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6.总结11
参考文献11
摘要
在煤矿开采中,采取相应的技术对瓦斯进行抽采,保证煤矿开采的安全是人们不断的追求,其中,低透气性煤层的瓦斯抽采比较困难,必须根据实际情况采取相应的技术措施处理。
文章首先介绍了煤矿井下抽采技术,接着探讨分析了开采层、邻近层、采空区瓦斯抽采的相关问题,指出了其中需要注意的问题,提出了相应的瓦斯抽采措施,希望能够对实际工作提供借鉴和指导。
关键词:
低透气性煤层;
瓦斯抽采技术;
开采层;
邻近层;
采空区
AbstractInthecoalmining,taketheappropriatetechnologytocarryoutgasextraction,coalminingistoensurethesafetyofpeoplecontinuetopursue,inwhichthelowpermeabilitycoalseamgasextractionrelativelysleepyDifficult,wemusttakeappropriatetechnicalmeasurestodealwiththeactualsituation.Thearticlefirstintroducesthecoalminedrainagetechnology,thendiscussestheanalysisofthemininglayerandtheadjacentlayers,gobgaspumpingIssuesrelatedtomining,pointingoutproblemsthatneedattention,putforwardthecorrespondinggasextractionmeasures,hopingtoprovideareferenceandguidanceforpracticalwork.
Keywords:
lowpermeabilitycoalseam;
gasextractiontechniques;
mininglayer;
adjacentlayers;
Gob
前言
随着国内煤矿资源保有量越来越少,煤矿开采逐渐向地底延深。
但是随着煤矿开采深度增加,开采的难度也越来越大,煤层瓦斯涌出量增加,而煤矿内瓦斯灾害一直是影响煤矿安全生产的主要问题,尤其是低透气性煤层瓦斯抽采技术是瓦斯抽采工作中亟待解决的难题。
如何解决低透气性煤层内赋存的瓦斯的问题,仅仅依靠传统的加强通风、瓦斯抽采等手段显然不够,目前国内外通过研究和实践积累的有效技术途径是采用人工事先松采煤层,使煤层透气性增强,现有的措施有在深孔内爆破,水力切割和压裂。
针对不同矿井,根据其瓦斯来源情况,矿井内部开采布局,相应地质条件进行有机考虑来评估采取何种瓦斯抽采办法。
但是目前整体工艺还存在着工艺繁琐,设备要求高等特点,实际抽采效果还有待提高。
1.开采层瓦斯抽采技术
根据不同煤矿的不同地质条件、开采布局和顺序,目前国内主流应用的瓦斯抽采技术有开采层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽采。
开采层抽采也分为几种方式,包括预先抽采、瓦斯抽采和采矿同时进行、以及强行抽采。
预先抽采是通过钻机对煤层进行钻孔预先实现瓦斯抽采,在开采煤矿前即事先采取措施对煤层中的瓦斯进行抽采,这类抽采方式主要针对未卸压煤层。
开采层抽采方式对透气性较好,以及地质条件等适合预抽工艺的煤层可以取得相对较好的瓦斯抽采效果。
而瓦斯抽采和采矿同时进行是利用煤层开采时内部压力降低来抽
采煤层瓦斯,在开采过程中,随着煤层工作面的递增,由于开采过程中煤层压力降低,其透气性能增强,相应的瓦斯抽采效率亦很大程度上提高。
1.1水力割缝强化抽采
水力割缝是通过水平往复钻机对煤层进行水平方向的钻孔,在钻孔完毕后再运用高压水枪在煤层中对孔两侧煤层进行切割,从而在煤层中构造出一定深度的缝槽,释放煤层的内部应力。
由于煤层切割引起的煤层不均匀沉降会在煤层中形成大量不均匀分布的缝隙,大大提高了煤层的瓦斯渗透性,该类缝隙加速了煤层内部瓦斯的流动和逸出,提高瓦斯抽采的效率。
1.2深孔强化抽采
深孔预爆破主要应用于改善松软性质的低透气性煤体的瓦斯渗透性,在对煤层工作面的采掘过程中,要减少突变出现,这需要改善采掘面前面煤层的应力情况,保证一定长度的卸压煤层带,并大幅度提高煤层的透气性能,可以实现臭牌煤层的瓦斯。
通过一定的数值模拟和实验研究表明:
针对低透气性煤层,深孔预爆破的方式能有效利用爆炸产生的冲击能,控制爆破后孔的方向并起到一定的补偿作用;
通过爆破在一定程度上能够扩大煤层自身的缝隙,同时生发一定数量新的空隙,能够有效的改善煤层的透气性。
在煤层爆破的开始时期,爆破产生的冲击波会破坏掉附近煤层的抵抗层,同时在该煤层周围产生一定的破裂层和少些空隙,并为下一步破坏煤层提供基础。
在煤层内部,爆炸产生的冲击波会以爆破点为圆点沿径向方向向煤层外部扩散,各时段冲击应力波交叠后会加快媒层的破坏。
但是由于爆孔相互位置不一样,爆破产生的破坏也会不一样。
若两爆孔处在一起时,爆孔之间的裂纹会完全发育,并加快煤层的破坏,若距离较远,煤层间的裂纹就很难互联。
经过统计研究,当煤孔之间距离在6m左右时,爆破孔之间的煤层能够出现足够互联的裂纹,从而能够加速媒体中瓦斯的流通,爆破产生的裂纹在一定程度上加强了媒层的透气性能,为瓦斯的抽采提供流通的途径,再加上辅助的瓦斯抽排设备,从而能够针对松软地质的低透气性煤层开发了一种较为有效的瓦斯抽采技术。
1.3旋转水射流扩孔强化抽采
旋转水射流扩孔技术是指依靠不旋转喷嘴来产生具有三维速度的射流的质量点,不仅沿着螺旋线路线运动,还会向周围煤层扩散从而形成射流。
射流的流场分布在轴向、径向和切向皆具有速度分量,因此其运动轨迹为螺旋线运动。
其旋转运动使其具有扩散角度大,流动距离长,吸附性和破坏性强,还存在部分回流区域的性质。
旋转水射流扩孔主要是针对已形成的小直径孔径扩孔,其基本的工艺流程如下:
(1)先运用机械装备进行小直径钻孔,
在完成小孔后安装相关扩孔设备,包括扩孔射流发生器、辅助过滤装置和泵动力的高压扩孔钻杆。
通过手动推进来控制扩孔深度。
(2)手动控制泵有接口专门连接高压水管,通过水管来提供高压水源,在液压阀的调节水流到达带旋转叶轮的喷嘴处,水流在此形成旋转水流并具备各方向速度,旋转高压水对孔进行水力旋转切割。
(3)在一定的工作环境下,若单一长度钻杆无法满足扩孔深度,可以另外增加或减少钻杆,继续扩孔工作。
然后通过手动控制推进泵,达到扩孔的深度,完成扩孔作业。
旋转射流扩孔工艺可以通过增大煤层的孔径,来增加煤层与外部接触表面积,并达到卸压的目的,从而增加煤层的瓦斯抽排效率,旋转射流扩孔可以有效改善低透气性煤层的瓦斯抽采效率。
相信在技术工艺不断发展和成熟后,旋转射流扩孔能更加有效的应用在煤矿瓦斯抽排方面。
1.4水压致裂
水压致裂工艺的基本原理是依靠钻孔的方式将高压混合物液体压入煤层,从而在煤层内部形成各向裂纹,同时将混合物填充至裂纹内部,并在裂缝形成后起支撑作用,最终依靠水压形成的煤层裂纹来提高煤层的透气性能。
水力压裂工艺是从石油工业移植并应用于煤矿瓦斯抽采中,但是由于煤层地质条件复杂,水力压裂工艺很难控制裂纹生长方向,并且混合物极易
混入煤层,后续煤层很难清理,从而限制了水力压裂的广泛应用。
1.5.顺层密集长钻孔抽采
顺层长钻孔抽采是在煤层内部钻深孔,在煤层表面孔间距约5m左右,长钻孔工艺有斜向布孔和交叉布孔两种方式,通过在矿区的实际应用,交叉布孔能够有效提高抽采效率。
1.6网格式穿层钻孔抽采
网格式钻孔方式可以有效的方式孔的坍塌,喷孔等问题。
通过煤层表面大范围网格式钻孔可以在一定的技术条件下达到预抽瓦斯的效果,使瓦斯抽采达到35%,因此网格式穿层钻孔抽采已经成为松软煤层抽采的一种有效方式。
2.邻近层瓦斯抽采技术
邻近层瓦斯抽采主要是依靠卸压方式来进行瓦斯抽采。
通过卸压使邻近层的上下部煤层产生压力差,并导致煤层膨胀变形,从而大幅提高煤层的透气性能。
变形使煤层和岩层之间形成缝隙,此类空隙可以用来做瓦斯流动的空间,并保存瓦斯,可以用抽采的方法来进行邻近层的瓦斯抽采。
2.1井下钻孔抽采邻近层瓦斯
2.1.1钻孔布置
采用井下钻孔抽采邻近煤层瓦斯,要考虑煤层的赋存状况和开拓方式。
钻孔布置方式主要2种。
一、由开采层层内巷道打钻
其适应条件为缓倾斜或倾斜煤层的走向长壁工作面,具体又可分为以下几种:
(1)钻场设在工作面副巷内,由钻场向邻近煤层打穿层钻孔,如图10-17所示。
这种方式多用于抽采上邻近层瓦斯,它的优点是:
a.抽采负压与通风负压方向一致,有利于提高抽采效果,尤其是低层位的钻孔更为明显。
b.瓦斯管道设在回风巷,容易管理,有利于安全。
缺点是增加了抽采专用巷道的维护时间和工程量。
(2)钻场设在工作面进风正巷内,由钻场向邻近层打穿层钻孔。
此方式多用于抽采下邻近层瓦斯,如图10-18所示。
与钻孔布置在回风水平相比,其优点是:
a.运输水平一般均有供电及供水系统,打钻施工方便。
b.由于开采阶段的运输巷即是下一阶段的回风巷,不存在由于抽采瓦斯而增加巷道的维护时间和工程量的问题。
二、在开采层层外巷道打钻
其适应条件为不同倾角的煤层和不同采煤方法的回采工作面。
钻孔布置方式又分为:
(1)钻场设在开采层底板岩巷内,由钻场向邻近层打穿层钻孔。
多用在抽采下邻近层瓦斯。
这种方式的优点是:
a.抽采钻孔一般服务时间较长,除抽采卸压瓦斯外,还可用作预抽和采空区抽采瓦斯,不受回采工作面开采的时间限制。
b.钻场一般处于主要岩石巷道中,相对地减少了巷道维修工程量,同时对于抽采设施的施工和维护也较方便
(2)钻场设在开采层顶板岩巷。
多用于抽采上邻近层瓦斯,如图10-20所示:
2.1.2布孔的主要参数
(1)钻孔角度
钻孔角度取决于钻孔开孔位置与终孔所要达到的位置。
为确定合适的终孔位置,首先要摸清邻近煤层的瓦斯来源,确定抽采哪一层或哪几层的瓦斯。
由于抽采层位不同,即使开孔地点相同,钻孔角度也不尽相同。
因为邻近层瓦斯抽采钻孔必须深入到邻近层的卸压带内,但
又要避开冒落和大的破坏裂隙区,以免抽采钻孔大量漏气,甚至被切断而使钻孔失效,特别抽采上邻近层时,更要注意和遵循这一布孔原则,即钻孔应穿入卸压角边界附近以里而又不进入太远,所以当需要同时抽采间隔相当距离的多层邻近煤层瓦斯时就要布置几个层位的抽采钻孔。
3.地面钻孔抽采邻近层瓦斯
这种抽采瓦斯的钻孔布置方式,在国内部分矿井试验和应用过,抽采邻近层瓦斯的效果还是好的,但由于受到一定条件的限制,没有大量推广应用,合理的钻孔布置及参数未能作系统的考察和确定。
4.采空区瓦斯抽采
采空区瓦斯抽采具有瓦斯涌出量大,瓦斯量多从而可以保证高量瓦斯抽采,邻近层和岩层逸出瓦斯量让采空区可以进行大量的瓦斯抽采。
采空区瓦斯抽采主要依靠埋管方式来进行。
通过对采空区进行流场数值模拟分析,在没有内部漏风的情况下,采空区瓦斯含量很高,尤其是在采空区上部;
在采空区上部的流线分布最密集,可以预见在采空区上部瓦斯富集,因此瓦斯抽排主要针对该局域,通过在该处密集埋管将此处富集的瓦斯抽排出去,可以解决该区域瓦斯富集的问题,并降低该区域的瓦斯涌出量。
在流场数值模拟的基础上,采取各方位有效立体抽排,有效提高瓦斯的抽排效率。
采空区瓦斯是回采工作面瓦斯涌出主要来源之一,而采空区瓦斯抽放具有抽放流量大、来源稳定等特点,成为回采工作面瓦斯治理的重要手段。
尤其是对于本煤层预抽效果不理想、采空区瓦斯涌出量大的工作面,采空区抽放方法是首选的抽放方法。
近年来,国内外对高瓦斯矿井采空区瓦斯抽放进行了大量的研究,随着煤矿安全生产以及对瓦斯利用的重视,采空区抽放比例正在逐步增大。
目前,我国煤矿采空区抽放方法种类较多,称谓也不十分统一;
适用条件不同,在各矿井抽放效果也不尽相同。
如果系统梳理和总结我国现在比较成熟的采空区瓦斯抽放技术,分析其特点及应用情况和条件,从中优选出先进的技术并进行适用性研究,并在典型矿区推广使用,其意义是深远的。
采空区瓦斯抽放方法分类:
如图1所示,采空区瓦斯抽放方法根据采空区类别按瓦斯来源可分成3类:
回采工作面采空区瓦斯抽放方法、老采空区瓦斯抽放方法、报废矿井瓦斯抽放方法。
其中回采工作面采空区瓦斯抽放方法又为冒落带(冒落拱)瓦斯抽放、采空区积聚瓦斯抽放及回采工作面上隅角局部积聚瓦斯抽放等3种方法。
而采空区瓦斯抽放方法又根据实施方式的不同分为钻孔抽放方式、巷道抽放方式、插(埋)管抽放方式。
本文主要依据瓦斯来源分类方式展开。
图1采空区抽放瓦斯方法分类
5.瓦斯抽采技术的实际应用
针对东曲矿区的实际情况,采用分区抽出式通风,主要进风井8个:
东平硐、西平硐、皮带明斜井、九一矸石斜井、黄台峰进风斜井、小沙岩进风立井、局家洼进风立井和羊圈港进风斜井,矿井总进风量为45343m3/min。
回风井5个:
黄台峰回风斜井、长峪沟回风斜井、小沙岩回风斜井、局家洼回风立井和羊圈港回风立井,矿井总回风量为45567m3/min。
目前,矿井综采工作面全部采用U型通风系统。
东曲矿井在1991~2001年矿井瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井,2002年以后矿井瓦斯等级鉴定为高瓦斯矿井。
矿井于2007年在小沙岩建成了地面永久瓦斯抽采系统,泵站安装了山东淄博生产的2BEC72型水环式真空泵3台,2BEC100型水环式真空泵2台,其中:
2台运行,3台备用。
抽采管路系统中直径为700mm的主管5485m,直径为600mm和500mm的干管5729m,直径为300mm和200mm的支管18838m。
目前有21个可抽采的区域,采用本煤层水力割缝抽采、顺层密集长钻孔抽采、邻近层抽采、采空区抽采,工作面瓦斯抽采浓度30%左右,抽采率50%以上,达到40%的标准。
6.总结
目前,国内的低透气性煤层瓦斯抽采率不高是煤矿企业遇到的普遍问题。
各企业根据各煤层的特点,须合理安排技术工艺和抽采安排实现高效瓦斯抽排,从而为国家和社会、企业创造更好的经济效益。
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