煤层瓦斯高效防治技术要点综述

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太原理工大学 严国超老师 煤层瓦斯高效防治技术要点综述 瓦斯防治技术背景 十五 以来我国能源消费总量过快增长 10年增长2 2倍 给资源环境带来巨大压力 我国GDP目前占世界生产总值不到10 但能源消耗已经高于20 能源排放的污染气体居世界首位 温室气体占世界总量的25 GDP的能耗 污染排放和碳排放都过高 中国能源中长期 2030 2050 发展战略研究 提出转变能源供需模式 使其由 以粗放的供给满足增长过快的需求 向 以科学的供给满足合理的需求 转变 瓦斯防治技术背景 我国煤炭产量约占世界煤炭产量的45 占世界总量的比重逐年增加 而一些发达国家的煤炭产量是下降的 煤电在电力中的比重将由当前的约60 逐步下降 2050年可降至35 左右 煤炭科学产能是指在安全 高效 洁净 环境友好的条件下生产煤炭 而我国现在每年生产的30多亿吨原煤只有不到一半符合科学产煤标准 符合科学开采的煤炭产能在20年后预计可达到34亿 38亿吨 瓦斯防治技术背景 煤炭目前是我国主力能源 煤炭的洗选 开采和利用必须改变粗放形态 走安全 高效 环保的科学发展道路 煤炭在我国总能耗中的比重应该逐步下降 2050年可望减至40 甚至35 以下 其战略地位将调整为重要的基础能源 我国煤炭的赋存特点 跟我国的地形地貌一样 复杂多变 露天煤矿比重低 绝大部分是井工矿 且矿井条件复杂 煤与瓦斯突出 水 火 顶板等自然灾害多 瓦斯防治技术背景 复杂的地质条件也造就了一支特别能战斗的队伍 经过多年的奋战 我们已拥有比较先进的煤炭科学技术和装备水平 2000年以来我国煤矿安全科技工作者围绕煤矿瓦斯灾害治理 防灭火 粉尘防治 水害防治 瓦斯利用 安全监测监控和应急救援等方面开展了大量基础研究及应用技术开发 取得了众多研究成果 瓦斯防治技术要点 煤矿瓦斯抽采概述 煤矿井下钻孔施工关键技术 地面钻井抽采瓦斯技术 瓦斯预测与探测技术 煤层气利用技术进展 煤矿瓦斯抽采概述 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类二 本煤层瓦斯抽采方法三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法四 瓦斯抽采主要设备 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 1 煤层抽采可行性评价衡量一个矿井是否有必要瓦斯抽采 可从以下几个方面来判断一 通风能力二 法规要求三 资源利用四 环保需要 1 煤层抽采可行性评价1 煤层抽采可行性评价1 1通风能力由于一个矿井的通风能力在设计时就已经确定 所以当矿井生产所产生的瓦斯涌出量超过该矿井通风所能稀释的瓦斯量时 就有必要考虑抽采瓦斯 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 1 煤层抽采可行性评价1 2法规要求 煤矿安全规程 如下规定 建立瓦斯抽采系统的基本条件 一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3 min或一个掘进工作面瓦斯涌出量大于3m3 min 用通风方法解决瓦斯问题很困难 矿井绝对瓦斯涌出量达到以下条件的 1 大于或等于40m3 min 2 年产量1 0 1 5Mt的矿井 大于30m3 min 3 年产量0 6 1 0Mt的矿井 大于25m3 min 4 年产量0 4 0 6Mt的矿井 大于20m3 min 5 年产量 0 4Mt的矿井 大于15m3 min 开采有煤与瓦斯突出危险煤层 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 1 煤层抽采可行性评价1 3资源利用进行瓦斯抽采可以做到 1 降低矿井的瓦斯涌出量防治瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害2 变害为利 作为煤炭的伴生资源加以开发利用 条件 矿井的瓦斯储量及赋存条件符合开采所必须的经济和技术要求时 即可考虑用抽采方法开采瓦斯 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 1 煤层抽采可行性评价1 4环保需要人类社会的进步和经济的发展 环境保护问题越来越成为人们关注的题 当矿井生产所产生的瓦斯对周围环境造成影时 就有必要考虑抽采瓦斯 十一五 国家煤层气发展规划 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯2 瓦斯抽采基本参数放基本参数瓦斯抽采基本参数 用来分析瓦斯抽采难易程度和抽采经济效果的参数 常用的参数有以下五个 矿井的瓦斯储量可抽瓦斯量瓦斯抽采率钻孔瓦斯流量衰减系数煤层透气性系数 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 1矿井瓦斯储量矿井瓦斯储量 矿田开采过程中煤 岩 所能向矿井排放的总瓦斯储量 计算公式 W W1 W2 W3 W4含义 W 矿井瓦斯储量 立方米W1 可采煤层瓦斯储量 立方米W2 局部可采煤层瓦斯储量 立方米W3 采动影响范围内的不可采邻近煤层瓦斯储量 立方米W4 采动影响范围内的围岩瓦斯储量 立方米 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 1矿井瓦斯储量各煤 岩 层瓦斯储量按下式计算 Wi AiXi含义 Wi 含瓦斯煤层 煤岩 I的瓦斯储量 立方米Ai 含瓦斯煤层 煤岩 I的地质储量 tXi 煤层 煤岩 I的瓦斯含量 立方米 t 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 2可抽瓦斯量计算公式如下 Wk W dk 100含义 Wk 矿井可抽瓦斯量 立方米 W 矿井瓦斯储量 立方米 dk 矿井瓦斯抽采率 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 3瓦斯抽采率 1 矿井瓦斯抽采率式中dk 矿井瓦斯抽采率 Qky 矿井风排瓦斯量 m3 min Qkc 矿井抽采瓦斯量 m3 min 2 工作面本开采层瓦斯抽采率式中dB 工作面本层瓦斯抽采率 QBy 工作面本层涌出的瓦斯量 m3 min QBc 本层抽采的瓦斯量 m3 min 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 3瓦斯抽采率 3 工作面邻近层瓦斯抽采率式中dL 邻近层瓦斯抽采率 QLy 从邻近层涌出的瓦斯量 m3 min QLc 从邻近层抽采的瓦斯量 m3 min 4 工作面总抽采率式中dG 工作面总抽采率 其它符号同前 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 4钻孔瓦斯流量衰减系数 钻孔内瓦斯流量随时的衰减的特性可作为评价煤层预抽瓦斯难易程度的一个指标 一般用钻孔瓦斯流量衰减系数表示这一特性 其计算方法如下 式中 qt 百米钻孔经日排放时的瓦斯流量 m3 min 100m q0 百米钻孔成孔初始时的瓦斯流量 m3 min 100m t 钻孔涌出瓦斯经历时间 t 钻孔瓦斯流量衰减系数 d 1 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 5煤层透气性系数 煤层透气性系数是衡量煤层瓦斯流动难易程度的一个指标 按等温气体 可压缩流体 层流运动规律 其瓦斯流速可表示为 式中 煤层透气性系数 m2 MPa d pn 标准状态下的大气压力 0 101MPa n 标准压力状态下的瓦斯流速 m d 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 5煤层透气性系数 意义 煤层透气性系数是从宏观上评价煤层可抽性的指标之一 实际上它反映了瓦斯在煤层中流动的难易程度 由于煤是一种多孔介质 故在一定压力梯度下 气体或液体可以在煤体内流动 煤的透气性系数越大 瓦斯在煤中流动越容易 煤层透气性系数 我国普遍采用的单位为m2 MPa2 d 其物理意义是在1m长的煤体上 当压力平方差为1MPa2时 通过1m2煤层断面 每日流过的瓦斯量 1m2 MPa2 d相当于0 025mD 毫达西 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 2 瓦斯抽采基本参数2 5煤层透气性系数 现场测算方法透气性系数测定方法分为实验室测定法和现场直接测定法 在实验室测定煤层透气性系数 是在单项稳定流动条件下进行的 试验表明 其与煤样水分 瓦斯压力及煤样承受的机械载荷密切相关 煤样的透气性无法代替煤层的透气性 因此 我国均采用现场实测法确定煤层的透气性大小 煤层透气性系数的测定方法归纳起来可分作径向稳定流动测定法和径向不稳定流动测定法 本次测定是采用井下直接测定煤层透气性系数的中国矿业大学法 其计算基础为径向不稳定流动理论 在测量钻孔施工完毕后 测定钻孔瓦斯自然涌出量 根据煤层径向流动理论结合原始瓦斯压力 煤层瓦斯含量确定其透气性系数 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 3 瓦斯抽采方法分类按瓦斯来源分按抽采工程施工方法本层抽采瓦斯钻孔法邻近层抽采巷道法采空区抽采综合法围岩抽采按抽采时间顺序按被抽采煤层的卸压状况采 掘 前预抽瓦斯原始煤体预抽瓦斯边采边抽煤层卸压后抽采瓦斯采后抽采其他抽采 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 3 瓦斯抽采方法分类 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 3 瓦斯抽采方法分类 一 煤层抽采可行性评价及抽采方法分类 二 本煤层瓦斯抽采方法 本层瓦斯抽采 或称开采层抽采瓦斯 是在煤层开采之前或采掘的同时 用钻孔或巷道对本煤层 或煤层组 瓦斯进行抽采的一种抽采形式 煤层回采前的抽采属于未卸压抽采 或称采前预抽 受到采掘工作面影响范围内的抽采属于卸压抽采 决定未卸压煤层抽采效果的关键性因素是煤层的天然透气系数和原始瓦斯压力 煤层透气性越小 瓦斯压力越低越难抽出瓦斯 对于没有邻近卸压条件的煤层 可以预抽原始煤体瓦斯 根据经验 我们把未卸压煤层预抽瓦斯的难易程度分为三类 分类见下表 煤层抽采瓦斯难易程度分类表 开采层瓦斯抽采方式1 预先抽采 在开采层回采前 通过巷道或钻孔预先抽采煤体的瓦斯 2 边采边抽 在开采层回采工作面的前方或下分层 倾斜开采厚煤层 布置钻孔 依靠工作面推进时的卸压效应 抽采煤体中的瓦斯 3 强化抽采 用水力压裂 水力割缝 松动爆破 煤层物理化学处理等方法增加煤层透气性 抽采煤体瓦斯 二 本煤层瓦斯抽采方法 抽采钻孔布置方式 穿层钻孔 沿层上向孔 沿层下向孔 沿层水平孔 二 本煤层瓦斯抽采方法 国内一些矿井的未卸压煤层原始瓦斯透气系数差别较大 如抚顺 包头等少数矿井透气性系数大于10m2 MPa2 d 而其余多数矿井的透气性系数均较小 尤其是突出煤层更小 如天府 北票等一些矿井平均透气性系数远小于0 1m2 MPa2 d 对于易抽采煤层 瓦斯抽采效果较好 而对于低透气性煤层的预抽效果则很差 在这类煤层内抽采瓦斯时 即使抽采初期的抽出量较大 但是衰减很快 需要采取强化抽采措施来加以解决 但这方面的问题还未完全解决 有待今后继续研究和实践 二 本煤层瓦斯抽采方法 抽采瓦斯原理预抽煤层瓦斯是利用煤层原始的裂隙和孔隙以及原始的瓦斯压力达到抽采的目的 当钻孔进入煤体后 其周围形成一个复杂的径向不稳定流动场 瓦斯向钻孔流动的规律愚昧层中瓦斯压力 透气性 瓦斯含量 地应力 流动时间以及其它一些条件有关 对于透气性大的煤层 瓦斯涌出衰减速度漫 有一个较长的涌出量较高的阶段供钻孔抽采 对于透气性小的煤层 瓦斯涌出衰减速度快 瓦斯涌出很快进入流量很小的衰减曲线平缓段 没有一个较长时间的较高瓦斯涌出量阶段供钻孔抽采 根据实测资料表明 煤层有随着抽采时间增长而透气性增大的趋势 中梁山实测资料 煤层预抽一年透气性增大10倍 所以衰减曲线平滑段是一个长时期比较稳定的低流量涌出阶段 对这样的煤层采用加密钻孔 进行长时期抽采瓦斯 可以达到预期的抽采效果 二 本煤层瓦斯抽采方法 未卸压抽采未卸压抽采是通过巷道或钻孔 抽采未受采动影响或未经人为松动卸压的煤层中瓦斯的方法 该方法适用于透气系统较大的开采煤层预抽瓦斯 对于低渗透煤层的瓦斯抽采 效果欠佳 对于未卸压抽采 主要含有以下方式和技术要点 1钻孔预抽是国内外目前抽采开采层瓦斯的主要方式 按步孔位置又分为地面钻孔抽采和井下布孔抽采 2巷道预抽在煤体中提前布置采区巷道 封闭后进行预抽 这种方式现在已经较少采用 3地面钻孔抽采瓦斯4预抽瓦斯钻孔间距的确定 二 本煤层瓦斯抽采方法 顺层钻孔抽采瓦斯技术 瓦斯抽采钻孔 钻场 巷道 二 本煤层瓦斯抽采方法 顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯模式 二 本煤层瓦斯抽采方法 顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯模式 二 本煤层瓦斯抽采方法 顺煤层钻孔预抽煤层瓦斯模式 二 本煤层瓦斯抽采方法 抽采瓦斯原理 低透气性煤层钻孔瓦斯涌出规律 二 本煤层瓦斯抽采方法 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 1 邻近层抽采卸压瓦斯原理在煤层群中 一个煤层首先采动后 破坏了原岩应力平衡 上下岩体向采空区移动 相邻煤层卸压 显现卸压增流效应 回采煤层附近的煤层或夹层中的瓦斯 就能向回采煤层的采空区转移 这类能向开采煤层采空区涌出瓦斯的煤层或夹层 就叫做邻近层 位于开采煤层顶板内的邻近层叫上邻近层 底板内的叫下邻近层 第三节邻近层和采空区瓦斯抽采方法 1 邻近层抽采卸压瓦斯原理瓦斯流动使煤层瓦斯压力逐渐降低 吸附瓦斯不断解吸并向抽采钻孔和采空区流动 流量的大小取决于流向采空区或钻孔的阻力 以及两端的压力差 即瓦斯压力与抽采孔负压或瓦斯压力与采空区通风压力之差 因此是否能有效抽采邻近层卸压瓦斯 而不让大量卸压瓦斯涌入开采层采空区的重要因素在于抽采钻孔的合理布置和适当的抽采负压 此外 随着开采层向前推进 工作面前方一定范围内煤层产生卸压作用 在这个卸压范围内也可以进行本煤层卸压抽采 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 2 围岩移动分带及其与抽采瓦斯的关系煤层群中的一个煤层开采后 受采动影响 围岩发生不同程度的破坏和变形 在其顶底板形成多个受采动影响的不同地带 为描述与瓦斯抽采的关系方便起见 我们可以根据岩层的破坏程度与位移状态可把围岩划分成几个带 各带抽采瓦斯的效果也不一样 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 围岩移动分带及其与抽采瓦斯的关系 2 围岩移动分带及其与抽采瓦斯的关系 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 2 围岩移动分带及其与抽采瓦斯的关系 围岩分带与抽采效果对应关系 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 2 围岩移动分带及其与抽采瓦斯的关系由于冒落带与采空区直接相通 抽采钻孔进入冒落带将吸入大量空气 所以此带一般不宜用钻孔抽采瓦斯 在裂隙带中 煤层卸压充分 瓦斯大量解吸 接近冒落带的岩层为大裂隙区 瓦斯在此区因流动阻力小 容易涌入采空区 所以此带钻孔抽采率低 往上为小裂隙区 由于此带瓦斯向采区流动困难 是抽采率最高地带 弯曲变形带距开采层越远 卸压程度越低 此带抽采效果次于小裂隙带 若能增加抽采时间 也能获得较好效果 开采层底板的裂隙带与顶部裂隙带的抽采效果类似 开采层底板的变形带与顶板的弯曲变形带的抽采效果相似 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 右图是我国部分矿井不同层间距的邻近层瓦斯抽采率汇总图 尽管其可比性值得探讨 但大体上说明了邻近层处于30 50m层间范围时抽采率最高这一可借鉴的结果 2 围岩移动分带及其与抽采瓦斯的关系 右图则是世界上几个主要采煤国家 不包括美国 的不同层间距的邻近层与瓦斯涌出率之间关系的统计图 此图说明邻近层距开采层越近 涌入其采空区的瓦斯量越多 各曲线差异较大 是由于涌出率除了与层间距有关外 还与层间岩性 开采方法等因素有关 但是总的趋势是一致的 2 围岩移动分带及其与抽采瓦斯的关系 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 3 抽采邻近层瓦斯的钻孔布置 1 钻孔布置原则 抽采卸压瓦斯的钻孔必须进入卸压范围内 沿煤层倾斜方向的卸压范围由解放范围来确定 沿煤层走向范围 除开采层起采线与采止线以外 在不留沿倾斜煤柱的条件下 沿走向的回采范围均属卸压范围 一般抽采卸压瓦斯的钻孔均超前于回采工作面钻成 等待工作面接近钻孔 邻近层煤体卸压后就投入抽采 为了避免钻孔抽进井巷空气 钻孔的开口端应布置在未受采动影响的完整煤 岩 体内 并且钻孔不能穿过冒落带 否则应在钻孔开口端加套管以防止抽出大量空气 实践证明 设在完整岩体内的抽采钻场抽采瓦斯量比设在破碎岩体内的瓦斯抽采量大数倍甚至更多 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 3 抽采邻近层瓦斯的钻孔布置 1 钻孔布置原则 穿层钻孔应穿透各个抽采煤层 并进入抽采层顶 底 板岩石0 5m以上 这是因为卸压后的瓦斯可以运移到顶板岩石的离层缝隙中 顺层抽采应沿煤层尽量打深孔 2 钻孔布置形式邻近层卸压瓦斯抽采钻孔布置形式多种多样 它受着层间位置 煤层倾角 巷道布置等多种因素影响 但是各种布孔形式归纳起来就是从适当的巷道向各邻近层卸压区打钻孔 尽量使钻孔控制的卸压瓦斯流入钻孔而不至于大量流入开采层采空区 下面举例说明几种布孔形式 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 下图是阳泉抽采上邻近层瓦斯的钻孔布置 其特点是 利用开采层回风道向上邻近层卸压区打钻 沿走向每隔50m左右开一个钻场 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 下图是南桐直属一井抽采下邻近层瓦斯的钻孔布置 其特点是 利用运输道向下邻近层卸压区打孔 这两种布孔方式都是利用已有采区巷道向邻近层打孔 因此可节约巷道掘进费用 由于受到现有巷道位置的限制 上面两种钻孔布置只能抽到邻近层上部或下部卸压瓦斯 其余卸压瓦斯将通过裂隙进入开采层采空区 因此抽采率不高 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 右图是中梁山抽采下邻近层瓦斯的钻孔布置 为了能全面抽采卸压范围内的瓦斯并不使钻孔开口端处于采动影响的范围内 专门在煤层底部坚硬的石灰岩中掘进了一条巷道 并在此巷道布置钻场 该巷也可为下水平生产服务 取得了较好的抽采效果 对缓倾斜上邻近层 从回风巷打钻比从运输巷打钻的抽采效果一般高30 50 特别当层间有含水层时 抽采效果差别更大 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 3 抽采邻近层瓦斯的钻孔布置 3 抽采钻孔间距为了使卸压瓦斯不进入开采层采空区而流入抽采钻孔 必须使瓦斯流向钻孔的阻力小于流向采空区的阻力 这就需要合理地选择钻孔间距 合理的钻孔间距取决于地质条件 透气性 瓦斯含量 抽采率 抽采量 钻孔施工技术 经济和安全诸因素 简化的做法是按层间距的大小来确定钻孔间距 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 3 抽采钻孔间距按层间距的大小来确定钻孔间距 其理由是 邻近层卸压瓦斯涌出 抽出 规律右图所示 当工作面推过钻孔时 流量开始上升 当工作面推过钻孔约一倍层间距左右时 钻孔流量达到峰值 以后随工作面的推进瓦斯流量开始逐渐下降 3 抽采邻近层瓦斯的钻孔布置 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 3 抽采邻近层瓦斯的钻孔布置 3 抽采钻孔间距其原因是钻孔附近的瓦斯逐渐枯竭 新卸压的瓦斯距离该钻孔越来越远 阻力增加而转为流向采空区 因此 在钻孔瓦斯开始下降的位置 峰值位置 应有第二个孔接替新卸压范围的瓦斯抽采 由此得出 邻近层卸压瓦斯的合理抽采钻孔间距大约等于抽采层距开采层的层间垂距 一般取层间距的1 0 1 5倍 但在地质破坏带 孔间距应缩小20 50 抚顺煤科院 阳泉煤业集团等单位建议采用的合理孔间距见表 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 3 抽采邻近层瓦斯的钻孔布置 3 抽采钻孔间距 抽采邻近层瓦斯钻孔间距表 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 3 抽采钻孔间距我国和前苏联也用下述公式来确定钻孔的合理间距 对于上邻近层 对于下邻近层 式中 ls 上邻近层抽采钻孔间距 m lx 下邻近层抽采钻孔间距 m qk 每个钻孔的平均抽采量 由经验确定 m3 s 上邻近层抽采率 k 下邻近层抽采率 Wx 邻近层单位面积卸压瓦斯可排放量 m3 m2 3 抽采邻近层瓦斯的钻孔布置 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 邻近层单位面积卸压瓦斯可排放量 m3 m2 计算式 式中 Wx 抽采卸压瓦斯邻近层的总厚度 m 邻近层煤的密度 t m3 x0 邻近层原始瓦斯含量 m3 t xc 邻近层残余瓦斯含量 实测得到 m3 t 当抽采钻孔穿过数个煤层时 此时的钻孔间距应以瓦斯储量最大的煤层为主 3 抽采邻近层瓦斯的钻孔布置 模拟试验和现场实测表明 瓦斯富集区在煤层顶板垂直向上8 25m 回风巷向下0 30m的裂隙圈范围内 研究开采岩石移动规律与瓦斯运移和富集的关系 首采煤层顶板走向长钻孔或巷道法抽采瓦斯方法 开采远距离煤层上向卸压瓦斯抽采方法 开采近距离煤层下向多重卸压瓦斯抽采方法 利用采动卸压抽采煤层瓦斯 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 1 集中瓦斯巷抽采采空区瓦斯提前在开采层冒带上部的裂隙集中区掘进一条平巷 密闭后插入抽采管 待开采层推过后即可抽出集聚在该巷道内的采空区瓦斯 2 密闭采空区抽采当一个采区回采完后 将全采区进行密闭后插管抽采 这种方法抽采浓度低 容易引起采空区浮煤自然发火 所以一般控制抽采负压在1 3kPa 2 7kPa 4 抽采采空区瓦斯的方法 三 邻近层和采空区瓦斯抽采方法 3 钻孔抽采采空区瓦斯抽采采空区瓦斯的钻孔可以利用原有的旧钻孔 或从地面向采空区打钻 也可以从井下已有巷道或专门为此掘进的巷道向采空区冒落带的上方打钻 终孔位置应高于冒落拱顶 每隔20m左右打一钻孔 钻孔高度若大于7倍开采层厚度 抽出瓦斯浓度可达60 左右 钻孔布置低 则抽出瓦斯浓度低 井下钻孔抽采采空区瓦斯的负压一般控制在6 67kPa 9 3kPa 地面钻孔抽采采空区瓦斯抽采负压一般为20kPa 27kPa 4 抽采采空区瓦斯的方法 采空区瓦斯抽采 地面钻孔 顶板低位巷 顶板岩石水平钻孔 采空区埋管抽 老采空区封闭抽 采空区高冒带钻孔抽等采空区放瓦斯抽采方法 地面钻孔抽采瓦斯模式 200多口井 国外投资21口 国内投资100多口 美国地面钻孔选区标准要求渗透率不低于1 10 3 m2 我国要想获得日产气量3000m3 d以上时 煤层渗透率必须大于0 5 10 3 m2 结合渗透性和含气量等因素分析认为 我国地面钻孔煤层气高产区为晋城潘庄矿区 离柳矿区 中产区为长治屯留区 开平钱家营区 大城1 1区也可能成为高产区 地面抽采瓦斯技术 四 瓦斯抽采主要设备 寺河矿井瓦斯抽采系统 地面 四 瓦斯抽采主要设备 海天矿井瓦斯抽采系统 地面 四 瓦斯抽采主要设备 抽采瓦斯所用设备主要有 瓦斯泵 管道 流量计以及安全装置等 1 瓦斯泵我国煤矿抽采瓦斯通常采用两种类型的瓦斯泵 即水环式真空泵或高压离心式鼓风机 前者负压高 流量小 适用于抽出量不大 要求抽采负压高的矿井 后者排气量大 负压低 适用于大管径 高流量的抽采 由于水环式真空泵安全性好 一般矿井都要求较高的抽采负压 所以使用较广泛 下面三张图分别是不同型号的抽采泵性能特性曲线 5 瓦斯抽采设备 四 瓦斯抽采主要设备 1 瓦斯泵 5 瓦斯抽采设备 第三节邻近层和采空区瓦斯抽采方法 1 瓦斯泵 5 瓦斯抽采设备 四 瓦斯抽采主要设备 1 瓦斯泵 5 瓦斯抽采设备 四 瓦斯抽采主要设备 1 移动式瓦斯抽采泵重庆煤科分院生产的YWB系列移动泵 主要技术指标 型号 5 40 最大抽采量 5 0 44 4m3 min 极限真空度 6 67 18kPa 5 瓦斯抽采设备 四 瓦斯抽采主要设备 1 移动式瓦斯抽采泵抚顺煤科分院生产的ZWY YD 系列移动泵 主要技术指标 最大抽采量 4 5 60 极限真空度 81kPa 5 瓦斯抽采设备 5 瓦斯抽采设备 2 抽采管路及阻力抽采管连接各个抽采钻孔 汇集瓦斯输送至抽采泵 组成抽采系统 一般分成主管 干管 支管 瓦斯管的布置由矿井巷道布置而定 应尽量将抽采管设于回风道 避免损坏时影响矿井安全 水平段要求平值以防积水堵塞 1 选择瓦斯管直径经验证明 管内瓦斯流速在5 12m s范围内比较经济合理 瓦斯管直径可采用下式计算 式中 D 瓦斯管内径 m Q 瓦斯流量 m3 min V 瓦斯在管中的平均流速 取V 5 12m s 四 瓦斯抽采主要设备 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备 2 抽采管路及阻力2 瓦斯管路阻力计算根据管径 流量的不同分段计算阻力 每段管路的摩擦阻力用下式计算 式中 H 摩擦损失 Pa L 管路长度 m Q0 标准状态下的混合瓦斯流量 m3 h d 管路内径 mm 0 标准状态下的混合瓦斯运动黏度 m2 s 管道内混合瓦斯密度 kg m3 P0 标准大气压力 101 325kPa P 管道内气体绝对压力 Pa T 管路中的气体温度为t时的绝对温度 K T0 标准状态下的绝对温度 K t 管路中的气体温度 设计取10 管路内壁的当量绝对粗糙度 mm 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备 2 抽采管路及阻力2 瓦斯管路阻力计算管道局部阻力损失 一般按管路摩擦损失的10 20 计算 瓦斯泵的压力除克服管路摩擦阻力与局部阻力损失外 还应有剩余部分 以作为钻场孔口抽采负压 所以抽采泵负压为 式中 H 抽采系统压力 Pa Hr 抽采设备入口侧 负压段 管路最大阻力损失 Pa Hc 抽采设备出口侧 正压段 管路阻力损失 Pa K 抽采系统压力富裕系数 可取K 1 2 1 8 hrm 入口侧 负压段 管路最大摩擦阻力 Pa hrj 入口侧 负压段 管路局部阻力 Pa hkf 井下抽采钻孔的设计孔口负压 Pa hcm 出口侧 正压段 管路最大摩擦阻力 Pa hcj 出口侧 正压段 管路局部阻力 Pa hcz 出口侧 正压段 的出口正压 Pa 根据矿井总抽采量Q及计算出的总负压H选择瓦斯泵 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备 3 瓦斯管路上其它装置1 放水器由于地层向钻孔渗水及管内冷凝水集聚 一般抽采管路都有积水 这些水会堵塞管路流动断面 影响抽采效果 因此在各个钻场内和管路上开始上坡处都应安设放水器 放水器有人工放水器及自动放水器两种 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备1 放水器 a 人工放水器如下图在正常抽采时打开阀门1 关闭阀门2 3 使管内积水流入水箱 放水时 关闭阀门1切断抽采负压 打开阀门2放入空气使水箱内外气压平衡 再打开阀门3放水 这种放水器简单 但需要专人操作 管理不方便 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备 b 自动放水器低负压自动放水器如右图 又称U型放水器 当水柱静压与抽采管内绝对静压之和大于巷道大气压 则管内积水可以自动放出 因此h设计的长度为 式中h 放水管有效长度 mm P0 巷道大气压 Pa Pc 管内绝对静压 Pa 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备 b 自动放水器高负压自动放水期见右图 当瓦斯管内负压较高时 若用U型自动放水器 放水管必须很长才能自动出水 由于巷道空间限制了的长度 所以高负压抽采时可用右图的高负压放水器 其原理是 集水器11水位增高将浮桶10上浮 封闭入水口2 截断管内负压对集水器的作用 同时直接与一个钻孔相联的进气口3打开 不断进入瓦斯 使集水器内气压不断上升 当内外气压平衡时 积水自动由放水口13流出 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备2 流量计为了全面掌握与管理井下瓦斯抽采情况 需要在总管 支管 各个钻场内安装流量计 目前井下一般采用孔板流量计 如下图所示 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备2 流量计孔板两端静压差 h 可用水柱计测出 与流过孔板的气体流量有如下关系 式中Q 温度为20 压力为101 3kPa时的混合气体流量 m3 min h 板孔两端静压差 Pa P 孔板出口断绝对静压 Pa C 瓦斯浓度 K 孔板流量系数 m2 5 min C1 流速收缩系数 C1 0 65 Kt 孔板系数 加工精度好Kt 1 Sk 孔板孔口面积 m2 g 重力加速度 m s2 加工孔板流量计 孔口面积的大小应由流量大小而定 若孔口大 流量小 则h值很小 难以量出 若流量大 孔口阻力损失太大 使Q的测量误差加大 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备3 压差和负压测量使用U型管压差计测量负压和压差 4 瓦斯浓度的测量浓度使用光学瓦斯检定器和高负压管道瓦斯取样器进行测定 5 多参数测试仪WZC 1型 抚顺分院 WGC 重庆分院 等瓦斯抽采综合参数测定仪 能够测量瓦斯浓度 温度 压力 流速等参数 MDM9501型瓦斯抽采多参数监测传感器 可以独立运行 也可以与环境监测系统联网使用 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备3 安全装置 煤矿安全规程 规定 利用瓦斯时 沼气浓度不得低于30 且在利用瓦斯系统中必须装设有防回火 防回气和防爆炸作用的安全装置 瓦斯管理上的安全装置有以下几种 1 防回火装置 2 水封式防爆 防回火装置 3 放空管 避雷器 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备3 安全装置 a 防回火装置如右图 防回火装置是在管路上装入4 6层13 13 cm2的铜丝网 为了减少铜丝网阻力损失 将铜网处管路断面扩大 利用铜网的散热作用达到隔绝火焰的目的 这种防回火装置的缺点是铜网孔容易被阻塞 必须经常拆开清洗 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备3 安全装置 b 水封式防爆 防回火装置如下图 其作用原理是 在正常抽采时 瓦斯通过水封后被抽出 一旦发生爆炸或燃烧 水隔断火焰 爆炸波由强度很低的防爆盖6冲出 使抽采系统得到保护 四 瓦斯抽采主要设备 5 瓦斯抽采设备3 安全装置 c 放空管 避雷器瓦斯泵进口出口两端应设立防孔管 当瓦斯泵因故停抽时 井下自然涌出的瓦斯由出口端放空管排出 当客户端瓦斯过剩或输出发生故障 抽出的瓦斯由出口端放空管排出 为了安全 放空管高度应高出瓦斯泵房3m以上 并远离其它建筑物 为了避免雷击引然放空瓦斯 放空管顶部及周围较高建筑物顶部应设避雷针 煤矿井下钻孔施工关键技术 一 水力压裂技术及方法二 水力冲孔造穴技术及方法三 定向长钻孔技术及方法四 松动爆破技术及方法 一 水力压裂技术及方法 1 概述水力压裂增透技术是依靠注入煤层中水的压力克服最小地应力和煤岩体抗拉强度使煤层弱面发生张开 扩展和延伸形成裂缝从而达到增大煤层透气性的一种方法措施 目前阳煤集团水力压裂分为 地面井压裂和井下水力压裂 2 地面井压裂技术通过在构造区施工地面钻井预抽煤层瓦斯 并对地面钻井实施水砂压裂 以提高构造区煤层渗透率 改善地面钻井预抽效果 实现目标煤层掘进期间消突的目的 地面井水力压裂示意图 应用实例及其效果 新景公司3 煤层地面钻井施工8个 地面井单井注水量530 870m3 注砂量为40 62m3 水砂压裂压力为15 28MPa 其中XJ 1井累计抽采8个月 最大日产气量达到4712m3 平均日产气量1526 7m3 平均抽采浓度94 8 累计产气约36 64万m3 各抽采井产气情况 该技术目前主要在寺家庄 新元 新景等矿井开展应用 一 水力压裂技术及方法 2 井下水力压裂技术在底板岩石抽采巷利用千米钻机或其他深孔定向钻机施工穿层钻孔 钻孔穿透煤层后沿工作面走向在煤层中施工约200 500m 见图3 2 7 成孔后进行快速封堵 并利用专用压裂设备向煤层高压注水 改变钻孔周围煤岩体的应力状态 在钻孔周围形成大面积卸压区域 增大附近煤体透气性 以提高瓦斯抽采效果 该技术较适用于压裂范围内无大的地质构造区 煤层赋存相对稳定且硬度系数较高的煤层 压裂钻孔布置剖面示意图 一 水力压裂技术及方法 应用实例及其效果 新景公司在保安区南六底抽巷南段使用千米钻机进行了水力压裂 千米钻机顺层长钻孔使用ZDY6000LD F 型钻机从底抽巷口向上覆3 煤层施工 通过BYW型水力压裂泵组将高压水在原岩煤体中实现压裂造缝 钻孔设计500m 实际施工495m 其中煤层段307m 岩层段188m 压裂平均注水量30m3 h 最大注水流量56 45m3 h 破煤压力最大19 4MPa 注水压力最大26 09MPa 与原施工千米钻孔抽采效果对比 一 水力压裂技术及方法 通过对压裂半径 抽采效果等方面的验证 分析 被压裂煤体全水分由2 82 提高至6 72 压裂影响半径为30 50m 8个月累计瓦斯抽采量为70 63万m3 平均日抽采量2520m3 抽采平均浓度63 3 按压裂半径50m计算瓦斯含量从15 95m3 t下降至9 44m3 t 与原千米钻机相比 抽采浓度提高24 63倍 抽采纯量提高15 91倍 3 水力压裂技术的优势水力压裂技术通过对煤层的压裂 能较好的实现待掘巷道前方实体煤层的瓦斯增透效果 抽采量提高明显 同时起到消突的作用 提高煤巷的掘进效率 一 水力压裂技术及方法 1 概述水力冲孔造穴是采用钻压冲一体化装备在松软高突煤层通过施工本煤层顺层钻孔或穿层钻孔 利用专用钻头产生的高压水切割冲刷煤体 使煤体破碎 垮塌 形成较大空间的洞穴 应力集中向冲孔周围移动 洞穴周围煤体孔裂隙扩展延伸 使冲孔附近煤体卸压增透 可以有效地提高抽采效果 冲孔造穴术主要配合掘进工作面本煤层顺层钻孔预抽条带煤层瓦斯和底板岩石抽采巷穿层钻孔预抽 二 水力冲孔造穴技术及方法 水力冲孔造穴示意图 二 水力冲孔造穴技术及方法 二 水力冲孔造穴技术及方法 2 应用实例及其效果新景公司3 煤保安采区南五掘进工作面采用水力冲孔造穴技术 单循环设计10个孔 主孔长度为80米 钻孔终孔间距7米 保护巷道轮廓线外15米 造穴位置从20米开始 20 40米范围内造穴位置间距为7米 40 80米造穴位置间距为5米 造穴水压为18MPa 造穴孔单穴设计长1米 造穴半径0 4米 单穴平均出煤量为0 7t 单循环平均出煤量为65 8t 单循环出煤率8 9 抽采效果 单孔抽采浓度最高为98 7 平均为35 单孔抽采纯量最高为1 723m3 min 平均为0 1178m3 min 单循环日平均抽采纯量为1696m3 单循环平均抽采天数为16 3d 平均抽采总量为27645m3 二 水力冲孔造穴技术及方法 3 冲孔造穴技术优势掘进工作面抽采达标所需的天数较传统的本煤层顺层钻孔预抽有了很大的减少 进而缩短了掘进单循环周期天数 减少了区域预抽钻孔施工的工程量 钻孔瓦斯抽采浓度及瓦斯抽采纯量等均比以往传统的顺层钻孔区域预抽措施提高了数倍 减少了掘进过程出现的瓦斯动力及瓦斯超限现象 保证了安全掘进 效果对比表 该技术现已在寺家庄 新元 五矿 新景等矿井开展应用 下一步将在全集团进行推广 二 水力冲孔造穴技术及方法 三 定向长钻孔技术及方法 近几年来 在瓦斯抽采长钻孔施工钻机能力方面 以西安院 重庆院等为主的科研单位已取得了长足进步 研究成功了500 1000m的系列长钻孔装备 但是仅有钻机能力满足设计要求是不够的 定向钻进工艺和稳定组合钻具是实现长钻孔施工成功的关键 为此 针对瓦斯抽采长钻孔施工过程中的钻孔定位和钻具等关键技术难题 西安院重点研究完善了稳定组合钻头 组合钻具 开发了多点即时测斜仪等 三 定向长钻孔技术及方法 稳定组合钻头及稳定组合钻具 多级组合钻头 复合片组合式扩孔钻头 内凹复合片钻头 三 定向长钻孔技术及方法 在掘进工作面向煤体深部 布置几个长炮眼与普通炮眼同时爆破 使深部煤体破裂与松动 应力集中带和高压瓦斯带移向深部 以便在工作面前方造成较长的卸压和排放瓦斯区 从而预防突出的发生 松动爆破适用于坚硬煤层的平巷掘进 布置3 5个钻孔 孔深7 10m 每孔装药1 5kg 孔底超前掘进工作面 5m 1 破碎圈 半径0 1 0 15m2 松动圈 半径约0 8m 四 松动爆破技术及方法 防突机理 深孔松动爆破是通过深炮孔爆破 松动工作面前方煤体 使煤体卸压和排放瓦斯 达到消除和减弱突出的一种措施 深孔松动爆破措施 可适用于煤质较硬 突出强度较小的煤层钻孔布置要求 爆破孔径42mm 孔长不应小于8m 终孔应控制到巷道轮廓线外2m以上 孔数应根据松动爆破有效半径确定 深孔松动爆破的有效影响半径 应进行实测 装药长度为孔长减5 5 6m 药卷长度为1m 装药后 应装入不小于0 4m的水炮泥 水炮泥外侧还应充填长度不小于2m的封口炮泥 装药和充填炮泥时 应防止折断电雷管的脚线 爆破后 必须按 细则 进行措施效果检验 爆破时 必须执行撤人 停电 设警戒 远距离放炮 反向风门等安全措施 第一次采用松动爆破的掘进工作面 必须用超前钻孔或其它措施处理工作面前方5m的煤体 以免留下 门坎 掘进时必须留有不小于5m的超前距 炮后30m后方能进入工作面 四 松动爆破技术及方法 适用范围 采煤工作面浅孔松动爆破措施 钻孔布置要求 适用于煤质较硬 围岩稳定较好的煤层 沿采煤工作面每隔2 3m打一个钻孔 孔深不小于3m 炮泥封孔长度不得小于1m 超前距不小于2m 浅孔松动爆破 四 松动爆破技术及方法 深孔控制卸压爆破深孔控制卸压爆破的防突原理与常用的深孔松动爆破基本一致 都是通过药壶装药爆破使煤体卸压和排放瓦斯 在平巷掘进工作面采用深孔控制卸压爆破防突措施 一般可布置3 5个爆破孔和3 5个控制孔 爆破孔直径为50mm 控制孔直径为125mm或150mm 钻孔长度为20 35m 单孔装
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