最新矿井防治煤与瓦斯突出设计.docx
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最新矿井防治煤与瓦斯突出设计
矿井防治煤与瓦斯突出设计指导书
第一节编制设计的依据和矿井基本概况
一、编制设计的依据
1、《中华人民共和国安全生产法》,2002年6月29日九届全国人大二十八次常委会通过,2002年11月1日施行;
2、《煤矿开采方案设计》;
3、《煤矿安全规程》(2010版);
4、《防治煤与瓦斯突出规定》(2010年);
5、《矿井瓦斯抽放管理规范》(1997年);
6、《煤矿瓦斯抽放技术规范》MT/T692—1997;
7、煤矿实际资料:
采掘工程平面图、可采煤层煤质化验报告、矿界范围、水、电资料等;
二、设计指导思想
1、以《煤矿安全规程》(2010)和《防治煤与瓦斯突出规定》(2010)中的规定为方案设计原则。
2、根据矿井地质条件和矿界范围,结合该矿实测资料,考虑实用、易实施、有效。
三、矿井概况
1.交通位置情况
2.井田开发情况
3.水源及电源
4.保护层的选择
5.井田开拓方式
6.煤层开采顺序
7.采煤方法
8.支护形式
9.矿区地层
10.构造及断层
11.可采煤层与煤质
12.瓦斯涌出量
13.煤尘爆炸性
14.煤层自燃倾向性
15.煤与瓦斯突出情况
16.矿井主要通风机和反风设施
第二节煤与瓦斯突出预测设计
《规程》第176条规定:
在开采突出煤层时,必须采取突出危险性预测、防治突出的措施、防治突出措施的效果检验、安全防护措施等综合防治突出措施。
进行煤与瓦斯突出预测,不仅能指导防突措施的科学运用,减少防突措施工程量,且由于对工作面突出危险性进行不间断地检查,还能保证突出煤层作业人员的人身安全。
因此,突出预测具有重大的实际意义。
一、煤与瓦斯突出预测分类和突出危险性划分
(一)煤与瓦斯突出预测分类
我国突出预测分为两类:
1、区域性预测。
区域性预测是指确定井田、煤层和煤层区域的突出危险性。
区域性预测的依据是查明突出区域性特征,即各区域的突出主要因素与突出危险性之间的联系。
2、工作面预测。
工作面预测也称日常预测,其任务是确定工作面附近煤体的突出危险性。
即该工作面继续向前推进时,有无突出危险。
工作面预测是依据突出的三个主要因素在工作面前方的分布状态及其随工作面推进的变化。
(二)突出危险性划分
1、根据地质勘探、新建矿井、矿井生产时期的预测结果,将煤层的突出危险性划分为突出煤层和非突出煤层两类。
2、根据突出煤层区域性预测结果,将突出危险性划分为三个区:
(1)突出危险区。
在突出危险区内进行采掘作业时,必须采取综合防治突出措施。
(2)突出威胁区。
在突出威胁区,根据煤层突出危险程度,采掘工作面每推进30~100m,应用工作面预测方法连续进行不少于两次的区域性预测验证,其中任何一次验证为有突出危险时,该区域应划为突出危险区。
(3)无突出危险区。
在无突出危险区内进行采掘作业时,可不采取防治突出措施。
3、根据采掘工作面预测的结果,将工作面突出危险性划分为两类:
(1)突出危险工作面。
当预测为突出危险工作面时,应采取防治突出措施,只有经措施效果检验证实措施有效后,方可在采取安全防护措施的情况下进行采掘作业。
(2)无突出危险工作面。
当预测为无突出危险工作面时,每预测循环应留有不少于2m的预测超前距。
在无突出危险工作面进行采掘时,可不采取防治突出措施,但必须采取安全防护措施。
二、煤与瓦斯突出区域性预测
区域性预测的方法主要有单项指标法、综合指标D与K法、分级预测法、小块段预测法、瓦期地质统计法等,或其它经试验证实有效的方法预测其突出危险性。
(一)单项指标法
采用煤的结构破坏类型、煤的瓦斯放散初速度指标△P、煤的坚固性系数f值、煤层瓦斯压力P作为预测指标。
各种指标的突出危险临界值应根据实测资料确定。
无实测资料可参考表2-1所列数据。
只有全部指标达到或超过其临界值时方可划为突出煤层。
表2-1预测突出危险性单项指标
煤层突出危险性
破坏类型
瓦斯放散初速度指标△P
煤的坚固性系数f
煤层瓦斯压力P(MPa)
突出危险
Ⅲ、Ⅳ、V
≥10
≤O.5
≥0.74
无突出危险
I、Ⅱ
<10
>0.5
<0.74
(二)综合指标D与K法
煤炭科学研究总院抚顺分院对北票矿务局、红卫矿等10多个矿井生产水平突出层中的突出危险区进行研究,提出用综合指标D和K来预测煤层的突出危险性,其临界值参照表2-2所列数值。
表2-2判断突出危险性的综合指标临界值
煤层突出危险性综合指标
突出危险性
备注
D
K
<0.25
突出威胁区域
地质勘探和新井建设时期预测煤层突出危险时,突出威胁区域即为无突出危险煤层。
≥O.25
<15
≥0.25
≥15
突出危险区域
表中D和K的计算方法如下:
D=(0.0075H/f-3)(P-0.74) (2-1)
式中D——综合指标之一;
H——煤层开采深度,m;
P——煤层瓦斯压力,MPa;
f——煤层软分层的平均坚固性系数,如打钻所取煤样的粒度达不到测试f值所要求的粒度标准(10~15mm)时,可取粒度为l~3mm粒度煤样进行f值测定,所得结果按下式进行换算:
当f1-3≤0.25时:
f=f1-3(2-2)
当f1-3>0.25时:
f=1.57f1-3-0.14(2-3)
f1-3——用粒度为l~3mm煤样测出的f值。
K=△P/f(2-4)
K——综合指标之二;
△P——煤层中软分层的瓦斯放散初速度指标。
只有D、K同时满足突出危险临界值时,才能确定该区域为突出危险区域。
采用综合指标法对煤层进行区域预测时,应符合下列要求:
(1)在岩石工作面向突出煤层至少打两个测压钻孔,测定煤层瓦斯压力;
(2)在打测压孔的过程中,每米钻孔采取一个煤样,测定煤的坚固性系数;
(3)将两个测压孔所得的坚固性系数最小值加以平均,作为煤层中软分层的平均坚固性系数;
(4)将坚固性系数最小的两个煤样混合后,测定煤的瓦斯放散初速度值。
(三)瓦期地质统计法
该法的实质是根据已开采区域突出点分布与地质构造(包括褶曲、断层、煤层赋存条件变化、火成岩侵入等)的关系,然后结合未采区的地质构造条件来大致预测突出可能发生的范围。
它是一种利用瓦斯地质资料进行的一种类比推断法。
三、煤与瓦斯突出的工作面预测
工作面突出危险性预测的方法较多,如综合指标法、钻屑指标法、钻屑瓦斯解吸指标法、钻孔瓦斯涌出初速度法、钻孔瓦斯初速度结合瓦斯涌出衰减系数、V30特征值等。
各种预测方法都是在大量实测数据的基础上研究出来的,应用时应根据矿井的地质、开采技术条件及突出的规律等具体情况,选择适用的方法与指标临界值,并不断研究出新的预测方法以促进预测工作更加完善和准确。
(一)石门揭煤工作面突出危险性预测
1、综合指标法
采用该法时,由石门向煤层至少打2个测压孔,测定煤层瓦斯压力P,并在打钻过程中采样,测定煤的坚固性系数f和瓦斯放散初速度△P,按下列综合指标进行预测。
(1)综合指标∏。
∏0=10Pmax-14f2min(2-5)
式中Pmax——该深度煤层最大瓦斯压力,MPa;
fmin——煤层软分层的坚固性系数的最小值。
该综合指标用于原苏联库兹巴斯煤田时,当∏0≥0时,揭开处认为是危险时。
(2)综合指标D与K
用(6-1)及(6-4)式求出综合指D与K,最后按表6-3确定揭煤的突出危险性。
2、钻屑瓦斯解吸指标法
采用该法时,当石门工作距煤层最小垂距3~5m时,至少向煤层打2个直径50~75mm的预测钻孔,用1~3mm的筛子筛分钻屑,测定其瓦斯解吸指标(△h2或K1)。
(1)钻屑瓦斯解吸指标的临界值
钻屑瓦斯解吸指标的临界值应根据现场实测数据确定。
若无实测数据。
可按表2-3确定石门揭煤的突出危险性。
表2-3钻屑瓦斯解吸指标临界值
煤样
△h2(Pa)
K1(mL/g.min0.5)
突出危险性
干煤
湿煤
≥200
≥160
≥0.5
≥0.4
有突出危险
干煤
湿煤
<200
<160
<O.5
<0.4
无突出危险
(2)测定仪表
用WTC瓦斯突出参数仪(ATY改进型)测量钻屑瓦斯解吸指标K1、钻屑温度差ΔT、钻屑及孔底煤壁温度T、工作面放炮后30min内吨煤瓦斯涌出指标V30及瓦斯涌出特征指标KC等突出危险性预测指标,并能测量工作面风流中8h内的瓦斯浓度、环境温度等。
用MD-2型钻屑瓦斯解吸仪测△h2。
3、钻孔瓦斯初速度结合瓦斯涌出衰减系数
(1)工艺
当石门距煤层3m以外时,至少打2个直径50mm穿透煤层全厚的预测钻孔,预测钻孔见煤点应在石门周界外1.5m处,然后用充气式胶囊封孔器封孔,胶囊前端部应刚好处在钻孔见煤点处,贯穿煤层全厚的这段钻孔即为测量室,对于复合煤层,当煤层间岩层厚度超过lm时,对每层分别进行预测,当煤层间岩层厚度少于lm时,预测全部分层。
封孔应在打钻结束后马上进行,充气压力0.5MPa,从打钻结束到开始测量的时间不应超过5min。
封孔后先测第lmin的瓦斯涌出初速度gH,第2min测定解吸瓦斯压力Pd,如果gH值超过预定的工作指标,还需测定第5min的钻孔涌出速度g5,以便算出瓦斯涌出衰减系数α。
(2)临界值
临界值应根据现场实测数据确定。
如无实测数据,可按表2-4及表2-5确定突出危险性。
表2-4正常带石门揭突出危险煤的临界值
gH(L/min·m)
Pd(MPa)
α=g5/gH
突出危险性
<5
20>gH≥5
<0.07
≥0.07
>0.75
无危险
无危险
20>gH≥5
≥20
≥0.07
≥0.25
≤0.75
有危险
有危险
表2-5地质构造带石门揭突出危险煤的临界值
gH(L/min·m)
Pd(MPa)
α=g5/gH
突出危险性
<2
≥2
<0.03
≥0.03
无危险
有危险
(3)测定仪表及装置
ZJ-3型充气式胶囊封孔器。
充气式胶囊封孔器结构见图2-1。
通过气泵向胶囊充气,使之产生径向膨胀,使胶囊紧贴孔壁达到封孔目的。
图2-1ZJ-3型充气式胶囊封孔
1—压力表;2—逆止阀;3—充气软管;4—快速接头5—测量管
6—快速接头;7—铜管;8—螺帽;9—卡头;10—胶囊;ll—卡套;12—进气管
(二)煤巷掘进工作面突出危险性预测
1、钻孔瓦斯涌出初速度法
(1)工艺与要求
用该法进行煤巷突出危险性预测时,应在距巷道两帮0.5m处,各打1个平行于巷道掘进方向、直径42mm、深6~10m的钻孔。
用充气式胶囊封孔器封孔,封孔后测量室长度为0.5m。
用TWY型突出危险预报仪式或其它型号的瞬时流量计测定钻孔瓦斯涌出初速度q,从打钻结束到开始测量的时间不应超过2min。
(2)临界值
突出危险临界值应根据现场实测数据确定。
如无实测值,可按表2-6确定突出危险性。
表2-6煤巷钻孔瓦斯涌出初速临界值
煤样的分析Vdaf/%
5~15
15~20
20~30
>30
瓦斯涌出初速度qm/
(L/min)
5.0
4.5
4.0
4.5
当实测值q≥qm时,为突出危险工作面;当实测值q<qm时,为无突出危险工作面。
2、钻屑指标法
采用该法预测时,在倾斜和急倾斜煤层的工作面打2个或在缓倾斜煤层工作面打3个直径42mm、长6~10m钻孔。
钻孔每打lm测定钻屑量一次,每打2m测一次钻屑解吸指标。
根据每个钻孔沿孔深每米的最大钻屑量Smax和钻屑解吸指标K1或△h2预测工作面突出危险性。
各项指标的危险临值,应根据现场实测资料确定,如无实测资料,按表2-7确定突出危险性。
表2-7煤巷钻屑指标法临界值
最大钻屑量(kg/m)
Smax(L/m)
K1(mL/(g·minl/2))
△h2(Pa)
突出危险性
≥6
<6
≥5.4
<5.4
≥0.5
<0.5
≥200
<200
有突出危险
无突出危险
3、钻孔瓦斯涌出初速度结合钻屑量综合指标法(R值指标法)
采用该法预测时,要求在工作面打2个直径42mm、深5.5~6.5m钻孔。
钻孔应打在软分层中,一个钻孔位于巷道工作面中部,并平行于掘进方向,另一钻孔的终孔点应位于巷道轮廓线外1.5m处。
钻孔每打lm测定一次钻孔瓦斯涌出初速度和钻屑量。
测量钻孔瓦斯涌出初速度时,测量室长度为1m。
钻进每米钻孔的时间不应超过2min,且测量瓦斯涌出初速度应在每米钻孔打完后2min内进行.
根据沿孔深测出的最大瓦斯涌出初速度和最大钻屑量计算综合指标R值.
R=(Smax-1.8)(qmax-4) (2-6)
式中Smax——每个钻孔沿孔深最大钻屑量,L/m,
qmax——每个钻孔沿孔最大瓦斯涌出初速度,L/min·m
临界值RM应根据实测资料确定,无实测资料时,取RM=6。
当实测值R≥RM时,预测为有突出危险工作面,R<RM时,预测为无突出危险工作面。
4、钻粉瓦斯流量法
钻粉瓦斯流量法能反映出工作面前方的地应力、瓦斯压力和煤的结构性能等综合作用,既可以作为突出预测,又可以检测防突措施的效果。
1)工艺
(1)在倾斜或急倾斜煤层的煤巷掘进工作面打2个或在缓倾斜煤层的煤巷掘进工作面打3个直径42mm、深5.5~6.5m的钻孔。
钻孔应布置在软分层中,一个钻孔位于巷道工作面的中部,并平等于掘进方向,其他钻孔的终点应位于巷道轮廓线外1.5m处。
(2)钻孔每打1m,测定钻屑量的体积和钻孔瓦斯涌出初速度。
测定涌出瓦斯初速度时,测量室长度为1m。
2)计算指标R1、R2
根据最大钻屑量和最大钻孔瓦斯涌出初速度,按下列公式分别计算R1、R2。
R1=(Smax-1.8)(qmax-4)(2-7)
R2=Smax+4.5qmax(2-8)
式中Smax——每个钻孔沿孔深最大钻屑量,L/m,
qmax——每个钻孔沿孔深最大瓦斯涌出初速度,L/min.m
3)指标值
根据计算结果,参考表2-8的数值作为突出预测指标。
表2-8突出预测指标
突出危险性
R1
R2
备注
有危险
≥6
≥30
可使用两个指标中任何一个判断危险性
无危险
<6
<30
(三)采煤工作面突出危险性预测
采煤工作面突出危险性预测,可使用煤巷掘进工作面突出危险性预测的方法,如钻屑瓦斯解吸指标法、综合指标法、钻孔瓦斯涌出初速度法等,或其它经试验证实有效的方法预测其突出危险性。
根据采煤工作面横向突出危险性的差异,每隔2~15m布置1个预测钻孔,孔深5~12m,超前距离3~5m,孔径42~87mm。
具体参数均通过科研考察确定。
第三节区域性防突措施设计
在区域性防突措施中,开采保护层是预防突出最有效、最经济的措施。
我国绝大多数突出矿井都采用此法来解决突出危险煤层的开采问题。
一、开采保护层
(一)保护层的概念与分类
所谓保护层是为消除或削弱相邻煤层的突出或冲击地压危险而先开采的煤层或矿层。
后开采的煤层或矿层称为被保护层。
1、保护层的分类
1)按保护层与被保护层的位置分类
保护层位于被保护层上方的叫上保护层;保护层位于被保护层下方的叫下保护层。
2)按保护与被保护层的距离分类
根据保护层与突出层之间的垂直距离(h)不同,可分为:
近距离保护层:
h≤10m
中距离保护层:
10m 远距离保护层: h≥50m 在选择保护层时,应遵守的原则是: 优先选择无突出危险的煤层作为保护层,矿井中所有煤层都有突出危险时,应选择突出危险程度较小的煤层作保护层;应优先选择上保护层,选择下保护层时,不得破坏被保护层的开采条件。 开采下保护层时,上部被保护层不致破坏的最小层间距离可用公式(6-9)、(6-10)确定。 当α≤60°时,hmin≥KMcosα(2-9) 当α>60°时,hmin≥KMcos(α/2)(2-10) 式中hmin——允许采用的最小层间距离,m; M——保护层开采厚度,m; α——煤层倾角,°; K——取决于煤层厚度和顶板管理方法的系数。 采用充填法管理顶板时,K=4;采用全部冒落法开采薄和中厚煤层时,K=6;用掩护支架开采厚煤层,全部冒落法且从上水平大量掉落岩石时,K=8;用走向长壁开采厚煤层,或用掩护支架开采厚煤层,顶板冒落、而上水平岩石掉落受到阻碍时,K=10。 (二)保护范围的确定 开采保护层后,保护层对其周围的岩层及煤层产生采动影响,并在其中的一定范围内出现保护作用,在该范围内突出煤层的应力变形状态和瓦斯动力参数发生重大变化,由此而丧失或降低突出危险性,对于这样的范围称之为保护范围。 1、保护作用的有效层间垂距 开采保护层后,开采层周围的岩层和煤层向采空区方向移动、变形,根据卸压程度的大小,在垂直保护层面方向可划分三个带。 因此,保护作用的有效层间垂距,在不配合人工抽放瓦斯时,实际上就是第Ⅲ带的边界到保护层的层间垂距,在抽放瓦斯时,有效层间垂距扩大。 在我国,综合各种因素,在现有开采深度(H≤550m)与采煤工作面长度(a≤120m)的条件下,保护作用的有效垂距规定如表2-10,如果经过专门的考察,则根据考察结果具体确定。 表2-10保护作用有效层间垂距 煤层倾斜 未抽放瓦斯(m) 结合抽放瓦斯(m) 下保护层 上保护层 下保护层 上保护层 急倾斜 50 40 80 60 缓倾斜和倾斜 80 30 100 50 如果开采条件与以上条件不符,则要按下列方式确定保护层的有效垂距。 下保护层的最大有效层间垂距: S1=S/1β1β2(2-12) 上保护层的最大有效层间垂距: S2=S/2β1β2(2-13) 式中S/1、S/2——分别为下保护层和上保护层的理论最大有效层间垂距,m;可参考 表2-11数值。 表2-11保护作用有效层间垂距单位: m 项目 下保护层S/1 上保护层S/2 采煤工作面长 度a(m) 开采深度H(m) 50 75 100 125 150 175 200 250 50 75 100 125 150 200 250 300 70 100 125 148 172 190 205 220 56 67 76 83 87 90 92 400 58 85 112 134 155 170 182 194 40 50 58 66 71 74 76 500 50 75 100 120 142 154 164 174 29 39 49 56 62 66 68 600 45 67 90 109 126 138 146 155 24 34 43 59 55 59 61 β1——保护层有效厚度影响系数,β1=KyM/M0,但不大于1; Ky——顶板管理方法影响系数,水力充填时Ky=0.35,其他充填方法时,Ky=0.45;在木垛支撑顶板时,Ky=0.7;全冒落法管理顶板或顶板缓慢下沉时,Ky=1。 M——保护层开采厚度,m; M0——按图2-2确定的保护层临界厚度,m; β2——考虑层间岩石中砂岩百分含量η的系数, β2=1-0.004η(2-14) 如对采煤工作面长度大于80m的保护层,按本法算得的S1>20m时,则应取S2=20m。 图2-2确定保护层临界厚度M1的曲线图 a—采煤工作面长度,如a>0.3H时,则取a=0.3H,但不大于250m 2、保护层沿走向的最小超前距离 被保护层的最大膨胀变形是充分卸压的标志,应该用最大膨胀变形沿走向的分布来确定最小超前距。 大量的研究资料表明: (1)当层间垂距大于10m时,绝大多数的最大膨胀变形点和最大瓦斯流量点处于L/h=0.8~1.7的范围内,圈定这些特征点的边界线与层面的夹角大致为ψ2=300。 (2)当层间垂距小于l0m时,所有的最大膨胀变形点和最大瓦斯流量点均处在L≤40m的范围内,此时L/h>2。 因此,根据保护层最大膨胀变形点和最大瓦斯流量点沿走向的分布,并预留一定的抽放时间。 3、保护层始采线、采止线处的超前距离 在保护层采止线处,工作面虽已停采,但岩层的移动过程并未随之结束,只是随着时间的推移,其强度逐渐有所减弱。 因此,预计在一定的时间内保护带可得到部分扩展,工作面超前距离就不必像正在推进的工作面时的超前距离那样大。 如天府煤田的考察确定,急倾斜煤层采止线处沿走向的卸压角为56°~61°,相当于0.55~0.67倍层间距。 如图2-3所示。 4、沿倾斜的保护范围 在被保护层中,沿倾斜的保护范围,可按卸压角划定,如图2-4所示。 图2-3划定始采线、采止线处走向卸压角示意图图2-4在垂直走向剖面上确定卸压角示意图 卸压角的大小与煤层倾角、煤系地层的岩石力学性质等因素有关,但主要取决于煤层倾角,各矿井应通过实地考察确定。 在不同倾角条件下的卸压角值如表12所示。 表2-12沿倾斜卸压角单位: (0) α θ0 δ1 δ2 δ3 δ4 O 90 80 80 75 75 10 83 77 83 75 75 20 76 73 87 75 75 30 70 69 90 77 70 40 63 65 90 80 70 50 56 70 90 80 70 60 49 72 90 80 70 70 36 72 90 80 72 80 22 73 90 78 75 90 0 73 80 75 80 开采下保护层时的卸压角也可采用下列公式计算: δ1=180°-(α+θ0+10°)(2-15) δ2=α+θ0-10°(2-16) 式中δ1、δ2——分别为开采下保护层时的下部和上部卸压角,°; α——煤层倾角,°; θ0——最大下沉角,°,由矿井实测确定。 在大多数煤层的赋存条件下,即α<70°时,根据国内外现场观测资料,可用下列公式求得,即 θ0=90-0.68α(2-17) 当α>70°时,可引用表6-13资料。 《规程》规定,被保护范围的划定方法及有关参数,应根据对矿井实际考察的结果确定。 正在开采的保护层采煤工作面,必须超前于被保护层的掘进工作面,其超前距离不得小于保护层与被保护层之间法线距离的2倍,并不得小于30m。 二、预先抽放煤层瓦斯 虽然开采保护层是最有效的区域性防突措施,但我国的突出矿井中具有开采保护层条件的仅占全部突出矿井的三分之一,多数矿井只能采取本煤层防突措施。 预抽煤层瓦斯的措施,取得了较好的效果,这种区域性防突措施正在进一步推广应用。 第四节局部性防突措施设计 局部性防突措施主要包括石门揭开突出煤层防治突出的措施和采掘工作面防治突出的措施。 一、石门揭开突出煤层防治突出的措施 (一)一
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