综放工作面瓦斯来源分析和抽采技术探讨_赵雄飞.pdf

江西煤炭科技2023年第1期摘要：根据矿井瓦斯涌出量预测方法对下霍矿2 3 0 7综放面瓦斯来源进行了分析，采用数值模拟研究的方法对煤层瓦斯抽采半径进行了考察，确定瓦斯抽采方案，并进行后期效果考察。研究结果表明，2 3 0 7工作面瓦斯来源于本煤层和邻近层，抽采钻孔间距3m比较合适，采取顺层钻孔预抽本煤层瓦斯、高位钻孔抽采采空区瓦斯的综合措施后，工作面回风隅角、回风巷瓦斯浓度均低于1%，取得较好安全经济效益。关键词：综放工作面；瓦斯来源分析；顺层钻孔；高位钻孔中图分类号：TD7 1 2+.5 2；TD7 1 2+.6 2 4文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 5 7 2（2 0 2 3）0 1-0 1 5 9-0 3Discussion on Gas Source Analysis and Extraction Technology at Fully-mechanized Mining FaceZhao Xiongfei（Xiahuo Colliery,Shanxi Sanyuan Coal Industry Co.,Ltd.，Changzhi,Shanxi 046000）Abstract:By analysis of gas source with gas emission prediction method at 2307 fully-mechanized mining face of XiahuoColliery，the author makes a study on the radius of coal seam gas extraction and determines the gas extraction scheme throughnumerical simulation,whose later result investigation shows that the gas at 2307 working face comes from this coal seam andadjacent layers,and the gas pre-drainage by bedding borehole in this coal seam and goaf gas drainage by high-level borehole in3m drainage borehole spacing with gas concentration in the upper corner and the return air lane during recovery lower than 1%.Key words:fully-mechanized mining face;gas source analysis；bedding borehole;high-level borehole综放工作面瓦斯来源分析和抽采技术探讨赵雄飞（山西三元煤业股份有限公司下霍煤矿，山西长治0 4 6 0 0 0）1工作面概况下霍矿目前备采工作面为2 3 0 7工作面，主采3#煤层，煤层倾角7，平均煤层厚度5m，煤层整体赋存稳定。工作面长度19 0 0m，切眼长度2 4 3m，采用倾斜长壁综合机械化放顶煤开采技术。邻近煤层有1#、2#、4#、5#煤层，1#煤层平均厚度0.1 4m，距离3#煤层3 6.7m；2#煤层平均厚度0.2m，距离3#煤层2 1.5m；4#煤层平均厚度0.1 5m，距离3#煤层1 7.8m；1#煤层平均厚度0.1 5m，距离3#煤层1 9.7m。由于邻近煤层均为极薄煤层，均不具备开采条件和开采价值。采用直接测定法对1#、2#、3#、4#、5#各煤层原始瓦斯含量进行测定，测得上述各煤层原始瓦斯含量分别为1.8m3/t、2.7m3/t、3.5m3/t、1.7m3/t、1.4m3/t。根据矿井瓦斯等级鉴定结果，2 3 0 5工作面瓦斯绝对涌出量为1 0.9m3/m i n，为高瓦斯矿井。2瓦斯来源分析2 3 0 7工作面瓦斯主要来源于3#煤层及邻近的1#、2#、4#、5#煤层，本煤层和邻近层瓦斯涌出量计算公式如下1-3：q采=q1+q2（1）式中：q采为回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t；q1为开采层相对瓦斯涌出量，m3/t；q2为邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。其中，q1=K1K2K3mM(W0-Wc)（2）式中：m为开采面高度，m；M为工作面采高，m；W0为煤层原始瓦斯含量，m3/t；Wc为煤层残存瓦斯含量，m3/t；K1为围岩瓦斯涌出系数，取1.3；K2为工作面丢煤瓦斯涌出系数，该采面回采率9 3%，K2取值1.0 8；K3为采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数，可按下式计算，K3=L-2 hL（3）式中：L为采面长度，m；h为巷道瓦斯预抽等值宽度，取值1 4.2m。通过计算得到工作面开采层瓦斯涌出量2.0 6m3/t。q2=ni=1(Wo i-Wc i）miMi（4）式中：mi为第i个邻近层煤层厚度，m；M为工作面采高，m；i为第i个邻近面排放率，%；Wo i为第i1 5 9江西煤炭科技2023年第1期个邻近层煤层原始瓦斯含量，m3/t；Wc i为第i邻近层煤层残余瓦斯含量，m3/t。通过计算，邻近层瓦斯涌出量为0.1 9m3/t。根据该煤矿工作面回采情况计算该工作面计划产量为72 7 3t/d，工作面邻近层绝对瓦斯涌出量0.9 6m3/m i n，采面相对绝对瓦斯涌出量为1 0.4 0m3/m i n，综合计算工作面绝对瓦斯涌出量1 1.3 6m3/m i n。依据煤矿瓦斯抽采工程设计规范第3.1.1条规定，一个采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于5m3/m i n，必须进行瓦斯抽采。3瓦斯抽采技术及效果考察根据瓦斯来源分析结论，2 3 0 7工作面需进行瓦斯抽采工作。表1模拟参数瓦斯内初始压力P0/MPa1.0 1标准状态时瓦斯压力Pn/MPa0.7 4气体摩尔体积Vm/（m2mol-1）0.2 0普适气体常数R/（Jmol-1K-1）7.5 4煤体积热膨胀系数/（m2m-2K-1)0.1 8煤导热系数/（Wm-1K-1）0.8 3煤比热容Cv/（Jkg-1K-1）0.9 2体积压缩系数Kr/MPa-10.1 8极限吸附量a/（m3tr-1）2 8.7 0吸附平衡常数b/MPa-11.7 5煤质校正参数c/（kgm-3）11 9 6.1 8参数数值煤体弹性模量E/MPa27 5 0.9 8瓦斯压力P/MPa0.3 6煤泊松比0.5 9煤密度2/（kgm-3）14 7 2.1 8煤层初始孔隙率00.3 0煤层初始渗透率k0/md0.1 8瓦斯动力黏度系数/（Pas）0.1 8瓦斯密度/（kgm-3）1.1 03.1瓦斯抽采半径考察下霍煤矿2 3 0 7工作面瓦斯抽采方法为本煤层顺层钻孔预抽，回采期间回风隅角高位钻孔抽采采空区瓦斯。为保证本煤层顺层钻孔抽采钻孔布置的合理性，必须进行抽采半径考察4-5。假设煤层为均匀多孔介质，现场取3#煤层样本，测得煤层基本参数如表1所示，煤层瓦斯基本参数如表2所示。矿井施工钻孔为7 5mm钻孔，假设孔内负压均匀。矿井使用2 B E F-1 0 0型抽放泵，测得孔口负压为1 2 0k P a，假设钻孔内负压均为1 2 0k P a。根据地质资料，3#煤层底板为砂质泥岩，顶板为粉砂岩，顶底板岩层均匀。模拟钻孔抽采周期为6个月。围岩瓦斯分布云图如图1所示。图1瓦斯含量分布云图根据图1模拟结果可知，瓦斯预抽6个月后，抽采钻孔1.5m范围内围岩瓦斯含量 均低于1m3/t，1m范围内抽采效果最佳，1m半径范围内瓦斯含量低于0.5m3/t。根据煤矿瓦斯抽采达标暂行规定第二十七条规定，工作面绝对瓦斯涌出量1 0 Q 2 0m3/m i n，抽采率不得低于3 0%，残余瓦斯含量为1m3/t时，瓦斯抽采率为7 2%，可以满足抽采要求。因此，确定3#煤层预抽时间6个月的抽采半径为1.5m，即设计抽采钻孔间距为3m。3.2瓦斯抽采方法（1）本煤层顺层钻孔预抽本煤层顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯钻孔设计如图2所示，钻孔孔径7 5mm，钻孔长度（a）钻孔水平分布图2本煤层预抽钻孔设计（b）钻孔开孔位置1 6 0江西煤炭科技2023年第1期1 3 0m，运输顺槽和回风顺槽同时实施施工抽采，减少工作面抽采空白带。一般情况下布置两排钻孔，竖向钻孔间距3m，在煤层变薄，厚度小于3m时只施工1排钻孔。（2）高位钻孔抽采根据建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范6计算2 3 0 7采面采空区“三带”高度如下：h1=m(K1-1)c o s（5）式中：h1为冒落带高度，m；m为煤层厚度，m；K1为煤岩碎涨系数，取1.2 5；为煤层倾角，取7。计算得h1=2 0m。h2=m0.5(K2+K3)-1（6）式中：h2为裂隙带高度，m；m为煤层厚度，m；K2为冒落带岩层剩余碎胀，取1.3 5；K3为裂隙带岩层移动后的裂胀系数，取1.0 2。通过计算的h2=2 7m。高位钻孔终孔位置距煤层顶板不得小于5 7m。高位钻孔设计如图3所示，高位钻孔参数如表3所示。3.3效果考察采面瓦斯预抽周期为6个月，预抽后进行抽采效果检验达标方能开始正常回采作业。回采前对预抽区域进行残余瓦斯含量测定，取样测得抽采区域残余瓦斯含量最大为1.1m3/t，满足抽采达标要求。正常回采期间回风顺槽施工高位钻孔，回采期间6 0天内，回风隅角瓦斯、回风巷瓦斯浓度监测结果如图4所示。图4工作面瓦斯浓度监测曲线根据图4可知，实施完本煤层顺层钻孔瓦斯预抽、高位钻孔抽采，本煤层预抽6个月后，回采期间，高位钻孔继续抽采。2 3 0 7工作面回风隅角、回风巷瓦斯浓度均未出现超限现象。瓦斯治理效果较好。4结论针对下霍煤2 3 0 7综采工作面瓦斯抽采问题，进行瓦斯来源分析，制定抽采措施，确定了抽采半径，得到以下结论：1）通过计算分析，2 3 0 7综采工作面瓦斯涌出量为1 1.3 6m3/m i n，需要采取预抽煤层瓦斯措施消除隐患。2）数值模拟确定2 3 0 7综采工作面抽采半径1.5m，钻孔间距3m。3）通过后期效果考察，实施完成瓦斯治理措施，回采期间工作面回风隅角、回风图3高位钻孔设计钻孔编号距风巷/m距钻场底板/m与风巷夹角/预计孔长/m距煤层顶板/m与风巷平距/m132.701 8 9.7 56 0323.3 7 52.71 0.51 9 1.2 56 02 2.533.7 52.72 11 9 56 04 544.1 2 52.73 02 0 16 06 8.2 554.52.74 0.52 1 06 09 2.2 5633.4 501 8 9.7 56 7.5373.3 7 53.4 51 0.51 9 1.2 56 7.52 2.583.7 53.4 52 11 9 56 7.54 594.1 2 53.4 53 02 0 16 7.56 8.2 51 04.53.4 54 0.52 1 06 7.59 2.2 5表3高位钻孔参数煤层原始瓦斯含量/（m3/t）瓦斯放散初速度坚固性系数工业分析/%真密度TRD/（g/cm3）视密度ARD/（g/cm3）孔隙率F瓦斯吸附常数Mad/%Ad/%Vdaf/%a/（m3t-1)b/MPa-13#3.51 70.31.6 33 2.6 81 0.6 81.6 81.6 04.7 62 8.7 01.7 5表23#煤层基本参数（下转1 6 4页）1 6 1江西煤炭科技2023年第1期（上接1 6 1页）8 2 0 1工作面现场条件以及开采参数等与8 3 0 9工作面一致，因此以8 2 0 1工作面测定结果进行类比分析。具体S F6释放点及接收点位置如图5所示。经同煤分院技术人员现场检测，确认接收到S F6信号。根据采面矿压显现及覆岩移动规律分析，8 2 0 1初次来压步距为1 0 3m，工作面采位处于7 0m时的基础资料，认为测试时8 2 0 1工作面上部顶板关键层未垮落，与上部采空区沟通可能性不大，推测8 2 0 1