平溝煤礦瓦斯治理中采空區(qū)埋管抽放技術(shù)的應(yīng)用

袁紹國 臧建領(lǐng) 周連春,2 李默然 王禮

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 014010;2.神華烏海能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 016000)

平溝煤礦瓦斯治理中采空區(qū)埋管抽放技術(shù)的應(yīng)用

袁紹國1臧建領(lǐng)1周連春1,2李默然1王禮1

(1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院,內(nèi)蒙古 014010;2.神華烏海能源有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古 016000)

詳細(xì)分析了采煤過程中瓦斯涌出量增大的原因,概述了采空區(qū)埋管抽放技術(shù)的工作原理。該技術(shù)成功地對平溝煤礦0908綜采工作面采煤過程中產(chǎn)生的瓦斯進(jìn)行了有效地治理,保證了采煤工作面安全、穩(wěn)定、高效的生產(chǎn)。

應(yīng)用 采空區(qū)埋管抽放技術(shù)

Abstract:It analyzes the reasons for the increase of gas emission in the mining process,and explains the working Principle of G ob Drainage Pipe Technology.The technology successfully controls the gas which generates during the mining process of 0908 working face,Pinggou Coal Mine,which ensures a safe,stable and effective production for the working face.

Keywords:Application;gob drainage pipe technology

1 引言

神華集團(tuán)烏海能源有限責(zé)任公司平溝煤礦位于內(nèi)蒙古烏海市海渤灣區(qū)卡布其,礦井核定生產(chǎn)能力為1.2Mt/a;該礦通風(fēng)方式為分區(qū)抽出式通風(fēng),每個盤區(qū)在淺部開一個回風(fēng)井。該礦采用兩井筒進(jìn)風(fēng),即一、二號副井同時入風(fēng),各盤區(qū)上山回風(fēng)。平溝煤礦的礦井絕對瓦斯涌出量為44.275m3/min,根據(jù)2010年新出版的《煤礦安全規(guī)程》第一百三十三條規(guī)定:“高瓦斯礦井:礦井相對瓦斯涌出量大于10m3/t或礦井絕對瓦斯涌出量大于40m3/min”,可以判定平溝煤礦為高瓦斯礦井。

由于煤層地質(zhì)條件復(fù)雜,煤層在開采過程中,破壞了煤(巖)體的原始壓力平衡狀態(tài),上、下部負(fù)荷卸除,引起煤(巖)體移動,并向采空區(qū)方向膨脹,從而導(dǎo)致由于錯動而產(chǎn)生的各個方向的裂隙。這些裂隙與采空區(qū)貫通,形成通向采空區(qū)排放瓦斯的通道,這樣鄰近層的瓦斯在自身壓力作用下,通過這些通道向采空區(qū)發(fā)散進(jìn)入采空區(qū)及上隅角,從而造成該礦工作面上隅角及采空區(qū)聚積大量瓦斯,嚴(yán)重制約了工作面的安全生產(chǎn)。針對這種情況,該礦積極探索瓦斯抽放新工藝、新方法,采用了采空區(qū)埋管抽放技術(shù),對工作面的瓦斯進(jìn)行了有效地治理,取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益,保證了采煤工作面安全、高效、穩(wěn)定地生產(chǎn)。

2 問題的提出及采煤過程中瓦斯涌出量增大的原因

2.1 問題的提出

0908綜采工作面南側(cè)距F9斷層約30m,北側(cè)為中組煤軌道下山保安煤柱,東側(cè)為0906工作面采空區(qū),采空區(qū)已封閉,西側(cè)未開采,下覆10#、16#煤層未開采。該工作面走向長度為830m,傾向長度251m,可采儲量864857t;采高控制在2.7m。0908綜采工作面采用走向長壁后退式一次采全高全部垮落法控制頂板的綜合機(jī)械化采煤方法。該工作面2009年10月投入生產(chǎn)以來綜采隊在采煤過程中發(fā)現(xiàn)其上隅角瓦斯經(jīng)常處于臨界狀態(tài),由于該工作面采用了瓦斯-電閉鎖裝置,瓦斯?jié)舛冗_(dá)到臨界值時工作面電氣設(shè)備便自動跳閘,由于跳閘頻率較高,嚴(yán)重地制約了工作面的安全生產(chǎn)。

2.2 采煤過程中瓦斯涌出量增大的原因

分析認(rèn)為,0908綜采工作面采煤過程中瓦斯涌出量增大原因主要有:

(1)采煤機(jī)在破煤過程中,煤層原有應(yīng)力平衡遭到破壞,在煤壁前方的煤體內(nèi),產(chǎn)生3個應(yīng)力帶(見圖1),即卸壓帶、集中應(yīng)力帶和原始應(yīng)力帶[1]。在卸壓帶(長度一般為3～5m)中,煤層的透氣性增大,地應(yīng)力與瓦斯壓力都大大降低,大量吸附在煤層中的瓦斯都沿著煤層的裂隙釋放到工作面,從而導(dǎo)致工作面瓦斯涌出量增加。

圖1 煤體內(nèi)的應(yīng)力帶分布

(2)采空區(qū)瓦斯流動大體可劃分3個帶(如圖2所示):Ⅰ涌出帶(距切眼0～20m)、Ⅱ過渡帶(距切眼20～40m)和滯留帶(距切眼40m外)。在涌出帶中,采空區(qū)丟煤和卸壓鄰近層解吸的瓦斯向工作面和采空區(qū)排放,進(jìn)入涌出帶的瓦斯流動速度較快,多以層流形式存在,且這部分瓦斯幾乎全部被工作面風(fēng)流和采空區(qū)的漏風(fēng)流攜帶到回風(fēng)道內(nèi),從而導(dǎo)致工作面上隅角的瓦斯?jié)舛仍龃蟆Ａ硗饴╋L(fēng)大小與工作面供風(fēng)量大小及支架位置和工作面通風(fēng)方式有關(guān),隨著工作面的推進(jìn),采空區(qū)進(jìn)入過渡帶,過渡帶的瓦斯在工作面和采空區(qū)的壓差作用下,一部分進(jìn)入工作面,一部分暫時或永遠(yuǎn)滯留在采空區(qū)內(nèi),該區(qū)域瓦斯流動速度明顯下降。流動呈現(xiàn)不均衡性,處于層流、紊流交錯階段;而進(jìn)入滯留帶時,釋放采空區(qū)內(nèi)的瓦斯一般滯留在采空區(qū)的深部,流動速度較低。上述3個帶并不是固定不變的,隨著工作面的推進(jìn)向前移動,采空區(qū)瓦斯涌出三帶出現(xiàn)“浪涌”現(xiàn)象。

涌出帶、過渡帶、和滯留帶的范圍,受煤層開采條件特別是開采高度、頂板巖性和采空區(qū)瓦斯涌出源供給情況等因素的影響,同時,由于受工作面風(fēng)流和采空區(qū)漏風(fēng)的影響,各帶中的瓦斯?jié)舛纫哺鞑幌嗤?滯留帶最高,過渡帶次之,涌出帶最低。采空區(qū)內(nèi)頂板濃度高于底板瓦斯?jié)舛?采面采用上行通風(fēng)時,采空區(qū)上部(回風(fēng)側(cè))瓦斯?jié)舛缺认虏扛遊2]。

圖2 采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律示意圖

3 采空區(qū)埋管抽放技術(shù)的工作原理及應(yīng)用

針對在0908綜采工作面采煤過程中瓦斯涌出量增大的難題,該礦采取了在0908綜采工作面的上隅角向采空區(qū)實施埋管抽放技術(shù),有效地治理了工作面的瓦斯,保證了工作面的安全生產(chǎn)。

3.1 采空區(qū)埋管抽放技術(shù)的工作原理

圖3為0908綜采工作面埋管抽放采空區(qū)瓦斯方法示意圖。采空區(qū)埋管抽放技術(shù)是沿0908綜采工作面的回風(fēng)巷的上幫敷設(shè)一條φ150mm的瓦斯抽放管4,瓦斯管路每隔12m設(shè)一個φ150mm三通3,每個三通開口位置都朝上并用堵板堵死防止漏氣;在瓦斯抽放管的外部分別安裝一個φ150mm的閥門2和孔板流量計1,可以方便的打開和關(guān)閉抽放管,并能測量抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛取⒇?fù)壓、流量等技術(shù)參數(shù);在0908上順槽準(zhǔn)備十幾根長1.5m,直徑為150mm的花管6(該花管一端帶法蘭盤,另一端用鐵板堵牢、焊死,然后在管壁上每間隔50mm打一個φ10mm的小孔,由于孔較多所以叫花管,其主要作用是抽放瓦斯并防止發(fā)生堵管現(xiàn)象)。隨著工作面的推進(jìn),當(dāng)瓦斯管的三通到達(dá)上隅角時把三通上的堵板打開,把花管加上,然后在花管周圍打上一個木垛5防止頂板垮落把花管砸壞,最后放頂將花管埋入采空區(qū),埋管的有效長度一般為20～50m,埋管后抽放采空區(qū)的瓦斯,每個三通到上隅角時都重復(fù)上述工序,如此反復(fù)抽放從而達(dá)到降低采空區(qū)及上隅角瓦斯的目的。

圖3 采空區(qū)埋管抽放瓦斯示意圖

埋管抽放口的位置對瓦斯抽放濃度等具有重要影響,當(dāng)抽放口的位置距0908綜采工作面切頂線很近時,由于通過采空區(qū)的絕大部分流線匯集于抽放口,抽放濃度不高。研究表明,采空區(qū)瓦斯?jié)舛鹊姆植家?guī)律一般為,沿工作面的推進(jìn)方向呈駝峰狀,其峰頂距工作面約為20～30m;沿工作面傾斜方向是在上順槽一側(cè)瓦斯?jié)舛茸罡?如圖4所示。因此埋管抽放口應(yīng)適當(dāng)調(diào)整,使其始終與工作面相距20～30m。

圖4 0908綜采工作面瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

3.2 采空區(qū)埋管抽放設(shè)備

上述抽放管采用井下移動泵站帶抽,瓦斯泵用ZWY60/90型水環(huán)式真空泵,該泵額定流量為60m3/min,功率90KW,完全能滿足采空區(qū)埋管抽放的需要。抽放隊定期安排人員檢查處理抽放管放水、漏氣,并及時觀測抽放管內(nèi)的瓦斯?jié)舛取⒇?fù)壓、流量等技術(shù)參數(shù)。

4 應(yīng)用效果分析

2009年10月中旬綜采隊初次進(jìn)入0908綜采工作面采煤時其上隅角瓦斯?jié)舛冉?jīng)常保持在0.9%左右,并時有超限現(xiàn)象發(fā)生,嚴(yán)重影響了0908綜采工作面的安全生產(chǎn)。2009年11月下旬,該礦開始在0908綜采工作面采用采空區(qū)埋管抽放技術(shù)以來瓦斯抽放效果十分明顯,抽放隊安排放水人員在0908上順槽測量φ150mm抽放管內(nèi)負(fù)壓、濃度等技術(shù)參數(shù)時發(fā)現(xiàn)管內(nèi)負(fù)壓一般保持在35.4～39.8KPa之間,瓦斯?jié)舛纫话惚３衷?0%～18%之間。實施采空區(qū)埋管抽放技術(shù)后,11月下旬以后在該工作面采煤時,上隅角的瓦斯?jié)舛纫呀抵?.3%～0.4%,此后觀察抽放管內(nèi)瓦斯?jié)舛戎两駴]有反彈,保證了0908綜采工作面的安全、穩(wěn)定、高效生產(chǎn),收到了良好的社會與經(jīng)濟(jì)效益。

[1] 徐永圻.采礦學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2003.

[2] 胡殿明,林柏泉等.煤層瓦斯賦存規(guī)律及防治技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[3] 張子敏,張玉貴.瓦斯地質(zhì)規(guī)律與瓦斯預(yù)測[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2005.

[4] 張子敏.瓦斯地質(zhì)學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2009.

[5] 張子戌,張子敏,張兆豐.瓦斯地質(zhì)與瓦斯防治進(jìn)展[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2007,35-36.

[6] 于不凡,王佑安.煤礦瓦斯災(zāi)害防治及利用技術(shù)手冊[M].北京煤炭工業(yè)出版社,2000,437-50.

[7] 沈廣輝,樊艷虹,樊斌,等.采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律及瓦斯抽采方法研究[J].工礦自動化,2009,4:95-96.

[8] 張小東,王利麗.中國煤層氣勘探開發(fā)利用技術(shù)進(jìn)展[M].北京:地質(zhì)出版社,2006:244-245.

Application of Gob Drainage Pipe Technology for Gas Control in Pinggou Coal Mine

Yuan Shaoguo1,Zang Jianling1,Zhou Lianchun1,2,Li Moran1,Wang Li1
(1.Mining Engineering College,Inner Mongolia University of Science&Technology,Inner Mongolia 014010;2.Shenhua Wuhai Energy Co.Ltd.,Inner Mongolia 016000)

袁紹國,男,內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院教授,碩士生導(dǎo)師,內(nèi)蒙古煤炭研究所安全評價員,研究方向為巖石力學(xué),控制爆破。

(責(zé)任編輯 桑逢云)