高瓦斯工作面瓦斯治理方案及瓦斯抽采效果

國(guó)投新集能源股份有限公司新集二礦210108回采工作面瓦斯治理方案國(guó)投新集能源股份有限公司新集二礦2012年11月1210108工作面概況1.1工作面設(shè)計(jì)及施工210108工作面位于井田二水平2101采區(qū)，是該采區(qū)1煤層組首采工作面。地面標(biāo)高：+18.2～+24.1m。工作面西起2101采區(qū)軌道上山，東至1上煤層阜鳳下夾片斷層80m防水煤柱線，南到1上煤層-610m底板等高線，北到1上煤層-650m底板等高線；上距4-1煤層平均約74.2m，下距太原組一灰平均約18m。工作面可采走向平均長(zhǎng)1338.3m；傾向平均長(zhǎng)145.5m；平面積216110m2；煤層傾角5～12°（平均8°），可采斜面積96638m2，井下標(biāo)高-608.3采用走向長(zhǎng)壁回采法，綜合機(jī)械化采煤法，一次性采全高。210108工作面計(jì)劃日產(chǎn)為3300t。1.2工作面地質(zhì)、煤層賦存210108工作面內(nèi)1上煤總體傾向?yàn)镹NE的單斜構(gòu)造，煤層傾角在5～12°之間，平均傾角8°左右。由于本工作面特別是東部距阜鳳下夾片斷層較近，受阜鳳下夾片斷層影響，工作面內(nèi)斷層、褶曲及裂隙可能有所發(fā)育，對(duì)掘進(jìn)和回采有一定影響。210108工作面中部受沖刷影響，1上煤層有部分缺失，根據(jù)工作面不同區(qū)域煤層厚度分布情況，將210108工作面劃為3個(gè)部分。1上煤厚度0～6.0m，可采段平均4.2m工作面內(nèi)1煤層厚度基本穩(wěn)定，厚度0.1～5.9m，平均3.9m，其中可采段煤層厚度平均3.4m。上距1上煤0～2.2m由1煤、1上煤頂板巖性鉆孔資料可知，自1上煤往上依次為：粉砂巖6.0m、中～細(xì)砂巖8.0m、細(xì)砂巖10.5m。1煤層組頂板主要為砂巖，中厚層狀，強(qiáng)度高。1煤層組直接底板為泥巖，平均厚約1.1m；往下是平均11.7m的砂泥巖互層；同時(shí)，該煤組底板距太原組上段灰?guī)r含水組平均距離18m左右。1.3工作面瓦斯目前210108工作面測(cè)定最大瓦斯壓力P=0.6MPa，測(cè)定最大瓦斯含量W=6.9m3/t，工作面平均瓦斯含量為5.82210108工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)2.1210108工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法回采面的瓦斯來(lái)源于采落煤炭、采場(chǎng)丟煤、圍巖及鄰近煤層瓦斯涌出。根據(jù)AQ1018-2006《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》5.1.3及附錄B之規(guī)定，210108回采面瓦斯涌出量主要是瓦斯基礎(chǔ)資料按分源預(yù)測(cè)法，采用公式（2-1）計(jì)算與經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合而確定210108工作面回采期間的瓦斯涌出量。（2-1）式中：－回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；－開采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；－鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t。（1）開采層工作面相對(duì)瓦斯涌出量計(jì)算公式為：（2-2）式中：－開采層工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；－圍巖瓦斯涌出系數(shù)；－工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，用回采率的倒數(shù)來(lái)計(jì)算；－采區(qū)內(nèi)準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開采層瓦斯涌出影響系數(shù)；，=0.9－開采層厚度，m；－工作面采高，m；－煤層原始瓦斯含量，m3/t；－煤的殘存瓦斯含量，m3/t。（2）鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量采用下式計(jì)算：（2-3）式中：－鄰近層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；－鄰近層1煤層厚度，m；－工作面采高，m；－鄰近層1煤層瓦斯排放率，%；=0.9－鄰近層1煤層原始瓦斯含量，m3/t；－鄰近層1煤層殘存瓦斯含量，m3/t。依據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》5.1.6的規(guī)定：考慮各區(qū)域瓦斯的不均衡性，利用分源法預(yù)測(cè)的瓦斯各區(qū)域瓦斯涌出量需乘以瓦斯涌出不均衡系數(shù)Kn。瓦斯涌出不均衡系數(shù)為該區(qū)域內(nèi)最高瓦斯涌出量與平均瓦斯涌出量的比值。由于在1上煤層回采過(guò)程中，1煤層瓦斯將會(huì)涌入210108工作面內(nèi)，考慮到瓦斯涌出的不均衡性，不均衡系數(shù)Kn取1.2。（3）絕對(duì)瓦斯涌出量根據(jù)公式(3-2)得出絕對(duì)瓦斯涌出量與相對(duì)瓦斯涌出量關(guān)系。(2-4)式中：—工作面絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min；—工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t；A—工作面日產(chǎn)量，3300t/d。2.2210108工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)根據(jù)公式2-1、2-2、2-3、2-4及工作面相關(guān)瓦斯參數(shù)計(jì)算得到210108工作面3個(gè)單元的相對(duì)瓦斯涌出總量和絕對(duì)瓦斯涌出量見表2-3：表3-3工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)q本(m3/t)q鄰(m3/t)q總(m3/t)q總修(m3/t)q絕對(duì)(m3/min)第一單元5.704.9610.6612.7929.31第二單元5.1105.116.1314.05根據(jù)210108工作面煤層賦存，第一單元范圍最大且大部分為兩層煤；而第二單元1上煤層缺失，只有一層煤，瓦斯涌出量相對(duì)較小；第三單元范圍最小，其瓦斯儲(chǔ)量最小，為不規(guī)則三角形，因此將第二單元與第三單元合并計(jì)算?？紤]210108工作面煤層厚度有差異性，考慮瓦斯涌出不均衡系數(shù)1.2。綜上所述210108工作面瓦斯涌出量取第一單元的預(yù)計(jì)最大瓦斯涌出量12.79m3/t，對(duì)應(yīng)絕對(duì)瓦斯涌出量為3工作面配風(fēng)量的確定1)按作業(yè)人員計(jì)算:Q=4N=320m3式中N—為工作面同時(shí)工作的最多人數(shù)，取80人。2)按瓦斯涌出量計(jì)算:Ｑ采=100q采（1-c）K采/C=1905m式中：Ｑ采――回采面的實(shí)際需要風(fēng)量，m3/min；q采――回采面的瓦斯絕對(duì)涌出量，29.31mc—回采面瓦斯抽采率%，工作面將采用高抽巷、順層鉆孔及上隅角埋管抽放，根據(jù)瓦斯抽采實(shí)踐，預(yù)計(jì)瓦斯抽采率為60%。K采―回采面的通風(fēng)系數(shù)，主要包括瓦斯或二氧化碳涌出不均衡及備用風(fēng)量等因素，該工作面取1.3。C—回風(fēng)流中允許的瓦斯?jié)舛?，?.8%。3)按氣象條件計(jì)算:對(duì)應(yīng)不同溫度的適宜風(fēng)速（見表3-1）：表3-1回采工作面空氣溫度與適宜風(fēng)速對(duì)應(yīng)表回采工作面空氣溫度（℃）采煤工作面風(fēng)速（m/s）<201.020～231.0～1.523～261.5～1.826～281.8～2.528～302.5～3.0Q采=60×70%×V采×S采×K高×K長(zhǎng)=60×70%×1.8×15×1.2×1.2≈1632m式中：V采—采煤工作面的風(fēng)速，取1.8m/s；S采—采煤工作面的平均有效斷面積，取15K高—采煤工作面采高調(diào)整系數(shù)（見表3-2），取1.2；K長(zhǎng)—采煤工作面長(zhǎng)度調(diào)整系數(shù)（見表3-3），取1.2；60—為單位換算產(chǎn)生的系數(shù)70%—有效通風(fēng)斷面系數(shù)表3-2K高—采煤工作面采高調(diào)整系數(shù)采高M(jìn)＜2.02.0～2.5＞2.5及放頂煤系數(shù)K高1.01.11.2表3-3K長(zhǎng)—采煤工作面長(zhǎng)度調(diào)整系數(shù)采煤工作面長(zhǎng)度m長(zhǎng)度風(fēng)量調(diào)整系數(shù)K長(zhǎng)＜150.815～800.8～0.980～1201.0120～1501.1150～1801.2＞1801.3～1.44)按炸藥量計(jì)算:Q采=10A式中：10——以煤礦許用二三級(jí)炸藥量（Kg）為計(jì)算單位的供風(fēng)標(biāo)準(zhǔn)，m3/min/kg；A——采煤工作面一次爆破的最大炸藥用量，kg。由于工作面采用機(jī)械落煤，故不需按炸藥消耗量計(jì)算采煤工作面風(fēng)量。表3-4配風(fēng)量回采面回采工藝按人數(shù)（m3/min）按瓦斯涌出量（m3/min）按溫度（m3/min）按炸藥量（m3/min）210108綜采32019051632/所以210108工作面配風(fēng)量為1905m5)按風(fēng)速驗(yàn)算:按最低風(fēng)速驗(yàn)算，每個(gè)回采面的最低風(fēng)量1905≥15S采，m3/min按最高風(fēng)速驗(yàn)算，每個(gè)回采面的最高風(fēng)量1905≤240S采，m3/min式中S采—回采面的平均斷面積，取15m根據(jù)上述綜合計(jì)算，210108綜采工作面的配風(fēng)量為1900~2200m34210108回采工作面瓦斯治理方案依據(jù)210108工作面相對(duì)瓦斯涌出量預(yù)算結(jié)果，預(yù)計(jì)210108工作面回采期間相對(duì)瓦斯涌出量為12.79m3/t：其中工作面相對(duì)瓦斯涌出量q本=5.7~6.84m3/t，占相對(duì)瓦斯涌出總量的53%，鄰近煤層相對(duì)瓦斯涌出量為q鄰=4.96~5.95m工作面1上煤層回采時(shí)，煤壁瓦斯及210108工作面回采過(guò)程中下伏1煤層瓦斯源源不斷的涌入采空區(qū)及工作面內(nèi)，易造成瓦斯超限。因此，210108工作面回采過(guò)程中瓦斯治理，不僅要考慮210108工作面的瓦斯，還要重點(diǎn)考慮下伏1煤層卸壓瓦斯抽采。4.1210108工作面瓦斯抽采方式設(shè)計(jì)1)選擇瓦斯抽采方式的原則(1)應(yīng)根據(jù)礦井瓦斯涌出來(lái)源及涌出量構(gòu)成，有針對(duì)性地選擇抽采瓦斯方法，以提高瓦斯抽采效果。(2)選擇抽采瓦斯方法應(yīng)適合煤層賦存狀況、巷道布置、地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件。(3)抽采方法在滿足礦井安全生產(chǎn)的前提下，還需滿足開發(fā)、利用瓦斯的需要。(4)應(yīng)盡可能利用生產(chǎn)巷道，以減少抽采工程量。(5)選擇的抽采方法應(yīng)有利于抽采巷道的布置和維護(hù)。(6)選擇的抽采方法應(yīng)有利于提高瓦斯抽采效果，降低抽采成本。(7)應(yīng)有利于鉆孔、鉆場(chǎng)施工和抽采系統(tǒng)管網(wǎng)的設(shè)計(jì)，有利于增加鉆孔的抽采時(shí)間。2)210108回采工作面瓦斯抽采方式選擇210108工作面采用綜合機(jī)械化采煤工藝，瓦斯涌出主要來(lái)源于本煤層和鄰近煤層。根據(jù)煤層賦存條件、瓦斯涌出構(gòu)成和巷道布置形式，采用以本煤層抽采為主，采空區(qū)抽采為輔，預(yù)抽、邊采邊抽相結(jié)合的綜合抽采方法。本煤層主要采用布置順層鉆孔和穿層鉆孔相結(jié)合的瓦斯預(yù)抽和邊采邊抽方式，鄰近層主要采用布置穿層鉆孔的瓦斯預(yù)抽和邊采邊抽方式。并采用高抽巷對(duì)回采工作面前方卸壓瓦斯和工作面后方采空區(qū)積聚瓦斯邊采邊抽，同時(shí)采用采空區(qū)埋管方式對(duì)上隅角積聚瓦斯進(jìn)行邊采邊抽。4.2210108工作面瓦斯抽采參數(shù)確定1)工作面抽采率確定根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》、《抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》及新集公司相關(guān)規(guī)定要求，工作面風(fēng)速不得超過(guò)4m/s，回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛炔坏贸^(guò)0.6%。210108工作面配風(fēng)量為1900m3/min左右，按回風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?.5~0.55%計(jì)算，風(fēng)排瓦斯量為9.5~10.45m3/min，210108工作面回采過(guò)程絕對(duì)瓦斯涌出量為29.31m3/min，風(fēng)排量瓦斯量占瓦斯涌出總量的32.4%~35.7%，僅靠通風(fēng)不能滿足排放瓦斯的要求，應(yīng)對(duì)工作面進(jìn)行瓦斯抽采，經(jīng)計(jì)算210108工作面瓦斯抽采量為18.86~19.812)工作面抽采規(guī)模確定方案預(yù)計(jì)高抽巷卸壓瓦斯抽采量10m3/min，抽采率約34.1%。采空區(qū)埋管抽采瓦斯量1.5m3/min，抽采率約5.1%。工作面順層鉆孔和穿層鉆孔抽采瓦斯量7.4~8.3m3/min、抽采率為25.3%順層鉆孔、穿層鉆孔、高抽巷和采空區(qū)埋管四種抽采方式綜合抽采率為67.5%，符合210108工作面瓦斯抽采設(shè)計(jì)要求。210108采煤工作面平均瓦斯含量為5.8m3/t，回采前施工穿層及順層鉆孔預(yù)抽率為12.3%，依據(jù)預(yù)抽率確定210108工作面1煤層抽采效果檢驗(yàn)殘余瓦斯含量為W=5.0為了保證210108工作面回采過(guò)程中瓦斯治理效果，方案要求在工作面正式回采前210108工作面范圍內(nèi)1煤層穿層及順層鉆孔瓦斯預(yù)抽率達(dá)到12.3%以上，對(duì)應(yīng)效果檢驗(yàn)殘余瓦斯含量小于5.0m3/t；工作面回采過(guò)程中穿層鉆孔卸壓瓦斯抽采率16%；高抽巷卸壓瓦斯抽采量10m34.3210108工作面瓦斯治理措施1)210108工作面順層鉆孔預(yù)抽在210108工作面風(fēng)巷每50m設(shè)計(jì)一個(gè)鉆場(chǎng)，每組鉆場(chǎng)施工14~17個(gè)鉆孔，均勻布置在工作面中，傾向控制范圍65m左右；機(jī)巷設(shè)計(jì)每50m左右布置一個(gè)鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)施工14個(gè)鉆孔，孔底間距10m，均勻布置在工作面中，傾向控制范圍90m左右。210108工作面順層預(yù)抽鉆孔布置如圖4.1所圖4.1210108工作面順層預(yù)抽鉆孔布置圖2)210108工作面穿層鉆孔預(yù)抽在210108工作面截水巷每40~50m布置一組鉆場(chǎng)，工作面上、下鉆場(chǎng)分別布置25個(gè)鉆場(chǎng)，穿層鉆孔布置參數(shù)20m*20m。210108工作面截水巷穿層預(yù)抽工作面鉆孔布置如圖5.2所示。5~10號(hào)鉆場(chǎng)位于薄煤層帶，1上煤層缺失，煤層厚度3.5m圖4.2210108工作面截水巷穿層預(yù)抽工作面鉆孔布置圖其中1號(hào)鉆場(chǎng)18個(gè)鉆孔；2、3號(hào)鉆場(chǎng)15個(gè)鉆孔；4號(hào)鉆場(chǎng)15個(gè)鉆孔11、20、21鉆場(chǎng)分別布置21個(gè)鉆孔，其下鉆場(chǎng)15個(gè)鉆孔已施工，僅上鉆場(chǎng)6個(gè)鉆孔未施工；12~19號(hào)8個(gè)鉆場(chǎng)分別設(shè)計(jì)12個(gè)鉆孔；22~25鉆場(chǎng)分別設(shè)計(jì)12個(gè)鉆孔。4.4210108工作面高抽巷卸壓瓦斯抽采沿工作面上方走向布置1條巷道，巷道內(nèi)錯(cuò)風(fēng)巷20m，布置在煤層頂板30m～34m范圍內(nèi)。巷道寬3m、高2.4m。高抽巷設(shè)計(jì)抽采瓦斯量10m3/min，預(yù)計(jì)抽采混合量44.5210108工作面采空區(qū)埋管抽采實(shí)踐證明，采用采空區(qū)埋管抽采工作面上隅角瓦斯對(duì)于防止上隅角瓦斯超限是一種有效方法。采空區(qū)瓦斯抽采方法有很多種，主要有埋(插)管抽采、向冒落拱上方打鉆孔抽采、在老頂巖石中打水平鉆孔抽采、直接向采空區(qū)打鉆抽采和頂板尾巷抽采、工作面尾巷抽采和地面抽采等幾種，對(duì)具體不同的情況可以采用不同的方法或幾種方法的組合。根據(jù)210108工作面的實(shí)際情況，擬采用采空區(qū)埋管的抽采方法，主要解決采空區(qū)瓦斯向工作面涌出和老塘角瓦斯積聚的問(wèn)題。采空區(qū)埋管設(shè)計(jì)抽采瓦斯量1.5m3/min，預(yù)計(jì)抽采混合量15m3/min，抽采瓦斯?jié)舛炔擅汗ぷ髅嫔嫌缃穷A(yù)埋8寸抽采管路，預(yù)埋管由帶篩孔悶盤和帶篩孔的管路組成。在工作面推進(jìn)過(guò)程中，將埋管口保留在工作面的采空區(qū)，通過(guò)抽采系統(tǒng)對(duì)采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采?；夭蛇^(guò)程中必須加強(qiáng)上、下隅角的管理，上隅角要提前收一棚并減少向采空區(qū)漏風(fēng)。同時(shí)，要定期觀測(cè)采空區(qū)內(nèi)的CO情況，定期取樣化驗(yàn)，防止煤炭自燃。4.6210108工作面抽采系統(tǒng)4.6.1抽采系統(tǒng)1)低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)（可切換高壓裝置）①1煤東翼截水巷1煤東翼截水巷聯(lián)巷（2XΦ250mm管路200m）→2101采區(qū)回風(fēng)上山(Φ300mm管路490m)→1煤東翼總回風(fēng)巷（Φ300mm管路510m）→風(fēng)井南石門（Φ300mm管路50m）→風(fēng)井（Φ400mm管路460m）→地面（Φ600mm管路110m）。②210108高抽巷210108高抽巷（2xΦ300mm管路50m）→2101采區(qū)回風(fēng)上山(Φ300mm管路200m)→1煤東翼總回風(fēng)巷（Φ300mm管路510m）→風(fēng)井南石門（Φ300mm管路50m）→風(fēng)井（Φ400mm管路460m）→地面（Φ600mm管路110m）。2)高負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)①210108風(fēng)巷a、上隅角：210108風(fēng)巷（Φ250mm管路1500m）→回風(fēng)聯(lián)巷（Φ250mm管路25m）→2101采區(qū)回風(fēng)上山(Φ400mm管路200m)→1煤東翼總回風(fēng)巷（Φ400mm管路510m）→風(fēng)井南北石門（Φ600mm管路130m）→分源抽采鉆孔（Φ600mm管路460m）→地面（Φ600mm管路200m）。b、順層鉆孔：：210108風(fēng)巷（Φ250mm管路1500m）→回風(fēng)聯(lián)巷（Φ250mm管路25m）→2101采區(qū)回風(fēng)上山(Φ400mm管路200m)→1煤東翼總回風(fēng)巷（Φ400mm管路510m）→風(fēng)井南北石門（Φ600mm管路130m）→分源抽采鉆孔（Φ600mm管路460m）→地面（Φ600mm管路200m）。②210108機(jī)巷210108機(jī)巷（Φ250mm管路1500m）→回風(fēng)聯(lián)巷（Φ300mm管路25m）→2101采區(qū)回風(fēng)上山(Φ400mm管路360m)→1煤東翼總回風(fēng)巷（Φ400mm管路510m）→風(fēng)井南北石門（Φ600mm管路130m）→分源抽采鉆孔（Φ600mm管路460m）→地面（Φ600mm管路200m）。4.6.2抽采管路系統(tǒng)根據(jù)《礦井瓦斯抽放管理規(guī)范》及礦井工作面瓦斯抽采實(shí)際情況，則該采面瓦斯抽放管道按下式計(jì)算：D＝0.1457（QC/v）^(1/2)式中： D－瓦斯管道內(nèi)徑mQC－瓦斯管中的混合流量V－瓦斯管中氣體的平均流速取12m/s(1)風(fēng)巷：a、上隅角：抽采純流量取1.5m3/min，濃度取10%，從而可知QC＝15m3/min，按1.3倍運(yùn)行能力計(jì)算得：QC＝19.5mb、順層鉆孔：抽采純流量取1.5m3/min，濃度取8%，從而可知QC＝18.5m3/min，按1.3倍運(yùn)行能力計(jì)算得：QC＝24.4m3/min，代入上述公式可得：(2)機(jī)巷：抽采純流量取1.5m3/min，濃度取8%，從而可知QC＝18.5m3/min，按1.3倍運(yùn)行能力計(jì)算得：QC＝24.4m3/min，代入上述公式可得：(3)高抽巷：根據(jù)礦井其他煤層高抽巷的抽采效果，預(yù)計(jì)210108高抽巷最大抽采純流量10m3/min，濃度取25%，從而可知QC＝40m3/min，按1.3倍運(yùn)行能力計(jì)算得：QC＝52m(4)-650m1煤東翼截水巷抽放純流量取7m3/min，濃度取20%，從而可知QC＝35m3/min，按1.3倍運(yùn)行能力計(jì)算得：QC＝45.5m3/min，代入上述公式可得：D=283mm因此210108工作面安裝的瓦斯抽采管路可滿足工作面抽采需要。4.6.3阻力計(jì)算按下式計(jì)算工作面瓦斯抽采管路直管摩擦阻力H＝9.8LrQ2/KD5式中：h－瓦斯管道的摩擦阻力PaL－管道的長(zhǎng)度mD－瓦斯管道內(nèi)徑cmQ－混合抽放量m3/h（根據(jù)不同區(qū)段瓦斯混合抽采量不同，故混合抽采量取1500～3600m3k－與管徑有關(guān)的系數(shù)取0.71r＝混合瓦斯對(duì)空氣的相對(duì)密度取0.9331)低負(fù)壓抽采系統(tǒng)工作面瓦斯管道總阻力計(jì)算：(1)210108高抽巷：H阻＝1.2Σｈ＝2861.42Pa