1、专题部分凤凰山矿煤矿瓦斯共采技术研究摘 要：结合晋城新区的煤层瓦斯赋存特征，对新区矿井煤与瓦斯共采技术及相应的瓦斯抽放钻孔布置进行了探讨。科学合理地布置瓦斯抽放钻孔抽放瓦斯，不仅有利于新区矿井煤炭的开采，而且也有利于煤层瓦斯的开采，从而有利于保持新区矿井安全生产的长期稳定和经济效益的增长。关键词：煤层；瓦斯；共采；抽放1 绪论1.1引言瓦斯事故是最严重的矿井灾害之一。我国的煤矿瓦斯与煤尘爆炸事故、煤与瓦斯突出事故频繁发生，伤亡人数多，严重影响着煤矿的安全生产。目前，全国共有高瓦斯矿井、煤与瓦斯突出矿井约9000多处，占生产矿井总数的30%左右。建国50多年来，我国一次伤亡100人以上的特别重大
2、事故共发生71次，仅瓦斯爆炸事故就达49起，占全部特别重大事故的69%。可以说，矿井瓦斯灾害防治工作不论是过去还是将来，一直是煤矿安全工作的重中之重。我国的瓦斯综合治理工作任重而道远。1.2现状1.2.1现状晋城新区煤炭资源储量丰富，与煤共生共储的煤层瓦斯同样储量丰富，极具开采价值，两者为晋城煤业集团的可持续发展奠定了基础。随着晋城煤业集团老区生产矿井煤炭资源的日益枯竭，新老矿区的接替日益紧张，开发新区已是势在必行。而开发新区的首要问题是矿井瓦斯的治理。晋城新区位于沁水煤田东南部，地跨泽洲、沁水、阳城三县，井田面积276km2。统配煤矿的设计规模为17.0Mt/a，其中：成庄矿井4.0Mt/a
3、已于1997年9月建成投产，2001年将达产；寺河4.0Mt/a矿井已于1996年12月开工建设，目前正在紧张施工中；潘庄6.0Mt/a矿井中的一号井3.0Mt/a、大宁二号井3.0Mt/a的初步设计已由原煤炭部审查批复，但至今仍未立项。1999年晋城煤业集团公司根据国家现行有关政策、投资体制和煤炭市场的变化，以及科技和装备水平的提高，矿井开发建设条件的变化和晋城新区的建设现状，提出对晋城新区总体设计及在建矿井设计的优化，不再建设除成庄以外的寺河、潘庄、大宁二号三对矿井，以寺河矿井现有的工业广场和井上下设施为基础，以分区开拓方式对三块井田进行集中开拓开采，采掘出的煤炭也集中运输、提升至寺河矿井
4、现有的工业广场内洗选外运，即以“三井一矿”8.0Mt/a的模式对晋城新区进行开发建设。晋城新区井田内含煤地层为石炭二叠系。主要开采煤层为3号、9号、15号煤层，其中3号煤层厚达6.0m，9号煤1.4m:15号煤2.5m。该区煤层均为变质程度单一的无烟煤，其中主采煤层3号煤为低灰低硫、低磷、高发热量、高机械强度的优质无烟煤，主要用于化工和冶金，9号、159煤为富;高硫煤。晋城新区井田内煤层瓦斯储量丰富，但存在分布不均的特点。地质勘探资料和晋城矿区煤层气资源初步评价表明，潘庄井田煤层瓦斯确认资源量238.9亿m3，成庄井田为91.8亿m3，寺河井田为53.88亿m3，大宁二号井田为149.18亿m
5、3。但煤层瓦斯的主要成分甲烷含量在新区井田内的分布差别很大，最小为0.68m3/t，最大可达到38.7m3/t，浓度变化26.6100。井田内煤层赋存标高在.+500m以下的区域为高瓦斯区。高瓦斯区域以新区中深部的潘庄井田最高，此外是大宁二号井田的东部，寺河井田的西部和北部，成庄井田的西部。此区域内3号煤层甲烷平均含量在12.0 m3/t以上，浓度在96以上，且3号、9号、15号煤由上至下含量增高，分别为12.01 m3/t、17.01 m3/t、19.98 m3/t。而成庄井田东部，寺河井田东南部，大宁二号井田西部甲烷含量平均在5m3/t 以下，浓度小于80和CO2含量高达70和26，为新区
6、井田的低瓦斯区。1.2.2煤与瓦斯突出防治世界许多产煤国家都有煤矿瓦斯突出事故记载。从各国突出情况来看，多以煤和瓦斯突出为主，个别情况有岩石和CO2突出。突出事故多发生在石门掘进揭煤时或煤巷掘进工作面。各国在对瓦斯突出预测的研究方面，主要围绕地质因素、煤结构应力和瓦斯参数测定等基本工作开展了大量实验室和现场试验研究，并在生产实际中进行了区域性预测和日常预测，取得了实际成效。在有关突出防治技术的研究方面，通常都在有突出危险并且瓦斯含量高的煤层，必须采用抽放方法减少煤层瓦斯含量，并使瓦斯压力值降低到临界值以下;采用安全开采方法或卸压方法，使高应力区的应力重新分布或释放，也可有效地防止突出。回采工作
7、面瓦斯防突措施则有区域性和局部性措施两种。前苏联、波兰、德国、英国等国家广泛采用的区域性措施主要有:瓦斯抽放、开采保护层、煤层大面积注水等;局部性措施主要有:松动爆破、超前钻孔、水力冲孔、卸压槽等。一般认为，区域性措施的防突效果较好。这些防突防灾技术的广泛应用和推广，使矿井安全保障水平有了新的提高。1.2.3矿井瓦斯煤尘爆炸防治工作德国、美国加强了对移动式隔爆棚的研究。德国己于1989年补充修订了原固定式安装隔爆水棚的技术规范，允许在煤矿中使用固定式和移动式两种隔爆水棚;美国在莱克林恩实验矿井进行了移动式隔爆棚的隔爆性能实验，试验结果证明，它能够有效的隔绝瓦斯煤尘爆炸冲击波的传播。除传统的被动
8、式岩粉棚、水槽棚和水袋棚外，各主要产煤国于70年代末研制了自动抑爆技术，利用抑爆装置实时快速喷射抑爆剂来抑制传播迅猛的爆炸灾害。英国研制了以压缩空气推动活塞喷水的MK II型抑爆装置，在1805内可将水扩散到巷道空间:原西德于1984年研制了利用储压(粉气混装)原理的BVS型抑爆装置，形成粉雾时间小于100ms;比利时研制的爆破撒播水雾喷洒器的水雾形成时间小于15Oms;美国于1985年研制了以爆抛撒为原理的Cardox型抑爆装置，形成粉雾时间为180-490ms;前苏联于20世纪90代研制了实时产气式B n y型抑爆装置，形成粉雾时间l00ms。1.2.4瓦斯监测系统最近20年来，各国煤矿瓦
9、斯监测系统发展很快，为有效避免瓦斯事故发挥了重要作用。这其中比较知名的有:英国MNIOS监测系统;德国TF-200瓦斯监测系统;波兰CMM-20 m瓦斯监测系统;美国SCADA监测系统，等等。另外，国外在不断完善突出跟踪预测的基础上，还开展了研究瓦斯突出的动态预测技和突出危险区域预测技术。俄罗斯已经建立了区域预测预报专家系统;德国应用V3。等瓦斯涌出动态参数连续预报突出，已经有了较为成熟的经验，并纳入了规程。俄罗斯、波兰、德国等主要产煤国还将声发射技术应用于工作面突出预测，目前已经达到了实用化、自动化的程度。他们利用声发射监测系统对采掘工艺进行随机控制，实现了工作面作业的自我保护。波兰、法国已
10、对煤层突出危险进行了技术分级，实现了科学化管理。1.3目前存在问题、本文主要研究内容综上所述，综观国内外矿井瓦斯防治技术的研究现状，我们认为，前人的研究领域已经十分的深入和广泛，并己取得了许多重要研究成果，为矿井的安全生产做出了重大贡献。本文作者试图在广泛学习、借鉴的基础上，结合凤凰山矿井的生产实际，就矿井生产中的瓦斯技术管理体系建设及其应用等方面进行一些有益的分析、探索和研究。1.3.1矿井瓦斯研究中目前存在的主要问题理论与实践都己经证明，生产矿井中的瓦斯隐患和瓦斯事故，几乎无一例外的都与生产矿井中的瓦斯管理工作疏忽或失误有关，生产矿井中瓦斯隐患与瓦斯事故的出现，其根本原因在于生产矿井瓦斯管
11、理工作中出现了这样或那样的技术漏洞而没有及时整改所造成的。因此，从某种意义上讲，搞好了生产矿一井中的瓦斯管理工作，就能够有效的防止和杜绝矿井瓦斯隐患与瓦斯事故的发生。毋庸讳言，尽管国内外在矿井瓦斯研究工作中已经取得了许多重大成就，但就当前的实际状况来看，国内外在对矿井瓦斯治理研究中的整体水平与其它行业(如石化_坦业)的技术水平相比还相对落后，尤其在对煤层瓦斯迁移及涌出规律的研究上，理论与实践的结合还有差距;煤岩瓦斯突出的成因和规律还不完全清楚;矿井瓦斯预测预报的精度也还有待进一步提高;在先进的矿井瓦斯管理理念及人的不安全行为控制等方面，有关的理论和技术研究比较少，还相对滞后。在生产矿井中，回采
12、工作面作为矿井瓦斯的主要释放区和涌出区，虽然近年来BP神经网络模型、计算机数值模拟等新技术的采用，为工作面瓦斯防治工作提供了新的手段，但象瓦斯在采面隅角分布规律等如此复杂的空间时变问题以及采空区瓦斯危害问题等却依旧比较突出，仍然需要进行不懈的探索和研究。尽管矿井瓦斯综合治理水平不断实现新的跨越，但对于瓦斯分布规律的研究，由于受诸多因素的影响和制约，却至今难以进行精确、准确的定量考察，特别在对采面隅角积聚瓦斯的研究上，则仍具有很大的随意性和统计特征，仍需要进行深入持久的理论分析和实践探索。我国现有各类煤矿29000多个，其中开采薄煤层，使用炮采工艺的矿井占75%以上。由于这些矿井无论经济实力、技
13、术水平、生产工艺、管理方式、资金投入、人才队伍都无法与先进现代化矿井相比，因此其在矿井瓦斯综合防治技术的研究方面，无论技术手段还是研究方法等整体水平确实还相对落后，取得的成果也是阶段性的。本文拟结合坤升公司薄煤层炮采工艺的开采实际，就矿井瓦斯防治技术与矿井瓦斯技术管理体系建设等内容进行详细而深入的分析和研究。1.3.2本文主要研究内容本文立足晋煤集团的凤凰山矿井、综采面瓦斯综合防治的实际工作入手，拟对如下技术与管理问题展开研究工作:(1)煤层瓦斯基础参数测试研究工作。通过对煤层瓦斯涌出量最大的3#层煤瓦斯基础参数的测试，重点测算和掌握煤层瓦斯压力、煤层透气性、煤层瓦斯含量、煤层瓦斯吸附常数、钻
14、孔流量衰减系数等技术参数和资料，为矿井瓦斯技术管理治理工作创造条件;(2)采面隅角瓦斯分布特点、规律及预防技术研究。重点研究采面上隅角等位置处的瓦斯迁移及积聚规律;并对瓦斯局部积聚成因进行分析和研究;(3)矿井瓦斯综合防治技术措施研究。内容包括:利用矿井危险源辨识技术寻找矿井通风系统危险源，计算矿井通风系统优化评判指标，利用加权相对偏离值法进行矿井通风系统技术改造;采用调压技术改变生产工作面通风系统压能分布;重点对影响采面隅角瓦斯危害的U+L和J型回采工作面通风系统模式进行阐述、分析和论证;研究对超限地点或相邻采空区瓦斯抽排抽放的技术与方法，降低其对回采面上隅角瓦斯涌出量的直接影响;对矿井采面
15、瓦斯超限报警现象，追根溯源，努力探求导致矿井瓦斯超限报警次数多的根本原因，探索减低瓦斯超限报警次数的技术措施和途径，为制定科学、有效的预防机制提供理论依据和方法;(4)在综合论证分析的基础上，建立适合坤升公司实际的矿井瓦斯技术管理综合治理体系，以便为矿井安全生产提供实时帮助。总之，在本文的研究中主要包括两类内容:一是围绕在生产中如何建立有效的矿井瓦斯综合预防技术工作来展开讨论和论述;二是研究探索矿井瓦斯管理制度建设与矿井瓦斯技术管理体系建设的相关问题，并力争利用计算机予以实现。2 新区矿井投产初期，煤与瓦斯共采及瓦斯抽放钻孔的布置2.1矿井概况寺河井田位于晋城新区东南部，跨晋城市和阳城、沁水两
16、县。矿井工业场地位于沁水县嘉峰车站附近，距晋城市70km，距沁水县53km。晋城生产区和新区已经建成投产的成庄矿井煤炭由太焦铁路外运，新区其他矿井煤炭将由侯（马）月（山）铁路外运，侯月线由南同蒲线侯马站经沁水、端氏、嘉峰、阳城顺沁河南下至河南省沁阳县，与焦枝铁路月山站接轨。太焦、侯月线均可经新焦线至新乡，与京广和京九线、新兖及兖石线相接。矿区煤炭主要流向是南、东方向。井田位于太行山南段西侧，沁水向斜之东南翼。井田地形复杂，地势陡缓不一、沟谷发育、切割剧烈，平地甚少，仅沁河、长河西岸有较狭窄的阶地。总观地貌形态为西北高、东南低的低山丘陵区，地表标高介于6001130m之间。沁河及其支流长河流经井田西部和东部。西部与南部多以构造剥蚀的丘陵低山地形为主，沁河河谷两侧为侵蚀堆积地形，构成河漫滩以上的三级阶地。矿井井田内的煤系地层为石炭二叠系，由于
