矿井采空区瓦斯抽放

矿井采空区瓦斯抽放（共8篇）

矿井采空区瓦斯抽放 篇1

1 矿井瓦斯存在状态

(1)游离状态(也称启由状态):这种瓦斯以完全自由的气体状态存在于煤体或围岩的较大裂缝、孔隙或空洞之中。(2)吸附状态(也称结合状态):按其结合形式的不同,又分为吸着和吸收二种状态。吸着状态是瓦斯气体分子在其与煤粒固体分子间的引力作用———被吸着在煤体孔隙的内表面上所呈现的状态,形成,一层很薄的吸附层。吸收状态是瓦斯分子进入煤体胶粒结构内部与煤部分子结合而呈现的一种状态,其类似气体溶解于液体的现象。吸附状态存在的瓦斯量的多少;取决于煤的结构特点,炭化程度等。

2 矿井瓦斯抽放的目的和意义

(1)抽放瓦斯可以减少开采时的瓦斯涌出量,从而可减少瓦斯隐患和各种瓦斯事故,是保证安全生产的一项预防性措施。(2)抽放瓦斯可以减少通风负担,降低通风费用,还能够解决通风难以解决的难题。(3)煤层中的瓦斯同煤炭一样是一种地下资源,抽出来送到地面作为原料和燃料加以利用,“变害为利”、“变废为宝”,可以收到节约煤炭,保护环境的效果和可观的经济效益。

3 矿井瓦斯抽放方示和分类

矿井瓦斯抽放的方式和方法多种多样,一般有3种分类方法(见表1)。矿井瓦斯抽放虽然有不同分类方法和分为不同种类,但现场应用时,往往是互相结合,不能截然分开的。这里着重论述回采工作面采空区瓦斯抽放。

3.1 采空区瓦斯的来源及危害

采空区的瓦斯主要有两个来源:一是未能采出而被留在采空区的煤炭中存有一定数量的残存瓦斯;二是顶板和周围煤岩中的瓦斯。

采空区积聚的大量瓦斯,往往被漏风带人采煤工作面或生产巷道,影响正常生产。有时由于大气压力或通风系统变化的影响,当工作面与采空区之间的压力平衡被破坏,采空区的瓦斯会大量涌入工作面,威胁安全生产,甚至酿成重大事故。

3.2 回采工作面采空区瓦斯抽放方法

进行回采工作面采空区瓦斯抽放时,应将采空区封闭严密,防止漏风,然后在回风巷的密闭处插管进行抽放,也可以在回风巷每隔一定距离(30-50m)掘一个斜上绕行巷道作钻场,向采空区上方打钻,钻孔进入冒落带或裂隙带,然后将绕道封闭进行抽放。还可以采用在回风巷预先埋置管路或在煤层中距回风巷相近的其他巷道中向采空区打钻等方式,抽放采空区瓦斯。

3.3 抽放采空区瓦斯时注意事项

(1)控制抽放负压,保证瓦斯质量。由于采空区围岩受采动影响透气性大大提高,故抽放负压不宜过大。否则,很容易使空气进入采空区,使抽放瓦斯浓度降低和引起采空区煤炭自然。一般来说,瓦斯浓度低于20%时,应停止抽放。

(2)定期检查与测定,防止自然发火。对有自然发火危险的煤层,为防止采空区因抽放瓦斯而引的自然发火,必须定期进行检查和采气分析及测定,其内容包括密闭或抽放管内的气体成分(O2,CO,CO2,CH4)、温度、负压和流量等。当CO或温度呈上升趋势时,应控制(低负压)抽放,而发现发火征兆时,必须立即停抽并采取注水注浆等防消火措施,等征兆消除后再逐渐恢复抽放。

4 结语

了解矿井瓦斯生成、性质及生存状态,研究矿井瓦斯分类及抽放方法,对减少和消除瓦斯威胁,保证煤矿安全生产具有重要意义。

矿井采空区瓦斯抽放 篇2

关键词：瓦斯抽放；固定连接；顺槽；阻燃；抗静电

中图分类号：TD712.6 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）29-0172-03

瓦斯爆炸事故是煤矿安全生产的主要危害之一。近年来，全国瓦斯爆炸事故频频发生，造成了极为严重的人员伤亡和经济损失及恶劣的社会影响。因此，加强矿井瓦斯治理及做好对高瓦斯矿井的瓦斯抽放工作显得尤为重要。

1 研究的必要性

目前，我国矿用瓦斯抽放泵以及瓦斯抽放主管道等在大量生产、实验的基础上已经统一了标准，并已经达到了高瓦斯矿井安全生产所要求达到的条件。连接煤壁内瓦斯抽放封孔管和瓦斯抽放主管道之间的部分目前国内还没有进行在材料、结构以及尺寸上进行统一规范，该类产品目前大多都是采用代用品（普通塑料管、普通PE管、高压胶管等），密封处用胶带或铁丝缠绕而成。代用品在性能上不具备阻燃、抗静电条件；软管管道抗负压能力弱，容易折曲变形，被煤尘及泥水堵塞，达不到良好的抽放效果；管道连接处密封效果差，极易泄漏出瓦斯、一氧化碳等有毒有害气体，气体泄露处与金属接触的地方甚至会产生火花，给煤矿安全生产埋下了很大的隐患。

因此，对高瓦斯矿井顺槽瓦斯抽放固定连接系统的研究并推出一套合适的产品，进而对这一产品进行行业性规范，就显得尤为重要。

2 问题的提出及研究内容、方向

依据全国各高瓦斯矿井同类产品使用现状调查报告，中煤科技集团公司决定开发该套合适产品。开发时间：2011年9月至2012年12月。

2.1 本项目主要研究、实验的内容

研制出瓦斯抽放汇流管、直通（含球阀、测压孔）、三通、弯头（方向可多角度调节）、法兰接头（带球阀）、密封件等一整套合适材质、结构和规格的产品。

2.2 研究目标

项目研究的目标，就是要通过对瓦斯抽放汇流管、直通（含球阀、测压孔）、三通、弯头（方向可调节）、法兰接头（带球阀）、密封件等产品的材料及其结构进行分析、研究、试验，最终研制出高瓦斯矿井顺槽瓦斯抽放固定连接系统，使该系统内产品：

①瓦斯抽放汇流管、直通、三通、弯头（方向可调节）、法兰接头产品阻燃、抗静电、耐负压、通径大。

②瓦斯抽放汇流管、直通、三通、弯头（方向可调节）、法兰接头重复利用率高。

③直通、三通跟汇流管连接处均能达到合适的调节量。

④弯头（方向可调节）韧度足够，能向各个方向弯曲。

3 研制产品的性能和技术水平

性能需要满足：阻燃、抗静电；耐正负压性能好、密封性能可靠；抽放效果显著，管道不易堵塞；适应能力强，有水无水均能适应；安装方便、快捷，无需借助额外工具；耐油、耐腐蚀；可重复使用。

技术水平要达到以下标准：

①瓦斯抽放汇流管、直通、三通、弯头（方向可调节）、法兰接头材料要满足国家标准值（MT558.2-2005）。阻燃性试验：有焰≤3 s， 无焰≤20 s；表面电阻实验：内外壁表面电阻≤1.0×106 Ω；负压试验：壁厚5 mm，负压≥0.8 MPa；正压试验：壁厚5mm，正压≥1.6 MPa。

②直通（带球阀）、三通、调节弯头（40°圆锥角内任意转动）、法兰接头（带球阀）材质、尺寸。材质：PE；规格：DN50（国标），端口到中心点长度200 mm（调节量+/- 200 mm）。

③蕾型密封圈。密封效果好、耐腐蚀、抗老化。

4 研制产品实物图及试验试用情况

高瓦斯矿井顺槽瓦斯抽放固定连接系统现场试验研究是在晋煤集团成庄矿4104、4219巷进行的，实物如图1所示，共试验安装200套连接固定装置，其中在4104、4219巷各试验试用了100套产品，各地点每5～8个抽放钻孔作为一个抽放单元，每个抽放单元外加一个放水器，从放水器出来的瓦斯流经管道通过汇流管与抽放主管路相连。

4.1 安装时间确定

在巷帮煤壁打抽放钻孔，待钻孔周围瓦斯降至1%以下时，方可进行连接抽放钻孔。抽放固定连接装置规格全部采用DN50圆柱体，无台阶，采用螺帽上的螺纹在拧紧的的过程中螺纹将蕾型密封圈沿着锥面推动，使其产生径向推力，产生的摩擦力来实现固定，从而达到管材与连接部件紧密结合，实现密封。

4.2 安装程序

将DN50直通（带球阀）一端固定在煤壁封孔管端，依次连接汇流管、直通、调节弯头、汇流管、三通，作为一个抽放连接孔，钻孔间距2 m（根据现场实际钻孔间距来定），每5～10个抽放连接孔作为一个抽放单元终端连接至放水器，放水器通过一段汇流管连接到抽放主管路上。

4.3 井下4104、4219巷抽放情况

在巷道顶部敷设聚乙烯管，用9 mm钢丝绳挂起。抽放管路不得同带电体接触；抽放管路每两根管留一个三通，三通外接DN50阀门与DN50抽放三通对接，通过放水器后联接顺层抽放钻孔。

4104巷观察点钻孔抽放情况（抽放时间2个月）如表1所示，4219巷观察点钻孔抽放情况如表2所示。

4.4 井下试验试用产品情况总结

通过在井下4104、4219巷试验安装200套瓦斯抽放连接固定装置后，将现场安装使用情况总结如下：

①所有管件、管接头阻燃、抗静电，使用过程中未发生过燃烧、起静电现象。

②调节弯头在使用过程中能够在以球心为中心的范围内做40°圆锥角摆动，即弯头最大调整角度±20°，能够很好的满足由于钻孔倾角和孔与孔之间距离的差异带来的安装操作问题。转动连接处采用两道密封，调节弯头为预先装配好的一体管件，使用过程中未发生漏气现象。

③管道通径大，各部件规格均为DN50，各接头内径Φ50 mm，不易堵塞，偶有堵塞的情况下工人手工拧下相应堵塞部位管件掏出堵塞物体再拧上即可，操作方便、快捷、疏通效果显著。

④安装、操作方便，整个安装过程管道和各部件连接处用手拧合各部件两端的端盖即可完成，无需额外安装工具，非常适合快速安装。

⑤耐油，耐腐蚀，使用过程中未出现过由于井下环境潮湿引起的腐蚀现象。

⑥各管件接头可以重复拆装使用。

⑦现场使用该连孔装置后，根据参数表显示，单孔抽采浓度普遍升高。

5 结 语

该项目研制出了符合高瓦斯矿井安全生产条件的抽放连接固定产品，该套产品的规范使用能够有效避免高瓦斯矿井在抽采过程中瓦斯泄露及疏通效果差给矿井带来的危害，产品的大量使用对矿井的安全生产意义重大。

参考文献：

[1] 胡殿明，林柏泉，吕有厂，等.煤层瓦斯赋存规律及防治技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2009.

[2] 沈怀健，郑孝鹏.低透气性高瓦斯煤层立体多层次瓦斯综合治理技术[J].煤矿开采，2007，（4）.

[3] 国家安全生产监督管理总局.煤矿安全规程[M].北京：中国法制出版社，2010.

[4] 张金山，王政伟.埋管抽放技术在内蒙古太西煤业集团应用的可行性分析[J].现代矿业，2010，（6）.

[5] 张金山，王政伟.注浆封孔法测定煤层瓦斯压力在平沟煤矿的应用[J].中国煤层气，2010，（3）.

[6] 郝长胜，孙宝雷.采空区埋管抽放技术在采煤工作面的应用[J].煤，2010，（4）.

矿井采空区瓦斯抽放 篇3

关键词：高瓦斯矿井,抽放条件,采空区防火灭火

0 引言

根据目前中国基本情况,有很多高瓦斯矿井都借助瓦斯抽放的形式降低在采空区当中所存在的瓦斯浓度。但是相对的,因为抽采所带来的采空区漏风现象自然也会比较大,进而造成采空区当中空气流动状态也会形成比较明显的移动和变更,在无形之中提高了在采空区中存在大量浮煤可能燃烧的安全隐患。采空区本身和火区间如果存在漏风通道,那么可能会导致瓦斯出现燃烧现象,严重的还会出现爆炸,对瓦斯井抽采产生非常严重的不良影响[1]。因此,能否协调统一采空区中的瓦斯抽放和防止火灾工作就是进行安全生产非常关键的一个问题。

1 瓦斯抽放可能会对自燃形成的影响

1.1 工作面的抽放基本情况

A矿335工作面主要瓦斯来源大多是本工作面所处煤层,其工作面预计涌出瓦斯量大概在30 m3/min左右,计划内的风排量大概11.3 m3/min,其它18.7 m3/min的瓦斯则借助抽排措施来处理,这一过程中主要的抽排措施包括:

a)恰当地拦截下伏四层煤瓦斯;

b)通过高位钻孔来抽放采空区的瓦斯的方式联合通过埋管对上隅角瓦斯进行抽放。

1.2 瓦斯抽放可能会带来的影响

由于瓦斯抽采会形成负压,空气流动可能会从采空区缝隙通道处逐渐扩散到周围,形成立体的空气流动现象,导致采空区中出现更加严重的漏风现象,最终令煤矿井始终在很适合燃烧的环境当中,一旦具备充足的燃烧条件就很可能会导致浮煤自燃。不但如此,在此基础之上工作面的推进、在自然环境当中发生的氧化作用的发生时间不断提升,由采空区存有的煤氧化反应生热,热量累积令煤体温度也不断提升,再加上漏风通道头尾温度差异及高度差,都让慢速涡流变得更加明显,实现了更加完整的热量交换,导致内部煤体及外部煤体始终保持升温反应,造成氧化反应剧烈,导致浮煤发生燃烧反应[2]。

工作面在正常的回采阶段,借助分析抽放气体的成分可以发现,CH4平均9%,O2却达到12%,这说明高抽巷的影响环境下,在采空区当中出现了非常明显的漏风,另外,漏风加剧也导致工作面出现三带变化,其具体划分如图1。

从上图当中可以发现,在抽放作用下,采空区当中的空气流动变化出现了非常明显的动态转换,空气流动速度变化对于原来采空区当中存在的三带划分造成了一定的破坏作用。采空区深部也出现了非常明显的漏风现象,间接造成采空区的风流速度呈现出非常不规律的分布情况;另外,从上图还可以发现,抽放巷的漏风风流速度相对较大,不能令浮煤自燃,这是因为散热量高于生成热量,所以,浮煤容易出现自燃的区域出现在漏风流比较大的一个区域内。因此,氧化自然带呈现出非常不规则的状态。

2 防火灭火措施

在瓦斯抽放条件下对采空区进行防火灭火操作主要需注重以下几点内容:

a)在采空区注氮后,能够惰化采空区的立体三维空间,冲淡煤炭和O2之间直接接触,在一定程度上能够避免出现采空区煤炭自燃的现象;

b)工作面周围采空区范围当中往往存在一些可能会导致火灾的危险气体,而且一些有毒的气体也可能入侵到335采空区当中,借助注氮的方式能够显著提升335区的实际压力,很好地控制在采空区周围存在的一些有毒、有害的气体入侵;

c)335工作面因为采空区漏风比较大,借助向335采空区进行注氮的操作,能够缓解漏风现象,降低出现自然发火的隐患。

2.1 漏风的控制措施

从根本上来说,控制漏风是工作面两侧存在风压差的情况下,通过一定手段来减小采空区中漏风量的程度,同时适当进行充填封堵操作,能够显著提升在采空区的后侧漏风风阻的程度,在进回风巷的风压没有较大变化时,后部漏风降低,进而对风流场分布产生影响,带来氧化自然带缩小,O2含量降低,避免采空区的浮煤自燃[3]。

于工作面两端的巷道口中适当位置,每间隔15 m展开充填堵漏,提升采空区的后侧漏风风阻值。经过处理之后,和漏风处理前抽巷气体的成分相对比,O2值大约下降3%,进而令氧化自燃带缩小,降低自燃危险。

2.2 在采空区注氮防火措施

抽放条件下,注氮防火操作的过程中,选择合适的注氮口位置非常重要,335工作面的采空区氧化升温带的宽度和注氮口深度有一定关联,其曲线图见图2。

就图2可以发现,氧化升温带会随着注氮口的深度变化而发生宽度变化,在注氮口的深度从30 m变化到40 m时,氧化升温带在宽度上提升了25 m左右;另外,注氮口的深度从40 m变化到50 m时,氧化升温带出现减小趋势。在注氮口的深度处于25 m左右时,氧化升温带存在一个宽度最小值。所以,在这个数值上,采空区惰化效果是最理想的。在采空区的两侧封堵效果不够严密时,采空区的漏风强度变化,这个时候可以适当移动注氮口,靠近采空区的深部,能够提升注氮的惰化作用。

在进风顺槽进行钢管预埋,选择注氮点,向采空区中注氮,直到可以对煤炭的自燃氧化速度起到控制作用,并且借助气体分布情况来重新设置采空区的三带位置,避免火灾的发生。

这一过程中,注氮口的有效注氮半径约为25 m,释放口的间距在50 m左右,结合实际情况可以针对注氮口具体位置展开一定的调控和管理,需要注意的是,注氮原则需要保证N2可以充分充盈在要接受惰化处理的范围当中,针对注氮强度而言,需要控制在600 m3/h,注氮时间控制在每天4.9 h左右。

2.3 注浆操作

对于回风巷注浆管路而言,需要充分结合采空区中气体的变化情况来展开,借助联巷措施孔实施泥浆或防火灭火材料的灌注操作。这一过程能够显著封堵漏风、对遗煤进行惰化,它的时效比较长,可以显著降低煤层所受到的影响,有助于煤矿安全开挖。另外,需要随时观察CO气体变化的情况,一旦发现火灾隐患,可以进行注浆孔的补打操作。

3 结语

在瓦斯抽采所带来的负压作用影响下,风流可能会在采空区形成运移,导致采空区漏风情况加剧,为浮煤带来充足养分,令氧化生热提升,继而令煤体温度提升;针对煤矿实际情况,需要对抽采系统进行安排和调整,使用控制漏风技术,降低采空区的漏风,避免采空区出现浮煤自燃;在矿井进行注氮操作时,需要结合实际情况展开注浆操作,控制在采空区中的CO浓度值。

参考文献

[1]刘明星.高瓦斯矿井抽放条件下采空区防灭火技术实践[J].煤矿安全,2013(11):134-136.

[2]马曙,杨明涛,李晓华.高瓦斯自燃煤层采空区瓦斯抽采及防灭火技术实践[J].煤矿开采,2012(1):83-85.

煤矿采空区瓦斯抽放工艺流程 篇4

目前井下抽放煤层气利用量不到50%还有很大的利用空间。阜新矿业集团[3]对王家营矿、五龙矿等矿进行了煤层气抽放, 集团总抽放能力11.69×104m3/d, 各矿煤层气抽放情况见图2。

一般报废矿井的瓦斯抽放浓度应在35%～70%, 其热值在3000×4.168KJ/m3～6000×4.168KJ/m3[2], 地面煤层气勘探成本[4]0.97元/m3, 瓦斯抽放成本[4]0.80元m3, 可见瓦斯抽放经济上是有很大利润空间, 又能解决煤矿生产安全问题, 即有社会效益, 又有经济效益, 是一项双赢。

1 抽放条件及原则

保证瓦斯抽放方案成功的关键条件因素包括以下几方面。

(1) 大范围的报废煤矿巷道, 最好是相连的; (2) 未采煤层已被上部巷道和下部巷道卸压; (3) 未采煤层中有大量残留的煤层气～煤层气高含量看来并不是最重要的; (4) 进水量极小, 主巷道中没有或几乎没有积水; (5) 从未充填井筒或平巷可抽取煤层气; (6) 无通路与浅部露头巷道相连以确保不漏气; (7) 在当地及附近地区还有煤层气市场。

原则是[1, 5～7]: (1) 报废矿井的瓦斯资源的基本评价; (2) 报废矿井瓦斯抽放可抽放性研究; (3) 报废矿井瓦斯抽放与利用; (4) 报废矿井瓦斯抽放的商务评价。

2 瓦斯抽放设计

2.1 资源量的确定

采空区矿井瓦斯资源的计算利用资源构成法[7], 废弃矿井瓦斯资源量是游离瓦斯资源量和吸附瓦斯资源量之和, 即:

式中:

为采空区内的游离瓦斯资源量, m3;

Qm t为废弃煤炭中的吸附瓦斯资源量, m3;V为采空区体积, m3;

为采空区瓦斯浓度, %;

T为废弃煤炭储量, t;

gmt为废弃煤炭中的瓦斯含量, m3/t。

2.2 设计的思路—井距的选择

(见表1)

2.3 完钻层位的确定

(1) 冒落高度的计算[8]:根据GB12719-91《水文地质、工程地质勘探规范》冒落带最大高度计算公式:

式中:冒落带最大高度为Hc, 煤层厚度为M。

(2) 冒落导水裂隙带经验公式[8]:

完钻层位应确立在煤层和Hc之间。

2.4 完井方式

完井层位应确立在Ht和Hc之间, 生产套管完井, 割开人工井底, 打到完钻层位。

3 施工方法

3.1 地面钻井

从施工角度和经济条件考虑, 煤层埋深大于300m, 适合常规煤层气钻井技术;不大于300m时, 采用车载式钻井机, 井径可以利用500mm～600mm或更大一些;技术套管完井。

3.2 井下钻机

SKZ-120A型深孔钻机主要性能参数:

适应岩种:f=8～16;

钻孔直径:68mm～120mm;

钻孔深度:低风压, 向上120m, 向下40m;中风压, 向上14 0m, 向下60 m;

使用气压:0.5MPa～1.2MPa;

耗气量:7M3～8M3/min;

钻具一次推进:1000mm;

钻具回转速度: (空载) 60r/min;

耗水量:8L/min～12L/min;

钻机重量:1200kg;

钻井进尺:100m。

4 瓦斯抽放

利用风机或负压机排出地表输入管路使用。

5 结语

目前, 国家有关部门对煤矿安全问题十分重视, 煤矿瓦斯抽放已经作为解决煤矿安全问题的首选方法, 刊物上的发表的文章也是比比皆是, 本文详细介绍了煤矿采空区瓦斯抽放工艺流程, 旨在促进煤矿采空区废弃能源的利用, 为社会创造更多效益。

参考文献

[1]黄盛初.中国报废矿井瓦斯抽放与利用前景[A].煤炭信息研究院.

[2]冯三利.我国煤层气开发利用现状、产业发展机遇与前景[C].2006年煤层气学术研讨会论文集.地质出版社, 2006:4～5.

[3]张俊宝, 何玉梅.2006.辽宁省阜新市煤层气开发利用现状[C].2006年煤层气学术研讨会论文集.地质出版社, 2006:91～92.

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[5]赵知凡.在报废矿井中实施商业性瓦斯抽放的研究与探讨[R].欧盟—中国辽宁能源环境办公室.

[6]戴维·克里迪博士.从煤层中获取洁净能源[J].英国华杜公司.

[7]张培河.废弃矿井瓦斯资源量计算主要参数确定方法[J].中国煤层气, 2007 (3) :16.

采空区瓦斯涌出特点与抽放方法 篇5

关键词：采空区,瓦斯,处理方法

龙煤集团、鹤岗局富力煤矿可采煤层10个,为单斜构造,倾角15~35度,煤厚2~14米,发火期6~18个月。现有地质储量8200万吨,可采储量5100万吨,年生产能力280万吨。

随着矿井开采不断延深,矿井深度已达6、7百米,矿井集约化程度加大,采面逐步减少,产量逐年增加。随之而来的瓦斯隐患和事故逐年增加,特别是采空区瓦斯涌出更为突出。抽放采空区瓦斯是解决这一问题的有效技术途径。通过实践表明,对采空区瓦斯涌出的特征和采空区瓦斯抽放技术的掌握是取得较好抽放结果的保证。

1 采空区瓦斯涌出特征与煤层的赋存、开采条件密切相关,采空区瓦斯主要是由采空区内丢煤和邻近煤层的两部分组成。对于单一煤层开采,采空区瓦斯主要来源于采空区内丢煤和少部分围岩涌出的瓦斯。一般情况下,由于煤层开采,破坏了煤、岩体的压力平衡状态,上下部负荷卸除,引起煤、岩体移动,并向采空区方向膨涨。从而导致包括错动而产生的各种方向裂隙与采空区沟通,形成了向采空区排放瓦斯通道。这样邻近层的瓦斯在其自身压力作用下,通过这些通道向采空区放散。

为查明瓦斯在采空区内究竟是怎样运动的、浓度分配分布等规律,中国矿院、龙煤集团、鹤矿公司等单位在抽放期间进行跟踪测试:结果表明,采空区瓦斯浓度分布和采空区瓦斯移动规律如下:

1.1 采空区瓦斯在工作面切眼1~12m范围内浓度变化较小,一般在3%~8%之间,在12m~20m范围内瓦斯浓度变化幅度较大,一般在10%~18%,在20~40m范围内瓦斯浓度升高较快,一般在20%~40%,在40~80m范围内瓦斯浓度变化较小,一般在40%~55%之间。

1.2 根椐在富力一采区1302的采空区、三采区3501的采空区释放跟踪显示气体(SF6-2)测试结果,采空区瓦斯流动可分为三个带(见图1)

涌出带(距切眼0~20m的范围内)、过渡带(距切眼20~50m范围内和滞留带(距切眼50m以外)。在涌出带中,采空区丢煤和卸压邻近层解吸的瓦斯向工作面和采空区排放,进入涌出带的瓦斯流动速度较快,多以层流形式存在,且这部分瓦斯几乎全部被工作面风流和采空区的漏风流携带到回风道内;随着工作面的推进,采空区进入过渡带,过渡带的瓦斯在工作面和采空区压差作用下,一部分进入工作面,另一部分暂时或滞留在采空区内,该区域瓦斯流动速度也明显下降,流动呈现出不均衡性,处于层、紊交错阶段;而进入滞流带时,释放采空区的瓦斯一般滞留在采空区的深部,流动速度较低。上述三个带不是固定不变的,随着工作面的推进向前移动,采空区瓦斯涌出三带,出现“浪涌”现象。

1.3 涌出带、过渡带和滞留带的范围,受煤层开采条件,特别是开采高度、顶板岩石和采空区瓦斯涌出源供给情况等因素的影响,同时,由于受工作面风流和采空区漏风的影响,各带中的瓦斯浓度也各不相同,滞留带最高,过度带次之,涌出带最低。

2 采空区瓦斯处理方法与分析

由于工作面开采方法和巷道布置的差异,导致抽放采空区瓦斯的方法较多,其中抽放效果较好的方法有以下几种:

2.1 引导排放法。

是利用抽放邻近层采空区的瓦斯引排现采空区瓦斯。在煤层无自然发火危险的工作面,如其上区有采空区存在时,应首先考虑强化抽放上区段采空区的内瓦斯。在上区段采空区内形成一个负压区,破坏新、老采空区内的压力平衡,使现采空区的瓦斯在上区段采空区抽放负压的作用下流入上区段采空区,达到间接抽放采空区瓦斯的目的。如图2所示

这种方法能够解决工作面和回风大巷的瓦斯超限问题。

2.2 顶板巷道抽放。

煤层群开采的综采或综放工作面,在采空区瓦斯涌出量较大时,可采用顶板走向或倾向巷道抽放采空区瓦斯。如图3所示:

该方法具有抽放时间长、瓦斯抽放效果较好等特点,但工程量大,需在顶板掘出一条或多条巷道。它适用于厚煤层或有上邻近开采的工作面,且瓦斯涌出量较大时。

2.3 利用消火道布置钻孔。

煤层群开采的综采或综放工作面,利用本阶段布置好的消火道布置钻孔,对上段采空区的瓦斯进行抽放。该方法是利用原有的巷道进行抽放工作,节省了开拓准备量。缺点是抽放工作不能与消防火工作同时进行。如图4。

2.4 高位钻孔抽放,如图5。

该方法能抽放出高浓度瓦斯,抽放量稳定;缺点是需掘一段上山巷道,钻孔布置在老顶内,打钻费用高。适用于邻近层、瓦斯涌出量中等以上的工作面。

2.5 尾巷抽放采空区瓦斯。

一些高产高效都采用双巷布置,其中一条尾巷可通过埋管、向采空区打抽放钻孔或密闭抽放采空区瓦斯。该方法可在最佳抽放位置对采空区瓦斯进行强化抽放,即在采空区内的负压区,使采场内形成通风负压与抽风负压相对平衡,实现采空区均压抽放,防止采空区瓦斯涌向工作面,抽放采空区瓦斯效果显著,但在常管理上有一定的难度。

3 抽放采空区的瓦斯发展趋势

随着生产规模的扩大和开采水平的延伸,采空区瓦斯涌出将日趋严重。在抽放瓦斯领域中,采空区抽放瓦斯将起主导地位。由于矿井的抽放能力和装备水平的提高,采空区瓦斯抽放将从分散型向单一型发展,要求抽放效率高、技术先进、管理简单。专用巷道的抽放方法将被淘汰;大直径(300~600mm)顶板水平钻孔将替代顶板高抽巷和目前短距离的高位钻孔及采空区后方埋管抽放。

参考文献

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[2]煤矿害灾防治[M].北京:中国矿业出版社.

矿井采空区瓦斯抽放 篇6

瓦斯抽放是积极防治瓦斯灾害的有效措施[1]。发达国家都把瓦斯抽放作为治理瓦斯的生产工序,大多采用综合抽放方式,抽放瓦斯利用率也较高[2]。我国煤矿瓦斯抽放效果总体不佳,具体表现为煤层透气性普遍较低、资金投入和管理不足、瓦斯利用率不高、封孔质量差、抽放时间短、钻孔工程量不足等[3,4,5],这都直接影响瓦斯抽放浓度和抽放量。综采面由于采高、采长大,走向长,因而采空区面积大,常造成工作面瓦斯超限[6]。走向高抽巷抽放采空区瓦斯是一种较好的抽放形式,在高瓦斯矿井普遍采用,但在实际应用中,高抽巷位置的选取还带有一定主观经验性,不能充分发挥其抽排瓦斯的作用。针对淮南矿区煤层赋存条件,采用FLUENT数值模拟方法,确定走向高抽巷合理的抽放位置,并进行现场试验,以实现提高瓦斯抽放浓度和抽放量目的,这对煤矿安全生产及提高经济效益都具有重要意义。

1 采空区瓦斯运移的FLUENT模拟方法

1.1 数学模型

综采面采空区可视为多孔介质,采空区内的气体流动状态遵循连续性方程和动量方程,瓦斯涌出作为质量源项加到连续方程中。掌握采空区内部瓦斯运移规律,对于研究工作面合理通风方式和优化瓦斯抽放参数具有重要意义[7,8]。FLUENT模拟研究是为了得到流体流动控制方程的数值解法,它通过时空求解得到所关注的整体流场的数学描述,通过一定的假设,将采空区内的气体流动简化为定常不可压的绝热流动,则气相流动控制方程组采用三维稳态不可压N-S方程,方程组的具体形式如下:

连续性方程:

式中,ρ为密度,t为时间,u为速度(单位均为国际单位制,下同),源为从分散次生相和任何其它用户自定义的源加在连续相上的质量。

动量方程:

其中,p为静压力,τ为应力张量,ρg和F分别为重力体力和外部体力。

本文研究中,采空区视为多孔介质,相对于标准的流体流动方程,附加了动量源进行模拟,此源由2部分组成:黏滞损失项和惯性损失项。

式中,Si为第i个(x,y或z)动量方程的源;μ为分子黏度;D和C为预定义的矩阵;νmag为速度向量的模;vj为在x,y和z方向的速度分量,该动量的减弱将有利于孔隙单元中压力梯度的产生,所引起的压力降与单元中的流动速度成比例。

在多孔介质层流中,压力降一般与速度成比例,可用Darcy定律简化多孔介质模型,即:

式中,α为渗透率。

根据Fick定律,扩散的发生如下,即

式中,Ji为第i种气体的扩散流量,它是由浓度梯度、热梯度引起的;Dim为混和气体的扩散系数;Xi为气体i的质量分数;DiT为热扩散系数;T为温度。

以上分析了建立采空区气体流动模型的基本方程,在确定模型的边界条件后,可以运用数值解法求其解析解,即可得到采空区瓦斯流动及分布规律。

1.2采空区FLUENT数值模拟的模型建立方法

FLUENT通过有限体积的流体动力学计算来求解N-S方程。首先通过Gambit前处理器构建和划分网格,随之将网格化文件导入FLUENT解算器进行模拟迭代计算,收敛后即可对求解结果进行分析。

采空区可视为多孔介质,并用已编写好的外部子程序对在此区域内的孔隙率和采空区气体的连续分布进行定义,这些“源”随后被加入“通过多孔介质流动”的基本子程序模块。在这些子程序模块中,混和气体通过多孔的采空区的流动,是通过在动量方程上添加一个动量水槽来模拟的,该水槽的黏性部分与黏度成正比,而惯性分量与气体的动能成正比[9]。通过子程序反映采空区瓦斯分布规律,这些子程序随后被组合到FLUENT主程序以进行模拟。

2 走向高抽巷的FLUENT数值模拟

2.1 走向高抽巷布置

抽放瓦斯的方法,按抽放机理可分为未卸压抽放和卸压抽放两类。走向高抽巷抽放是卸压抽放的一种形式,抽放量大,抽放浓度高,现场已经证明是一种很好的抽放方法[10]。

走向高抽巷是沿工作面回风巷内错一定距离在顶板上掘进一条走向巷道,将抽放管路与巷道连通,裂隙中的瓦斯流入高位抽放巷道被抽出。高位抽放巷道布置如图1所示。

根据回采工作面矿山压力显现规律,煤层随着工作面推进,在其周围形成一个采动压力场,在采动压力场及其周围形成冒落带、裂隙带和弯曲下沉带[11]。

高位抽放巷道抽放机理正是依据三带的划分,将其布置在煤层顶板破坏裂隙带内,在抽放泵抽放负压作用下,采空区瓦斯流入高抽巷而进入抽放管路,由抽放泵排至总回风巷或地面,从而降低工作面上隅角及回风流瓦斯浓度。

2.2 走向高抽巷数值模拟几何模型建立及边界条件选取

走向高抽巷数值模拟是以张集矿1111综采工作面为研究对象。1111综采面为张集矿东翼11-2煤层的工作面,走向长度为1800m,倾斜长度为240m,设计日产量732t;工作面相对瓦斯涌出量预计为:6m3/t,绝对瓦斯涌出量为:30m3/min;工作面采用U型通风,走向高抽巷抽放采空区瓦斯。

根据现场实际情况将采空区几何模型进行了一定的简化。简化后模型及尺寸如下:(1)工作面、进风巷、回风巷、采空区均视为长放体,不考虑工作面设备情况。(2)依据孔隙率不同,将采空区冒落带由浅部到深部分为冒落带1、冒落带2、冒落带3,裂隙带由下向上分为裂隙带1、裂隙带2,以区别不同的粘性系数。(3)采空区走向长度取400m,倾斜长度取248m(包括进风巷和回风巷宽度),垂直高度取36m;其中走向长度分为三段,分别为20m、100m和280m;垂直高度分为三段,均为12m,由下向上依次为冒落带、裂隙带1、裂隙带2。(4)进风巷和回风巷长度均取16m,宽度和高度均取4m;高抽巷宽和高均为3m,长度为408m;工作面长度取240m,宽度取8m,高度取4m,煤层厚度取4m。

根据现场实际情况采空区边界条件选取如下:(1)依据原始煤(岩)层的透气性系数和气体在空气中的粘性系数,冒落带1、冒落带2、冒落带3粘性系数分别取103、2.5×103和4×103m-2;裂隙带1和裂隙带2粘性系数分别取104m-2和105m-2;空气中粘性系数取1.5×10-5m-2。(2)综采面总瓦斯涌出量为30m3/min,冒落带1、冒落带2、冒落带3、裂隙带1、裂隙带2各部分源项分别为1.02e-8、4.40e-8、1.14e-7、8.96e-8、2.24e-8,单位为kg/m3·s。(3)进风巷入口风速为2.0m/s,回风量为2880 m3/min,高抽巷抽放负压为18k Pa。

2.3 走向高抽巷数值模拟结果及分析

走向高抽巷位置合理与否的主要依据是工作面和上隅角瓦斯浓度低(小于1%),且走向高抽巷瓦斯浓度高,这样既能保证综采面的安全生产,又能回收高浓度瓦斯进行利用。走向高抽巷位置选取主要是竖直方向的高度和倾斜方向的水平距离。为确定合理的竖直高度,取相同的水平距离(此处选14m)分别对裂隙带范围内竖高(工作面底板到走向高抽巷底板的距离)为16m、20m、24m、28m和32m时进行数值模拟,并对其结果进行比较。

从模拟结果来看,不同竖直高度的高抽巷进行抽放时,采空区瓦斯分布规律总体一致,即沿走向方向采空区瓦斯浓度由浅部到深部逐渐增大,达到一定距离后瓦斯浓度趋于稳定,沿倾斜方向由进风口向回风口方向瓦斯浓度总体趋势增大,沿竖直方向从底板到裂隙带最上部瓦斯浓度总体趋势是先增大到后减小;但走向高抽巷和工作面水平瓦斯浓度不同,且差别较大,其中竖直高度为20m时,走向高抽巷瓦斯浓度最大,上隅角瓦斯浓度最小。下面给出竖直高度为20m时一组数值模拟图,图2为走向高抽巷瓦斯抽放立体图,图3为工作面水平截面图,图4为走向高抽巷水平截面图。

图5为不同竖直高度时,走向高抽巷及工作面上隅角瓦斯浓度曲线图。从曲线图中可以看出,高抽巷应布置在裂隙带中下部,但也不能布置太低,如太低反而效果不好,原因主要是布置太低,抽放巷道将会与采空区连通,漏风增加,导致抽放瓦斯浓度降低。因此走向高抽巷竖直高度应取20m较合适,此时高抽巷浓度最高(达30%),且上隅角瓦斯浓度最低(仅为0.7%)。

为确定合理的水平距离,竖直高度选取20m,倾斜方向在距工作面上风巷0-30m(此范围瓦斯浓度较高)范围内选点,分别对水平距离为10m、14m、18m、22m和26m时的走向高抽巷进行数值模拟。从模拟结果来看,倾斜方向水平距离为14m时效果较好,高抽巷浓度达30%,且上隅角瓦斯浓度仅为0.7%,数值模拟结果如前图2、图3和图4所示。这里给出水平距离为10m时走向高抽巷数值模拟的一组图,图6为水平距离为10m时走向高抽巷瓦斯抽放立体图,图7走向高抽巷水平距离为10m时工作面水平截面图,图8水平距离为10m时高抽巷水平截面图。

图9为倾斜方向水平距离不同时,走向高抽巷和工作面上隅角瓦斯浓度曲线图。从图中可以看出,在一定范围内,高抽巷距上风巷水平距离越近越好,但超过此范围后效果反而更差,主要原因是由于受矿压、煤厚及煤层倾角的影响,上风巷附近煤层已变松散,煤体中裂隙发育,如果走向高抽巷距上风巷过近,易造成抽放系统漏风,导致抽放效果不好。因此倾斜方向水平距离取14m较合适。

3 走向高抽巷抽放瓦斯现场试验

3.1 走向高抽巷施工参数

走向高抽巷抽放瓦斯现场应用仍以张集矿1111综采工作面为研究对象。1111工作面走向高抽巷施工1200m,布置在顶板岩层内,靠近回风巷一侧,与回风巷方位一致,竖直方向距煤层底板20m,平面位置上与回风巷平距中到中保持14m。巷道采用锚喷支护,直墙半园拱断面,净规格为2.8m×2.5m(宽×高)。

3.2 效果分析

1111工作面回采后期采用走向高抽巷形式抽放瓦斯,待抽放后对其效果进行观测,由工作面在2007年2月走向高抽巷抽放数据,可以绘制出以下折线图,如图10、图11、图12所示,其中绝对瓦斯量由风排瓦斯纯量和走向高抽巷抽放纯量组成。

由图10可以看出,走向高抽巷抽放采空区瓦斯,抽放稳定,均在30%以上;抽放浓度高,最高可达40%,平均抽放浓度为31.2%。由图11可以看出,走向高抽巷抽放期间,高抽巷抽放量大,抽放纯量最大可达15.0m3/min,平均抽放纯量13.2m3/min。由图12可以看出,走向高抽巷抽放期间,其瓦斯抽放率稳定且抽放率大,平均瓦斯抽放率为48.6%。

4 数值模拟与现场试验对比分析

为进一步验证数值模拟结果的合理性,将现场试验结果与数值模拟结果进行比较分析。在数值模拟中,除模型几何相似外,参数选取与边界条件的确定都是依据现场资料,其中工作面绝对瓦斯涌出量取30m3/min、抽放负压取18k Pa、进风巷入口风速取2.0m/s、回风量取2880m3/min,它们取值均为2007年2月份1111工作面的平均值,因此数值模拟模型与现场一致,这样模拟结果更趋于实际。

现场试验的走向高抽巷位置取竖直方向高度为20m,倾斜方向水平距离为14m,将现场试验结果与数值模拟结果进行对比。以2007年2月份1111工作面瓦斯抽放数据为例,取其月平均值,则走向高抽巷平均瓦斯浓度为31.2%,上隅角平均瓦斯浓度为0.68%;而对应数值模拟的走向高抽巷瓦斯浓度为30%,上隅角瓦斯浓度为0.7%。从现场试验和数值模拟结果我们可以看出,采用走向高抽巷抽放采空区瓦斯后,采空区瓦斯在走向、倾向与竖直方向分布规律与数值模拟一致,且结果相差不大,对应数据偏差均在5%范围以内,因此可以认为数值模拟结果是合理、可信的。

5 结论

(1)通过FLUENT数值模拟的方法确定走向高抽巷最佳抽放位置,即走向高抽巷竖直高度取20m、倾斜方向水平距离取14m。从应用效果来看,采用FLUENT数值模拟方法来确定走向高抽巷位置是可靠的。

(2)布置合理的走向高抽巷具有抽放浓度高、抽放量大、稳定性好的优越性,可以大大减少风排瓦斯量,有利于提高经济效益。

(3)采用走向高抽巷抽放瓦斯技术上是可行的,能有效地解决综采工作面瓦斯超限问题,以确保矿井安全生产。

摘要：为获取走向高抽巷抽放瓦斯的合理参数,依据采空区瓦斯运移基本方程,采用FLUENT数值模拟的方法确定走向高抽巷的最佳抽放位置,即竖直方向高度为综采工作面底板上方20 m,倾斜方向距上风巷水平距离为14 m,并在张集矿1111工作面进行现场试验;从试验效果来看:采用FLUENT数值模拟方法确定走向高抽巷位置是可靠的,布置合理的走向高抽巷具有抽放瓦斯浓度高、瓦斯抽放量大和稳定性好的优越性,能有效地解决综采工作面和上隅角瓦斯超限问题,以确保矿井安全生产;抽放参数可在类似矿区加以推广应用,安全效益、经济效益和社会效益明显。

关键词：瓦斯抽放,走向高抽巷,FLUENT,数值模拟,试验

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采用多种方法提高矿井瓦斯抽放率 篇7

我国相当大比例煤田富含瓦斯, 其中南方煤矿大部分为高瓦斯或者瓦斯突出煤矿, 而北方的新疆、内蒙古、黑龙江、辽宁、山西等省份也分布着一些高瓦斯或瓦斯突出煤矿。根据初步统计, 截至2010年底, 我国共有2197所高瓦斯煤矿, 占全国煤矿总数的17%。与此同时, 我国煤矿瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故仍然经常发生, 严重危害煤矿工人的生命安全。可见, 瓦斯治理是我国目前煤炭生产过程中的一项十分重要的工作。

1 国内煤矿瓦斯治理现状

煤矿治理瓦斯一般是对煤层进行瓦斯抽放。目前我国煤矿的瓦斯抽放率一般不高, 瓦斯平均抽放率仅有23%, 而美国、澳大利亚等西方国家的瓦斯抽放率已经达到了50%以上。经过分析我国矿井瓦斯抽放的实际情况, 造成瓦斯抽放率较低的原因主要有:1.我国部分地方小煤矿不重视瓦斯治理, 井下瓦斯抽放系统存在很多问题;极少数煤矿甚至未建立瓦斯抽放系统。2.我国部分煤矿的煤层透气性差, 给瓦斯抽放造成很多困难。3.瓦斯抽放方法简单, 有些煤矿一直沿用老的瓦斯治理方法, 从未改革, 旧的瓦斯抽放方法已经不适应治理高瓦斯矿井的瓦斯超限问题[1]。4.瓦斯抽放参数不达标, 钻孔工程量不足且钻孔布置不合理。5.瓦斯抽放配套设备落后, 性能达不到设计要求。6.瓦斯抽放巷道布置不合理, 抽放巷道的开掘既增加了掘进工程量, 又未起到应有的作用。7.钻孔封孔质量较低。

2 提高瓦斯抽放率的主要途径

目前来说, 提高矿井瓦斯抽放率有很多途径, 现根据矿井实际经验介绍几种切实可行的途径。

2.1选择符合矿井实际情况的瓦斯抽放方法

瓦斯抽放方式主要包括本煤层抽放、邻近煤层抽放、采空区抽放。对于多煤层高瓦斯矿井来说, 单一进行本煤层瓦斯抽放已不能解决工作面瓦斯含量较高的问题。目前来说, 只有积极地对本煤层、临近煤层、采空区进行瓦斯抽放才能彻底地解决瓦斯突出问题[2]。以下为回采工作面和巷道掘进时常用的瓦斯抽放方法。

2.1.1本煤层抽放瓦斯

对于煤层透气性较好的煤矿可以进行普通的瓦斯抽放。在工作面回风顺槽和运输顺槽掘进过程中, 沿煤层倾向布置平行的钻孔, 同侧钻孔间距一般为3～5m, 两顺槽打的钻孔交替相错, 最后各管路连接进行抽放。对于煤层透气性较差的煤矿可以采用交叉钻孔法进行瓦斯抽放, 在煤层中布置两层钻孔, 一层为沿煤层倾向布置, 另一层与两顺槽各呈一定角度布置, 每一层相邻钻孔间隔6～10m, 一侧煤帮上下两层钻孔水平间隔交错。除了采用交叉钻孔法外, 矿井也可以采用水力压裂、高压水射流扩孔、水力挤出等专门增大煤层裂隙和孔隙的方法[3]。

2.1.2邻近煤层抽放瓦斯

对于富含瓦斯的多煤层性煤矿, 单单只对本煤层进行瓦斯抽放是远远不够的, 因为相邻煤层中的瓦斯或者相邻煤层采空区的瓦斯会向主采煤层工作面涌进, 这也是造成工作面瓦斯浓度较高的一个重要原因。对于多煤层煤田来说, 一般选取一个煤层作为解放层开采, 同时对解放层采空区、主采煤层以外的其他煤层进行抽放, 这就可以大大提高了瓦斯抽放率, 降低了工作面瓦斯涌出量。

2.1.3采空区抽放

工作面后部采空区瓦斯涌出是工作面瓦斯的另一个来源, 经过实地检测发现采空区瓦斯涌出量大的话, 矿井必须对采空区进行瓦斯抽放。工作面采空区瓦斯抽放一般采用钻孔抽放法和巷道抽放法。当出现邻近层卸压瓦斯大量向工作面采空区涌进, 并且经过对主采煤层邻近煤层进行瓦斯预抽放而效果不明显时就要采用向冒落带上方打钻孔进行采空区卸压瓦斯抽放。

当邻近层瓦斯涌出量很大且采用采空区瓦斯抽放法效果不好时, 矿井可以考虑采用巷道抽放方法。一般在邻近层瓦斯涌出密集区布置顶板走向巷道, 考虑到采空区碎石“O”型圈[4]的存在, 采空区瓦斯一般聚集在“O”型圈的上部边界, 顶板走向巷道投影到回风顺槽的距离一般为10～15m。由于抽放巷道断面远大于钻孔, 这就有利于减低瓦斯涌出阻力和促进瓦斯沿抽放巷道流出。具体情况详见图1所示。

2.1.4地面钻井抽放法

有条件的矿井可以采用地面钻井抽放方法, 此方法的优点是可以对煤层进行多个时期的瓦斯抽放。在初期根据煤层定位打完竖直钻孔并且布置完瓦斯抽放管路后, 钻孔首先可以进行一段时间的采前预抽, 时间一般为3个月左右;当煤层开始回采后, 钻孔又可以对采动卸压带瓦斯进行抽放;当工作面回采完毕后, 钻孔仍然可以用来对采空区进行瓦斯抽放。

2.1.5煤巷掘进瓦斯抽放

对于富含瓦斯煤层, 在顺槽掘进过程中就会遇到瓦斯涌出量大的问题, 严重制约煤巷的掘进。对于煤巷的瓦斯抽放方法分为煤巷边掘边抽法和煤巷瓦斯预抽法。煤巷边掘边抽法一般为在两侧煤帮分别交错布置钻场, 在钻场内布置2层钻孔, 每层钻孔一般为3～4个, 钻孔间距500mm, 下面一侧钻孔与巷道平行, 上面一侧钻孔与煤巷成3°左右角度, 两层钻孔上下间隔500mm, 钻孔长度为80m, 这样每个钻场可以保证前面80m长度的煤巷的掘进。对于瓦斯涌出量特别大的煤层, 可以在掘进头沿掘进方向布置超前钻孔进行瓦斯抽放。具体巷道布置图详见图2所示。

煤巷瓦斯预抽法指的是在与指定待掘巷道平行的抽放巷道内向待掘巷道的煤体打钻孔进行瓦斯预抽放。这种方法减少了巷道掘进过程中瓦斯抽放和掘进的相互影响。

2.2确定合理的抽放参数

瓦斯抽放参数包括钻孔直径、钻孔长度、钻孔角度和抽放负压[3]。直径大的钻孔的瓦斯涌出量显然高于直径小的钻孔的瓦斯涌出量, 而且不容易发生内部堵塞, 稳定时间长, 所以矿井在条件允许的情况下应尽量选择大直径的钻具进行大直径的钻孔的钻取。对于瓦斯抽放的煤层来说, 显然钻孔长度越长, 煤层在钻孔内的裸露面积越大, 瓦斯涌出量越大, 所以矿井尽量确保钻孔长度较长。钻孔分为上行孔、下行孔、水平孔。上行孔不易积水, 但瓦斯溶出量较小, 施工相对困难;下行孔易积水, 但瓦斯涌出量较大;水平孔就综合了前二者的优点, 矿井应根据煤层实际情况进行选择。抽放负压在一定范围内越大, 瓦斯抽放效果就越好, 但当抽放负压达到一定数值时, 瓦斯抽放效果就趋于平衡[1]。矿井应根据一线具体情况和积累的经验选择合适功率的瓦斯抽放泵。

2.3确定合理的抽放范围

抽放范围较小是矿井瓦斯抽出率低的另一个原因, 抽放范围一般包括钻场钻孔数量和长度、瓦斯抽放煤层、具体煤层的抽放面积等。为了提高瓦斯抽放率, 矿井必须保证钻孔数量和钻孔长度达标, 同时增加瓦斯抽放煤层及具体煤层的抽放面积。

2.4改进钻孔封孔工艺

根据实验证明, 抽放管路里的空气50%以上是由于封孔不严漏气造成的。因此必须对钻孔封孔工艺进行改进, 以下为封孔性较好的封孔方法, 以聚氨酯为主体, 配合水泥和木塞, 封孔长度至少为8m以上, 封孔效果良好。需要注意的是, 一个钻孔铺设完管路后要立即进行封孔。具体封孔方法详见图3所示。

3 小结

瓦斯抽放是一个复杂的系统, 包含很多环节, 矿井只有使瓦斯抽放每个环节都达到完善的水平后才会确保瓦斯抽放达到较高的效率, 有效地解决工作面瓦斯超标的问题。结合矿井的实际经验来说, 采用综合抽放瓦斯方法进行煤层瓦斯抽放可以有效地控制工作面瓦斯涌出量, 保证煤层回采工作地安全正常进行。此外, 井下抽出的瓦斯可以综合利用, 浓度较高的瓦斯尾气可以并入工业广场居民区燃气管路, 供居民日常生活使用。

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[3]董贺军.瓦斯抽采中水力压裂增透技术的应用[J].内蒙古煤炭经济, 2012 (8) .

矿井采空区瓦斯抽放 篇8

我国的高瓦斯矿井很多, 随着开采深度和强度的增加, 有些低瓦斯矿井也出现了高瓦斯区域。工作面进行回采时, 常常引起工作面上隅角及回风巷瓦斯超限, 迫使工作面限产, 甚至停产而影响产量。早期完全依靠增大风量来冲淡瓦斯, 后来逐步采用少量单一的抽放瓦斯方式, 配合通风稀释来解决瓦斯超限问题。随着科技发展, 许多先进技术应运而生, 如仰角钻孔瓦斯抽放技术在高突煤矿得到了广泛的应用。

1 仰角钻孔瓦斯抽放技术原理

仰角钻孔就是采用顶板走向钻孔抽采技术, 从工作面回风巷沿走向在煤层顶板向采空区上方施工钻孔。主要作用是以工作面回采采动压力形成的顶板裂隙作为通道来抽放工作面煤壁及上隅角涌出的瓦斯。

根据回采工作面矿山压力规律的研究, 煤层随工作面回采, 在工作面周围将形成一个采动压力场, 采动压力场及其影响范围在垂直方向上形成三个带, 即冒落带、裂隙带和弯曲下沉带。在水平方向形成三个区, 即煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。在这个采动压力场中形成的裂隙空间, 便成为瓦斯流动通道。

2 仰角钻孔抽放的主要参数

仰角钻孔瓦斯抽放的主要参数包括计算参数和施工参数两大类。计算参数是通过大量实际资料对终孔目的区进行优化后确定的区间参数, 主要指X、Y、H, 施工参数是根据计算参数确定的钻孔现场施工参数, 主要指L、α、β、和封孔长度L0, 如图1所示。

图1中:OA为钻孔, OEB为水平面, OBD为煤层面, OB为风巷;X为钻孔轴线在风巷方向投影长度;Y为钻孔终孔点在煤层面垂直投影点到风巷的距离;H为钻孔终孔点距煤层顶界垂直高度;L为钻孔孔深 (长度) ;α为钻孔水平投影线与风巷夹角;β为钻孔仰角;L。为钻孔封孔长度。

在施工钻场时, 主要考虑以下几点:钻孔终孔点距煤层顶垂直高度, 是否进入顶板裂隙带内;分析煤层岩性硬度、层间距、地质构造;老顶冒落跨落距和老顶冒落的“O”型圈来确定钻孔的长度和钻孔终孔点在煤层面垂直投影点到风巷的距离;根据冒落带和裂隙带高度公式计算, 分析裂隙带高度;通过以上综合分析可确定钻孔垂直高度, 以这个垂直高度为参考数值, 多布置不同参数钻孔, 经过实践和理论相结合, 确定钻场钻孔参数。

3 仰角钻孔抽放现场试验

新建煤矿为斜、立井多水平开拓, 现生产二水平, 标高为-450 m。根据2006年瓦斯鉴定结果, 瓦斯等级为高瓦斯矿井, 该矿相对瓦斯涌出量30.5 m3/t, 绝对瓦斯涌出量92.28 m3/min。矿井瓦斯来源:采煤:64%, 掘进:21%, 采空区及其它:15%。

新建煤矿八采区40081采煤工作面位于二水平92#层右一区段。煤层均厚1.05 m, 倾角3°～4°, 工作面走向长950 m, 倾向长180 m, 根据采煤工作面顶板冒落公式和裂隙带公式[1]求得:

式中, ∑h为冒落高度, m;M为采出煤层厚度, 取1.05 m;α为煤层倾角, 取3.5°;k为岩石碎胀系数, 取1.3。

式中, H为裂隙带高度, m;∑M为采高, 取1.05 m。

经过计算, 40081工作面合理的冒落带高度为3.5～5 m, 裂隙带高度为5～19.8 m, 在满足抽放有效距离及钻孔始抽距离的基础上, 确定钻场间距为100 m, 每个钻场布置3个孔。第1钻孔仰角2.5°, 方位角为295°, 钻孔长度175m, 钻孔终孔点距风巷距离12 m, 经过计算, 钻孔终孔点距煤层顶界的垂直高度7.8 m, 钻孔抽放浓度1.2%～5%, 第2钻孔仰角6°, 方位角为290°, 钻孔长度180 m, 钻孔终孔点距风巷距离18 m, 经过计算, 钻孔终孔点距煤层顶界的垂直高度21 m, 钻孔抽放浓度10%～75%, 第3钻孔仰角5°, 方位角为285°, 钻孔长度190 m, 钻孔终孔点距风巷距离38 m, 经过计算, 钻孔终孔点距顶界的垂直高度18 m, 钻孔抽放浓度10%～60%。通过考察表明, 在有效抽放期内钻孔最大浓度为75%, 抽放浓度与工作面推进距离的关系如图2所示。

从图2中可以看出, 1孔瓦斯抽放浓度曲线变化不大, 这说明1孔终孔位置打在冒落带或接近裂隙带, 此孔没有抽放价值, 2孔瓦斯抽放浓度曲线变化很大, 钻孔的有效作用范围是从采面距钻孔终孔位置水平147 m左右开始到采面距钻孔开孔位置水平25 m左右为止, 与此相对应的高差是8～18 m, 钻孔抽放浓度在10%～75%之间, 可稳定在35%左右。这说明2孔终孔位置打在裂隙带内, 比较3孔抽放效果更显著。通过以上分析可以确定八采区92#层顶板裂隙带高度在18 m左右。

4 瓦斯抽放技术现场应用前后效果对比分析

通过精确计算出钻孔施工参数, 以保证抽放最佳效果, 三个采煤工作面钻场的钻孔浓度测试结果如表1所示。

由于采取了仰角钻孔抽放, 大大降低了采掘工作面及其回风流中的瓦斯浓度, 取得了良好效果, 特别是40081、40072、40091采煤工作面, 治理瓦斯取得了最佳效果, 如表2所示。采用仰角钻孔抽放后:回风瓦斯浓度较抽放前减小0.3%～0.5%;上隅角瓦斯浓度较抽放前减小0.3%～0.7%;回风量较抽放前减小10%～30%;绝对涌出量比抽放前减少49%～67%, 单产较抽放前增长32%～50%。

5 仰角钻孔瓦斯抽放应用前景

高瓦斯工作面仅进行本煤层预抽还不能满足机械化采煤工作面的要求, 为减小回采过程中瓦斯超限, 特别是进行上隅角瓦斯治理, 在生产过程中采用仰角钻孔继续开展瓦斯抽放是一种重要的措施和方法。

目前需要解决的问题是:应将仰角钻孔抽放纳入高突危险工作面的设计, 在采面掘进过程中和采面移交前施工好仰角钻场;继续研究仰角钻孔的目的区, 优化钻孔参数;对过硬岩层的钻进方法和设备做进一步研究。

参考文献