高瓦斯突出煤层快速掘进技术

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资源描述:
高瓦斯突出煤层快速掘进技术 2019 12 23 太原理工大学严国超老师 5 23 2020019 19 23 2 1 研究背景及内容2 煤层钻孔周围应力分布与等效裂隙场分析3 现场试验4 注气驱替数值模拟5 掘进瓦斯治理改进技术6 总结 目录 3 1 研究背景及内容 1 1研究背景近年来 随着矿井开采规模的不断扩大 开采深度的逐年增加 煤层瓦斯压力和瓦斯含量也逐渐增大 一些低瓦斯矿井逐步变为高瓦斯矿井或突出矿井 掘进过程中煤层瓦斯涌出造成的灾害也日益严重 此外 因掘进瓦斯防治措施工序复杂 工程量大 导致煤巷掘进速度缓慢 矿井采掘比例严重失调 目前 我国煤巷掘进工作面瓦斯抽采措施主要包括 深孔松动爆破 水力冲孔 水力压裂 水力割缝等 取得了一定的效果 但由于工艺复杂 设备庞大 昂贵 装备及工艺不够完善等原因 未能在井下大规模地推广应用 气动驱替是一种新兴的高效抽采瓦斯增产技术 其原理是向煤层注入CO2或N2 与CH4竞争吸附和降低CH4有效分压 促进瓦斯解吸 同时改变压力传导特性和增大扩散速率 从而提高瓦斯抽采效率 2019 12 23 4 1 通过对巷道开挖后的采动裂隙场和渗透场空间分布规律的研究 为气动驱替技术的封孔深度提供理论依据 2 基于井下已有压风系统空气压力 研发高压气动驱替煤层瓦斯工艺 装备及系统 为气动驱替技术的实现提供设备保障 3 通过现场测试来研究煤巷迎头区域的注气孔和抽气孔的钻孔深度 封孔深度 注气压力 以及孔群布孔方式 为确定最佳的气动驱替关键工艺参数提供现场依据 1 2主要研究 试验内容 2019 12 23 1 研究背景及内容 2 煤层钻孔周围应力分布与等效裂隙场分析 钻孔开挖前 钻孔周围煤体处于应力平衡状态 钻孔开挖后 原来应力平衡状态被打破 应力开始重新分布 在钻孔周围煤体中产生卸压区 塑性区 弹性区和原岩应力区 每个区煤体渗透性各不相同 如下图所示 1 卸压区 等效裂隙场 应力逐渐增加 钻孔周围煤体发生破坏 煤体中的裂隙在应力作用开始扩展变大 煤体被裂隙切割 越靠近钻孔周围就越严重 进而导致煤体的渗透率增高 岩体强度明显降低 该区域也是钻孔主要的裂隙区 2 塑性区 该区域内岩体受较大应力作用 岩体发生塑性形变 产生一定量裂隙 2019 12 23 4 原始应力区 煤体未受到采动压力的影响 其渗透率接近煤体的原始渗透率 未受钻孔影响 仍处于原始应力状态 3 弹性区 岩体在次生应力作用下仍处于弹性变形状态 各点的应力均超过原岩应力 由峰值应力逐渐降低至原岩应力 煤体的渗透率也恢复到初始状态 2019 12 23 3 现场试验 7 2019 12 23 1 注气气流的稀释扩散机理 Fick扩散定律中心意思是 在扩散体系中流体分子由高浓度向低浓度运动 流体的扩散速度与流体的浓度梯度呈线性正比关系 当煤层心暴露面形成时 暴露面附近 气体环境接近于矿井大气 此时甲烷浓度较低 井下巷道甲烷浓度不超过1 暴露面上的微孔隙与外界大气间存在较大的甲烷浓度差 其中的甲烷迅速扩散到外界大气中 随着这种扩散不断向煤层深部微孔隙扩展 扩散出来的甲烷不能及时流出煤层 很快会在内部形成扩散动态平衡 煤层内部的甲烷涌出也就停止了 当煤层注气后 注入气体流经的裂隙通道中的甲烷浓度随着注入气体的稀释而降低 其表面的微孔隙两端重新获得了浓度差 宏观上单向扩散得以进行 3 1 注气驱替理论分析 2 注气气流的膨胀增透作用机理构成煤的裂隙和孔隙二重介质是一个可压缩的裂隙 孔隙系统 对于无烟煤来说 吸附能力很强 煤中甲烷含量大 解吸速度快 当煤中甲烷通过解吸 扩散和渗流流出煤体以后 煤层就会收缩 渗流通道缩小甚至闭合 煤的透气性减小 当煤层注气后 在气体扩散的过程中 气体压力对渗流裂隙起到一定的膨胀支撑作用 缓解煤层收缩 增加煤层透气性 因此 煤层注气也有其膨胀增透的作用 3 2 气源的获取方式 一般井下有完善的压风系统 可以为注气提供方便的气源 在注气压力要求不大的条件下 可以非常方便地解决注气气源 需要高压注气时 可采用井下移动式空气压缩机方便地得到高压空气 本项目选用井下巷道已有的压风空气作为煤层注气气源 通过向煤巷迎头周边注入一定压力的空气 快速驱替排出煤体瓦斯 实现高瓦斯煤巷快速掘进的目的 3 3 井下煤层注气压力的确定 根据2018年7月中煤科工集团重庆研究院有限公司编制的 山西潞安环保能源开发股份有限公司常村煤矿3号煤层瓦斯参数测定及研究 结论提到 根据本次瓦斯压力测定结果 3号煤层绝对瓦斯压力最大为0 68MPa 因此 在试验面注气1 6MPa 略高于瓦斯压力 进行试验 3 4 试验条件 试验地点选在常村煤矿S3 12轨顺 S3 12工作面采用单 U型 抽采巷布置方式 即皮顺进风 轨顺回风 轨顺 皮顺均沿底板掘进 S3 12轨顺进行巷帮钻孔注气 排放试验 排放孔中间布置注气孔注空气是为了置换煤中甲烷 并使煤层裂隙中的瓦斯被携载出来 其目的是促排煤层瓦斯 增加排放效率 3 5 试验过程 3 5 1 注气工艺 该巷道试验面 煤层 布置钻孔5个 其中排放4个 注气孔1个 中间为注气孔 分别在注气孔四周布置距离不同的排放孔 同时作为测试孔 排气钻孔与注气钻孔布置示意图如下所示 3 5 2 注气设备 专用封孔器 树脂管 图6专用注水器 气体增压泵 专用注水泵 操作注水器 气体增压泵注气 现场试验钻孔 3 5 3 试验运用现场 注水膨胀封孔 2020 5 23 13 3 5 4 现场观测结果 a 1 测试孔浓度变化情况 b 2 测试孔浓度变化情况 c 3 测试孔浓度变化情况 d 4 测试孔浓度变化情况 不难看出 在自然排放的条件下 瓦斯浓度变化幅度不大 在煤层注入气体的条件下 各钻孔瓦斯浓度的减少均呈线性变化 注气前后测试钻孔瓦斯浓度在注气后总体上均呈明显的减少趋势 表现出明显的注气促排效果 可见 注气排放的效率比自然排放效率高 4 注气驱替数值模拟 4 1 确定注气钻孔间距 1 煤层钻孔瓦斯自然排放的数值模拟结果 0MPa 自然 间距0 5 1 0 1 5 2 0m瓦斯含量时间变化云图 煤层钻孔瓦斯高压注气排放的数值模拟结果 注气压力为1 60MPa 间距0 5 1 0 1 5 2 0m 瓦斯含量时间变化云图 如图所示 当注气孔气压为1 6MPa 0 5m 1m排气孔浓度直线衰减 1h左右 瓦斯在该区段驱替效果为最优 1 5m和2 0m排气孔衰减斜率稍微缓慢 确定其注气孔间距为1m 5 掘进瓦斯治理改进技术 S5 17工作面巷道长度为1116m 掘进方式为机掘 计划日进尺10m 根据3 煤层瓦斯地质图显示 预测该区域瓦斯含量为5 8m3 t 5 1 工作面概况 5 2 掘进面改进前瓦斯治理技术 1 迈步钻场边掘边抽 2 迎头防突钻孔 5 3 掘进瓦斯治理改进技术 根据现场实测注气抽采半径 该巷道掘进工作面布置钻孔22个 注气孔10个 2 5 7 9 11 13 16 18 20 22 向迎头 两帮持续注气 排放孔12个 各排放孔与抽采孔之间的位置关系如图6 4所示 各钻孔方位角如下 左帮第一列及右帮第一列钻孔垂直煤墙偏左16度 右帮第一列钻孔垂直煤墙偏右16度 终孔距巷道轮廓线6米 左帮2 13 垂直煤墙偏左12度和8 19 垂直煤墙偏左9度 终孔距巷道轮廓线各4米和2米 右帮5 16 垂直煤墙偏左12度和10 21 钻孔垂直煤墙偏左9度 终孔距巷道轮廓线也各4米和2米 中部其余钻孔均垂直煤墙施工 钻孔俯视图如图6 5所示 5 4 改进前后综合评价 S5 17皮顺布置迈步钻场 在掘进期间边掘边抽预计抽采量为 1 2m3 min 取抽采量最小值1m3 min 掘进面瓦斯治理未改造之前计划日进尺10m 则该区域煤层所含的瓦斯量 式中 q 煤层瓦斯含量m3 S 掘进巷道断面积 m2 14 4 L 日进尺 取10m 煤的密度 t m3 取1 4 W0 煤层原始瓦斯含量 m3 t 取7 46 通过上式计算可得该区域的瓦斯量为1604 736m3 通过瓦斯预抽最小能够解决1440m3 则抽采后残存在煤层的瓦斯量为164 74m3 改进后残存在煤层瓦斯含量注气后瓦斯排放纯量为0 78m3 min 假设在相同的时间内 并采用改进后的方法 当煤层的残存量为164 74m3 计算可知 计算可得掘进日进尺L 16m 由此计算可知 当采用煤层边注气边排放的方法 在相同的时间内 比改造之前一天多掘进6m 很大程度上提高了掘进速度 6 总结 通过现场试验并分析数据可知 煤层注气驱替的应用效果更好 具体体现在以下几个方面 1 比较钻孔注气和自然排放工艺 整体来说注气驱替煤层瓦斯工艺好于自然排放瓦斯工艺 主要是由于煤巷掘进工作面注气后有瓦斯排放钻孔增流效应 煤层瓦斯驱替效应及增透效应 更易于排放煤体瓦斯 试验结果的对比显示了驱替的明显效果 1 在一个月内 煤体注气驱替 技术排放瓦斯纯量在2 74万m3左右 原自然排放工艺累计排放瓦斯纯量2593m3左右 因此 注气驱替能在短时间内降低煤体瓦斯浓度 这将大大提高月掘进速率 由原来的一天掘进10m 按此进度月掘进300m 工艺改进之后 一天掘进16m 月掘进480m 提高60 间接提高了经济效益 感谢各位观众的认真聆听
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