谯永刚,王建国

(煤炭科学研究总院沈阳研究院,辽宁沈阳 110016)

山西长治地区煤矿瓦斯抽采技术优化研究

谯永刚,王建国

(煤炭科学研究总院沈阳研究院,辽宁沈阳 110016)

为了提高长治地区瓦斯抽放效率,有效解决矿井瓦斯问题,在该地区中 20多座大中型煤矿开展科研项目的基础上,分析该地区瓦斯抽采存在的诸多问题,获得了瓦斯抽放系统的优化方法,为矿井瓦斯抽放提供了必要的技术指导。

瓦斯预抽;钻孔;邻近层;技术优化

Optimization of Methane Drainage Technology in Changzhi Area of Shanxi Province

近几年我国煤矿安全有了明显改善,但瓦斯事故仍不断发生,形势依然严峻,资源环境硬约束越来越强,煤矿开采条件越来越复杂,随着开采深度增加,瓦斯、地温、地压问题交织在一起,带来许多新的难题。同时我国部分中小煤矿技术装备落后,瓦斯防治系统不健全,管理不严格,没有真正做到抽采达标。

1 山西长治地区主要可采煤层及瓦斯情况

根据地质资料,山西省长治地区位于沁水煤田东部,受燕山期构造运动控制。由于东西向主压应力作用,构造变动在形态上主要表现为大型开阔褶皱,大部分为第四系黄土覆盖,主要含煤地层有：石炭系上统太原组 (C3t),由灰 -深灰色砂岩、粉砂岩、泥岩、煤层及石灰岩组成;二叠系下统山西组 (P1s),由砂岩、粉砂岩、泥岩及煤层组成。

该区属于煤层富集带,区内山西组、太原组煤层多达 13层,其中 3-2,3-3,8-1,8-2,12,15-2,15-3为可采煤层。山西组 3号煤层为该区主要可采煤层,在南部长治县到屯留县境内 3号煤层基本没有分层,平均厚度 6m,从襄垣县北部开始以北地区分为 3-1,3-2,3-3分层。

根据襄垣县上良煤业地质资料上分层 3-1未达到可采厚度,中层 3-2厚度 1.26～1.30m,属薄 -中厚煤层,3-3煤层厚 2.56～2.77m,为中厚煤层。武乡县境内 3-1,3-2煤层尖灭,3-3分层变薄。根据武乡县温庄煤业地质资料,3号煤层厚度 0.55～2.0m,平均 1.18m。

太原组 8-1,8-2,12,15-2号煤在该区南部属薄煤层,井田内稳定性较差,属局部可采煤层。15-3号煤层在井田内属稳定煤层,厚度多在 1.30～2.50m,为太原组之主要可采煤层。其余大多数未达可采厚度。自襄垣县以北至武乡县地区,15号煤层逐渐增厚,据三元福达煤业地质资料,15号煤层厚度 3.70～4.97m,平均厚度 4.47m,全区稳定可采,为该井田范围内主要可采煤层。

长治地区各煤层瓦斯含量较大,部分矿井瓦斯含量现场测定数据见表 1。

表1 长治地区部分煤矿瓦斯涌出量及煤层瓦斯含量

2 瓦斯抽采现状

长治地区多数煤矿为高瓦斯矿井,均已安装瓦斯抽采系统,其中 90%为地面瓦斯抽采系统,且在建的居多,抽采能力勉强满足生产要求。由于技术力量及矿井生产遗留问题影响,瓦斯抽采方法及抽采系统存在众多问题。

瓦斯抽采方法的选用主要依据瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采条件等因素综合考虑。常用瓦斯抽采方法有：开采层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采。

3 瓦斯抽采方法及存在问题

在条件允许的情况下,解决煤层瓦斯最有效的方式是抽采本煤层瓦斯。一则可以减少其向采掘空间涌出,同时也可以消除煤与瓦斯突出危险性。

该区目前主要开采 3号和 15号煤层,瓦斯抽采以针对邻近层和采空区为主。抽采方法主要采用高位钻孔。部分矿井兼用上隅角插管方法,少数矿井兼用本煤层预抽方法解决开采层瓦斯。

3.1 目前存在的主要问题

(1)本煤层瓦斯预抽不足 长治地区原小煤矿占多数,大多数矿井生产接续条件限制了煤层瓦斯预抽时间。本煤层瓦斯没有得到充分预抽,回采工作面煤壁瓦斯涌出量大,上隅角瓦斯超限次数多。多数矿井对本煤层瓦斯预抽重视不够,一些矿井随采用本煤层预抽,但对预抽时间、钻孔参数等无计算和设计,盲目施工。

襄垣煤矿 1061回采工作面回采时未进行提前预抽也未采取其他有效措施,当工作面回采至向斜轴部时,瓦斯涌出量由 25m3/min增至 40m3/min,上隅角瓦斯浓度达 2.7%,迫使其停产。

(2)邻近层瓦斯抽采效率低下 长治地区煤层赋存属于近距离煤层群,工作面瓦斯来源中邻近层占很大比例。开采之前或开采过程中抽采邻近层瓦斯能有效减少工作面瓦斯涌出量,减轻通风压力。尤其回采过程中邻近层及现采采空区抽采有投资少、可操作性强、见效快等特点。这种方法目前被广泛应用,多数矿井以这种方法为主。但由于技术力量不足,缺少具体研究与设计,多数矿井邻近层瓦斯抽采达不到理想效果。

(3)上隅角瓦斯抽采方法不合理 上隅角瓦斯超限问题一直是矿井瓦斯治理的重点,长治地区高瓦斯矿井居多,上隅角瓦斯问题尤为严重。现主要采用插管抽采技术,抽采效率低下,漏气严重,影响抽采系统负压平衡。部分矿井采用局部引排风机抽排上隅角瓦斯,虽可以暂时降低上隅角瓦斯浓度,但不能从根本上解决工作面瓦斯问题。

3.2 系统选型及抽放泵站

长治地区原小煤矿占多数,由于技术、经济、重视程度等方面原因,原井下移动瓦斯抽采泵占大多数。由于抽采管路短,投资小,见效快等特点,井下移动瓦斯抽放系统较受现场欢迎。但这种系统负压小、抽采量有限,一般只适合低负压抽放和临时抽放。其次,移动抽放系统抽出瓦斯大多排入回风流中,影响矿井通风能力,若回风大巷断面、风量等因素不能满足时容易导致瓦斯超限。

4 瓦斯抽采技术优化

4.1 本煤层预抽技术优化设计

煤层瓦斯预抽难易程度决定于煤层透气性和钻孔瓦斯流量衰减速度,长治地区现场实测煤层透气性及百米钻孔瓦斯自然流量衰减系数见表 2。

表2 煤层透气性和百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数

根据钻孔瓦斯自然涌出特征,t时刻百米钻孔瓦斯涌出量 qt=q0e-αt

通过 0～t时刻积分,百米钻孔在 t时间内可抽瓦斯总量为：

4.1.1 瓦斯预抽时间计算

应用表 1中最接近平均值的上庄煤业数据为例,通过计算不同抽采时间下煤层瓦斯预抽总量和钻孔瓦斯抽采有效系数确定瓦斯预抽时间。

钻孔抽采有效系数可根据百米钻孔 t时间内抽采瓦斯总量与理想状态 (0～∞时间内)极限瓦斯抽采量之比求得：

式中,Qt为百米钻孔在 t时间内可抽瓦斯总量,m3;Qj为百米钻孔理想状态下极限瓦斯抽采量,m3;T为抽采时间,d;K为钻孔抽采有效系数,%;α为百米钻孔自然瓦斯流量衰减系数,d-1。

不同抽采时间煤层瓦斯预抽总量和钻孔瓦斯抽采有效系数计算结果见表 3。

表3 不同抽采时间内百米钻孔抽采瓦斯总量及钻孔抽采有效系数

从表 3可以看出,5个月时单孔瓦斯抽采率为98%,基本接近抽采极限,为了最大限度抽采本煤层瓦斯选择预抽时间为 5个月。

4.1.2 单孔抽采影响范围计算

钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率可以根据不同半径体积煤体中瓦斯抽采量与该范围内瓦斯总含量之比求得：

式中,η为钻孔抽采影响范围内的瓦斯抽采率,%;L为钻孔长度,L=100m;M为煤层平均厚度,m;D为钻孔抽采影响范围 (直径),m;Y为煤的平均密度,t/m3;X为煤层平均瓦斯含量,m3/t。

根据我国煤层预抽瓦斯目前水平,按照瓦斯抽采基本指标,上庄煤业抽采钻孔影响范围内瓦斯抽采率应大于 40%,为了既减少钻孔工程量又保证抽采效果,钻孔预抽时间为 5个月时单孔抽采影响范围 (直径)取 5m,见表 4。

表4 抽采时间 5个月时钻孔不同影响范围的瓦斯抽采率

由于长治地区煤层透气性一般,本煤层抽采应布置交叉钻孔以增加预抽效果。

4.2 邻近层瓦斯抽采技术优化

有效解决邻近层瓦斯的方法是卸压抽采邻近层及裂缝带瓦斯,长治地区煤层间距小,邻近层瓦斯抽采应采用高位钻孔。施工中最重要的是确定合理的钻孔参数,高位钻孔终孔位置应位于 “三带”中的裂缝带内且伸入邻近煤层顶板。当工作面采用“U+L”型通风时,为了提高抽采效果,可采用图1布孔方式抽采邻近层瓦斯。

图1 高位钻孔布置

图2 高位钻孔参数

根据 “三带”理论,邻近层抽采钻孔的布置应符合图 2计算结果,钻孔终孔位置应位于上邻近层顶板以上 2～5m。钻孔伸入工作面上方段水平投影应满足钻孔不被破坏的水平投影长度。

计算方法如下：

钻孔终孔高度应大于钻孔安全高度,即：

式中,h为钻孔终孔位置距开采煤层顶板垂高,m;h1为顶板冒落高度,取 5～8倍采高,m;h2为防止钻孔破坏的预留高度,应不小于 2倍的采高,m。

终孔点垂高 h可根据煤层间距确定,实践中可取开采层顶板至邻近层顶板以上 1m的距离。

根据三角形边角关系：

式中,L1为顶板岩石卸压段钻孔水平投影距离,m;L2为顶板岩石未卸压段距煤柱距离,m;φ为顶板岩石卸压角,71°;S为煤柱以内钻孔段水平投影距离,m。

根据相似三角形比例关系可得：

式中,b为煤柱宽度,m;β为顶板冒落角,63°。

经计算可得出钻孔长度、间距、倾角等参数,如表 5所示。

表5 某矿高位钻孔参数计算结果

当工作面采用“U”型通风时,可采用图 3所示高位钻孔设计顶板钻场向邻近层及裂缝带施工钻孔。钻孔位置根据煤层间距确定,终孔位置一般取采高的 8～12倍,应伸入邻近层顶板 3～5m,实践中需经试验及实际观测确定。

4.3 现采采空区及上隅角瓦斯抽采优化

现采采空区是指回采工作面后方的半封闭采空区。回采过程中始终存在并随着采面的推进逐渐增加。由于其和工作面通风网络相连通,在通风压差的作用下,采空区瓦斯流入工作面,并经由回风流排出,导致工作面上隅角或回风流中瓦斯处于超限状态。现采采空区瓦斯抽采技术主要有：插 (埋)管抽采、向冒落拱上方打钻抽采、在基本顶岩石中打水平钻孔抽采、直接向采空区打钻抽采、顶板尾巷抽采、工作面尾巷抽采和地面钻孔抽采等。

针对长治地区近距离煤层群开采情况,采空区瓦斯涌出量大且煤层不易自燃,可采用埋管抽采的方式,常用做法为木垛保护 “T”字型管埋入。也可考虑采用上层煤中留巷道排放瓦斯。

图3 “U”型通风工作面高位钻孔设计

5 展望

目前,煤矿安全仍是一个有待研究与探索的领域,而瓦斯治理则是其中的重要部分。大规模开采面临的瓦斯、通风问题等,对安全技术更是一种考验。瓦斯抽采是治理煤矿瓦斯的首选有效方法,在各地大多中、小型企业中其工艺设计欠合理,导致抽采系统效率低下,真正能够达标的为数不多。要做到不浪费投资,有效治理煤层瓦斯使其变废为宝,还需科研人员多投入精力实地考查研究。

[1]张铁岗 .煤矿瓦斯综合治理技术 [M].北京：煤炭工业出版社,2001.

[2]国家煤矿安全监察局 .煤矿安全规程 [M].北京：煤炭工业出版社,2010.

[3]国家安全生产监督管理总局 .瓦斯抽采基本指标 [M].北京：煤炭工业出版社,2006.

[4]武光辉 .利用高位钻孔抽放技术治理综采工作面上隅角瓦斯积聚 [J].煤矿开采,2009,14(1)：94-95.

[5]张有喜 .掘进工作面瓦斯抽放系统的应用 [J].煤矿开采,2009,14(3)：116-117,4.

[责任编辑：王兴库 ]

TD712.6

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1006-6225(2011)02-0104-03

2011-01-01

谯永刚 (1984-),男,甘肃庆阳人,在读硕士研究生,主要从事矿井瓦斯治理方面的研究工作。