_三软_不稳定突出煤层消突技术研究

收稿日期: 2007- 05- 25 作者简介: 刘际宏 ( 1965- ) ,男,河南登封人,注册安全工程师, 1988 年毕业于焦作矿业学院,现任郑煤集团大平矿副总工程师。 �三软 �不稳定突出煤层消突技术研究 刘际宏 (郑煤集团公司 大平煤矿 ,河南 登封 452473) 摘要:研究了 �三软�不稳定突出煤层顺层钻孔预抽瓦斯及工作面回采瓦斯治理方法。论证了工作 面无突出危险性及放顶煤回采的可行性。 关键词: �三软�不稳定煤层; 预抽煤层瓦斯;消突; 放顶煤回采 中图分类号: TD713 文献标识码: B 文章编号: 1003- 0506( 2007) 05- 0086- 03 1 矿井主采煤层 大平煤矿主采的二 1煤层为 �三软 �不稳定煤 层。煤层的 f值仅为 0�12;煤厚 1�29~ 29�83 m,平 均 7�50m;煤层倾角 6~ 30!。 根据煤科总院抚顺分院 ∀大平煤矿 16采区煤 层瓦斯赋存规律及突出危险性区域预测研究 #提供 的资料,百米钻孔平均瓦斯初始排放量为 0�05 m3 / m in,百米钻孔平均极限流量为 3 585m 3, 衰减系数 �= 0�412 d- 1。 2 16071工作面概况 2�1 工作面开采范围 大平煤矿 16071工作面北为 16031工作面 (于 2002年 3月回采结束 ), 西邻 16回风下山、轨道下 山、胶带下山,南为 16091工作面, 东邻井田边界,隔 界与东平煤矿相邻。工作面平均走向长 477�5 m, 工作面平均倾向长 100m, 斜面积 47 750m 2,煤层厚 度 7�05m,煤层倾角 25!。 工作面煤层结构简单, 赋存较稳定,全区可采。 煤体总体上呈一倾向南的单斜构造, 断层附近煤层 较厚, 煤层变化趋势西厚东薄; 标高 - 80~ ∃ 0m,埋 深 252~ 360 m;工作面采用伪走向及走向放顶煤一 次采全高的采煤方法。 2�2 工作面顶、底板情况 直接顶:砂质泥岩, 厚度为 4�48 m, 深灰色, 灰 黑色,含云母碎片, 互层状结构。伪顶: 炭质泥岩,厚 度为 0�5m,黑色,局部存在。直接底: 砂质泥岩, 厚 度为 13�6m,深灰色,致密,含植物化石。 2�3 工作面瓦斯抽放系统 16071工作面抽放系统采用 16区 1#泵站 SK�60 型抽放泵作为低负压大流量使用, 采用 2#泵站 2BE1�253型抽放泵作为高负压小流量进行抽放。 高负压抽放系统服务于回采巷道的采面预抽、切巷 的边采边抽和采空区顶板钻孔抽放, 管路采用回采 巷道的边掘边抽抽放系统,管路已安装完备,回风巷 采用 200 mm玻璃钢管,工作面运输巷采用 150 mm无缝钢管抽放。低负压抽放系统服务于顶板抽 放巷抽放和上隅角及采空区埋管抽放,该抽放系统 需在回风巷重新敷设一趟 200 mm玻璃钢管, 16 回风下山架设一趟 200 mm钢管与上平台 300 mm管路相连。抽放泵站内采用孔板流量计及高浓 度光学瓦斯鉴定仪和抽放监测系统同时监测抽放管 路内的气体参数, 钻场及单孔以 U型压差计、孔板 等测定抽放量,抽放效果。 3 瓦斯治理技术方案设计 3�1 预抽煤层瓦斯 通过抽放煤层瓦斯,首先可使具有突出危险的 煤层或者高瓦斯煤层中的瓦斯压力和瓦斯含量大幅 度降低,使煤体内的瓦斯潜能得到释放。其次,由于 瓦斯的排出可使煤体收缩变形, 使煤体所受的应力 降低,煤体透气性增大; 同时又由于煤体应力的降 低, 使煤体中的弹性潜能得到释放。此外,煤体内瓦 斯的排放还会增大煤体的机械强度和煤体的稳定 性, 从而使煤与瓦斯突出的阻力增大,进一步减弱或 %86% 2007年第 5期 中州煤炭 总第 149期 消除突出危险性, 起到防突效果。钻孔抽放瓦斯的 实质是:通过向煤层打大量的密集钻孔取煤造成局 部卸压,同时排放瓦斯释放其潜能,然后经过较长时 间的预抽煤层瓦斯, 进一步降低其瓦斯压力与瓦斯 含量, 并由此引起煤层的收缩变形、地应力下降、透 气性增高、地应力与瓦斯压力梯度减小和煤的坚固 性系数增加等变化, 从而达到削弱直至消除突出危 险的目的。 突出煤层的实测透气性系数& 4�0 ∋ 10- 2 m2 / (MPa 2 % d)时,可采用预抽煤层瓦斯措施。16071工 作面二1煤层透气性系数 �= 0�767 m2 / (MPa2 % d), 具备预抽煤层瓦斯区域性消除突出危险性的条件。 3�2 顺层钻孔预抽瓦斯方案 预抽煤层瓦斯的布孔方式主要有穿层孔和顺层 孔。穿层孔有很长一部分为岩石钻孔,利用率低,在 煤层透气性较差的情况下, 要求布孔密集, 工程量 大, 抽放时间长。 16071工作面设计预抽瓦斯采用 顺层孔布置方式。 16071工作面二 1煤层透气性比较差,透气性系 数为 �= 0�767 m2 / (M Pa2 % d)。因此, 为了缩短抽 放时间,提高抽放效果,设计布孔较密集, 钻孔间距 为 2�0m;煤层平均厚度为 7�05m,故整个煤层厚度 上布置 3排抽放钻孔。钻孔布置有 3种形式: ( 从 工作面回风巷沿煤层倾向向下打顺层抽放钻孔; ) 从工作面运输巷沿煤层倾向向上打顺层抽放钻孔; ∗ 从工作面开切眼沿煤层走向打顺层抽放钻孔。 钻孔布置参数:钻孔直径 75 mm;回风巷钻孔长 度 40~ 50 m;运输巷钻孔长度 80~ 90 m; 开切眼钻 孔长度 30~ 40 m;回风巷、运输巷钻孔重叠长度 10 m;钻孔抽放半径 1�0 m; 钻孔间距 2�0 m;煤层厚度 上的钻孔数目 3个。 3�3 工作面回采瓦斯治理方法 从工作面在掘进期间瓦斯涌出情况来看, 瓦斯 涌出量较大。因此,在该区域采取高抽巷抽放、回采 巷道预抽、采面切巷抽放、顶板岩石钻孔抽放及上隅 角埋管抽放相结合的瓦斯综合治理措施。 高抽巷抽放即在煤层顶板距离煤层 20m、向内 距离回风巷下帮 20 m左右的岩体中布置一条岩石 巷道,回采时封闭巷道进行抽放。顶板走向钻孔抽 放即在回风巷下帮每 60m施工一个抽放钻场,钻场 布置在直接顶或伪顶中,与回风巷水平间距为 20 m (中 + 中 )。钻场中布置 6个抽放钻孔,孔底水平方 向控制到上隅角以下 10, 20, 30m, 竖直方向控制到 煤层顶板以上 25, 35m。 4 钻孔施工及瓦斯抽放考察 在工作面顺层抽放钻孔施工及抽放过程中, 从 开切眼开始分 4段 ( 0~ 65 m段、65~ 135 m段、135 ~ 235m段和 235 m以外段 )考察了钻孔的实际施 工及瓦斯预抽情况,各分段详见 1。 表 1 16071工作面无突出危险性论证结果汇总 工作面 分段 项目 指 标参数 实际参数 突出 危险 性 论证依据 0~ 65m 段 钻孔布置 均匀度 均匀 布置 均匀 布置 无 ∀防治煤与瓦 斯突出细则# 第 53条 残余瓦斯含 量 /m 3% t- 1 8�0 8�0 6�3(钻孔百米流量 ) 6�4(抽放量累计 ) 无 ∀煤矿瓦斯抽 采基本指标# 第 4�1条 瓦斯抽放 率 /% 30 30 36� 1(钻孔百米流量 ) 35�4(抽放量累计 ) 无 ∀煤矿安全规程#第一百九十条 65~ 135 m 段 钻孔布置 均匀度 均匀 布置 均匀 布置 无 ∀防治煤与瓦 斯突出细则# 第 53条 残余瓦斯含 量 /m 3% t- 1 8�0 8�0 6�7(钻孔百米流量 ) 6�6(抽放量累计 ) 无 ∀煤矿瓦斯抽 采基本指标# 第 4�1条 瓦斯抽放 率 /% 30 30 31�5(钻孔百米流量 ) 32�2(抽放量累计 ) 无 ∀煤矿安全规程#第一百九十条 135~ 235 m 段 钻孔布置 均匀度 均匀 布置 均匀 布置 无 ∀防治煤与瓦 斯突出细则# 第 53条 残余瓦斯含 量 /m 3% t- 1 8�0 8�0 6�3(钻孔百米流量 )6�7(抽放量累计 ) 无 ∀煤矿瓦斯抽 采基本指标# 第 4�1条 瓦斯抽放 率 /% 30 30 36�1(钻孔百米流量 ) 32�0(抽放量累计 ) 无 ∀煤矿安全规程#第一百九十条 235 m 以外段 钻孔布置 均匀度 均匀 布置 均匀 布置 无 ∀防治煤与瓦 斯突出细则# 第 53条 残余瓦斯含 量 /m 3% t- 1 8�0 6�5(抽放量累计 ) 无 ∀煤矿瓦斯抽 采基本指标# 第 4�1条 瓦斯抽放 率 /% 30 33�8(抽放量累计 ) 无 ∀煤矿安全规程# 第一百九十条 5 工作面无突出危险性论证 5�1 论证 根据表 1论证的依据,结合 16071工作面钻孔施 工、瓦斯抽放和残余瓦斯含量计算的实际情况, 分段 论证了 16071工作面已经消除了突出危险性。 从表 1可以看出, 16071工作面抽放钻孔布置均 匀,能够控制整个工作面区域。经过长时间的强化瓦 斯抽放后,工作面 0~ 65 m段、65~ 135 m段、135~ 235m段和 235m以外段煤层残余瓦斯含量分别降到 了 6�4, 6�7, 6�7, 6�5m3 / ,t低于始突深度处的瓦斯含 量 9�0 m3 / ,t也小于∀煤矿瓦斯抽采基本指标#规定的 %87% 2007年第 5期 刘际宏: �三软�不稳定突出煤层消突技术研究 总第 149期 8�0m3 / t。煤层的瓦斯抽放率分别达到了 35�4%, 31�5%, 32�0%和 33�8%,超过 ∀煤矿安全规程 #第一 百九十条规定的 30�0%的抽放率指标。从这些指标 看,经过密集钻孔强化抽放后, 16071工作面已经消除 了突出危险。 5�2 回采过程中的注意事项 ∀防治煤与瓦斯突出细则 #第 24条规定, 在突出 威胁区内,根据煤层突出危险程度, 采掘工作面每推 进 30~ 100m,应用工作面预测方法连续进行不少于 2次区域预测验证。建议工作面每推进 30m进行 2 次区域预测验证,根据验证结果判定工作面的突出危 险性,并及时采取针对性的措施。 6 结语 16071工作面的钻孔施工及瓦斯抽放的实际表 明:工作面钻孔布置均匀, 能够覆盖并控制整个工作 面的煤体。经顺层孔强化瓦斯抽放后,煤层的残余瓦 斯含量已经降到了矿井始突深度处的原始瓦斯含量 值 9�0 m3 / t以下,也小于∀煤矿瓦斯抽采基本指标# 规定的 8�0m3 / ,t煤层的瓦斯抽放率超过了 ∀煤矿安 全规程#第一百九十条规定的 30%的预抽目标。由 此判断, 16071工作面的煤体已经消除了突出危险性, 具备了放顶煤回采的条件,可以进行放顶煤回采。 (责任编辑:秦爱新 ) (上接第 23页 ) 监测点和井上监测点、安全监测系 统中心主机、煤矿网络中心服务器、煤矿企业各部门。 从与外部发生的联系来看,整个系统与 3类外部实体 发生联系: 传感器、系统管理员和企业各部门用户。 在每个测点有多功能监测仪监测、采集水文数据信 息;通过煤矿安全监测系统将井下采集到的数据提取 到动态水文多参数遥测系统数据库;再由数据库处理 软件将井下和井上各个测点的数据集中起来存放到 企业网络中心数据库中,并进行统计处理, 提供给用 户查询。可设置 1台数据采集工作站专门用于数据 采集、提取,设置 1台数据库服务器用于数据的存贮。 矿上各部门的终端用户通过煤矿企业网实现地上、井 下水文多参数信息的查询与统计分析。该系统采用 物理 3层结构, 分别称为数据采集层 (各种监测分 站 )、数据处理层 (实时监测主站 )和水文数据库及网 络发布层。 该系统实现了从数据采集、数据处理、数据的网 络发布与应用。每一层都由软、硬件两部分组成。 该系统的 3层结构中,可以采用组合的方式构成 独立运行的系统模式: (基层系统; )基层系统 +中 层系统; ∗基层系统 +高层系统; ,基层系统 +中层 系统 +高层系统。每种系统模式都可独立运行。采 用如此的系统模型使本项目的研究成果可以适应各 种组织结构。 3 研究应用效果 该系统可以按照工作人员的要求,随时 (可设 1 m in~ 24 h)、随地 (手机信号覆盖区 )采集观测孔的地 下水位 (水压 )、水温数据,而不需要工作人员亲临现 场,极大地减轻了工作人员的劳动强度,提高了劳动 效率,实现了真正的实时监测。 该系统井下与 K J70安全监测系统完全兼容,通 过安全监测系统通讯线路,将数据传输到地面安全监 测系统中心站,再通过局域网将数据提取到动态水文 监测信息系统数据库,实现水文数据的汇总、传输及 分析处理,建立电子版的数据台账。 遥测系统的实时性强,在办公室就可及时观测到 水位 (水压 )、水温、流量变化情况。而自动记录系统 需每月人工到孔口取回记录数据,实时性稍差。 该系统设计之初遵循的基本原则是安全、高效、 方便,便于管理。在使用方便的同时, 还考虑到系统 的安全性,以及当数据受到破坏时采取的应急措施, 例如数据备份和数据恢复。该系统符合软件设计的 开放式原则、稳定可靠性原则、升级灵活及适应能力 强原则、易管理及操作控制原则、安全性原则。 矿井水文动态监测智能预警系统解决了两大难 题: (该系统完全与安全监测系统兼容,系统采用的 现场工业总线 ( CAN总线 )构成的通信网是当今世界 上较为先进的工业通信网络之一, 解决了和将来的以 太网接入技术。一旦条件成熟,可随时并入局拟建以 太网系统,通过企业内部局域网可方便实现煤矿水文 地质信息的多级共享。 )该系统使用方便,无需另外 架设通讯电缆,资源利用率高,易于安装,便于维护。 该系统在地面、井下水位 (水压 )、水温的实时监 测达到了预期效果,操作简单,系统运行稳定,界面设 计合理,容错性强。该系统在地面数据通讯方面利用 GSM短消息实现了小批量数据传输, 实现起来简单, 通信费用低廉,数据可靠安全。 (责任编辑:秦爱新 ) %88% 2007年第 5期 中州煤炭 总第 149期