煤与煤层气共采（精选4篇）
煤与煤层气共采 篇1
摘要：针对马堡煤矿15108综放工作面瓦斯含量高、邻近层瓦斯涌出量大,以及工作面瓦斯易超限的难题,采用UDEC数值模拟方法,研究了综放工作面采场覆岩裂隙演化规律,确定出采空区瓦斯富集区。基于此,提出应用大直径走向长钻孔结合常规本煤层交叉钻孔、采空区插管等瓦斯抽采技术,现场实践结果表明:大直径走向长钻孔可实现断裂带卸压瓦斯的高效抽采,工作面瓦斯抽采率达71.39%,安全高效生产原煤68.1万t,累计抽采瓦斯505万m3,实现了煤与瓦斯的共采。
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。
3)采用大直径走向长钻孔配合常规顺层交叉钻孔及采空区插管等瓦斯抽采技术,工作面平均瓦斯抽采率达到71.39%,取得了显著的经济效益和社会效益。
煤与瓦斯共采技术探究 篇2
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
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[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.
煤与煤层气共采 篇3
1 煤与瓦斯共采中关于技术方面的现状及问题
1.1煤炭科学产能的制约因素分析
我国煤矿灾害频繁, 且分布相对较广, 在主要产煤国家之中, 我国开采条件与灾害都相对较差。同时, 由于地质构造复杂, 煤矿开采难度不断增大。就总体而言, 我国目前煤炭科学产能的制约因素主要在于深部煤炭开发的资源制约、安全高效生产能力制约、资源回收率制约、环境容量制约以及煤炭开发基地的西移导致的生态环境和长距离输送的制约。
1.2煤炭科学开采势在必行, 瓦斯治理任务艰巨
根据一些煤炭开采的实践可知, 依靠传统的瓦斯治理的方式, 引进一系列国外先进技术和在地面开采煤层气的方法都不能解决当下我们大部分矿区的问题。因此, 通过自主创新, 对煤炭进行科学开采已经成为当下势在必行的一种途径。尽管瓦斯治理任务艰巨, 但随着理念创新与技术进步, 利用低透气性高瓦斯煤层 (群) 煤层气的高效开采与利用技术, 建立低透气性煤层群无煤柱煤与瓦斯共采关键技术理论体系, 瓦斯治理任务想必一定能被完善解决。
2 理念创新引领煤矿瓦斯综合治理
2.1安全与生产的矛盾可以统一于先进生产力
根据马克思主义哲学矛盾论可知, 矛盾是可以相互转换并可以在一定条件下实现统一的。而在煤矿开采的实践之中, 煤矿的安全与高效生产并不是一对不可解决绝对对立的矛盾。随着技术的进步, 这两者是可以统一于先进生产力的。在先进技术的前提之下, 矿工的生命安全与煤炭产量的提高是可以同时实现的。
解决瓦斯难题的关键其实与解决安全与生产的矛盾一样, 同样是可以依靠提高生产力水平。通过不断钻研先进生产技术, 发展先进生产力, 将煤炭开采从劳动密集型转变成为技术密集型, 提高劳动力知识水平和相关开采素质, 科学高效管理, 就可以实现生命、资源和环境的同时保护, 从而有效治理瓦斯问题。
2.2可保必保、应抽尽抽
“可保必保”是指在煤与瓦斯共采中, 具备条件的必须开采首采卸压层;“应抽尽抽”是指必须要给卸压抽采充足的时间和空间。这两点是淮南矿区经过长期实践探索所得出的重要经验结论。同时, 就当下看来, 这也是对突出煤层进行治理的最有效最经济的一种方法, 有利于实现瓦斯抽采的效益最大化。
在采用这种方法之后, 低透气性高瓦斯煤层 (群) 瓦斯高效开采的难题也基本能够得到解决, 是一种极为便利高效的方法, 值得广泛地推广使用。
2.3治理瓦斯, 岩巷先行
岩巷主要是指为了采煤、通风等而开掘的通道, 其中采出的主要以岩石居多。在煤与瓦斯共采技术中, 岩巷是其中的重要的安全生产技术之一。此外, 由于瓦斯治理的需要, 打钻也是其中安全生产技术的一大要务。为治理瓦斯, 并实现瓦斯的治标与治本, 不断提高打钻和岩巷技术, 建设出一支先进一流的打钻和岩巷队伍, 并装备以一流的打钻和岩巷设备, 进行先进的打钻和岩巷管理都是极为重要的。
2.4瓦斯利用
瓦斯虽然是在我国煤矿开采过程中的重要灾害源头, 但同时也具有清洁、方便、高效等一系列特点, 是一种经济适用的可燃气体, 且不会存在环境污染等问题。通过开发利用瓦斯, 不但可以充分利用地下资源, 而且有利于改善当下矿井的安全条件, 提高经济效益, 在避免温室效应加强的同时, 有利于改善地方环境质量与全球环境质量, 从而实现国民经济可持续发展。因此, 在瓦斯治理与利用的过程中, 必须坚持煤与瓦斯共采技术, 将治理利用有机结合起来。
3 技术创新是实现煤与瓦斯共采的关键
3.1地质保障技术是煤与瓦斯共采的基础
在煤与瓦斯共采技术之中, 地质保障技术是其中基础技术。通过三维地震精细解释技术、井下综合物探技术、地测技术、防治水信息化及预警技术、地球化学识别技术、出水水源快速判别技术以及瓦斯地质等一系列关键性地质保障技术, 才能实现共采技术的安全性, 并在安全性的基础上实现煤与瓦斯共采的高效。
3.2低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术
高效瓦斯抽采需要的基本条件为持续稳定的高流量与高瓦斯浓度。因此, 为实现高效瓦斯抽采, 抽采钻孔应该在高瓦斯解析程度且高渗透率与高抽采瓦斯浓度的区域之中。但由于矿山岩层的移动理论, 需要运用应力转移原理, 从而将回采区的高应力用过一系列卸压措施进行转移, 从而降低区内应力, 实现顺利开采。这也就是卸压开采抽采的思路来源。
而在低透气性高瓦斯煤层群安全开采的技术解决过程中, 淮南矿区创造性地使用了卸压开采抽采瓦斯技术, 通过制造煤体松动卸压, 并采取卸压开采以增加每层透气性而抽采瓦斯的原理, 打破传统的自上而下的煤层开采顺序, 实现卸压开采抽采瓦斯。
其中, 低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术的主要成果为通过采空区的瓦斯涌出和流向环形裂隙圈的流动规律, 以及顶底板卸压带瓦斯顺层流向抽采钻孔的规律, 科学有效地确定瓦斯抽采岩巷的合理位置;同时, 在煤层群开采的条件之下, 通过率先开采关键卸压层, 将高瓦斯煤层抽采到低瓦斯状态下, 从而实现安全高效地开采, 在一定程度上达到世界先进的开采水平;此外, 通过实现高瓦斯回采工作面顶板抽采瓦斯技术, 有利于解决首采关键层的高瓦斯煤层对安全生产有所制约的问题, 从而提高煤与瓦斯的开采量, 将安全生产与产量高效有机结合起来;在以上优势成果之外, 低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术还有利于实现地面钻井抽采瓦斯, 从而形成井上下立体抽采格局, 有效促进煤与瓦斯共采技术的发展。
3.3无煤柱煤与瓦斯共采技术
虽然低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术在一定程度上取得了成功, 但由于其技术仍然存在瓦斯抽采巷道和钻孔的工程量相对较大等一系列问题, 淮南矿区于2004年再度创新, 提出并逐步实施了无煤柱煤与瓦斯共采技术。
无煤柱煤与瓦斯共采技术的主要技术思路主要如下所示:通过根据煤层群赋存的条件, 首先对关键卸压层进行开采, 沿着采空区边缘沿空留巷开始进行无煤柱连续开采, 并通过快速机械化构筑高强支撑体等一系列先进技术水平将回采巷道保留下来, 并将其用以替代顶底板瓦斯抽采岩巷, 使传统U型的通风方式转变成为Y型通风方式, 并将沿空留巷与综采工作面推进同时开采同步进行等一系列手段方式, 大大减少岩巷和钻孔工程量, 从而在解决低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术的问题的基础上实现煤与瓦斯安全高效共采, 促进生产力水平的提高。
通过无煤柱煤与瓦斯共采技术, 有利于实现低透气性高瓦斯矿井的安全高效开采, 并将一系列技术难题诸如深井高瓦斯、低渗透率以及高地应力等较为复杂的地质条件得到完善合计解决, 从而实现了经济效益与安全效果的显著完美的统一。
4总结
煤与瓦斯共采技术就目前看来是既解决煤炭开采过程之中的瓦斯灾害, 又促进瓦斯这类能源使用的一种较为先进的技术体系。结合可保必保、应抽尽抽、治理瓦斯, 岩巷先行等一系列理念的创新, 以及地质保障技术、低透气性煤层群卸压开采抽采瓦斯技术和无煤柱煤与瓦斯共采技术等先进技术的构想、产生与实施, 煤与瓦斯共采技术体系将会得有有效解决, 从而真正成为解决矿井瓦斯灾害与使用高效清洁的新型能源的有效途径之一。
参考文献
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[5]吴财芳, 等.煤与瓦斯共采技术的研究现状及其应用发展[J].中国矿业大学学报, 2004 (2) .
煤与煤层气共采 篇4
相关学者从地面煤层气抽采、井下开采前的抽采和煤层开采期间的抽采等方面入手,创造性地研究出了“煤层孔、采空区、高抽巷”的综合抽采模式[3]和“以采气保采煤,以采煤促采气,采气采煤协调发展”的采煤采气一体化模式[4,5,6,7,8],深化和丰富了煤气共采的基础理论,在工程实践中也获得了较好的效益。
但由于单一低透突出煤层透气性低,煤与瓦斯突出危险性大,导致煤气共采时存在着抽采工程延续时间过长、工艺衔接不紧凑、采气与采煤存在空间和时间上冲突等问题。因此,需要对单一低透突出煤层的煤气共采技术进行深入研究,从时间和空间上形成统一的煤与瓦斯共采技术和方法,确保瓦斯和煤炭资源的安全高效开采。
1 单一低透突出煤层煤气共采理论基础
1.1 单一低透突出煤层煤气共采的思路
瓦斯抽采的关键因素是煤层渗透率,而应力对煤岩体的渗透率有控制性作用。根据应力对煤岩体渗透率的影响特征,煤层瓦斯的抽采类型可以分为两大类:(1)未卸压煤层瓦斯抽采。在煤层原始渗透率条件下的瓦斯抽采,煤岩体为弹性变形,煤层的透气性主要受地应力、瓦斯压力和温度的影响,煤层的渗透率变化较小。(2)卸压煤层瓦斯抽采。利用采动应力影响下煤层渗透率发生巨大变化条件下的瓦斯抽采,受采动应力影响煤体产生塑性变形和松动,煤体的裂隙网络扩大与连通,煤层透气性急剧增加,从而使瓦斯的抽采量大大增加。因此,卸压煤层瓦斯抽采是瓦斯抽采的有效方法。
对于单一低透突出煤层来说,可通过采煤工作面开采造成应力重新分布导致煤层渗透率发生变化而针对性进行瓦斯抽采。
1.2 采煤工作面的应力及渗透率分布规律
研究表明,采煤工作面采场应力的分布如图1所示,从采空区向回采方向,可分为卸压稳定区(A)、应力降低区(B、C和部分D)、应力增高区(部分D和E)、原岩应力区(F)。从低渗透率的煤层中抽出瓦斯的区域就是充分利用好支撑应力影响区和应力降低区,在上述区域对煤体进行抽采,因此要研究D部分的应力降低区宽度。图1中D部分的应力降低区宽度满足下式[9]:
式中:a为D部分的应力降低区宽度;C、φ为岩层的黏聚力和内摩擦角;ξ=(1+sinφ)/(1-sinφ),为极限平衡条件系数;p0为原岩应力;n为应力集中系数;h为煤层厚度。
图1 回采工作面采场应力分布示意图
卸压稳定区为采空区,是瓦斯抽采的有利区域;应力降低区属于塑性应变区,该区内煤体发生了较大的不可逆变形,煤体渗透率有了较大的增加,也是瓦斯抽采的有利区域;应力增高区和原岩应力区煤体渗透率没有发生变化,属于渗透率极低区域,需要采用强化增透措施来提高瓦斯抽采效果。
1.3 单一低透突出煤层底抽巷煤气共采模式
底抽巷煤气共采模式要根据采煤工作面的应力及渗透性分布规律来确定:在单一突出煤层的底板掘进1条底板巷道,通过底板巷道分别向煤层不同区域施工抽采钻孔实现瓦斯的抽采,即在应力增高区和原岩应力区通过水力化措施从煤体中抽采瓦斯,在应力降低区和卸压稳定区直接抽采瓦斯。该煤气共采模式通过应力增高区和原岩应力区的水力化措施及时消除开采工作面前方的煤层突出危险性,又通过应力降低区和卸压稳定区的瓦斯抽采减少了回采期间绝对瓦斯涌出量,使得瓦斯抽采与采煤在空间和时间上相互协调、相互融合。单一低透突出煤层底抽巷煤气共采模式见图2。
图2 单一低透突出煤层底抽巷煤气共采模式
1)未卸压区穿层钻孔水力冲孔卸压增透消突技术
以底板巷岩柱为安全屏障,向突出煤层施工穿层钻孔。钻孔布置如图3(a)所示。通过冲孔钻头的切割和高压水射流的冲击,以破碎钻头周围煤体,使煤与瓦斯经过孔道向外排出。在冲出煤体的同时,释放大量瓦斯,孔洞周围的煤体向钻孔方向移动,大幅度增加煤层的透气性。水力冲孔的实质就是以岩柱作为安全屏障,用高压水冲击钻孔周边煤体,诱导小型的、可控制的煤与瓦斯突出。水力冲孔到返清水时停止,然后封孔,注入18 MPa的高压水对煤体进行水力压裂,进一步卸压,增加煤层的透气性,提高煤体塑性,增加煤体强度,再经过一定时间的高负压抽放(30 d以上),达到快速消除工作面煤层突出危险性的目的[10,11,12]。
2)应力降低区抽采
在确认消除工作面突出危险后,穿层钻孔由消突阶段进入防治工作面瓦斯超限阶段。随着采煤工作面的推进,穿层钻孔将逐步进入采煤工作面应力增高区及应力降低区,为避免工作面应力降低区瓦斯大量涌入采场,造成工作面瓦斯超限,需提前对穿层钻孔进行捅孔(二次套孔)和增加部分钻孔,使穿层钻孔见煤段充分与应力降低区煤层裂隙连通,最大限度地对应力降低区瓦斯进行抽采,以降低采场瓦斯涌出量,保证工作面的安全生产,见图3(b)。
图3 单一低透突出煤层煤气共采钻孔布置示意图
3)采空区抽采
随着采煤工作面的不断推进,应力降低区内的抽采钻孔将暴露于采场,为了避免在钻孔进入采场后吸进采场风流,影响其他钻孔的抽采效果,需提前关闭将要进入采场的穿层钻孔的控制阀门,等钻孔进入采空区5~10 m后,再打开钻孔控制阀门,进行采空区抽采,直至钻孔抽采瓦斯浓度彻底衰竭为止,见图3(c)。
2 工程应用
2.1 工作面概况
工程应用地点选在宜洛煤田李沟煤矿二1煤层21031工作面,该工作面煤层瓦斯压力为0.93~1.33 MPa,瓦斯含量为8.02~9.44 m3/t,透气性系数为0.35~0.40 m2/(MPa2·d)。工作面瓦斯压力高、瓦斯含量大,煤与瓦斯突出严重,并且不具备保护层开采的条件,因此需要采用底抽巷煤气共采模式实现煤矿安全高效开采。
2.2 煤气共采钻孔布置及施工
1)未卸压区水力冲孔钻孔布置
在煤层底板内距离二1煤层法距约45 m、距离回风巷60 m掘进底板岩石巷道,在巷道内每10 m施工1个钻场,每个钻场内施工10个孔径94 mm的穿层抽采孔,保证在工作面内形成10 m×10 m的抽采方格。钻孔施工结束后进行水力冲孔,然后进行连网抽采。
2)应力降低区瓦斯抽采钻孔布置
根据式(1)确定出21031工作面应力降低区宽度为5 m,钻场内10 m间距的钻孔无法保证对应力降低区的连续抽采,故在每2个钻场之间补充施工10个钻孔,开孔位置均匀布置在2个钻场之间,钻孔角度与水力冲孔钻孔一致。
3)采空区瓦斯抽采
利用未卸压区水力冲孔钻孔和应力降低区瓦斯抽采钻孔实现采空区瓦斯抽采。由于工作面的回采和瓦斯抽采时间较长,会造成钻孔孔壁坍塌发生堵孔现象。在进行连管抽采时,需要经常监测抽采管路的瓦斯浓度,当单孔浓度小于1%时,拔出抽采管,再次对穿层钻孔进行冲孔,冲孔完毕后,再进行连管抽采。
2.3 煤气共采模式效果考察
1)消突效果分析
水力冲孔单孔冲出煤炭一般为6~20 t,冲孔形成孔洞的瓦斯排放区可达8.5 m,使钻孔周围的煤体应力降低,周围煤体得到不同程度的卸压,煤体的透气性系数提高,增大了瓦斯的抽采量。
为了验证该措施的有效性,在底板巷选择合适的位置,重新测定原中间空白带的瓦斯含量,结果如表1所示。
表1 21031工作面里段煤层残存瓦斯含量测定结果
从表1可以看出,经过水力冲孔后,实测瓦斯含量均小于6.0 m3/t(李沟煤矿实际考察的临界值),消除了突出危险性,在工作面回采过程中,未发生煤与瓦斯突出动力现象。
2)瓦斯抽采效果分析
未卸压区穿层钻孔水力冲孔后每个钻场内抽采纯流量平均约0.28 m3/min(403.2 m3/d),是未冲孔前的10倍,每个钻场平均抽出纯瓦斯2.7×104m3;冲孔后抽采浓度由未冲孔前的4.4%增加到6.0%。大量的瓦斯被抽出,消除了突出危险性,抽出的瓦斯又能加以利用,变废为宝,实现了煤气共采。
钻孔进入应力降低区并进行捅孔处理后,单孔瓦斯平均抽采浓度达35%,平均单孔抽采纯量为0.08~0.32 m3/min,是未捅孔穿层钻孔抽采量的10多倍。
采空区瓦斯抽采效果表明,捅孔后单孔瓦斯抽采浓度为20%~80%,单孔抽采瓦斯纯量为0.05~0.30 m3/min,效果极佳。
在进行煤气共采模式试验期间,21031工作面平均日产煤炭约1.0×103t,平均日抽采瓦斯纯量约4.0×103m3,工作面开采期间无瓦斯超限现象,瓦斯涌出量约为1.6 m3/min,实现了单一低透突出煤层的安全高效开采。
3 结论
1)提出了单一低透突出煤层的煤气共采模式,即在底抽巷内实施的采前未卸压区水力冲孔抽采、采中影响区的应力降低区瓦斯抽采和采后的采空区瓦斯抽采。
2)将该煤气共采模式在李沟煤矿21031工作面进行了工程应用,结果表明:采前未卸压区水力冲孔抽采模式消除了工作面突出危险性,保障了煤矿的安全开采;3种抽采方法互相协调、互为补充,大大增加了瓦斯抽采量,实现了单一低透突出煤层的高效开采。
摘要：针对单一低透突出煤层存在瓦斯灾害严重、开采效率低等问题,在分析回采工作面应力分布和渗透率分布的基础上,提出了单一低透突出煤层底抽巷煤气共采模式,即采前未卸压区水力冲孔抽采、采中影响区的应力降低区瓦斯抽采和采后的采空区瓦斯抽采模式。李沟煤矿的工程应用结果表明:3种抽采方法互相协调、互为补充,不但消除了工作面突出危险性,而且大大地增加了瓦斯抽采量,实现了单一低透突出煤层煤与瓦斯的安全高效开采。
关键词：单一低透煤层,煤与瓦斯突出,底抽巷,煤气共采,水力冲孔
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