項(xiàng)目名稱:陽(yáng)泉高瓦斯易自燃煤層高產(chǎn)高效綜放面瓦斯綜合自理技術(shù)研究與應(yīng)用
申報(bào)單位: 陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司
主要完成人：李寶玉 王體軒 張福喜 趙石平 張吉林 趙長(zhǎng)春 趙青云 任發(fā)伍 劉彥斌 王亦農(nóng) 李偉林 蘇保生 張慶恒 武 鋼 王正輝
主要完成單位：陽(yáng)泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司
煤炭科學(xué)研究總院重慶分院
專業(yè)（學(xué)科）分類名稱代碼：440700
所屬國(guó)民經(jīng)濟(jì)行業(yè)：B 類型（采礦業(yè)）
項(xiàng)目起止時(shí)間：1996年11月-2004年12月
項(xiàng)目簡(jiǎn)介：該項(xiàng)目屬煤礦安全技術(shù)領(lǐng)域。通過(guò)理論研究、實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)研究、和大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，掌握了綜放面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，確定了在綜放面上部47-75米范圍、巖層離層充分、瓦斯運(yùn)移水平連通性好，是理想的瓦斯抽放通道布置層位；
采用三維穩(wěn)定滲流流場(chǎng)數(shù)字模型解算綜放面采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)和瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，得出在進(jìn)入采空區(qū)34-70米范圍存在紊流和層流混合過(guò)度區(qū)，為埋管抽放采空區(qū)瓦斯提供了理論依據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)確定了最佳的抽放預(yù)留管口位置，使采空區(qū)埋管抽放濃度保持在31%；
首次采用并不斷完善的中低位后高抽巷治理綜放面初采期瓦斯問(wèn)題，使綜放面初采期瓦斯影響生產(chǎn)及安全的問(wèn)題得到了徹底的解決。
結(jié)合上覆巖層活動(dòng)規(guī)律特征，試驗(yàn)成功的在頂板內(nèi)50-60米位置布置走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，抽出率達(dá)到90%以上，抽放量達(dá)到100立方米、分鐘以上。有效的解決了綜放面正常開(kāi)采期間回風(fēng)巷風(fēng)流瓦斯超限問(wèn)題。
利用“U+I”型通風(fēng)方式，布置內(nèi)錯(cuò)尾巷，有效的解決了綜放面回風(fēng)落山角瓦斯頻繁超限威脅安全生產(chǎn)問(wèn)題，使落山角瓦斯?jié)舛缺３衷?.5%，且通過(guò)綜放面內(nèi)錯(cuò)尾巷與自燃發(fā)火的弊端。使高瓦斯礦區(qū)綜放面單產(chǎn)由原來(lái)的100噸、年左右突破了300噸、年。
綜放工作面瓦斯與自燃發(fā)火治理技術(shù)，一直是世界級(jí)的技術(shù)難題，在“九五”期間，國(guó)家投入了大量的財(cái)力對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了重點(diǎn)公關(guān)研究。因此，該項(xiàng)目研究成果對(duì)于促進(jìn)煤炭行業(yè)技術(shù)進(jìn)步具有非常深遠(yuǎn)的意義，且具有廣闊的推廣應(yīng)用前景?，F(xiàn)在該項(xiàng)研究成果的綜合技術(shù)或單項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在大同、銅川、淮南、晉城等煤業(yè)集團(tuán)公司以及陽(yáng)泉市周邊國(guó)營(yíng)地方煤礦推廣應(yīng)用，均取得了明顯的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。
詳細(xì)技術(shù)內(nèi)容：陽(yáng)泉礦區(qū)位于山西省東部，礦區(qū)總面積1105平方公里，地質(zhì)儲(chǔ)量107.3億噸，煤系地層總厚度180m，含煤15層，煤層傾角一般5～10度，主采煤層為3號(hào)、12號(hào)、15號(hào)煤層，煤質(zhì)均為變質(zhì)程度較高的無(wú)煙煤。
陽(yáng)泉礦區(qū)在煤炭行業(yè)是有名的高瓦斯礦區(qū)，綜放工作面瓦斯絕對(duì)涌出量達(dá)到了35～150m3／min，而且開(kāi)采15號(hào)煤層又有自然發(fā)火危險(xiǎn)。研究綜放面瓦斯治理技術(shù)和有效控制煤層自然發(fā)火就顯的特別的重要。
總體思路：開(kāi)采15號(hào)煤層以前采用分層開(kāi)采，但因產(chǎn)量低，煤層自然發(fā)火嚴(yán)重，后改用綜放開(kāi)采，產(chǎn)量得到了明顯的提高。然而，產(chǎn)量增大后綜放面初采期瓦斯超限嚴(yán)重，工作面推推停停，一般半個(gè)月采完的初采期需要一個(gè)半月到兩個(gè)月才能采完。正常開(kāi)采時(shí)回風(fēng)流和落山角瓦斯超限頻繁，煤層自然發(fā)火仍然得不到控制，使得綜放開(kāi)采高產(chǎn)高效的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮。當(dāng)時(shí)，煤炭行業(yè)正在全面推廣陽(yáng)泉瓦斯治理經(jīng)驗(yàn)，然而，綜放工作面的瓦斯問(wèn)題尚未得到解決，國(guó)內(nèi)外也沒(méi)有治理綜放面瓦斯和控制自然發(fā)火的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，國(guó)家也正在進(jìn)行科技攻關(guān)。為此，經(jīng)過(guò)集團(tuán)公司研究決定，不惜代價(jià)一定要攻關(guān)研究治理綜放工作面的瓦斯、控制自然發(fā)火技術(shù)。其試驗(yàn)方案和技術(shù)路線是對(duì)抽放方式和通風(fēng)方式共同進(jìn)行配套研究試驗(yàn)的方法，通過(guò)對(duì)綜放工作面的瓦斯涌出來(lái)源分析，以及頂板巖石活動(dòng)規(guī)律研究，先改進(jìn)通風(fēng)方式，將“U型通風(fēng)方式改為“U+L”型通風(fēng)方式，布置外錯(cuò)尾巷、外錯(cuò)尾巷內(nèi)布置大直徑鉆孔和傾斜高抽巷，然后將“U+L”型通風(fēng)方式改為“U+I”型通風(fēng)方式，布置內(nèi)錯(cuò)尾巷，頂板布置走向高抽巷。初采期采用中低位高抽巷，抽放方式與通風(fēng)方式試驗(yàn)的最終目標(biāo)是將鉆孔與傾斜高抽巷反向(抽放瓦斯的流動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相反)抽放原理改為走向高抽巷正向(抽放瓦斯的流動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相同)抽放，合理控制工作面向采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)，從而達(dá)到既提高瓦斯抽放量，減少風(fēng)排瓦斯量，降低回風(fēng)及落山角瓦斯?jié)舛?，又有效控制采空區(qū)漏風(fēng)，避免引起自然發(fā)火，實(shí)現(xiàn)綜合治理綜放面瓦斯，保障安全生產(chǎn)的目標(biāo)。
一、 綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律及瓦斯分布狀態(tài)的研究
1、陽(yáng)泉礦區(qū)15號(hào)煤層上部1～14號(hào)煤層、K4、K3、K2灰?guī)r均含瓦斯，根據(jù)煤巖層賦存狀態(tài)及煤系地層中瓦斯的生、儲(chǔ)、蓋條件，可分為三個(gè)儲(chǔ)集層段。
上儲(chǔ)集層段為3號(hào)煤及上下鄰近層，上部泥巖為蓋層，3號(hào)煤層瓦斯壓力，1．3MPa左右，瓦斯含量18．17m3／t左右，并具有煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。
中儲(chǔ)集層段以太原組頂部的厚層泥巖為蓋層，儲(chǔ)集層包括12號(hào)煤及上下鄰近層K4、K3灰?guī)r，12號(hào)煤層瓦斯壓力1．1MPa左右，瓦斯含量14．75m3／t左右，該層段距15號(hào)煤45m左右，對(duì)15號(hào)煤綜放開(kāi)采工作面瓦斯涌出影響巨大，為15號(hào)煤上鄰近層瓦斯涌出密集區(qū)，K4、K3灰?guī)r裂隙和溶洞內(nèi)富舍游離瓦斯，常造成局部瓦斯富集涌出。
下儲(chǔ)集層段以13號(hào)煤下部中厚泥巖為蓋層，儲(chǔ)集層段包括15號(hào)煤上下鄰近層及K2灰?guī)r。15號(hào)煤瓦斯壓力0．25Mpa左右；瓦斯含量7．13m3／t左右，K2灰?guī)r未見(jiàn)局部富集瓦斯，16號(hào)層大部分缺失，對(duì)15號(hào)煤開(kāi)采過(guò)程中瓦斯涌出影響甚小。
2、綜放工作面瓦斯涌出主要由本煤層和鄰近層瓦斯涌出構(gòu)成。本煤層瓦斯涌出較小，約占工作面總瓦斯而出量的10％左右，鄰近層瓦斯涌出約占90％左右。開(kāi)采1．5號(hào)煤層的綜放工作面，當(dāng)上部12號(hào)煤已開(kāi)采后，鄰近層瓦斯得到充分釋放，綜放面瓦斯涌出主要來(lái)自本煤層，瓦斯涌出量一般不超過(guò)5m3／min，若上部未開(kāi)采或已剛開(kāi)采但生產(chǎn)接替緊張時(shí)，上鄰近層瓦斯得不到充分釋放，綜放工作面瓦斯涌出量超過(guò)30m3／min以上，最大可達(dá)到150m3／min左右。
與分層開(kāi)采的工作面相比，綜放工作面開(kāi)采強(qiáng)度大，擴(kuò)大了上鄰近層瓦斯排放影響范圍，加大了瓦斯卸壓排放程度；造成局部瓦斯經(jīng)常超限，靠近回風(fēng)巷十幾架支架放煤9及架間縫隙瓦斯?jié)舛纫话阍?～5％左右，在瓦斯大量涌出且不采取措施情況下，瓦斯?jié)舛冉?jīng)常超過(guò)10％，造成初采期瓦斯涌出量大，工作面推進(jìn)到25～38m時(shí)初采期最大瓦斯涌出量最高為108m3(8204工作面)，工作面在初采期經(jīng)常因瓦斯超限而停產(chǎn)，工作面推推停停，且1 5號(hào)煤又存在自然發(fā)火危險(xiǎn)(最短自然發(fā)火期13天)給工作面安全生產(chǎn)造成極大威脅。
3、利用三維穩(wěn)定滲流流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型解算綜放工作面流場(chǎng)分布狀態(tài)結(jié)果表明，綜放工作面配風(fēng)800～1000m3／min，從工作面進(jìn)入采空區(qū)34～70m范圍內(nèi)存在紊流與層流混合過(guò)渡區(qū)，該區(qū)為采空區(qū)自燃風(fēng)速帶(0．1～0．24m／min)，過(guò)渡風(fēng)速帶距工作面的距離與工作面風(fēng)量有關(guān)，風(fēng)量越大，采空區(qū)漏風(fēng)越大，過(guò)度風(fēng)速區(qū)離工作面越遠(yuǎn)；反之，過(guò)渡風(fēng)速區(qū)向工作面移動(dòng)。在有采空區(qū)理管抽放或有外錯(cuò)尾巷時(shí)，有部分風(fēng)量通過(guò)采空區(qū)流出，過(guò)渡風(fēng)速帶的范圍擴(kuò)大，并向采空區(qū)深部移動(dòng)，從工作面進(jìn)入采空區(qū)70m以后，為層流區(qū)，氣體處于滲流流動(dòng)狀態(tài)，瓦斯大量積存，且濃度較高。見(jiàn)圖1所示。
通過(guò)三維穩(wěn)定滲流流場(chǎng)瓦斯?jié)舛确植紨?shù)學(xué)模型解算及實(shí)測(cè)表明，瓦斯?jié)舛?/span>(1．5～25％)條帶在工作面采空區(qū)走向中軸線上與過(guò)度區(qū)趨向基本一致。但在進(jìn)回風(fēng)側(cè)區(qū)別較大，特別是回風(fēng)側(cè)，條帶邊界等濃度線(最低抽放濃度25％)距工作面僅34m，條帶邊界等濃度線(落山角允許瓦斯?jié)舛?．5％)伸向工作面落山角。說(shuō)明采空區(qū)瓦斯在通風(fēng)漏風(fēng)動(dòng)力及瓦斯自身壓力作用下涌向采空區(qū)低壓點(diǎn)落山角，使該條帶回風(fēng)側(cè)部分整體向工作面方向移動(dòng)。易造成落山角瓦斯超限。實(shí)測(cè)幾個(gè)綜放面，回風(fēng)側(cè)進(jìn)入工作面采空區(qū)35m處瓦斯?jié)舛葹?1％左右，與解算結(jié)果基本一致，該研究結(jié)果表明采空區(qū)理管抽放管口位置應(yīng)布置在從工作面進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)34m左右，可保證抽放濃度在25％以上。
圖1
4、通過(guò)對(duì)本煤層煤壁瓦斯涌出、落煤瓦斯涌出、采空區(qū)丟煤瓦斯涌出以及運(yùn)出煤炭殘存量的研究，綜放工作面的本煤層瓦斯涌出可根據(jù)煤層瓦斯含量、運(yùn)出煤炭瓦斯殘存量和工作面產(chǎn)量進(jìn)行計(jì)算，其計(jì)算公式為：
Q本=K掘·K圍·Td[(i+K丟)W含-W殘]／1440m3／min
式中：Q本-本煤層瓦斯涌出量，m3／min；
K掘-掘進(jìn)預(yù)排影響系數(shù)；
K圍-圍巖瓦斯涌出影響系數(shù)；
Td-平均日產(chǎn)量；t；
K丟-采空區(qū)丟煤系數(shù)；
W含-煤層原始瓦斯含量，m3／t；
K殘-運(yùn)出煤巖瓦斯殘存含量，m3／t；
通過(guò)對(duì)鄰近煤層瓦斯含量及殘存量的測(cè)試研究，對(duì)K3、K4灰?guī)r瓦斯局部富集涌出的測(cè)試研究，以及綜放工作面開(kāi)采期間頂板巖石活動(dòng)規(guī)律的研究表明，鄰近層瓦斯涌出量與鄰近層瓦斯含量和排放率有關(guān)，不同層間距有不同的排放率。上鄰近層瓦斯排放率可由下式計(jì)算。
ηi=1-0．0047Hi／M-0．8404Hi／L (％)
式中： ηi-第i鄰近層瓦斯排放率，％；
Hi-第i鄰近層距開(kāi)采層距離．m；
M-綜放面采高．m：
L-綜放工作面采長(zhǎng)，m。
鄰近層瓦斯涌出量的影響因素很多，主要有：
圍巖瓦斯涌出影響，K圍=1．15～1．25。
K3、K4灰?guī)r富集游離瓦斯影響，兩層灰?guī)r可按20m3／min計(jì)算；
抽放瓦斯的影響， K抽=1．15～1．25，按抽放強(qiáng)度取值。
地質(zhì)構(gòu)造的影響， K地=0．8～1．5，查表取值；
周圍開(kāi)采條件的影響， K采=0．9～1．1；
開(kāi)采解放層的影響，由于12號(hào)煤層處于15號(hào)煤上部鄰近層瓦斯涌出密集區(qū)內(nèi)，12號(hào)是否開(kāi)采對(duì)15號(hào)煤開(kāi)采時(shí)瓦斯涌出影響巨大，12號(hào)開(kāi)采2～3年后，開(kāi)采15號(hào)煤的綜放工作面瓦斯涌出量很小，引入影響系數(shù)，K解=0～1；上部已開(kāi)采2～3年并有層間調(diào)壓且無(wú)煤柱影響取小值，上部末開(kāi)采取大值。
鄰近層瓦斯涌出量計(jì)算可由下式計(jì)算；
Q鄰=K圍·K抽·K采·K解·K地·（
LVMiγiwiηi／1440+
Qj） m3／min；
式中： Q鄰-鄰近層瓦斯總涌出量，m3／min；
L-工作面采長(zhǎng)，m；
V-工作面推進(jìn)速度，m／d；
Mi-i鄰近層厚度，m；
γi-i鄰近層容重，t／m3
Wi-i鄰近層瓦斯含量m3／t；
Ηi-i鄰近居瓦斯涌出排放率％；
Qj-j局部巖層瓦斯富集涌出量，m3／min：
綻放工作面瓦斯涌出量由本煤層瓦斯和鄰近層瓦斯涌出構(gòu)成：
Q總=Q本+Q鄰。 m3／min；
二、綜放工作面上鄰近層瓦斯抽放技術(shù)研究
1、通過(guò)對(duì)綜放工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的研究，綜放工作面開(kāi)采過(guò)程中，從巖石破壞角度分析可確定有冒落帶(或稱垮落帶)、裂隙帶、彎曲下沉帶。冒落帶與裂隙帶分界明顯，最初冒落時(shí)，冒落帶之間有可見(jiàn)之空間，壓實(shí)區(qū)冒落帶巖石排列紊亂無(wú)序
且破碎，裂隙帶巖石排列有序破壞程度小。
巖石冒落角度為67°，冒落帶以上巖石裂隙發(fā)育范圍邊界角可按67°計(jì)算。巖石卸壓角大于巖石冒落角為69°～75°，平均72°。有關(guān)巖石冒落、裂隙發(fā)育范圍及卸壓角度的研究結(jié)果與實(shí)際生產(chǎn)抽放瓦斯過(guò)程瓦斯涌出與卸壓范圍計(jì)算校核角度一致，對(duì)瓦斯抽放具有重要指導(dǎo)意義，為陽(yáng)泉礦區(qū)瓦斯抽放設(shè)計(jì)重要基礎(chǔ)參數(shù)。
綜放工作面開(kāi)采過(guò)程中，從瓦斯卸壓涌出角度確定，頂板巖石存在：①卸壓開(kāi)始期，為工作面前方5m至采空區(qū)后方25m范圍；②頂板巖石卸壓活躍期，為工作面采空區(qū)后方25—129m范圍；③頂板巖石卸壓衰退期，為工作面采空區(qū)后方129m壓實(shí)區(qū)。見(jiàn)圖2所示。
圖2 煤層開(kāi)采后上部地層卸壓及三個(gè)階段
頂板巖石卸壓開(kāi)始期破壞冒落高度為自底板以上18．5～24m，約2．7～3．5倍米高．裂隙高度自底板以上30．68m。，約4．5倍采高，卸壓高度自底板以上36．8m，約5．4倍采高。
頂板巖石卸壓活躍期破壞冒落高度自底板以上34～46．8m，約5～7倍采高，裂隙高度隨工作面推進(jìn)逐漸發(fā)育。
頂板巖石卸壓衰退期理論冒落高度為46．8～74．8m約7～11倍采高。
根據(jù)地面打鉆，相鄰工作面頂板巖層打鉆，工作面礦壓觀測(cè)，頂板巖層相似模擬試驗(yàn)研究結(jié)果表明，工作面采長(zhǎng)120～180m時(shí)，開(kāi)采期間影響上鄰近層瓦斯涌出的排放范圍為(垂高)91m～130m。
根據(jù)研究認(rèn)為，頂板巖石冒落高度達(dá)到46．8m約7倍采高后，頂板巖石不再破壞，上部巖石是有序排列，由于承壓作用是整體下沉趨勢(shì)，在破壞冒落高度46．8m以上至理論冒落高度(或稱充分離層高度)74.8m之間，巖層離層充分，水平通道連通性好，巖石排列有序，破壞性小，是理想的抽放瓦斯通道布置層位。 如果抽放層位太高(超過(guò)74．8m)，雖然也處于裂隙帶內(nèi)，抽放濃度高，但離層不充分，水平通道連通性差，抽放截流(瓦斯) 效果差，如果太低，接近或小于46．8m，抽放通道也可保持一定距離，但相對(duì)保持時(shí)間短，易被破壞與采空區(qū)溝通，抽放濃度低，不宜布置永久性抽放通道，可布置臨時(shí)，陵抽放通道 作為輔助手段配合永久性抽放通道聯(lián)合抽放。
因此，瓦斯抽放通道合適的布置層位應(yīng)超過(guò)破壞冒落高度1～1．5倍采高以上，自15號(hào)煤頂板以上47～68m，7～10倍采高，該范圍內(nèi)的鄰近層為合適的抽放通道布置層位。
2、根據(jù)綜放工作面開(kāi)采瓦斯來(lái)源及構(gòu)成分析，工作面初采階段瓦斯主要來(lái)自15號(hào)煤鄰近的14號(hào)、16號(hào)及K2灰?guī)r瓦斯，正常開(kāi)采時(shí)瓦斯主要來(lái)自8號(hào)、9號(hào)、10號(hào)、11號(hào)、12號(hào)、13號(hào)K3、K4灰?guī)r瓦斯。
根據(jù)綜放工作面瓦斯涌出及來(lái)源特點(diǎn)，采用頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，見(jiàn)圖3所示，創(chuàng)造了大通道、高抽出率、不間斷、大抽放量、均衡抽放的抽放效果，在正
常開(kāi)采期間瓦斯抽放率為88．91～96．24％，抽放量為21．24～100m3／min，平均抽放量48．49m3／min。
圖3頂板巖石走向高抽巷布置圖
3、在采用外錯(cuò)尾巷布置時(shí)，利用鉆孔不能解決綜放工作面瓦斯涌出量大的問(wèn)題，采用傾斜高抽巷是解決綜放工作面瓦斯的有效途徑。見(jiàn)圖4所示。
傾斜高抽巷具有布置靈活，抽故率高的優(yōu)點(diǎn)，8108工作面共打4個(gè)傾斜高抽巷，層位布置合理的1號(hào)高抽巷，最大抽放量達(dá)70．59m3／min，平均抽放量為35．08m3／min，抽效率平均74.03％。3號(hào)高抽巷布置層位低時(shí)，最大抽放量40．29m3／min，平均抽放量26．38m3／min，平均抽出率為65．74％，8108工作面共打4個(gè)傾斜高抽巷，平均抽放量力31．1m3／min，抽出率77．38％，上鄰近層抽出率82％。
傾斜高抽巷布置間距，是影響綜放工作面瓦斯抽放效果的重要參數(shù)，合理間距可根據(jù)礦壓活動(dòng)規(guī)律及實(shí)際考察傾斜高抽巷有效抽放距離綜合確定，最佳間距為183m。
(a)8108工作面傾斜高抽巷的布置平面圖
1、1號(hào)高抽巷 2、1號(hào)大直徑鉆孔 3、2號(hào)大直徑鉆孔
4、3號(hào)高抽巷 5、4號(hào)高抽巷 6、5號(hào)高抽巷
(b)8108工作面傾斜高抽巷的剖面布置
圖4 8108工作面傾斜高抽巷的布置圖
4、綜放工作面采用大直徑鉆孔抽放上鄰近層瓦斯，見(jiàn)圖5所示。瓦斯抽出率為53．68％，抽放流量、抽放濃度較穩(wěn)定。單孔抽放量最大為31．6m3／min，平均抽放量在21m3／min左右，有效抽放距離100～186m，合理布置參數(shù)為91．5～129m左右最為合理。
圖5 大直徑鉆孔抽放瓦斯布置示意
綜放工作面采用多種抽放方法解決瓦斯涌出問(wèn)題，以采用走向高抽巷配合初采期偽斜高抽巷抽放效果最好。抽出率高，通風(fēng)負(fù)擔(dān)最小，能保證綜放工作面回采期間風(fēng)排瓦斯?jié)舛缺３衷?/span>0．5％以下。
傾斜高抽巷抽放率較走向高抽巷抽出率要低一些，但由于傾斜高抽巷布置在尾巷中，尾巷還具有排放采空區(qū)瓦斯和落山角瓦斯的雙重作用，且傾斜高抽巷具有布置靈活，間距可大可小。無(wú)煤層自然發(fā)火條件時(shí)也是解決綜放面瓦斯的有效途徑。
大直徑鉆孔抽放效果及抽出率接近傾斜高抽巷，其優(yōu)缺點(diǎn)也大致相同，大直徑鉆孔布置比傾斜高抽巷布置更靈活，且成本較低，經(jīng)測(cè)算約為傾斜或走向高抽巷成本的1／6左右，其優(yōu)勢(shì)比傾斜高抽巷要大些。無(wú)煤層自然發(fā)火條件時(shí)也是解決綜放面瓦斯的有效途徑．由于陽(yáng)泉礦區(qū)15號(hào)煤層具有自然發(fā)火危險(xiǎn)，采用傾斜高抽巷和采用大直徑鉆孑L拓，放必須布置外錯(cuò)尾巷，外錯(cuò)尾巷造成的采空區(qū)漏風(fēng)方向、鉆孔與傾斜高抽巷抽放瓦斯的流動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相反，抽放給控制煤層及采空區(qū)自然發(fā)火帶來(lái)困難。因此，從礦井整個(gè)安全角度考慮，在提高采區(qū)回采率，緩解生產(chǎn)銜接緊張，防止自然發(fā)火，有效提高礦井抽出率，解決地面瓦斯利用緊張等方面，采用頂板走向高抽巷配合偽傾斜高抽巷抽放鄰近層瓦斯，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
三、綜放工作面初采期瓦斯治理技術(shù)的研究
1、經(jīng)過(guò)對(duì)綜放工作面初采期瓦斯涌出情況的考察、分析，得出綜放面初采期瓦斯涌出規(guī)律，綜放工作面初采范圍0～40m的時(shí)間為初采期。當(dāng)工作面推進(jìn)至10m以前，工作一 面瓦斯涌出基本為本煤層瓦斯涌出，涌出量為3～5m3／min；當(dāng)工作面推進(jìn)至10～15m時(shí)，工作面瓦斯會(huì)逐漸增加，工作面瓦斯涌出量為5～9m3／min；當(dāng)工作面推進(jìn)至15～20m左右，綜放面瓦斯涌出出現(xiàn)第一次高峰，其涌出量為9～28 m3／min，工作面開(kāi)始出現(xiàn)瓦斯超限情況；當(dāng)工作面推進(jìn)至22～28m 左右時(shí)，瓦斯涌出出現(xiàn)第二次高峰，其涌出量達(dá)到20～37m3／min，當(dāng)工作面推進(jìn)至38～40m時(shí)，工作面出現(xiàn)第三次高峰，此時(shí)高抽巷開(kāi)始抽出大量鄰近層瓦斯，工作面風(fēng)排瓦斯量逐漸下降為21～17m3／min，此時(shí)高抽巷抽放量達(dá)到14．38～28 m3／min。
通過(guò)對(duì)綜放工作面瓦斯涌出規(guī)律的分析，并結(jié)合礦壓觀測(cè)、打鉆測(cè)試以及利用相似模擬模型測(cè)試研究得出上覆巖石活動(dòng)規(guī)律。綜放工作面推進(jìn)距離10m以前，頂板沒(méi)有明顯活動(dòng)；推進(jìn)到14m距離時(shí)，出現(xiàn)頂板下沉，最大位移量150mm，此時(shí)工作面瓦斯涌出量開(kāi)始大量增加；工作面推進(jìn)至17m距離，頂板直接頂?shù)谝淮慰迓洹ｋS著頂板巖石的垮落，上覆巖層產(chǎn)生大量裂隙，造成一定范圍的卸壓帶。卸壓高度可達(dá)垂距13m高的14號(hào)煤層(布置在14號(hào)煤層中的低位后高抽巷，從工作面推進(jìn)13．3～16m距離開(kāi)始抽出瓦斯、)。造成綜放工作面瓦斯涌出出現(xiàn)第一次峰值。
隨著工作面的繼續(xù)推進(jìn)，頂板巖石離層加劇。推進(jìn)至25m左右，直接頂?shù)诙慰迓?，頂板卸壓高度達(dá)到23～30m的13號(hào)煤層(布置在13號(hào)煤層中的中位后高抽巷自工作面推進(jìn)至25m距離時(shí)開(kāi)始抽出瓦斯，造成綜放工作面瓦斯涌出出現(xiàn)第二次峰值。
工作面推進(jìn)至32m左右時(shí)，老頂開(kāi)始離層并加劇，頂板卸壓高度可達(dá)45～50m的12號(hào)煤層(走向高抽巷末端下傾至12號(hào)煤層，自工作面推進(jìn)至31．5～35m時(shí)開(kāi)始抽出瓦斯)。
工作面推進(jìn)至39～40m左右時(shí)，老頂初次垮落，頂板卸壓高度可達(dá)60～70m的9號(hào)下煤層(布置在9號(hào)煤層中的走向高抽巷抽出瓦斯)，造成綜放面瓦斯涌出出現(xiàn)第三次高峰。見(jiàn)圖6所示。
圖6 綜放面初采期頂板卸壓高度、推進(jìn)度與瓦斯涌出關(guān)系示意圖
2、綜放工作面治理瓦斯的關(guān)鍵是提高抽放效果，走向高抽巷布置在9號(hào)下煤層中，距15號(hào)煤層60m左右。采用走向高抽巷末端下傾，下傾角度15～16度，下傾垂距10m左右，下傾至12號(hào)煤層，終端距15號(hào)煤層頂板垂距50m左右、距切巷水平距離7m。走向高抽巷下傾可提前約6m左右抽出瓦斯，有效地縮短了初采期影響生產(chǎn)時(shí)間。
采空區(qū)埋管抽放技術(shù)，在初采34m范圍(25％低濃度邊界線)抽放效果不好，抽放濃度較低為8～18％。工作面推進(jìn)34m后，抽放濃度提高到25～28％，隨著工作面的推進(jìn)瓦斯抽放量逐漸穩(wěn)定：濃度可達(dá)25～35％，抽放量平均12．1m3／min，有效抽放距離可達(dá)129m左右，此時(shí)工作面采空區(qū)逐漸被壓實(shí)。
采用中低位后高抽巷抽放技術(shù)是治理初采期瓦斯最主要的手段。其布置方式以及與走向高抽巷的平面相對(duì)位置，見(jiàn)圖7所示。中低位后高抽巷的層位必須位于近距離鄰近層瓦斯涌出密集段，并處于垮落帶以上裂隙帶范圍。根據(jù)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律，低位后高抽巷布置在14號(hào)煤層中，距15號(hào)煤頂板13～17m，伸入工作面切巷長(zhǎng)度應(yīng)接近且不大于h／tga值(h為低位后高抽距15號(hào)煤頂板垂距。a鄰近層垮落角，67°)，以免后高抽巷很快因頂板巖石冒落而被破壞，造成與采空區(qū)溝通，致使抽放濃度過(guò)低。中位后高抽巷布置在13號(hào)煤層中，距15號(hào)煤層垂距23～31m，伸入工作面切巷長(zhǎng)度應(yīng)大于h／tga(式中h為中位后高抽巷距15號(hào)煤頂板垂距，a為垮落角，67°)。由于中低后高抽巷選擇參數(shù)合理，工藝獨(dú)特，在綜放工作面第一次出現(xiàn)大量瓦斯涌出時(shí)即開(kāi)始抽放，抽放濃度高，平均達(dá)到48％～60．7％，抽放量大，高抽巷未起作用前，中低位后高抽巷抽放瓦斯量占總工作面瓦斯涌出量的61％—80％。
圖7 8111綜放面走向高抽巷與后高抽巷平面布置圖
(1)最早的中低位后高抽巷布置 (2)改進(jìn)后中低位后高抽巷布置
圖8 中低位后高抽巷的不置方式與改進(jìn)布置方式
治理綜放面初采期瓦斯最先布置中位和低位兩條高抽巷，需要在回風(fēng)巷埋一趟管道，并且不能回收，而且管理不好也易被冒落巖石砸壞，后來(lái)經(jīng)過(guò)研究分析，改進(jìn)為一條偽傾斜高抽巷與上部走向高抽巷末段連通，近距離鄰近層瓦斯不再利用回風(fēng)埋管，而通過(guò)頂板走向高抽巷抽出。見(jiàn)圖8所示。
綜放工作面采用偽傾斜高抽巷抽放后，綜放工作面風(fēng)排瓦斯量減少了60％以上，工作面配風(fēng)降低53％，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛冉抵?．5％以下。初采期影響生產(chǎn)時(shí)間由原來(lái)的累計(jì)86小時(shí)下降為零，使綜放面初采期瓦斯涌出影響安全生產(chǎn)問(wèn)題得到了徹底的解決，為高產(chǎn)高效綜放面安全生產(chǎn)提供了可靠的技術(shù)保障。
四.直接開(kāi)采15號(hào)的綜放工作面瓦斯治理技術(shù)的研究與應(yīng)用
五礦在直接開(kāi)采15煤層時(shí)，先后采用了大直徑鉆孔、傾斜高抽巷、走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯的方法，老區(qū)各礦在12號(hào)煤層未采的條件下，開(kāi)采15號(hào)煤層時(shí)，采用了走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯的方法，其抽放效果見(jiàn)表1，由該表可以看出，隨著走向高抽巷距15號(hào)煤垂距的增大，其工作面瓦斯抽出率及上鄰近層瓦斯抽出率、抽放濃度都呈升高趨勢(shì)。五礦綜放面走向高抽巷，布置于距開(kāi)采煤層頂板以上8．8倍采高的層位，工作面抽放率達(dá)90．85％，比一礦81002面走向高抽巷的抽放率，高出15．63個(gè)百分點(diǎn)，比三礦豎井80906面高出9．54個(gè)百分點(diǎn)；上鄰近層瓦斯抽放率達(dá)到95．50％，比一礦81002面高出13．40個(gè)百分點(diǎn)，比三礦豎井80906面高出1．75個(gè)百分點(diǎn)；且抽放量穩(wěn)定，抽放瓦 斯?jié)舛雀?，大大減少了上鄰近層瓦斯向工作面生產(chǎn)空間的涌出量。根據(jù)對(duì)綜放工作面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律的研究，走向高抽巷巷宜布置在開(kāi)采煤層頂板以上7～10倍采高為宜，五礦的走向高抽巷也，洽好處于該范圍內(nèi)，且抽放效剃晰，為此無(wú)論從理論分析，還是實(shí)際應(yīng)用來(lái)看，開(kāi)采15號(hào)煤層綜放工作面的走向高抽巷，不應(yīng)低于距開(kāi)采煤層頂板8倍采高。
采用走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯的綜采放預(yù)煤工作面，一旦走向高抽巷抽出瓦斯后，即使采用“U”型通風(fēng)的工作面，回風(fēng)風(fēng)流瓦斯也不會(huì)發(fā)生瓦斯超限現(xiàn)象．但走向高抽巷畢竟不可能百分之百抽出上鄰近層全部瓦斯，所以仍有一部分上鄰層瓦斯、采空區(qū)浮煤釋放出的瓦斯，從工作面的高負(fù)壓區(qū)-回風(fēng)落山角涌出，由于瓦斯來(lái)源源源不斷，往往造成回風(fēng)落山角瓦斯超限，給工作面安全生產(chǎn)帶來(lái)很大隱患。但自工作面通風(fēng)方式改為“U+I”型后，由于內(nèi)錯(cuò)尾巷無(wú)論在層位上、還是在伸入工作面采空區(qū)的位置上，易于控制上鄰近層、采空區(qū)浮煤涌出的瓦斯。由前面對(duì)一礦北丈八井81002面治理瓦斯的研究可以看出，由于走向高抽巷層位較低，上鄰近瓦斯抽出率僅有75．22％，造成工作面風(fēng)排瓦斯量高達(dá)11．10m3／min，其中尾巷排放6．75m3／min，占風(fēng)排總量的60．81％(見(jiàn)表2)，大大緩解了回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯的壓力，同時(shí)也解決了回風(fēng)落山角瓦斯超限的隱患．由于誼面產(chǎn)量較高，回風(fēng)巷朋>瓦斯量仍高達(dá)4．35m’／min，占風(fēng)排總量的39．19％，但其中本煤層瓦斯量占到86．12％(見(jiàn)表3)，也就是說(shuō)最多占風(fēng)排瓦斯13．79％的瓦斯量由回風(fēng)落山角涌出，因此發(fā)生超限的可能也就非常小，除非尾巷書(shū)F放瓦斯處于不正常狀態(tài)。
不同層位走向高抽巷巷抽放效果表 表1
|
礦別 |
工作 面號(hào) 編 |
煤層厚度(m)
|
走向高抽 距15號(hào)煤 頂板(m) |
垂高為煤 厚的倍數(shù) (倍) |
瓦斯涌出總量 (m3／min) |
抽放量 (m3／min) |
抽放率％ |
上鄰近層 瓦斯抽放率％ |
抽放瓦 斯?jié)舛?/span> ％ |
|
一 礦 |
81002 |
7．09 |
43．81 |
6．1 |
44．80 |
33．70． |
75．22 |
82．10 |
23-60 |
|
三 礦 |
80906 |
6．0 |
40-52 |
6．7-8．7 |
21．03 |
17 |
81．31 |
93．75 |
30-74 |
|
五 礦 |
9個(gè) 工作面 |
6．8 |
60 |
8．8 |
48．55 |
44．11 |
90．85 |
95．50 |
60-90 |
不同通風(fēng)方式綜放面回風(fēng)落山角瓦斯?fàn)顩r表 表2
|
礦 別 |
工作面 編 號(hào) |
通風(fēng)方式 |
風(fēng)排瓦斯m3／min |
合 計(jì) m3／min |
尾 巷 排放率％ |
回風(fēng)落山角 瓦斯輔助措施 |
|
|
回風(fēng) |
尾巷 |
||||||
|
三 礦 |
80906 |
U |
3．93 |
|
3．93 |
|
用外部局扇 送風(fēng)稀釋 |
|
五 礦 |
9個(gè)面平均 |
U |
4．44 |
|
4．44 |
|
同上 |
|
一 礦 |
81002 |
U+I |
4．35 |
6．75 |
11．10 |
60．81 |
不超限 |
綜放面回風(fēng)排放瓦斯來(lái)源分析表 表3
|
礦 別 |
工作面 編 號(hào) |
回風(fēng)風(fēng)排瓦斯量 m3／min |
本煤層 |
上鄰近層 |
||
|
瓦斯量 |
百分比％ |
瓦斯量m3／min |
百分比％ |
|||
|
三 礦 |
80906 |
3．93 |
2．79 |
70．99 |
1．14 |
29．01 |
|
五 礦 |
9個(gè)工作面平均 |
4．44 |
2．36 |
53．15 |
2．08 |
46．85 |
|
一 礦 |
81002 |
4．35 |
3．75 |
86．21 |
0．6 |
13．79 |
從一礦81002、三礦80906、五礦各綜放面回風(fēng)巷排放瓦斯?fàn)顩r來(lái)看，由前面的研究得知，(見(jiàn)表3)：采用“U”型通風(fēng)的工作面，在它們的回風(fēng)巷風(fēng)排瓦斯量中，本煤層瓦斯量占53．15～70．99％，而上鄰層瓦斯占29．01～46．85％，比采用“U+I”型通風(fēng)的81002面的13．79％分別高出15．22～33．06個(gè)百分點(diǎn)，也就是說(shuō)“U”型通風(fēng)的回鳳：書(shū)F放瓦斯量中，其中有占風(fēng)排總量29．09～46．85％的部分上鄰近層瓦斯要由回風(fēng)落山角排出，這也就是造成回風(fēng)落山角瓦斯超限的原因，為此不得不采取外部局扇送風(fēng)稀釋回風(fēng)落山角瓦斯解決其瓦斯超限的問(wèn)題。
因此可以看出，采用“U+1”型的通風(fēng)方式，解決了綜放面落山角瓦斯超限的問(wèn)題，這也是“U”型通風(fēng)方式無(wú)法達(dá)到的，這也比“U+L”型通風(fēng)方式優(yōu)越。
綜放工作面采用“U”型通風(fēng)方式不安全，易造成回風(fēng)落山角瓦斯超限，采用“U十L”型通風(fēng)方式又易引起煤層自燃發(fā)火，采用“U+I”型(布置內(nèi)錯(cuò)尾巷)的通風(fēng)方式既能解決回風(fēng)落山角瓦斯超限問(wèn)題，同時(shí)也可避免外錯(cuò)尾巷易引發(fā)煤層自然發(fā)火的問(wèn)題，為綜采放頂煤采煤工藝在高瓦斯易燃煤層的惡劣條件下創(chuàng)造良好的安全環(huán)境，充分發(fā)揮高產(chǎn)高效的作用。
五、綜放工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷與自然發(fā)火相關(guān)關(guān)系的研究
1.根據(jù)自然發(fā)火“三帶”數(shù)學(xué)模型解算和現(xiàn)場(chǎng)考察結(jié)果，得出了采空區(qū)三帶分布范圍“U+I”型比U型前移了約20m，大幅縮小了氧化帶范圍，減少了氧化時(shí)間，證明了綜放工作面“U+I”型通風(fēng)系統(tǒng)從根本上消除了“U+L”型通風(fēng)系統(tǒng)易引起采空區(qū)自然發(fā)火的弊端。
根據(jù)工作面中部和落山角埋管檢測(cè)溫度和氧氣濃度對(duì)采空區(qū)三帶的考察結(jié)果，工作面在平均推進(jìn)速度為2m／d，供風(fēng)量為1080m3／min的情況下，綜放工作面采空區(qū)三帶分布范圍為：①進(jìn)風(fēng)巷和工作面中部：散熱帶寬度為25m，氧化帶為25m～110m，大于110m為窒息帶。②回風(fēng)巷側(cè)：散熱帶寬度為24～27m，氧化帶為27m～110m，大于110m為窒息帶。
對(duì)比一礦81004工作面和三礦80606工作面自燃“三帶”考察結(jié)果，在81064工作面比806061作面采長(zhǎng)增大0．65倍、風(fēng)量增加2．6倍的情況下，采空區(qū)三帶范圍仍前移了約20m。說(shuō)明“U+I””型通風(fēng)系統(tǒng)與“U”型通風(fēng)系統(tǒng)相比，縮小了氧化帶范圍，可以 較好地預(yù)防煤層自然發(fā)火。
2、綜放工作面內(nèi)錯(cuò)尾巷與回風(fēng)巷之間的煤柱大于15m時(shí)，可有效地避免內(nèi)錯(cuò)尾巷與回風(fēng)巷在工作面超前壓力作用下連通的問(wèn)題，從而消除了煤柱緩慢氧化對(duì)工作面自然發(fā)火帶來(lái)的不利影響。
3、根據(jù)對(duì)綜放工作而煤自燃環(huán)境的綜合分析，得出“U+I”型通風(fēng)系統(tǒng)綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火“三帶”數(shù)學(xué)模型。
4、自然發(fā)火的標(biāo)志性氣體主要是C0。通過(guò)自然發(fā)火標(biāo)志氣體與溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系研究得出：陽(yáng)泉一礦自然發(fā)火標(biāo)志氣體應(yīng)以C0為主。陽(yáng)煤一礦81004工作煤樣升溫氧化實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，作為預(yù)報(bào)自然發(fā)火的標(biāo)志氣體，首先應(yīng)選擇C0，其最低檢出溫度低。在礦井正常條件下，當(dāng)溫度達(dá)到160℃～190℃左右，C0發(fā)生量已相當(dāng)高，極易檢測(cè)。C2H6和C3H8等烯烴氣體可以作為激烈氧化階段的標(biāo)志氣體，但其產(chǎn)出率相當(dāng)?shù)停?50℃才明顯增高。
這時(shí)煤已經(jīng)到著火狀態(tài)。井下由于風(fēng)流稀釋，難以檢測(cè)，起不到預(yù)報(bào)作用；所以不推薦以C2H6和C3H8等烯烴氣體作為發(fā)火標(biāo)志性氣體。在條件許可的情況下，采用以C0為主，結(jié)合其它烯烴烷燒氣體進(jìn)行火災(zāi)預(yù)測(cè)做報(bào)的方法，可以有效指導(dǎo)自然發(fā)火防治工作．
5、走向高抽巷的瓦斯抽放機(jī)理為正向(與工作面推進(jìn)方向一致)抽放，且主要抽放鄰近層及圍巖內(nèi)的解吸瓦斯，對(duì)采空區(qū)“三帶”的范圍不構(gòu)成影響，解決了反向(與工作面推進(jìn)方向相反)抽放可能引起綜放工作面采空區(qū)自然發(fā)火的問(wèn)題。
六、綜放工作面瓦斯治理技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析
根據(jù)試驗(yàn)研究以及陽(yáng)煤集團(tuán)各礦實(shí)際情況，現(xiàn)陽(yáng)煤集團(tuán)綜放工作面瓦斯綜合治理技術(shù)存在多種方式；
(1)采用U型通風(fēng)方式，布置頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，配合中低位后高抽巷抽放初采期近Z巨離鄰近層瓦斯，回風(fēng)巷敷設(shè)226mm或380mm瓦斯管抽放采空區(qū)瓦斯，降低落山角瓦斯?jié)舛取?/span>
(2)采用U+1型通風(fēng)方式，布置頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，利用內(nèi)錯(cuò)尾巷排放采空區(qū)及落山角瓦斯。
(3)采用U+L型通風(fēng)方式，布置頂板傾斜高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，利用外錯(cuò)尾巷排放采空區(qū)瓦斯，降低落山角瓦斯?jié)舛取?/span>
(4)采用U+L型通風(fēng)方式，布置大直徑(傘200mm)頂板穿層鉆孔抽放上鄰近層瓦斯，利用外錯(cuò)尾巷排放采空區(qū)瓦斯，降低落山角瓦斯?jié)舛取?/span>
(5)15號(hào)煤層上部12號(hào)煤已開(kāi)采，采用“U”型通風(fēng)方式，通過(guò)上層廢舊巷道抽放上鄰近層瓦斯，利用層間壓差排放采空區(qū)瓦斯。利用移動(dòng)泵抽放采空區(qū)及落山角瓦斯。
(6)12號(hào)煤已開(kāi)采，采用U+I型通風(fēng)，通過(guò)上層舊巷利用層間調(diào)壓抽排上近鄰層瓦斯，利用內(nèi)錯(cuò)尾巷抽排采空區(qū)及落山角瓦斯。
以上列舉了綜放工作面瓦斯治理的6種常用方式，無(wú)論哪種方式，最終目的是解決綜放面瓦斯涌出問(wèn)題，提高抽放量，降低工作面風(fēng)排瓦斯?jié)舛群吐渖浇峭咚節(jié)舛?，保障工作面安全生產(chǎn)。從表4中可以看出，采用頂板走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，其瓦斯抽出率比采用傾斜高抽巷、大直徑鉆孔和其他方法都要高，其通風(fēng)負(fù)擔(dān)也要比其他方法低。
綜放工作面瓦斯抽出率的高低，對(duì)工作面通風(fēng)安全十分重要：工作面瓦斯抽出率高、風(fēng)排瓦斯量小，通風(fēng)負(fù)擔(dān)小，安全狀況及氣候條件優(yōu)越；工作面瓦斯抽出率低，風(fēng)排瓦斯量大，通風(fēng)量只能根據(jù)瓦斯涌出量大小調(diào)整，通風(fēng)負(fù)擔(dān)大，安全狀況及氣候條件差。
1、治理效果分析
綜放工作面采用不同抽放方法的抽放效果 表4
|
工作面 編 號(hào) |
抽放方法 |
回風(fēng)風(fēng)量 m3／min |
回風(fēng)瓦斯量 m3／min |
尾巷風(fēng)量 m3／min |
尾巷瓦斯量 m3／min |
抽放量 m3／min |
抽出率 ％ |
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8114 |
走向高抽巷 |
955 |
3．73 |
|
|
53．13 |
93．44 |
|
8111 |
走向高抽巷 |
890 |
3．49 |
|
|
41．63 |
92．26 |
|
8108 |
傾斜高抽巷 |
665 |
2．65 |
795 |
9．38 |
35．08 |
77．32 |
|
8008 |
大直徑鉆孔 |
682 |
2．68 |
587 |
16．63 |
21.01 |
53．68 |
綜合評(píng)價(jià)各種治理技術(shù)的可靠程度是合理選擇綜放面瓦斯治理技術(shù)的關(guān)鍵，從表5分析可以得出如下結(jié)論：
“U+1”型通風(fēng)和走向高抽巷配合偽傾斜抽放瓦斯治理技術(shù)是綜放工作面瓦斯治理的首選技術(shù)，其次是U型通風(fēng)和走向高抽、中低位后高抽巷抽放瓦斯治理技術(shù)，以及“U十I”型通風(fēng)和層間正向調(diào)壓排放瓦斯治理技術(shù)。
2、經(jīng)濟(jì)效益分析
經(jīng)濟(jì)效益分析比較應(yīng)按4目同條件，假定綜放工作面走向長(zhǎng)度均按1000m考慮，傾斜高抽巷布置間距為200m，大直徑鉆孔間距為100m。外錯(cuò)尾巷與回風(fēng)巷貫通的橫貫間距為80m。開(kāi)采時(shí)間1年。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料和功能分析，走向高抽巷無(wú)復(fù)用性，為一次性費(fèi)用；采空區(qū)埋管抽放用瓦斯管，埋入采空區(qū)后不能復(fù)用；外錯(cuò)尾巷瓦斯管大部分可復(fù)用，約有35％的瓦斯管被破壞或壓死；局扇外部送風(fēng)用600mm普通風(fēng)筒，約20％被損壞、不可復(fù)
綜放面瓦斯治理形式及其可靠性對(duì)比表
表5
|
序 號(hào) |
治 理 形 式 |
瓦斯治理 效 果 |
對(duì)工作面的 自燃影響 |
管理難易 程 度 |
系統(tǒng)可 靠程度 R |
||||
|
評(píng)價(jià) |
R1 |
評(píng)價(jià) |
R2 |
評(píng)價(jià) |
R3 |
||||
|
1 |
U型通風(fēng)、走向高抽、后高抽 |
好 |
0．9 |
中等 |
0．75 |
中等 |
0．75 |
0．92 |
|
|
2 |
U+I型通風(fēng)、走向高抽，偽斜高抽 |
好 |
0．9 |
無(wú) |
0．9 |
簡(jiǎn)單 |
0．9 |
0．98 |
|
|
3 |
U+L型通風(fēng)、傾斜高抽 |
較好 |
0．75 |
嚴(yán)重 |
0．5 |
復(fù)雜 |
0．5 |
0．69 |
|
|
4 |
U+L型通風(fēng)、大鉆孔 |
較好 |
0．75 |
嚴(yán)重 |
0．5 |
復(fù)雜 |
0．5 |
0．69 |
|
|
5 |
U型通風(fēng)移動(dòng)泵站層間調(diào)壓 |
正向 調(diào)壓 |
一般 |
0．5 |
中等 |
0．75 |
中等 |
0．75 |
0．84 |
|
反向 調(diào)壓 |
一般 |
0.5 |
嚴(yán)重 |
0．5 |
復(fù) 雜 |
0．5 |
0．63 |
||
|
6 |
U+I型通風(fēng)
層間調(diào)壓 |
正向 調(diào)壓 |
較好 |
0．75 |
中等 |
0．75 |
中等 |
0．75 |
0．89 |
|
反向 調(diào)壓 |
較好 |
0．75 |
嚴(yán)重 |
0．5 |
復(fù)雜 |
0．5 |
0.69 |
||
瓦斯綜合治理技術(shù)的全面推廣應(yīng)用，既取決于技術(shù)本身的水平及其可靠性、適應(yīng)性，又要取決于或者說(shuō)最終的衡量標(biāo)準(zhǔn)是經(jīng)濟(jì)效益的好壞，如果我們把各種瓦斯治理技術(shù)的成本作為投入，把技術(shù)的可靠性和綜放面煤炭銷售收入作為產(chǎn)出或者說(shuō)綜合經(jīng)濟(jì)效益，別各種治理技術(shù)的投入產(chǎn)出情況見(jiàn)附表6。
各種治理技術(shù)投入產(chǎn)出分析表 表6
|
0 |
治理技術(shù) |
投 入
(萬(wàn)元) |
可靠
程度 |
實(shí)際最高 年產(chǎn)量 (萬(wàn)噸) |
噸煤完全 生產(chǎn)成本 (元／噸) |
噸煤售價(jià)
(元／噸) |
投 入
產(chǎn)出比 |
|
1 |
U型通風(fēng)、走向 高抽、后高抽 |
186．15 |
0．92 |
125 |
105．58 |
129．15 |
14．56 |
|
2 |
U+I型通風(fēng)、走向 高抽、偽斜高抽 |
162．8 |
0．98 |
286 |
105．58 |
129．15 |
40．58 |
|
3 |
U+L型通風(fēng)、傾斜 高抽 |
243．82 |
0．69 |
110 |
105．58 |
129．15 |
7．30 |
|
4 |
U+L型通風(fēng)、大直徑鉆孔 |
225．28 |
0．69 |
90 |
105．58 |
129．15 |
6．5 |
|
5 |
U型通風(fēng)、層間正向 調(diào)壓、移動(dòng)泵 |
110．79 |
0．84 |
116 |
105．58 |
129．15 |
20．72 |
|
6 |
U+I型通風(fēng)、層間正向調(diào)壓 |
92．63 |
0．89 |
135 |
105．58 |
129．15 |
30．57 |
實(shí)際最高年產(chǎn)量X(噸煤售價(jià)—噸煤成本)
備注：1、投入產(chǎn)出比：一一一一一一一一X可靠性系數(shù)
投入×工作面?zhèn)€數(shù)
2、噸煤完全成本和售價(jià)為陽(yáng)煤集團(tuán)2001年6月份實(shí)際數(shù)
投入產(chǎn)出的簡(jiǎn)單分析結(jié)果表明：應(yīng)首選“U+I”型通風(fēng)和走向高抽巷、偽斜高抽巷瓦斯治理技術(shù)。
七、結(jié)論
1、通過(guò)理論研究、實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)、和大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)有，掌握了綜放面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，確定了在綜放面上部47～75米范圍，巖層離層充分，瓦斯運(yùn)移水平連通性好，布置走向高抽巷抽放效果特別明顯，是走向高抽巷合理布置層位。
2、首次采用三維穩(wěn)定滲流流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型結(jié)算綜放面采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)和瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，得出在進(jìn)入采空區(qū)34～70米范圍存在紊流和層流混合過(guò)度區(qū)，為采空區(qū)埋管抽放采空區(qū)瓦斯提供了理論依據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)確定了最佳的抽放預(yù)留管口位置，使采空區(qū)埋管抽放濃度保持在31％左右。
3、首次試驗(yàn)和采用中低位后高抽巷以及偽傾斜高抽巷抽放技術(shù)治理綜放面初采期瓦斯問(wèn)題，使綜放面初采期影響生產(chǎn)及安全的瓦斯超限問(wèn)題得到了徹底的解決，其核心技術(shù)為高抽巷的布置方式和布置層位。
4、結(jié)合上覆巖層活動(dòng)規(guī)律特征，首次研究試驗(yàn)成功了在頂板內(nèi)5卜60米位置布置走向高抽巷抽放上鄰近層瓦斯，抽出率達(dá)到90％以上，抽放量達(dá)到100立方米／分鐘以上。
有效的解決了綜放面正常開(kāi)采期間回風(fēng)巷風(fēng)流瓦斯超限問(wèn)題。走向高抽巷的瓦斯抽放機(jī)理為正向抽放，且主要抽放上鄰近層和圍巖內(nèi)的解吸瓦斯，對(duì)采空區(qū)“三帶”的范圍不構(gòu)成 影響，解決了反向抽放可能引起綜放面采空區(qū)自然發(fā)火問(wèn)題。
5、首次利用“U+I”型通風(fēng)方式，布置內(nèi)錯(cuò)尾巷，有效的解決了綜放面回風(fēng)落山角瓦斯頻繁超限威脅安全生產(chǎn)問(wèn)題，且通過(guò)綜放面內(nèi)錯(cuò)尾與自然發(fā)火相關(guān)關(guān)系的研究與試驗(yàn)，證明綜放面“U+I”通風(fēng)系統(tǒng)從根本上消除了“U+L”型布置外錯(cuò)尾巷的通風(fēng)系統(tǒng)易引發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火的弊端。與“U”型通風(fēng)相比，“三帶”分布范圍前移了20m，大幅度縮小了氧化帶范圍，減少了氧化時(shí)間，“U+I”型通風(fēng)系統(tǒng)本身就是預(yù)防采空區(qū)自然發(fā)火的有效措施之一。
6、通過(guò)對(duì)綜放工作面的瓦斯涌出來(lái)源分析，以及頂板巖石活動(dòng)規(guī)律研究，通過(guò)對(duì)通風(fēng)方式和抽放方式的一步一步的探索研究，通風(fēng)方式確定為“U+I”型通風(fēng)方式，工作面布置內(nèi)錯(cuò)尾巷排放采空區(qū)和落山角瓦斯，采用走向高抽巷抽放鄰近層瓦斯．將鉆孔與傾斜高抽巷反向(抽放瓦斯的流動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相反)抽放原理改為走向高抽巷正向(抽放瓦斯的流動(dòng)方向與工作面推進(jìn)方向相同)抽放，控制工作面向采空區(qū)內(nèi)部漏風(fēng)，從而達(dá)到既提高瓦斯抽放量，減少風(fēng)排瓦斯量，降低回風(fēng)及落山角瓦斯?jié)舛龋钟行Э刂撇煽諈^(qū)漏風(fēng)，避免引起自然發(fā)火，實(shí)現(xiàn)綜合治理綜放面瓦斯，保障安全生產(chǎn)的目標(biāo)。
7、高瓦斯易自燃煤層高產(chǎn)高效綜采放預(yù)煤工作面瓦斯治理技術(shù)的應(yīng)用成果表明，陽(yáng)煤集團(tuán)已從根本上解決了綜放工作面瓦斯的世界性難題，并有效的控制了煤層自然發(fā)火。
在陽(yáng)泉礦區(qū)特大瓦斯的條件下，綜放工作面由原來(lái)的100噸／年左右，突破了年產(chǎn)300萬(wàn)噸的水平，創(chuàng)造了陽(yáng)煤集團(tuán)綜放開(kāi)采以來(lái)的歷史記錄，使綜放開(kāi)采工藝在高瓦斯易自燃煤層實(shí)現(xiàn)了高產(chǎn)高效的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。
發(fā)現(xiàn)、發(fā)明及創(chuàng)新點(diǎn)：1、通過(guò)理論研究、實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)和大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，掌握了綜放面上覆巖層活動(dòng)規(guī)律和瓦斯運(yùn)移規(guī)律，確定了在綜放面上部47—75米范圍內(nèi)巖層離層充分，瓦斯運(yùn)移水平連通性好，布置走向高抽巷抽放效果特別明顯，是走向高抽巷合理布置層位；
2．首次采用三維穩(wěn)定流流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型解算綜放面采空區(qū)風(fēng)流流動(dòng)狀態(tài)和瓦斯?jié)舛确植家?guī)律，得出在進(jìn)入采空區(qū)34—70米范圍存在紊流和層流混合過(guò)度區(qū)，為采空區(qū)埋管抽放放采空區(qū)瓦斯提供了理論依據(jù)，并通過(guò)試驗(yàn)確定了最佳的抽放預(yù)留管口位置，使采空區(qū)埋管抽放濃度保持在31%左右；為采空區(qū)埋管抽放高濃度的瓦斯提供了依據(jù)。
3．首次試驗(yàn)和采用中低位后高抽巷、偽傾斜高抽巷抽放技術(shù)治理綜放面初采期瓦斯問(wèn)題，使綜放面初采期影響生產(chǎn)及安全的瓦斯問(wèn)題得到了徹底解決，其核心技術(shù)為高抽巷的布置方式和布置層位；
4．結(jié)合上覆巖層活動(dòng)規(guī)律特征，首次研究試驗(yàn)成功了在頂板內(nèi)50米位置布置走向高抽巷抽放鄰近層瓦斯，抽出率達(dá)到90％以上，抽放量達(dá)到100立方米/分鐘以上。有效地解決了綜放面正常開(kāi)采期間回風(fēng)流瓦斯超限問(wèn)題。走向高抽巷的瓦斯抽放機(jī)理為正向抽放，且主要抽放上鄰近層和圍巖內(nèi)的解吸瓦斯，對(duì)采空區(qū)“三帶”的范圍不構(gòu)成影響，解決了反向抽放可能引起綜放面采空區(qū)自然發(fā)火問(wèn)題；
5．首次利用“U+I”型通風(fēng)方式，布置內(nèi)錯(cuò)尾巷有效地解決了綜放面回風(fēng)落山角瓦斯頻繁超限威脅安全生產(chǎn)問(wèn)題，且通過(guò)綜放面內(nèi)錯(cuò)尾巷與自然發(fā)火相關(guān)關(guān)系的研究試驗(yàn)，證明綜放面“U+I”通風(fēng)系統(tǒng)從根本上消除了“U+L”型布置外錯(cuò)尾巷的通風(fēng)系統(tǒng)易引發(fā)采空區(qū)自然發(fā)火的弊端。與“U”型通風(fēng)相比，“三帶”分布范圍前移了約20米，大幅度縮小了氧化帶范圍，減少了氧化時(shí)間，“U+I”型通風(fēng)系統(tǒng)本身就是預(yù)防采宛若區(qū)自然發(fā)火的有效措施之一。
應(yīng)用情況：該項(xiàng)目研究成果，解決了陽(yáng)泉礦區(qū)高瓦斯易燃煤層（15號(hào)煤）綜放開(kāi)采的瓦斯和自燃發(fā)火技術(shù)難題，項(xiàng)目技術(shù)水平先進(jìn)合理，安全可靠，適用于同類條件的綜放開(kāi)采技術(shù)，該研究項(xiàng)目科大幅度降低瓦斯事故，保障安全生產(chǎn)，具有較高的推廣應(yīng)用價(jià)值。
在集團(tuán)公司每年推廣11個(gè)工作面，有力的保證了綜放工作安全生產(chǎn)，從根本上解決了綜放面的瓦斯和煤層自燃發(fā)火問(wèn)題，使綜放面的產(chǎn)量得到了大幅度的增加。
該項(xiàng)研究成果的綜合技術(shù)或單項(xiàng)技術(shù)已在大同、韓城、淮南、峰峰等集團(tuán)公司以及陽(yáng)泉市周邊地方煤礦大面積推廣應(yīng)用社會(huì)效益特別明顯。
經(jīng)濟(jì)效益：該項(xiàng)研究成果綜合技術(shù)或單項(xiàng)技術(shù)，已經(jīng)在占國(guó)內(nèi)煤炭產(chǎn)量一般的產(chǎn)煤大省如陜西、安徽、河北、山溪等省推廣應(yīng)用，大同煤礦推廣后創(chuàng)創(chuàng)產(chǎn)值104000萬(wàn)元，峰峰集團(tuán)推廣后創(chuàng)產(chǎn)值3549.78萬(wàn)元，淮南礦業(yè)集團(tuán)推廣后創(chuàng)產(chǎn)值16427萬(wàn)元，累計(jì)共創(chuàng)產(chǎn)值約50多億元，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。
社會(huì)效益：該項(xiàng)研究成果成功的攻克了綜放開(kāi)采國(guó)內(nèi)外公認(rèn)的四大難題中的瓦斯和自然發(fā)火問(wèn)題。該項(xiàng)目的研究試驗(yàn)成功與應(yīng)用，不僅對(duì)陽(yáng)煤集團(tuán)瓦斯治理、井下自然發(fā)火、安全生產(chǎn)和綜放工作面高產(chǎn)高效具有重要意義，而且對(duì)全國(guó)同類煤炭企業(yè)具有重要意義，同時(shí)對(duì)促進(jìn)整個(gè)煤炭系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步和安全生產(chǎn)有著不可替代的作用。該項(xiàng)技術(shù)已在全國(guó)煤炭系統(tǒng)廣泛應(yīng)用，特別是大同、淮南、晉城、峰峰、韓城等大型煤炭企業(yè)推廣應(yīng)用，均取得了重大經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
獎(jiǎng)勵(lì)情況：2006年2月該項(xiàng)目榮獲中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院“國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)；2004年2月榮獲山西省科技進(jìn)步評(píng)委會(huì)“山西省科技進(jìn)步獎(jiǎng)”一等獎(jiǎng)；
2003年3月榮獲煤炭工業(yè)技術(shù)委員會(huì)“2002年度煤炭工業(yè)十大科學(xué)技術(shù)成果”。
