煤矿二块段采区及1507工作面瓦斯综合治理方案.doc

柴沟矿二块段采区及1507工作面瓦斯综合治理方案 柴沟矿井3-5号煤层采掘接替进入一采区二块段开采，面临突出的问题是煤层瓦斯含量增加、瓦斯相对涌出量增大。今年三月份山西省煤炭工业厅综合测试中心鉴定报告，矿井开采3-5号煤层时为高瓦斯矿井。目前柴沟煤矿正在按照批复的瓦斯抽采专项设计，已经开建矿井地面瓦斯抽放工程。公司8月份通风专项检查之后，于树江副总经理组织公司、矿相关专业人员通过调研考察对比分析，初步研究制定了下一步3-5号煤层二块段，接替1507工作面瓦斯综合治理的措施。一、工作面概况1507工作面为3-5号煤层一块段1506末采工作面的接替面，开采时间大约在2014年1月末。工作面位于矿井西部，西邻焦煤二矿，北邻塔山煤矿，东为1508设计工作面，南侧紧邻F3大断层。周边无小窑等采空区。1507工作面布置呈南北倾向布置。工作面走向长215m，倾斜可采长度700m，根据现有取芯钻孔资料表明：煤层平均厚度23.24m。含夹矸6-12层，厚度2.87m，多为炭质泥岩或砂质泥岩。煤层直接顶为粗砂砾岩或砂质泥岩，直接底泥质砾岩或砂质泥岩。煤层中火成岩侵入严重，一般火成岩沿煤层中上部呈层状或串珠状侵入。火成岩的侵入造成其周边煤层变质、硅化，降低了煤的发热量，并且周围煤层瓦斯含量较大，对工作面回采时瓦斯涌出量变化影响较大。火成岩侵入工作面由南向北侵入厚度依次增大，表明工作面开采期间瓦斯赋存的规律及其工作面瓦斯涌出变化趋势。二、工作面瓦斯来源分析：(一)、二块段掘进巷道瓦斯涌出分析在1507工作面煤巷掘进过程中，巷道周围煤层中的瓦斯压力平衡状态被不断打破，瓦斯压力重新分布，煤层瓦斯渗透性增加而形成卸压带。由于煤层内部到煤壁之间存在着瓦斯压力梯度，卸压带内煤体中的瓦斯在压力梯度作用下沿煤体裂隙及孔隙向巷道涌出，掘进工作面瓦斯来源主要有是落煤涌出瓦斯和煤壁涌出瓦斯。煤壁瓦斯涌出系数的大小取决于煤层的瓦斯压力、煤层的孔隙和裂隙结构、煤对瓦斯的吸附性能以及空间条件，随煤壁暴露时间缓慢衰减。统计分析1507工作面皮带顺槽在掘进过程中瓦斯涌出量不断增大的表现，说明了掘进巷道瓦斯涌出伴随巷道延伸和瓦斯压力及瓦斯含量梯度的增加而加大。从1507工作面皮带顺槽掘进瓦斯数据统计曲线图中，可以清楚地表明掘进巷道瓦斯涌出的变化规律。分析总结原因有如下几点：1、与瓦斯赋存的压力、瓦斯含量增长梯度有关。在1507工作面煤巷掘进过程中，煤层中的瓦斯压力平衡状态被不断打破，瓦斯压力重新分布，煤层瓦斯渗透性增加而形成卸压带，卸压带内煤体中的瓦斯在压力梯度作用下沿煤体裂隙及孔隙向巷道不断涌出。此外，受煤层瓦斯含量梯度的影响，工作面瓦斯涌出量也会进一步增大。经鉴定，3-5号煤层瓦斯含量增长梯度为0.66m3/100m。2、与火成岩侵入的关系。火成岩炽热岩浆沿煤层中上部呈层状、串珠状侵入煤层，接触热变质作用致使其周边煤层变质、硅化，破坏了煤层的原有厚度和结构，同时生成大量瓦斯赋存于煤层中。1507工作面受火成岩侵入厚度影响，瓦斯含量分布呈北高南低的趋势。3、与顶底板岩性的关系。1507工作面里段煤层直接顶为透气性差的泥岩、砂质泥岩，对煤层的逸散起阻碍作用，瓦斯含量相对较高。外段煤层直接顶为孔隙与裂隙发育的粗砂砾岩，其透气性系数大，一般比致密而裂隙不发育的页岩、泥岩等岩石透气系数高出上千倍，利于瓦斯的逸散。4、与煤层埋藏深度的关系。煤层埋藏深度的增加不仅会因地应力增高而使煤层和围岩的透气性降低，而且瓦斯向地表运移的距离也增大，这两者的变化均朝着有利于封存瓦斯的方向发展，因此瓦斯含量都会随着埋藏深度的增加而增大。而我矿1507工作面地表为马头山，基本为我矿5号煤埋藏最深区域，因此瓦斯含量高。5、与煤层赋存倾角的关系。若煤层倾角大时，瓦斯可沿着一些透气性好的地层向上运移和排放，瓦斯含量低；反之，煤层倾角小时，一些透气性差的地层就起到了封存瓦斯的作用，使煤层瓦斯含量升高。我矿现开采的3-5#煤层属于近水平煤层，煤层倾角在3°5°之间，不利于瓦斯的排放。6、与煤层和岩层的水文地质条件的关系。煤层和岩层的水文地质条件是影响瓦斯排放的另一个重要因素。地下水活跃的地区瓦斯含量小，因为一方面这些地区的天然裂隙比较发育，煤、岩层透气性好，瓦斯易于排放；另一方面煤层中有较大的含水裂隙或地下水通过时，一部分瓦斯溶解在水中，长期作用下，能够从煤层中带走部分瓦斯。而1507工作面煤层顶底板附近地下水含量很少，因此这也是造成瓦斯含量偏高的原因。附1507工作面皮带顺槽掘进瓦斯数据统计曲线图。从图中可以直观反映出1507皮带顺槽78月间工作面瓦斯浓度和回风流瓦斯浓度的变化。不难看出瓦斯浓度从7月中旬开始趋于上升趋势，瓦斯绝对涌出量从2.77m3/min增加到3.3m3/min，分析原因一是工作面揭露落差为1.5m的断层构造影响，导致瓦斯涌出量增加；二是皮带顺槽掘进已达到760米，距设计工作面切眼位置不足200米。7月中旬局部通风机由30kw更换为45kw对旋风机，回风量从532m3/min增加到678m3/min，换算瓦斯绝对涌出量基本无变化。 7月17日回风流瓦斯浓度突然升高而工作面瓦斯浓度没变化，是由于5#钻场打设的钻孔释放量导致。7月下旬工作面和回风流瓦斯浓度开始趋于上升趋势，瓦斯绝对涌出量又有所增大，由3.53m3/min上升到6.95m3/min。期间巷道掘进进尺量加大完成近150米，占到全月进尺量的近一半。 从1507工作面掘进顺槽瓦斯涌出数据，对比3-5号煤层一块段掘进工作面瓦斯数据，一块段1502、1505、1506工作面上下顺槽掘进期间，工作面绝对瓦斯涌出量基本在0.61.0m3/min间。1507掘进工作面的绝对瓦斯涌出量是过去的611倍。以此可以推断，3-5号煤层二块段区域的煤层瓦斯含量及其涌出量最低是一块段开采区域瓦斯量的6倍。（二）、二块段采区1507工作面回采期间的瓦斯涌出量预测及通风能力核定：首先计算1507工作面回采期间风排瓦斯能力：1、计算工作面最大配风量：Q=60·V·S 式中：Q工作面配风量（m3/min）； V巷道风速（m/s），安全规程中规定的最大允许风速为4 m/s，此处取最大值； S工作面进风巷断面积（m2），进风巷设计断面为4.6×3.2=14.72 m2，实际巷道进行喷浆底板硬化并修筑测风站后断面达不到设计要求，此处按理想值取14.5 m2； 计算后Q=3480 m3/min。2、计算工作面最大风排瓦斯能力：q1= 0.3%·Q1+0.8%·Q2 式中：q1工作面风排瓦斯能力（m3/min）； Q11507工作面皮带顺槽回风风量（m3/min），按照正在回采的1506工作面经验数据，当工作面采空区与高位回风巷末端导通效果理想时取1000 m3/min；0.3%1507工作面皮带顺槽回风瓦斯浓度，按照正在回采的1506工作面经验数据，当工作面皮带顺槽大于0.3%时，工作面回风隅角瓦斯会出现频繁超限现象；Q21507工作面高位回风巷风量（m3/min），按照正在回采的1506工作面经验数据，当工作面采空区与高位回风巷末端导通效果理想时取2480 m3/min；0.8%1507工作面高位回风巷回风流瓦斯浓度，按照安全规程和山西省下发关于传感器下调20%文件的规定：矿井采区风道或总回风道允许最大瓦斯浓度值。 计算后q1=22.84m3/min。 3、计算二块段总回风道最大风排瓦斯能力：q2= 0.6%·Q3 式中：q2二块段总回风道风排瓦斯能力（m3/min）； Q3二块段总回风巷回风风量（m3/min），此巷担负着一盘区二块段区域内一个综放工作面和3个掘进工作面的风量，全部按最大供风量配风需要6800m3/min；0.6%二块段总回风巷瓦斯浓度，按照安全规程和山西省下发关于传感器下调20%文件的规定：矿井采区风道或总回风道允许最大瓦斯浓度值。 计算后q2=40.8m3/min。4、通过以上计算可以得出二块段总回风道排瓦斯能力限定1507工作面排放瓦斯绝对涌出量为：q4=q2-q3 式中：q41507工作面确定风排瓦斯能力（m3/min）； q2二块段总回风道风排瓦斯能力（m3/min）； q3二块段综掘工作面瓦斯绝对涌出量（m3/min），按照二块段三个综掘工作面最少瓦斯涌出量计算，此处 取10m3/min。 计算后q4=30.8m3/min。5、计算现在回采的1506工作面相对瓦斯涌出量： q相=1440·q绝/A 式中：q相1506工作面相对瓦斯涌出量（m3/t）； q绝1506工作面绝对瓦斯涌出量（m3/min）；取22.5 m3/min； A1506工作面正常生产月的平均日产量（t），取27000t。 计算后q相=1.2m3/t。6、推算1507工作面的平均月产量：A=1440·30·q1/q相 式中： A1507工作面正常生产月的平均月产量（t）； q41507工作面绝对瓦斯涌出量（m3/min）； q相1507工作面相对瓦斯涌出量（m3/t）；根据瓦斯涌出量预测结果和依据表二：1507皮带顺槽瓦斯数据统计图表分析推断1507工作面相对瓦斯涌出量至少是1506工作面的6倍，按6倍计算得7.2m3/t； 计算后A =13.704万t。综上所述得出结论：1507工作面通风能力核定月产为13.704万t。应该指出，此计算结果是建立在各技术参数选择，基本都在理想状态下的结果。按照目前现场实际情况，计算有很多不确定因素。首先，矿井风量分配因主通风机能力的限制，工作面及其总进风量已经没有调整的空间，风排瓦斯能力有限。其次，计算1507工作面风排瓦斯最大量22.84m3/min是理想数值。高位回风巷内2480m3/min的风量配备，工作面现有高位回风巷系统受采空通风顶板冒落影响，很难保证稳定、足量的回风流量，风排瓦斯受限。回采期间瓦斯问题将严重制约着产量，瓦斯治理工作将面临着新的挑战，所以利用好瓦斯抽采系统成为必然趋势。目前瓦斯抽采系统设计已得到批复，设备选型已经结束，地面土建工程进入施工阶段，我矿将全力以赴加快地面固定抽采系统的施工进度，争取在1506工作面搬家前使系统建成，投入使用。三、1507工作面回采期间的瓦斯治理及抽放方法的确定：参照山西国辰建设工程勘察设计有限公司和阳泉煤安瓦斯治理工程技术中心做的柴沟煤矿3+5#煤层瓦斯抽采初步设计，结合华晋焦煤有限责任公司沙曲矿瓦斯治理经验，经过反复论证总结出适合我矿回采工作面瓦斯治理的方法，大致有如下六种：方法1、高压注水排放本煤层瓦斯设计在1507工作面低位走向高抽巷内回采前通过局部通风方式供风提前打注水孔，进行高压注水。高压注水泵压力为056MPa，压力可调。高压注水使未卸压实体煤预裂，使一部分吸附瓦斯解析为游离状态后，高压水占据煤体裂隙空间，裂隙内瓦斯排放到巷道空间内，从而降低了本煤层瓦斯含量。另外，通过煤层实施高压注水对工作面降尘和放煤均能起到很好的作用。方法2、回采工作面本煤层瓦斯抽采设计在3+5#煤层回采工作面采用提前或采前预抽的方法。钻孔布置采用双侧双排交叉钻孔的布置方式进行本煤层预抽和边采边抽。钻孔布置在工作面进、回风巷中，钻孔采用双排布置方式，钻孔直径94mm；下排钻孔采用顺层平行布置方式，上排钻孔采用迎向平行布置方式，钻孔间距10m，上、下排钻孔间距为0.5米，下排钻孔开孔位置距巷道底板0.7m左右，设计钻孔长度为120m，钻孔的封孔段长度不得小于8m。预抽时间不得少于210天（布置方法见图1：瓦斯抽采系统示意图）。 方法3、1507皮带巷与高位回风巷提前打连通孔设计选用Ø600mm孔径钻机，在1507皮带顺槽从切眼开始往外每间隔20m向高位巷打设一个或两个钻孔，用于给高位巷供风，并对钻孔进行套管以防塌孔。钻孔打完后暂时封闭，回采期间随着工作面的推进，孔口逐步向采空区内靠近，在进入采空区之前，打开封闭的孔口，可加大高位巷风量，提高此巷排瓦斯能力，降低隅角瓦斯浓度。方法4、多措并举，提高风排瓦斯能力根据1502、1505、1506回采工作面经验数据，回采期间高位回风巷的风排绝对瓦斯量占工作面瓦斯绝对涌出总量的75-85%，所以加强工作面与高位巷的导通效果，保证好高位巷回风量起到至关重要作用。具体做法如下：增大入风量，按照规程规定的限定风速，入风量最大能提高到3480m3/min；在1507皮带顺槽回风联巷处砌筑增阻设施，降低皮带顺槽回风负压，增大高位巷回风能力；对高位巷顶板加强支护、防止提前坍塌的碎货堵塞高位巷导风口；现场加强管理，通过工作面1#-15#支架加强放煤、隅角处挡好风障子、设骨架风筒等一系列手段降低隅角瓦斯浓度。方法5、通过高位回风巷抽放采空区瓦斯设计3+5#煤层回采工作面采用低位走向高抽巷的抽采方法进行回采工作面采空区瓦斯抽采。即：低位走向高抽巷在5#煤层回风巷开口爬坡到3#煤层顶板后，沿3#煤层顶板施工，距工作面回风顺槽水平距离810m，距回采工作面垂高约20m左右，低位走向抽采巷施工工作面切眼巷处，在工作面顺槽开口处密闭，进行插管抽采（布置方法见图1：瓦斯抽采系统示意图）。方法6、埋管抽放采空区瓦斯治理隅角瓦斯超限埋管抽放采空区瓦斯的具体方法是：在工作面1507工作面回风巷内预先敷设一条瓦斯抽放管路，每隔20m串接一个三通管件，作为抽放采空区瓦斯管路的连接口。安装管路时要用法兰盘封严，防止漏气。随着工作面的推进，管路上的连接口逐步向采空区内靠近，在进入采空区之前，要卸掉法兰盘，作为抽放采空区瓦斯的管路吸气口。随着工作面推进，管路吸气口逐步埋入采空区，抽放采空区瓦斯。为提高采空区瓦斯抽放效果，可在回风巷每隔20m间距预埋一根立管，预埋立管采用“L”型布置。下段用水泥浇灌，顶部密封，上段2m处布置花眼。立管下部焊接三通利用钢丝骨架胶管引出与瓦斯抽放管路吸气口连接好后，随工作面推进埋入采空区后进行抽放（详见图2：埋管抽放采空区瓦斯方法示意图）。为了防止预埋瓦斯抽放管吸气口被砸坏和减少采空区漏风，以提高抽放效果，在立管处需打木垛保护。在抽放过程中应实时监测CO的浓度变化，必要时关闭抽放管路。图2： 埋管抽放采空区瓦斯方法示意图结合我矿自身瓦斯地质条件、抽采设计系统验收内容、抽采系统建设进度和工程摆布情况，进行逐一简单说明：从瓦斯地质条件分析：我矿井瓦斯主要来源为3+5#煤层受煌斑岩侵入影响，且侵入方式杂乱无章，规律性较差。一方面置换了原煤层的赋存位置，另一方面使其发生热接触变质、硅化，破坏了煤层的原有厚度和结构，使煤层结构极为复杂化。从而导致煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数变化范围很大，且无规律性。评判煤层是否具备抽采的可行性直接受透气性系数和钻孔流量衰减系数制约。抽采设计系统验收主要内容为方法2和方法5，所以此两种方法所做的工程必须提前完成。从抽放系统建设进度情况上来看，我矿地面固定瓦斯抽采系统预计最快能在1月份完成施工，1506回采工作面预计1月份搬家到1507工作面，方案1预抽时间不得少于210天，地面固定瓦斯抽采系统暂时发挥不到作用。设计利用我矿原有2台流量为210 m3/min移动抽放泵在二块段建立移动抽放泵站，采取方法2预抽1507工作面瓦斯。由于我矿的瓦斯地质条件决定不是所有钻孔都能发挥作用，选取有效的抽放钻孔待地面固定瓦斯抽采系统建设完成后把上下巷ø273mm管路对接到固定瓦斯抽采系统继续进行边采边抽。要求铺设上下巷ø273mm管路时提前20m串接一个三通管件，以便后期实施方法6。目前1507工作面低位走向高抽巷施工基本结束，后期实施方法5比较便利；本煤层瓦斯抽放钻孔已打了18个，本工作面共需打274个钻孔，按120米/孔计算，钻孔总长约32880米。另外，实施方法2还需尽快建立井下移动瓦斯抽放泵站；注水钻孔基本完成，高压注水泵已到位，即将实施方法1。瓦斯抽采管网设计和瓦斯抽采泵及泵站建设都遵照瓦斯抽采设计中的要求进行施工。综上所述：解决1507回采工作面瓦斯问题采取超前治理瓦斯方案采取方法1和方法2，回采期间采取方法3和方法4，实施此方案后瓦斯问题仍得不到解决时采用方法5，实施后隅角瓦斯依然解决不了时再采用方法6。采取方法2、5、6是利用抽采系统解决工作面瓦斯问题，根据瓦斯抽采效果判定抽采达标这一规定，结合华晋焦煤有限责任公司沙曲矿瓦斯抽采经验分析，我矿瓦斯抽采率为采煤工作面绝对瓦斯涌出量的40%。方法1采用高压注水方式排放瓦斯，预计超前排放率为采煤工作面绝对瓦斯涌出量的3%。 前面计算工作面最大风排瓦斯能力：q1=22.84m3/min。所以采取以上6种方法相结合方案能够解决工作面的瓦斯能力为：q0=q1/(1-43%)=40.07m3/min，推算1507工作面的平均月产量为：A=1440·30·q0/q相=24.04万t。1507工作面皮带顺槽掘进瓦斯数据统计曲线图