂隙, 结构遭到破坏, 产生较大的塑变, 形成了具有低透气性的高可塑性结构, 对这种结构进行打钻孔较为困难, 采用水力压裂方法, 采气效果一般。煤层渗透率较低, 导致煤层气地面开发很困难, 煤层普遍渗透率在0.1×10-6μm2~1×10-6μm2, 渗透率好的开滦、柳林等也只有0.1×10-3μm2~1.0×10-3μm2。因此, 中国煤层气开采主要是井下的抽采, 在开掘工作面时, 利用采动引起的围岩压力变化, 对煤层采用钻孔等技术, 将煤层瓦斯抽出来。与此相配的各种研究还有, 不断提高煤层渗透率的技术和不断完善钻孔技术, 不断提高煤层气的纯度, 探究煤炭开采与瓦斯抽采的配套工艺及抽取的煤层气及时利用技术, 这样形成的产业链, 可实现煤与瓦斯共采。从采场累积的经验知道, 使煤层周围应力发生变化时, 原始的渗透率就会改变。采用钻孔技术, 对煤层进行局部卸压, 可大大提升其周围煤层的渗透率;受采动影响的煤层, 煤层产生的裂缝, 也会使得渗透系数增大, 由此, 要合理布置钻孔位置, 加速煤层渗流速度, 使得瓦斯涌出量增大, 实现瓦斯抽放高效。

3 煤与瓦斯共采要解决的关键问题

3.1 深入的理论研究

为实现煤与瓦斯共采合理有效进行, 煤炭企业各技术人员采取很多实验研究和工程应用, 然而煤与瓦斯共采的理论研究, 还停留在采动引起的卸压场和裂隙场增大煤岩体的渗透系数的基础理论。要想实现煤与瓦斯共采合理化, 就要求理论与实践同步改进, 这就需要从理论上解决以下主要问题[3]。

3.1.1 研究采动裂隙场的透气规律

采动影响煤层岩体的结构, 使其产生裂缝。现今很多企业领导都重视对采动卸压场和裂隙场范围的研究, 取得了很好成果, 并汲取了诸多经验。这对于掌握受采动影响围岩变化规律及在裂隙场卸压后, 瓦斯的抽放具有指导性意义。但是对于裂隙的破裂程度及分布范围研究还处于不成熟阶段。瓦斯在裂隙场内渗透性等及解吸、扩散、渗流等规律还应该继续研究。

3.1.2 瓦斯浓度分布规律研究

准确掌握煤层瓦斯浓度的分布情况, 对提高瓦斯抽放的纯度及瓦斯抽放量的增大有理论指导作用。掌握高浓度瓦斯分布范围, 合理布置瓦斯抽放工艺, 可提升瓦斯生产效率, 增长经济效益。如今需要研究的有采空区、上覆岩层裂隙场内、卸压带等地带的瓦斯浓度分布, 在工作面风量发生变化时, 瓦斯渗流发生的动态变化规律。

3.1.3 瓦斯抽放时的流动规律

在煤层瓦斯抽放阶段煤岩体的透气性也发生变化。现主要研究煤岩体产生裂隙区与煤层气之间“固气”耦合相互作用规律及在采空区和裂隙场内, 采用不同压力对瓦斯气体抽采过程中气体流动规律, 采用大量试验及现场积累的经验, 研究原始煤体、卸压带与裂隙带内瓦斯抽放过程中, 煤岩体应力变化和渗透系数变化等。

3.2 增加和稳定抽放的瓦斯浓度

瓦斯抽放浓度大小与煤层中的渗透系数有关, 原始煤体本身含有的瓦斯浓度很高, 但由于本身的渗透性较低, 预测抽取瓦斯体积分数占原始煤体体积的30%以上, 实际抽取过程却很困难, 抽取瓦斯只占有储层量的25%左右, 煤层中还有大部分很难被抽取。在上覆岩层裂隙带抽放的瓦斯体积分数较大, 一般在20%以上, 而且浓度较高, 可以进行利用。在煤层卸压带内和采空区, 由于煤岩体的破坏, 直接顶的垮落, 有空气混入瓦斯气体中, 抽出的瓦斯体积分数不足20%, 这部分瓦斯气体还需要经过进一步研究才能被利用。

3.3 低浓度瓦斯处理

在采空区和卸压带内抽采的瓦斯气体, 瓦斯浓度达不到可以利用的浓度, 需要进行提纯等措施处理, 然后才能被利用。在原始煤层中预抽和高位裂隙带内抽出的瓦斯浓度达到可利用的要求, 但是这部分瓦斯只占瓦斯总量的不到50%, 所以需要对低浓度瓦斯处理。

4 煤与瓦斯共采技术研究方向

煤与瓦斯共采技术可以大大降低瓦斯的危害, 实现煤矿绿色开采, 它的重要途径就是将瓦斯抽采出来。随着煤层工作面的推进, 引起围岩应力发生变化, 对煤层瓦斯压力增大, 瓦斯突出发生孔裂隙增大, 瓦斯解吸速度增快。参考煤层关键层理论煤与瓦斯突出的流变机理等, 配合采动引起围岩运动规律, 有效对煤层瓦斯抽放, 是煤与瓦斯共采的关键技术问题。

5 结语

煤层瓦斯威胁着煤矿的安全生产, 但同时它也是一种很好的清洁能源, 采用煤与瓦斯共采策略, 也是煤矿实现绿色开采的重要环节。煤与瓦斯共采技术的研究过程中, 侧重于实践而忽视理论的研究, 使得理论赶不上实践, 由此必须加大井下煤与瓦斯共采技术的理论研究, 尤其是卸压过程中, 围岩应力变化和渗透性改变相关理论问题, 是实现煤与瓦斯共采的关键问题。

参考文献

[1]李树刚, 李生彩, 林海飞, 等.卸压瓦斯抽取及煤与瓦斯共采技术研究[J].西安科技学院学报, 2002, 22 (3) :247-249.

[2]钱超.煤炭资源绿色开采——煤与瓦斯共采技术[J].山东煤炭科技, 2013 (4) :215-216.

[3]姜海鹏, 王术睿, 高亚斌, 等.浅析煤与瓦斯共采技术[J].山西焦煤科技, 2010 (7) :47-50.

煤与瓦斯共采技术及应用 篇2

关键词：瓦斯,煤与瓦斯共采,煤矿安全

煤层气是天然气的一种, 为非常规天然气, 赋存于煤层中, 是煤化过程中产生的气体, 主要成分是甲烷, 占80%~90%左右, 一般组分包括CO2、CO、O2、N2、H2S、NOx等气体, 又可称瓦斯。瓦斯与煤共存, 是煤的伴生产物, 作为一种宝贵的不可再生能源如果不加以利用, 不仅影响煤矿安全, 导致重大灾害的发生, 还会造成大气污染。瓦斯在我国储量极大, 相当于天然气的总储量。煤与瓦斯共采是煤炭资源开采的必然途径, 不仅能提升煤矿生产水平保证安全生产, 还能优化我国能源结构、减少温室气体的排放, 对煤矿及资源的有效利用有着十分重要的意义。

由于受到煤田地质及构造等条件的影响, 要想实现煤与瓦斯共采仍存在诸多难题。因此, 为了促进煤与瓦斯共采技术的健康发展, 形成较为先进的基础理论体系, 五虎山煤矿投入了较大的人力和物力, 为煤矿科学开采和安全生产保驾护航。

1 煤与瓦斯共采基本原理

煤矿在进行开采作业时, 开采本煤层会引起周围覆岩的移动, 不仅导致本煤层的原始应力场改变, 在本煤层的不同区域内产生应力集中带和卸压带, 而且导致本煤层的周围覆岩发生膨胀变形或破坏, 形成穿层竖向破断裂隙和岩层离层裂隙, 还会导致本煤层周围一定范围内的覆岩发生应力场变化, 造成邻近煤层采动卸压瓦斯涌出, 从而产生卸压增透增流的效应。

为了能够使本煤层工作面的瓦斯抽采效果满足设计要求, 保证矿井安全高效生产, 应严格控制邻近煤层卸压的瓦斯向本煤层工作面流动, 必须采取相应的措施使邻近煤层的瓦斯含量降低, 从而实现邻近煤层工作面的安全。所以, 应根据不同煤层及区域应力约束条件下煤体瓦斯吸附、解吸、扩散条件, 选用切实可靠的瓦斯抽采方法使得邻近煤层和本煤层的瓦斯卸压, 满足安全要求。

高瓦斯矿井进行采掘作业过程中, 为保证矿井的安全, 应根据煤层地质、煤层围岩特性、瓦斯赋存条件、瓦斯的来源和回采工艺等因素的影响, 确定瓦斯抽采方法, 并组织专家进行技术方案论证, 在采用单一瓦斯抽采方法无法解决问题时, 应择优选定几种抽采方法进行有机组合, 然后对煤层中的瓦斯进行综合抽采, 使得煤矿瓦斯的抽采实现最大化, 抽采效果能保证煤层进行安全采掘作业, 工作面采前、采中、采后各阶段的瓦斯抽采满足设计、安全等要求, 实现高瓦斯突出矿井的安全高效生产。

2 煤与瓦斯共采的作用

综合瓦斯抽采方法就是根据矿井瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置等因素在采前预抽煤层瓦斯、采中边采边抽和采后抽放瓦斯等多种抽采方法有机组合进行煤层瓦斯抽采的方法。主要用矿井总回风瓦斯浓度及矿井瓦斯抽采率两项指标来衡量综合抽采效果。

通过采前预抽采将煤层瓦斯压力降至始突深度处, 瓦斯压力或含量降至始突深度处瓦斯含量, 并测定邻近层瓦斯抽采率, 若临近煤层瓦斯抽采率未知, 则需要将煤层瓦斯压力降至0.74MPa或8m3/t以下的无危险突出区域, 消除煤层的突出危险性。

在采前区域性瓦斯预抽采的基础上, 工作面开采过程中, 通过开展瓦斯抽放、增加工作面的通风量、顺层钻孔瓦斯抽采、采空区埋管抽采等方式抽采瓦斯, 抽采中通过测定开采煤层可解吸瓦斯含量来衡量采中抽采效果, 确保上隅角瓦斯浓度可控不超限。

在工作面开采完成后, 现实工作中对采后抽采无明确要求, 对废弃采空区或巷道能封闭的一般都打密闭, 不能封闭的应加强对采空区的通风管理, 预防瓦斯积聚, 对抽采出的瓦斯尽可能进行综合利用, 以满足采掘最低瓦斯浓度为目标, 通过采取分阶段、分区域的瓦斯综合治理措施实现矿井瓦斯抽采的最大化, 确保矿井瓦斯不超限、煤矿安全开采。

3 煤与瓦斯共采的应用实例

五虎山井田地处内蒙古乌海市乌达区境内, 隶属贺兰山北部煤田, 是乌达矿区的一部分, 主要煤系地层为下迭系山西组和上石炭系太原组, 现开采以及未开采的可开采煤层为9#、10#、12#、13#、15#、16#、17#, 采矿许可证规定的生产规模为150万t, 矿井实际核定生产能力2Mt, 矿井瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井, 瓦斯的绝对涌出量为87.62m3/min, 其相对涌出量为38.59m3/t, 本论文现以9#煤层 (开采厚度1.19m-4.61m, 平均厚度3.26m) 为例, 进行分析。

3.1 开采层的瓦斯抽采

对采煤层本层的瓦斯抽采就是开采层瓦斯抽采。对于9#煤层来说, 根据五虎山煤矿实际情况, 应用采前抽采与采中抽采相结合的方法, 在回采工作面的顺槽, 打瓦斯抽采钻孔。采前抽采能够降低开采煤层瓦斯的压力与含量, 避免发生煤与瓦斯突出的危害。采中抽采能够确保工作面正常开采安全, 采用不同的通风方式抽采方法也不同。对于U型通风的工作面, 可以采用采空区插管抽采法、地面钻井抽采法、采空区埋管抽采法、顶板走向穿层钻孔抽采法等抽采方法;对于Y型通风的工作面, 可以采用地面钻井抽采法、沿空留巷埋管抽采法、沿空留巷穿层钻孔抽采法等抽采方法。

9#煤层在905布置钻场, 每个钻场打3个钻孔, 孔口的间距为0.7m, 距离底板的高度为1.5m。9#煤层的倾角一般为7°~8°, 钻孔平行于煤层顶、底板。钻孔呈扇形布置, 其开孔直径11.4cm, 终孔直径9.4cm, 开孔的孔深为6m, 每个钻孔的深度为160m。钻孔方位角的布置为:左孔262°19'39″、中孔264°33'13″、右孔266°46'47″。采用此种方式布置的钻孔, 打到设计要求的深度时, 两个孔相邻的孔底距约为69.2cm。对于打好的抽采钻孔, 一般采用聚氨酯进行封孔, 封孔深度为6m, 其中封孔管顶端封为1m, 钻孔孔口往里0.2m处封1m, 封孔管一般采用Φ25mm的PE管, 各钻孔连接到Φ100mm管上, 最后连接到采区支路管上, 经干路主管到达地面瓦斯泵房。

3.2 采空区的瓦斯抽采

对采空区以及顶部裂隙内的卸压解吸瓦斯进行抽采就是采后抽采, 主要作用一方面是为了提高矿井瓦斯的抽采率, 另一方面可以提高矿井瓦斯的利用量。根据五虎山的实际情况, 采用半封闭插管抽放法和采空区埋管抽放放丢煤和下邻近层涌出解吸的瓦斯。埋管法主要就是在沿回采工作面处的回风巷上帮, 敷设一条一端具有孔眼的瓦斯管路, 并且随着工作面的推进, 瓦斯管路的一端会逐渐埋入采空区, 进行采空区瓦斯抽放, 瓦斯管路每隔一定的距离设置一三通, 并且可以开闭, 埋管的有效长度一般为20m~50m, 最后连接到支路管上, 到达地面瓦斯泵房。

4 结论

在日常的煤矿开采活动中, 积累了丰富的煤与瓦斯共采工作经验, 并且在生产实践过程中反复应用, 使得五虎山矿井煤与瓦斯共采技术得到了逐步的完善、发展, 目前矿井瓦斯抽采量得到了大幅提高, 安全生产形势也得到了明显改善, 在减轻大气污染、减少温室气体排放, 以及保证煤矿安全生产方面取得了显著成绩。2009年瓦斯发电站建成并投入使用, 实现了年利用瓦斯800多万m3, 可以发电1800多万k Wh, 相当于节约标准煤7000多t, 可以减少二氧化碳排放量8万t, 取得了良好的经济效益。实现煤与瓦斯共采, 将煤层中的瓦斯作为资源加以利用, 变害为宝, 保证煤矿生产安全、绿色开采, 使煤炭工业能够健康可持续发展。

参考文献

[1]王剑光.煤矿瓦斯综合抽采技术及应用[J].煤矿安全, 2014, 40 (3) :111-115.

[2]王毅刚, 岳宗洪.贵州煤层气开采技术和综合利用的研究[J].中国矿业, 2010, 19 (7) :114-116.

[3]梁冰, 等.煤与瓦斯共采评价指标体系及评价模型的应用[J].煤炭学报, 2015, 40 (4) :728-735.

[4]唐爱东.煤矿瓦斯抽采技术研究及应用[J].中国煤层气, 2006, 3 (3) :37-39.

[5]谢和平, 等.我国煤与瓦斯共采:理论、技术与工程[J].煤炭学报, 2014, 39 (8) :1391-1397.

[6]赵光普.我国煤与瓦斯共采及钻井技术分析[J].煤矿现代化, 2013, 4:20-21.

[7]廖春奎, 梅甫定.中梁山煤矿瓦斯抽采技术及应用[J].河南理工大学学报, 2007, 26 (5) :493-497.

煤与瓦斯共采 篇3

关键词：厚煤层,综放工作面,煤与瓦斯共采,大直径长钻孔,瓦斯抽采

煤与瓦斯共采技术是当前提倡的绿色开采技术之一。瓦斯作为煤炭伴生能源进行开采既可提高矿井开采效益,又可一定程度上消除灾害隐患。我国煤与瓦斯共采的工程实践已初具规模,许多专家对这一热点问题进行了研究并取得相应的研究成果。如王家臣等认为利用采动卸压场与裂隙场实现煤与瓦斯共同开采是我国瓦斯能源开采的正确模式[1]。袁亮等以淮南矿区为试验基地,建立了卸压开采抽采瓦斯、煤与瓦斯共采技术体系[2,3,4]。谢和平等系统分析总结了我国煤与瓦斯共采基础理论与关键技术的研究现状与最新进展[5]。梁冰等建立了系统的煤与瓦斯共采多层次评价指标体系及模糊综合评判模型[6]。马念杰等以钻孔围岩“蝶形塑性区”理论模型为基础,研究了深部煤与瓦斯共采中的优质瓦斯通道及其构建方法[7]。大量的研究表明,实施煤与瓦斯共采,不仅能保障我国经济持续发展对能源的需求,还会进一步提升我国煤矿科学开采水平。

笔者针对山西马堡煤矿高瓦斯厚煤层综放工作面,在研究采场上覆岩层裂隙演化规律的基础上,采用大直径走向长钻孔,并配合常规顺层交叉钻孔及采空区插管等瓦斯抽采技术,解决了制约矿井安全高效生产的瓦斯难题,实现了煤与瓦斯共采。

1 工作面概况

马堡煤矿现开采8号、15号煤层。15号煤层位于太原组下段,煤厚3.63~7.35 m,平均厚4.81 m;上距12、13、14号煤层分别为33.53、24.56、13.56 m,下距16号煤层6.34 m;煤层瓦斯含量5.94~9.91 m3/t,煤层透气性系数1.11~1.46 m2/(MPa2·d),属高瓦斯厚煤层。

15108工作面位于15号煤层二采区,平均煤厚5 m,瓦斯含量8.24 m3/t。15108工作面长180 m,走向长1 627 m,采用综采放顶煤开采工艺,采高2.6 m,放煤高度2.4 m,全部垮落法控制顶板。直接顶由中粒砂岩、泥岩和砂质泥岩组成,总厚度10.5 m;老顶为石灰岩,岩性特征为深灰色,裂隙发育,致密坚硬,厚度为4.5 m。采用“U”型通风方式,工作面供风量为1 200 m3/min。

2 采场上覆岩层裂隙演化规律模拟

以马堡煤矿15108工作面为原型,采用UDEC软件,建立受覆盖岩层重力作用下的二维空间力学模型[8,9]。模型坐标系规定如下:x轴为煤层走向方向,y轴为竖直方向即重力方向。沿x轴方向长200 m,y轴方向长113 m,模型自下到上分为15组岩层,模型下部、左右两侧设定为位移边界条件,模型上部简化为均布载荷,顶部到地面高度为445 m,自重应力为11.125 MPa。

模型从x=40 m处开切眼,采高为5 m,工作面推进速度为每次10 m,共开挖12次,累计开采120 m。模型计算采用摩尔—库仑屈服准则。

图1为15108工作面采场上覆岩层裂隙演化分布图,可以看出,工作面的开挖导致采场围岩应力重新分布,在开挖10 m后,直接顶出现下沉现象,但由于直接顶有一定的强度并没有垮落,上部岩层裂隙不发育。在开挖20 m后,直接顶悬露面积超过自身允许强度,开始破断、垮落,出现离层裂隙和水平裂隙,此时老顶暴露面积较小,未出现明显的下沉。当开挖至40 m后(见图1(a)),老顶中部受弯拉破坏,开始破断,老顶初次垮落,上部岩层出现明显的离层,采空区中部裂隙最为发育。随着工作面继续推进,老顶周期性垮落,上覆岩层裂隙进一步扩展,当工作面推进到120 m后达到充分采动状态(见图1(b)),由于岩石的碎胀性,采空区基本被充满,上部覆岩离层较小,裂隙区高度约为56 m。

数值模拟结果显示,由于受采动的影响,采场覆岩在垂直方向可以形成垮落带、断裂带和弯曲下沉带。上覆岩层裂隙大量发育,大幅度提高了邻近煤岩体的透气性,形成瓦斯“解吸—扩散—渗流”的过程,为卸压瓦斯的抽采创造了条件。在开采初期,采空区中部裂隙最为发育,老顶初次破断后,受到上覆岩层的重力作用,采空区中部离层裂隙逐渐被压实,离层率下降,而两侧离层裂隙在煤柱的支撑作用下仍能保持。达到充分采动后,在距15号煤层顶板上方20~28 m区域,裂隙最为发育且相互导通,成为良好的瓦斯运移通道,形成瓦斯富集区[10,11,12,13,14]。卸压瓦斯抽采钻孔最好布置在此区域附近。

3 工作面瓦斯治理技术

3.1 瓦斯抽采方法

基于分源法预计15108工作面瓦斯相对涌出量为14.69 m3/t,绝对瓦斯涌出量为28.10 m3/min,其中本煤层瓦斯涌出量占工作面瓦斯涌出量的比例为46%,邻近层瓦斯涌出占54%。

1)本煤层交叉钻孔抽采:在15108运输巷、回风巷施工交叉钻孔预抽本煤层瓦斯,平行钻孔与巷道夹角为90°,孔深100 m,开孔高度为1.0 m;斜向钻孔与巷道夹角为75°,孔深110 m,开孔高度为1.5 m。平行钻孔与斜向钻孔开孔间距为2 m,孔径均为113 mm。抽采支管为Φ273 mm×5 mm螺旋焊缝钢管,抽采负压为36 k Pa。

2)大直径走向长钻孔抽采:在15108回风巷布置钻场,间距为400 m,钻孔有效搭接长度为20 m,钻场内布置5个钻孔,终孔间距15 m,根据数值模拟结果,钻孔的开口高度为21 m,终孔高度为27 m,水平控制范围60 m。采用2次扩孔,成孔直径为193 mm,抽采支管为Φ377 mm×5 mm螺旋焊缝钢管,抽采负压为28 k Pa。

3)采空区插管抽采:在15108回风巷上隅角采用插管进行采空区抽采,支管为Φ377 mm×5 mm螺旋焊缝钢管,抽采负压为28 k Pa。

3.2 抽采效果分析

大直径走向长钻孔抽采瓦斯浓度、瓦斯纯量随钻场与工作面距离的变化曲线见图2,可以看出,当工作面推进至距钻场400 m以外时,瓦斯浓度和纯量都处于较低状态;在400~363 m内,随着钻孔抽采有效长度的增加,瓦斯浓度和纯量迅速上升,瓦斯浓度由6.8%上升至35.0%,瓦斯纯量由1.8 m3/min上升至10.5 m3/min;在363~25 m内,大直径走向长钻孔保持了稳定良好的抽采效果,瓦斯浓度为34.2%~52.0%,平均为42.0%,瓦斯纯量为8.78~14.2 m3/min,平均为11.7 m3/min;随着工作面继续推进,由于下一组钻孔接替抽采,瓦斯浓度迅速下降。

工作面各抽采系统抽采瓦斯纯量和回风流瓦斯浓度变化曲线见图3,可以看出,15108工作面回采期间,邻近层瓦斯抽采效率较高,瓦斯抽采纯量为9.7~15.6 m3/min,平均为12.3 m3/min。由于大直径长钻孔的高效抽采,上邻近层向采空区涌出的瓦斯量大大减少,导致采空区插管抽采的瓦斯纯量大幅降低,实测采空区埋管抽采的平均瓦斯浓度为3.5%,平均瓦斯纯量为1.33 m3/min;通过大直径走向长钻孔和采空区插管的结合,可高效抽采断裂带内瓦斯富集区和采空区的瓦斯,有效控制瓦斯涌入采煤工作面和回风流中,工作面回风流中瓦斯浓度均在0.65%以下,瓦斯综合治理效果显著。由此可见,大直径长钻孔可以起到保证工作面的瓦斯抽采量,高效抽采卸压瓦斯,解决上隅角瓦斯超限的作用。

4 煤与瓦斯共采效果

15108工作面瓦斯抽采情况统计结果见图4,可以看出,工作面回采期间,瓦斯涌出总量为15.35~26.17 m3/min,平均为22.75 m3/min。其中,风排瓦斯量为4.73~7.37 m3/min,平均6.46 m3/min。工作面瓦斯抽采总纯量为8.20~19.64 m3/min,平均为16.3 m3/min,工作面瓦斯抽采率为53.4%~76.9%,平均为71.39%。工作面回采期间,以大直径走向长钻孔抽采卸压瓦斯为主,占抽采总量的67.5%。

从15108工作面的数据统计结果可以看出,15108工作面最大日进度3.6 m,最大日产量4 801 t,平均日进度2.6 m,回采215 d时,累计总进度553.4 m,累计生产原煤68.1万t,累计抽采瓦斯纯量505万m3,实现了煤与瓦斯共采及安全高效回采。

5 结论

1)利用UDEC软件,模拟了马堡煤矿综放工作面采场上覆岩层裂隙演化规律,得出在距15号煤层顶板上方20~28 m区域,裂隙最为发育且相互导通,成为良好的瓦斯运移通道,形成瓦斯富集区。

2)大直径走向长钻孔的现场应用结果表明,瓦斯抽采纯量最高达14.2 m3/min,瓦斯抽采量占总抽采量的67.5%。可实现断裂带卸压瓦斯的高效抽采,工作面回风流中瓦斯浓度在0.65%以下。