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高家庄煤矿近距离煤层群瓦斯抽采技术优选研究

2025-03-08 12 上传者：管理员

摘要：为了提高近距离煤层群的瓦斯治理效果，实现近距离煤层群的联合瓦斯防治，通过对瓦斯抽采技术的优缺点进行层次化分析，综合评价某种瓦斯抽采技术的可用性，提出了效能、成本效益、安全性及可行性4个方面的评价指标来判断瓦斯抽采技术的优劣性，并层次化分析了各种抽采方案的适用性。结果表明：方案3在抽采过程中诱发事故的可能性较高，但是方案3具有人员设备投入成本较低，顺层钻孔有效进尺长，条带抽采效果更为显著的优点，同时可以有效解决矸石排放和矸石山堆积的问题。

关键词：
煤炭开采
瓦斯抽采技术
评价指标体系
近距离煤层群
高家庄煤矿
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我国煤炭开采逐渐转向深部开采过程中,煤层中瓦斯含量也逐年上升,这一现象在众多煤矿都得到证实,对矿井的安全性和高效开采能力造成严重影响[1-2]｡高家庄煤矿上组煤为近距离煤层群,因邻近煤层群的层间间距小,因此,煤层间将会遭受较大的开采影响,必须要实现联合防治｡在近距离煤层群条件下,瓦斯抽采技术受到地质条件,以及瓦斯赋存条件等诸多因素的限制,这导致了抽采工程量增加或者抽采效果不理想等问题;由于技术手段及装备水平的限制,选择什么样的瓦斯抽采技术,如何实现近距离煤层群的联合瓦斯防治,是亟待解决的问题[3-5]｡

近年来,我国的科研人员在近距离煤层群瓦斯抽采模式的研究中取得了显著进展｡钟耀华和谢文兵等[6]学者在理论分析的基础上,探讨了保护层开采过程中覆岩裂隙的分布与扩展规律,以及采空区内瓦斯的迁移规律｡基于上述研究成果,他们提出了一种无煤柱方式下的煤与瓦斯共采技术,这一方法能够有效地对相邻煤层群进行卸压处理｡与此同时,在对近距离煤层群联合布置工作面瓦斯来源进行研究的基础上,吴利忠应用煤层卸压原理,结合穿层钻孔和高位钻场等技术进行瓦斯的联合抽采,取得了显著的治理效果｡

高家庄煤矿上组煤瓦斯治理期间,需选择综合性强的瓦斯治理方法,通过构建瓦斯抽采技术评价指标体系,本文提出了一种分析框架,旨在评估近距离煤层群的瓦斯抽采技术的适用性,通过对常见的瓦斯抽采方法进行了筛选,并对其适应性进行详细的评估｡研究成果不仅实现了瓦斯抽采方法的分类与比较,还为高家庄煤矿优选有效的抽采技术提供了依据｡

1、工程概况

高家庄煤矿为近距离煤层群开采的高瓦斯矿井,一盘区南翼位于西翼轨道大巷以南,目前东､西､南部均为实体煤｡一盘区南翼划分为4个工作面,分别为2102工作面､2104工作面､2106工作面和2108工作面｡一盘区南翼沿2#煤层掘进,工作面均采用倾斜长壁布置,切眼长度240m｡2102工作面为一盘区南翼首采面,采用“两进一回”的Y型通风系统,回采前需形成两面三巷布置,2102工作面3条顺槽长度均为1700m｡一盘区南翼工作面2#煤层已超出原定的煤与瓦斯突出鉴定范围,因此,需依照突出煤层的管理要求,对该煤层采取综合防突措施以确保作业安全｡

2、近距离煤层群瓦斯抽采技术可用性评价指标体系

瓦斯抽采技术可用性评价是指针对某种瓦斯抽采技术的特点,对瓦斯抽采技术的优缺点进行层次化分析,某种瓦斯抽采技术的可用性在进行综合评估时,必须考虑多个因素,包括瓦斯抽采的效果和效率､相关投入情况､安全性,以及实施该方法所需的各项条件等｡基于此,本次评价提出效能､成本效益､安全性及可行性共4个方面的评价指标,用以判断瓦斯抽采技术的优劣｡煤矿瓦斯抽采技术评价指标体系如图1所示｡

图1煤矿瓦斯抽采技术评价指标体系

由图1可以看出,效能是指所研究抽采技术的抽采效果,而抽采效果则是评估瓦斯抽采的重要指标之一｡瓦斯的抽采纯量和抽采率在一定程度上能够反映不同瓦斯抽采技术的有益效果｡因此,“效能”的分析应从瓦斯抽采浓度和抽采率这2个关键指标入手｡

成本效益是指所研究瓦斯抽采技术的投入与维护费用,而抽采成本是选择瓦斯抽采方法及设计抽采工程时必须考虑的重要因素｡在抽采效果和安全性相同的前提下,成本效益成为评估瓦斯抽采方法可行性的关键指标｡成本效益的构成包括钻孔施工成本､井巷工程费用以及设备的运行与维护成本等｡因此,分析“成本效益”时,应从工程成本､设备成本和运营成本3个方面进行深入探讨｡

安全性是指在施工及抽采过程中,所研究的瓦斯抽采方法可能导致安全事故的风险｡瓦斯抽采作为一种关键的技术手段,能够有效防止瓦斯超限､瓦斯爆炸以及煤与瓦斯突出等事故的发生｡在抽采效果和成本效益相同的条件下,安全性则成为评估瓦斯抽采方法可行性的关键指标｡因此,在分析“安全性”时,应从施工过程中可能诱发事故的风险和抽采过程中可能引发事故的风险,这2个方面进行详细研究｡

可行性指的是所研究的抽采技术在矿井应用时的适应性程度｡瓦斯抽采技术通常受到多种因素的影响,包括煤岩层的物理和力学性质､煤层的开采技术条件､钻机的架设难度以及钻孔的布置方式等｡因此,在评估“可行性”时,应从施工的难易程度､对复杂地质条件的适应性以及对组织管理的要求,这3个方面进行深入分析｡

3、高家庄煤矿瓦斯抽采技术优选方案

一盘区南翼瓦斯治理总体思路已达成共识,流程如下:预抽煤巷条带煤层瓦斯区域措施→抽采达标→2条边巷掘进→预抽区段煤层瓦斯区域措施→抽采达标→中巷掘进→形成两面三巷｡

根据选取预抽煤巷条带煤层瓦斯区域措施的不同,具体可分为3个方案｡(根据地质勘探钻孔数据,该区域内2#､3#煤层间距小于10m,2#､4#煤层间距大于10m,2#煤层回采巷道施工前只需对2#､3#煤层瓦斯进行治理｡)

(1)方案1顶抽巷定向钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯

顶板瓦斯抽采巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯剖面图､平面图,如图2､图3所示｡

图2顶板瓦斯抽采巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯剖面图

图3顶板瓦斯抽采巷穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯平面图

从图2､图3可以看出:首采工作面采用顶抽巷定向钻孔预抽煤巷(2条边巷和切眼)条带煤层瓦斯及邻近层瓦斯,抽采达标(分段评判)后掘进,在2条边巷向工作面施工定向钻孔,对2#､3#煤层进行预抽,掩护中巷掘进,工作面形成后安装回采｡施工工序:掘顶抽巷→施工预抽条带定向钻孔→抽采达标→掘边巷→施工预抽区段定向钻孔→抽采达标→掘中巷→工作面形成｡

(2)方案2底抽巷定向钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯

首采工作面采用底抽巷穿层钻孔的方式,对边巷及切眼中的条带煤层瓦斯及邻近层瓦斯进行预抽,抽采达标(分段评判)后掘进,在2条边巷向工作面施工定向钻孔,对2#､3#煤层进行预抽,掩护中巷掘进,工作面形成后安装回采｡

施工工序:掘底抽巷→施工条带预抽穿层钻孔→抽采达标→掘边巷→施工区段预抽定向钻孔→抽采达标→掘中巷→工作面形成｡

(3)方案3定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯

在首采工作面采用定向长钻孔技术,对边巷及切眼中的条带煤层瓦斯及邻近层瓦斯进行预抽｡此过程通过递进式掩护煤巷的掘进实现｡在两侧边巷内,施工定向钻孔以对2#和3#煤层进行预抽采,进而为中巷的掘进提供保护｡待工作面形成后,随后进行回采设备的安装｡

施工工序:施工条带预抽定向钻孔→抽采→掘边巷→循环掘进→施工区段预抽定向钻孔→抽采→掘中巷→工作面形成｡

4、高家庄煤矿瓦斯抽采技术因素分析及抽采方案确定

(1)瓦斯抽采纯量

顶抽巷定向钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯(以下称方案1)施工下行穿层钻孔预抽条带部分效果不理想,易受孔内积水影响,瓦斯抽采纯量较低,不利于瓦斯的抽采,安全隐患较大;而底抽巷定向钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯(以下称方案2)施工上行穿层钻孔预抽条带效果较下行钻孔抽采效果好,但涉及穿过煤层较多,不利于瓦斯抽采纯量计量,在实际生产的过程中不利于计算瓦斯浓度,存在一定的安全隐患;相较于前2种方案,定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯(以下称方案3)虽然在施工较长时落差变大,容易受到孔内积水的影响,在施工时可能会使工程成本变高,但是能在保证瓦斯抽采纯量较高的同时,又能计量瓦斯抽采纯量,可以有效地保障煤矿生产的安全进行｡

(2)瓦斯抽采率

方案1和方案2在进行瓦斯抽采时,容易受到孔内积水的影响,造成瓦斯抽采率较低的问题,而方案3的瓦斯抽采率较下行钻孔较好,抽采率随孔长呈衰减趋势,并且由于施工钻孔穿过的煤层较多,不利于抽采率的分组计算｡

(3)工程成本

方案1在施工时总施工长度达308835m,其中顶抽巷4035m,定向钻孔304800m(预抽条带钻孔103200m､预抽区段钻孔201600m);方案2施工总长度达413635m,其中底抽巷4035m,钻孔409600m(穿层钻孔208000m､定向钻孔201600m);方案3无需额外施工巷道,需施工钻孔295200m(预抽条带钻孔93600m､预抽区段钻孔201600m)｡综合比较方案3施工长度远低于方案1和方案2,因此,在工程成本上也远低于方案1和方案2｡

(4)设备成本

方案1和方案2需要额外增加4台定向钻机,方案2还需要增加2台普通钻机｡相较于方案1和方案2,方案3只需要额外增加2台定向钻机,设备成本上也远低于前2种方案｡

(5)运营成本

方案1在施工时需要运行钻机4台,72名操作人员操作;方案2在施工时需要运行钻机6台,操作人员96名;方案3在施工时需要运行钻机2台,48名操作人员｡在施工时,运行钻机越多,操作人员越多,施工费和维护费用也越多,经分析,方案3的运营成本也低于前2种方案｡

(6)施工过程中诱发事故的危险性

方案1初始见煤点为2#煤层;瓦斯压力较大,钻孔施工方向与瓦斯运移方向相反,施工过程容易发生顶钻､喷孔等现象;方案2初始见煤点为5#煤层;瓦斯压力较2#煤层小,钻孔施工方向与瓦斯运移方向相同,施工过程发生顶钻､喷孔等现象比方案1较轻;方案3初始见煤点为2#煤层;瓦斯压力较大,钻孔施工方向与瓦斯运移方向相反,钻孔施工长度较长,施工后期出现顶钻､喷孔等现象,难度较大｡

(7)抽采过程诱发事故

方案1､方案2在施工过程中均有大于10m的岩柱掩护,保证钻孔施工期间的安全屏障,但方案3则是直接在煤层中开孔施工定向钻孔,安全系数较低,同时又被地方政府认定为“拼刺刀”的风险,因此在抽采过程发生危险的概率也大于前2种方案｡

(8)施工难易程度

方案1施工下行钻孔排水､排渣工艺较为复杂;初始见煤点为2#煤层,2#煤层瓦斯压力较大,容易出现顶钻､喷孔等问题;方案2施工上行钻孔排水､排渣工艺较为简单;初始见煤点为5#煤层,瓦斯压力较施工下行钻孔小,顶钻､喷孔问题较下行钻孔轻;施工角度为下行钻孔,排水､排渣工艺较为复杂;施工位置为2#煤层,2#煤层瓦斯压力较大,容易出现顶钻､喷孔等问题｡相比之下方案2的施工难度更小｡

(9)对复杂地质条件的可行性

方案1上组煤2#煤层瓦斯压力较其他煤层更大,顶钻､喷孔问题最为严重,对地质条件的可行性较差;方案2瓦斯较空气质量轻,由下向上施工钻孔时,瓦斯运移方向与钻孔施工方向相同,不易发生顶钻等现象,对地质条件的可行性较好;方案3上组煤2#煤层瓦斯压力较其他煤层更大,顶钻､喷孔问题最为严重｡

(10)组织管理的要求

若采用方案1,需增加相应的操作人员72人(不含机电维修工和管路工);若采用方案2,需增加相应的操作人员96人(不含机电维修工和管路工);而采用方案3,需增加相应的操作人员48人(不含机电维修工和管路工),因此,采用方案3对组织管理的要求较低｡

综上所述:方案3在抽采过程中诱发事故的可能性相较于方案1和方案2较高,且施工难度也较大,但是,方案3具有定向钻机需求量小,顺层钻孔有效进尺长,条带抽采效果更为显著的优点,同时,由于直接在煤层中开孔施工定向钻孔,可以有效解决矸石排放和矸石山堆积的问题;其次,方案3在人员､设备等方面投入成本较低,鉴于大巷以北采用此方法后,采用效果检验､达标评判､区域验证等措施后,可以有效保障工作面正常掘进,因此优先考虑方案3作为南翼瓦斯治理方案｡通过定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯来实现掘进巷道的目的,同时配合定向长钻孔递进式治理煤层瓦斯的治理方案实现区域消突｡

5、结语

(1)高家庄煤矿上组煤为近距离煤层群,煤层间距小,煤层间相互影响大,通过层次化分析瓦斯抽采技术的优缺点,提出了效能､成本效益､安全性及可行性4个评价指标,用于判断瓦斯抽采技术的优劣性,进而实现联合防治瓦斯灾害｡

(2)定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯,虽然在抽采过程中诱发事故的可能性较高,但具有人员设备投入成本较低､顺层钻孔有效进尺长､条带抽采效果显著等优点,并能有效解决矸石排放和矸石山堆积问题,因此作为本次矿井南翼瓦斯治理的首选方案｡

(3)通过定向长钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯,以实现掘进巷道的目的,并配合递进式治理煤层瓦斯的治理方案,以达到南翼深部区域瓦斯消突的目的｡

参考文献:

[1]刘东,李润芝.近距离煤层群“三区联动”全方位瓦斯治理技术研究[J].能源技术与管理,2022,47(6):24-25,81.

[2]李德参,何有巨.高抽巷和斜切钻孔联合抽采上隅角瓦斯技术[J].煤炭科学技术,2018,46(S2):122-125.

[3]陈云.吕梁矿区近距离煤层群下邻近层瓦斯抽采方法研究[J].煤炭工程,2018,50(6):78-80,84.

[4]赵斌.近距离煤层联合开采瓦斯综合治理技术研究[J].山东煤炭科技,2023,41(4):106-108.

[5]张育磊.高瓦斯煤层群顶板定向长钻孔抽采技术研究[J].矿业安全与环保,2022,49(1):59-64.

[6]钟耀华,谢文兵,谢小平,等.薄煤层保护层无煤柱煤与瓦斯共采技术研究[J].煤炭工程,2014,46(2):9-11,14.

文章来源:刘义孟,李润芝,白付干,等.高家庄煤矿近距离煤层群瓦斯抽采技术优选研究[J].煤炭技术,2025,44(03):171-174.