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煤在天山的博客

来自天山,感恩煤炭。

 
 
 

日志

 
 

【原创】图解煤矿瓦斯抽采 转变经济增长方式  

2012-01-04 11:28:18|  分类: 论文学术 |  标签: |举报 |字号 订阅

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【原创】图解煤矿瓦斯抽采 转变经济增长方式 - 煤在天山 - 煤好新疆
    吴利军 -------- 感恩矿山、研讨发展(注:2010年发表)  
 
    摘要:煤矿瓦斯抽采是矿井瓦斯治理的根本,本文根据国家全生产监管总局发布的《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ 1026-2006)、《煤矿瓦斯抽采规范》(AQ 1027-2006)和《煤矿安全规程》规定的技术指标、抽采规范及安全要求,以矿井典型瓦斯抽采系统建设方式为例,用图解方式汇总介绍当前煤矿井下本煤层、相邻煤层、采空区等不同瓦斯抽采作业地点,瓦斯抽采钻孔、巷道常见布置方法,指出日常安全生产与安全监管中的常见问题,探索新疆煤炭大开发、大发展中矿井瓦斯抽采系统的建设与管理,推动煤矿经济增长方式由单一煤炭开采向煤炭和瓦斯抽采多元并重转变,支撑煤矿建设资源节约型、环境友好型企业。

    关键词:抽采系统 抽采条件 抽采方法 管理技术

 

    一、矿井瓦斯抽采系统的建立条件及抽采系统组成

    1、建立瓦斯抽采系统条件

    达到下列条件之一的煤矿必须建立地面永久瓦斯抽采系统或井下临时抽采瓦斯系统:一是在一个采煤工作面的瓦斯涌出量大于5m3/min或一个掘进工作面的瓦斯涌出量大于3m3/min,用通风方法解决瓦斯问题不合理的;二是煤矿绝对瓦斯涌出量达到以下条件数值:① 大于或等于40m3/min;② 年产量1.0~1.5Mt的煤矿,大于30m3/ min;③ 年产量0.6~1.0Mt的煤矿,大于25m3/min;④ 年产量0.4~0.6Mt的煤矿,大于20m3/min;⑤ 年产量小于或等于0.4Mt的煤矿,大于15 m3/min;三是开采有煤与瓦斯突出危险煤层的;否则,可以不考虑装备瓦斯抽采系统。

    技术上,抽采瓦斯可行性论证有两个因素:一是煤层瓦斯压力,也就是瓦斯从煤层向外释放的能力,煤层压力越大,抽采瓦斯也越容易;二是煤层的透气性能,也就是瓦斯通过煤层的阻力大小,透气性越低,阻力就越大,抽采瓦斯就越因难。我国将抽采瓦斯的难易程度分为三类(容易抽采、可以抽采、较难抽采),在较难抽采瓦斯的煤层中进行抽采应当采取增加煤层透气性的措施,如水力压裂、水力割缝、深孔爆破、酸性处理、交叉钻孔等。决定瓦斯抽采难易程度的指标有煤层透气性系数、钻孔瓦斯流量衰减系数、百米钻孔瓦斯涌出量,反映瓦斯抽采效果的指标有瓦斯抽采量、瓦斯抽采率。

    2、系统组成

    主要有瓦斯泵、管道与钻孔、流量计、安全装置组成;典型示意图如下。

    瓦斯抽采泵分离心式、回转式和水环式3种,其中:离心式适用于瓦斯流量大,负压要求不高的抽采瓦斯矿井;回转式适用于瓦斯流量大,负压要求较高的抽采瓦斯矿井;水环式适用于瓦斯流量较小、煤层透气性低度、管路系统阻力大需要高负压抽采瓦斯的矿井,由于安全性高,已使用广泛。

    抽采管路由主管、分支管和附属装置组成;附属装置有防回火、防回气和防爆炸作用的"三防"装置和放水装置及瓦斯抽采参数测定仪表等组成。

    二、煤矿井下瓦斯抽采的方法与工艺

    按煤矿井下瓦斯聚集区域,可以在本煤层、邻近层和采空区,进行煤炭采前(预抽)、采中、采后(边采边抽、边掘边抽、采空区抽采)瓦斯抽采。瓦斯赋存达到抽采条件的矿井,在生产实践中往往采用钻孔(地面钻孔、井下钻孔、沿层钻孔、穿层钻孔、拐弯钻孔)、巷道、钻孔巷道混合3种抽采方法,抽采效果的好坏,取决于和抽采专用钻孔或专用巷道的布置是否符合煤矿采掘方式与瓦斯赋存特点。

    (一)矿井瓦斯抽采方法的确定原则

    主要是根据矿井(或采区)瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采技术条件等因素综合确定矿井瓦斯抽采方法。

    如果瓦斯主要来源于开采层,可以用钻孔抽采,也可以用巷道预抽,多用钻孔预抽;如果瓦斯主要来源于顶、底板邻近煤层,则可以在开采层打穿层钻孔,或在邻近层巷道打钻孔抽采;对于采空区瓦斯,可用钻孔或密闭巷道抽采;对于掘进巷道的瓦斯,可以预抽或边掘边抽;如果煤层赋存较浅(内地经验是小于400m),就可以考虑地面垂直钻孔抽采开采层、邻近层或采空区的瓦斯。

    (二)本煤层瓦斯抽采钻孔或巷道布置

    就是在煤层开采之前(未卸压状态)或采掘的同时(卸压状态),用钻孔或巷道方式进行该煤层的瓦斯抽采,称本煤层抽采。未卸压煤层自然透气性对抽采效果好坏有直接关系,显然卸压煤层能增加透气性。

    1、未卸压状态抽采钻孔、巷道布置方式

    钻孔方式:主要有穿层钻孔和沿层钻孔两种,穿层钻孔是抽采钻孔穿透整个煤层布置,一般将钻场设在开采煤层的底板岩巷(或煤巷)或顶板岩巷中。见下图

 

抚顺龙凤矿单层煤穿层钻孔示意图

煤层群穿层钻孔抽放瓦斯示意图

    沿层钻孔是在巷道进入煤层后再沿煤层打钻,可以在煤巷、石门见煤处沿煤层倾斜打钻,或是在上山、下山、采煤工作面沿煤层走向打水平孔。沿层钻孔一般适用于赋存稳定的中厚或厚煤层。见下图

                                                     沿层钻孔 

沿层交叉网状钻孔预抽煤层瓦斯方法

    钻孔直径一般选75 mm至l00mm,能用大直径钻孔的宜用大口径孔;沿层钻孔长度一般为工作面长度的70-90%;钻孔间距、数量、有效抽采时间可根据钻孔瓦斯流量衰减系数(α)、需要抽采瓦斯量(Qx)、钻孔极限抽出瓦斯量Qj,按规范计算确定钻孔有效抽采时间(tx)和钻孔数量和钻孔间距;负压一般采用13.33至26.66kPa。

    巷道方式:主要用高抽巷抽采,就是在开采煤层采煤工作面阶段上山沿走向方向先施工一段高抽巷平巷,与工作面回风巷水平距离内错15至20米,然后起坡施工至采煤工作面顶板15至20米左右变平,再施工至工作面走向边界。一般高抽巷采用锚网支护,断面为4m2,通过在高抽巷外口打密闭墙穿管抽采采空区积聚的瓦斯。见下图

                

                             走向高抽巷布置                         倾斜高抽巷布置

    2、卸压状态抽采钻孔布置方式

    煤矿局部区域受采掘等采动影响,煤层和围岩的应力重新分布,形成卸压区和应力集中区。在卸压区内煤层膨胀变形,透气性系数增加,在这个区域内布置钻孔抽采瓦斯,可以提高抽采量,并阻截瓦斯流向工作空间。常用边掘边抽和边采边抽方式。

    边掘边抽就是在煤巷两侧掘进小钻场,在钻场内布置钻孔,抽采巷道周围卸压煤体的瓦斯,并截取深处煤体涌出的瓦斯。我区应用较多。见下图

                                               边掘边抽示意图  

    边采边抽就是工作面上下顺槽布置钻场钻孔,抽采工作面瓦斯。见下图

                         

                        厚煤层上行分层边采边抽                 厚煤层下行分层边采边抽

                                              一次采全高边采边抽

    3、提高本煤层瓦斯抽采量的途径

    一是增大钻孔直径:目前各国的抽采钻孔直径都有增大的趋势;二是增大煤层透气性:采用地面钻孔水力压裂、水力破裂、水力割缝、交叉钻孔方式进行;三是提高抽采负压:提高抽采负压是否能显著增加抽采量,但还存在着不同的看法 。

    (三)邻近层瓦斯抽采

    煤层群开采时,由于受开采层采动影响,使邻近围岩及煤层卸压并引起这些煤岩层的膨胀变形和透气性增大,导致这些煤层的瓦斯向开采层采掘空间涌出。见下图

                                            瓦斯卸压抽采原理

    1、从开采层层内巷道打钻孔抽采

    主要有回风巷倾斜钻孔抽采邻近层瓦斯、运输巷钻孔抽采邻近层瓦斯、迎面斜交钻孔抽采邻近层瓦斯。例回风巷抽采,见下图

                                        抽放上邻近层瓦斯(回风巷布孔方式)

    2、从开采层外打钻孔抽采邻近层瓦斯

    主要有底板岩巷钻孔抽采邻近层瓦斯、顶板岩巷钻孔抽采邻近层瓦斯、邻近层巷道钻孔抽采邻近层瓦斯。见下图

                            

                    底板岩巷钻孔抽采邻近层瓦斯             顶板岩巷钻孔抽采邻近层瓦斯

                                      邻近层巷道钻孔抽采邻近层瓦斯

    3、抽采钻孔主要布置参数

    钻孔间距:钻场间距多为30m~60m。一个钻场可布置一个或多个钻孔。

    钻孔角度:抽采上邻近层时的仰角,应使钻孔通过顶板岩石的裂隙带进入邻近层充分卸压区。下邻近层抽采时的钻孔角度没有严格要求。

    钻孔直径:抽采邻近层瓦斯钻孔直径,一般都采用75mm左右。

    钻孔抽采负压:一般孔口负压应保持在6.7 kPa 至13.3kPa以上。国外多为13.3kPa至26.6kPa。

    (四)采空区瓦斯抽采

    1、主要有如下布置方式

                                         

               均压埋管抽采                                         地面钻孔抽采

              

            回风巷打钻抽放采空区瓦斯                             高抽巷瓦斯抽采

    高抽巷外口打密闭墙穿管抽采采空区积存的瓦斯,高抽巷最好位于采空区裂隙带内,此处透气性好,并使巷道的水平投影距回风巷的平行距离要控制在15至20米范围内,以求最佳抽采效果,并注意要封闭严实,保证不漏气,高抽巷抽采解决了顶板走向钻孔抽采方法中钻场接替期间抽采效果较差的难题,是解决采空区瓦斯涌出的有效途径,主要适用于煤层不自然发火或发火期较长的回采工作面。

    后退式老塘埋管瓦斯抽采是将抽采瓦斯管路通过上风巷预先埋在紧靠上风侧的采空区里,当抽采管埋入工作面老塘20m时,将新埋的管路与抽采系统合茬,即管路每40m切换一次。通过抽采使积聚在采空区上隅角的瓦斯在没有进入回风流前被抽出。

    利用贯通上阶段切眼与下阶段上风巷进行瓦斯抽采是当工作面推进至上阶段工作面开采切眼30m时,在工作面上风巷施工一条煤巷与上阶段工作面开采切眼进行贯通。当工作面推进至该巷道位置时,利用上阶段上风巷封闭墙处预埋的瓦斯管路进行抽采。通过采用该方法,往往能有效地解决工作面上隅角的瓦斯问题。

    2、采空区抽采注意事项

    一是采空区抽采前应加固密闭墙、减少漏风。二是抽采时要及时检查抽采负压、流量、抽采瓦斯成分与浓度发现问题及时调整。三是发现一氧化碳浓度有异常变化时,说明有自然发火倾向,应立即停止抽采,采取防范措施。

    随便提一下报废煤矿的瓦斯抽采,由于瓦斯储量丰富,而且能长时间地涌出瓦斯,在法规允许并保障安全的情况下,制定相应安全技术措施,可以钻孔、巷道等方法进行瓦斯抽采利用。

    三、抽采管路与钻孔施工原则

    1、管路原则

    一是尽量在曲线最少、距离最短的巷道敷设;二是安装在不易被矿车或其他物体撞坏的位置上;三是要考虑抽采设备或管路一旦发生故障时,瓦斯应不致于流进采掘工作面;四是要考虑抽采管路及设备的运输、安装和维修工作上的安全便利。使用PE类塑料管材,必须取得相应煤安标志,使用无缝钢管须涂防腐剂;管路底部应垫起,高度不低于30cm ;倾斜巷道的瓦斯管路,宜将管子固定在巷道支架上,对新敷设管路要进行气密性检查。

    2、钻孔原则

    一是钻孔严格按照标准孔位及施工措施中规定进行施工;二是钻头送入孔内开始钻进时压力应逐渐增大,钻进过程中要准确测量距离,以核实孔深;三是钻进过程中要安设瓦斯自动报警断电仪和防止瓦斯大量泄出的防喷装置,并携带便携式瓦斯自动报警仪、灭火器材,加强巷道的支护与电气设备的检查;避免夹钻、埋钻、煤与瓦斯突出事故、电气设备失爆、片帮冒顶、孔内出现冒烟、着火等事故的发生。

    钻孔封孔可用机械式封孔器封孔或充填材料封孔。封孔前必须清除孔内煤、岩粉;封孔时需下套管,套管可采用钢管或抗静电硬质塑料管;封孔时先把套管固定在钻孔内;用封孔器封仰角时,操作人员不得正对封孔器,以防封孔器下滑伤人。

    四、瓦斯抽采系统的管理

    1、重视泵房的安全管理,及时检查泵房环境瓦斯浓度,并记录;完善各类相关图纸资料和瓦斯抽采报表、台帐、制度。供电系统宜使用双电源供电为好,主要建筑物进风口要有足够的安全距离。

    2、加强现场管理,钻孔、钻场要做到编号管理,设栅栏及警示标志,并巡回检查记录;封孔材料及长度要符合设计规定。

    3、必须按《煤矿安全规程》规定在瓦斯利用侧装备"三防"装置,在抽采管路的主干、分支管路上,设置计量装置、观察嘴、阀门、放水孔等设施;在抽采泵输入和利用管路中设置甲烷传感器。

    4、抽采系统应宜作专项设计,施工完成后,应当组织验收后再投入运行。

    参考文献:

     1、《全国煤矿安全技术培训通用教材》 煤炭工业出版社 金连生主编 2003年

     2、《矿井瓦斯综合治理技术》 煤炭工业出版社 张铁蜀著 2001年

     3、《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ 1026-2006)、《煤矿瓦斯抽采规范》(AQ 1027-2006)、《煤矿安全规程》 煤炭工业出版社2006年

     4、平顶山工业职业技术学院资源开发系、河南理工大学,教学课件

       ( 作者说明:本文部分图例引自上述参考文献,在此一并感谢。)

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