瓦斯精细化治理与多源协同抽采技术

文摘 2024-11-13 22:00 北京

导

读

深部煤炭开采过程中, 煤层瓦斯含量、压力、浓度等参数随开采环境而发生变化, 导致瓦斯灾害事故频发, 因此对瓦斯灾害治理过程中的专项组织机构、管理策略、防治手段提出了较高的要求。

为从宏观管理层面调控瓦斯灾害治理过程中的复杂环节, 实现时空协同精准化的瓦斯综合治理的目标, 基于精细化管理理论与协同化治理原则, 构建了瓦斯精细—协同治理模型, 形成了以瓦斯基本参数及赋存规律、工作面瓦斯协同化预抽、工作面瓦斯协同化治理、抽采效果综合评价四大部分为主的瓦斯精细—协同治理体系。

瓦斯精细—协同治理体系

瓦斯精细—协同治理模型

瓦斯精细—协同治理模式是对现阶段煤矿瓦斯灾害治理在管理方法与管理手段的细化, 其凭借抽象化、系统化、精细化的管理思想, 形成一套从基本参数到大体工程、从治理手段到现场实践的全过程管理体系。瓦斯精细—协同治理模型如图1所示。

图1 瓦斯精细—协同治理模型

瓦斯精细—协同治理模型在卸压瓦斯灾害治理上的实施依赖于信息科技发展的成果, 凭借智能技术、大数据物联网、5G技术等科技手段作为系统建立的支柱, 在技术的选择上更具适配性, 在方法的应用上更具安全性, 在效果的考察上更具经济性, 实现瓦斯灾害治理系统从细节到整体的有精有粗、有方案的多层次管理。

瓦斯精细—协同治理体系框架

图2 瓦斯精细—协同治理体系框架模型

瓦斯精细—协同治理体系由四部分构成:瓦斯基本参数及赋存规律、工作面瓦斯协同化预抽、工作面瓦斯协同化治理、抽采效果综合评价。

1)瓦斯基本参数及赋存规律是通过充分掌握煤层瓦斯赋存特征、含量等基本参数,实现瓦斯赋存规律的透明化,精准掌握瓦斯地质赋存规律,为抽采参数及协同化抽采方案设计提供基础数据。

2)工作面瓦斯协同化预抽是在瓦斯基础参数研究的基础上探查瓦斯含量分布规律,实现采前预抽的必要性与可行性分析,对于需要预抽的情况制订协同化的布置方案,减少钻孔的施工成本。

3)工作面瓦斯协同化治理是针对性制订瓦斯治理方案,分析现场瓦斯涌出及运移规律,根据现场的地质条件,形成巷道抽采、定向钻孔抽采、高位钻孔抽采、本煤层抽采等技术的时空协同治理方案。

4)抽采效果综合评价是针对瓦斯治理方案的治理效果进行评价,进而优化施工设计参数,实现工作面瓦斯治理的专项化设计,建立回采工作面卸压瓦斯的专项治理技术流程。

试验工作面概况

石泉煤业30103工作面开采3号煤层, 为近水平煤层(倾角6°), 其平均厚度为5.7m, 工作面走向长度827m, 倾斜长度180m, 总推进长度为350m。煤层中下部常夹有1~2层泥岩或炭质泥岩, 上部偶含1层泥岩夹石, 煤层赋存稳定, 节理裂隙发育。直接顶为厚2.5m的砂质泥岩; 基本顶厚度15m, 以砂质泥岩和细粒砂岩为主。

实测30103工作面煤层瓦斯含量为7.65~13.10m³/t, 瓦斯压力为0.55MPa, 煤层透气性系数为5.39m²/(MPa²·d), 属于可抽采煤层。存在瓦斯涌出量大、抽采方案设计复杂、抽采效果不佳等问题, 使现场的瓦斯治理工作与综合管理工作无法同时有效开展。

工作面瓦斯协同化治理方案

工作面瓦斯协同化治理由瓦斯涌出规律分析、瓦斯运移规律分析、瓦斯防治技术三部分组成。秉持“一面一策”的精细化治理原则, 协同化治理方案如下:

瓦斯涌出规律分析

针对30103工作面的实际情况, 通过大量实测数据研究了生产工序、工作面推进进度、大气压力变化对瓦斯涌出的影响, 结果如图3所示。

图3 30103工作面瓦斯涌出规律分析

30103工作面煤层瓦斯涌出强度随着时间的延长呈衰减趋势, 即在煤壁暴露的初期, 其瓦斯涌出量最大, 在工作面推进150m内瓦斯涌出量为28.0~35.5m³/min, 在工作面推进150~230m内, 瓦斯涌出量为15.0~20.6m³/min。瓦斯涌出量特征与瓦斯含量赋存的埋深特征相符; 且随着工作面预抽时间的增加及推进距离的增大, 原煤瓦斯含量及残余瓦斯含量降低, 使30103工作面瓦斯涌出量出现下降趋势。

瓦斯运移规律分析

通过FLAC3D模拟软件模拟分析石泉煤业30103工作面上部岩层塑性区分布规律,为高位钻孔的参数设计提供依据。数值模拟模型及模拟结果如图4所示。

图4 FLAC3D数值模拟模型及模拟结果

由图4可见,工作面覆岩塑性区分布范围逐渐增大,且发育高度在35~43 m。工作面覆岩塑性区发育顺序由工作面中部向工作面上部逐渐发育,且在覆岩21~24 m内塑性区超前工作面15 m分布。工作面在回采60~80 m内,垮落带高度为16~21 m,工作面断裂带高度为21~43 m。

瓦斯防治技术

针对30103工作面瓦斯状况, 采用预抽强化技术、高压水致裂技术、高位钻孔抽采技术的综合协同化治理技术体系, 具体布置参数如表1所示。

表1 综合化协同治理布置参数

综合治理效果分析

安全效益分析

为分析瓦斯精细—协同治理技术效果, 对比了常规瓦斯治理技术体系下的30102工作面, 对比结果如表2所示。

表2 安全效益分析

由表2可见, 30103工作面本煤层预抽时间仅为75d, 远小于30102工作面本煤层预抽时间120d; 30103工作面上隅角瓦斯报警次数及影响进度远少于30102工作面, 30103工作面上隅角瓦斯浓度超限累计报警次数为3次, 累计影响进度6.4m, 相较于30102工作面上隅角瓦斯报警次数减少了24次, 影响进度减少了52.2m。

经济效益分析

与30102工作面采用的常规瓦斯治理技术体系相比, 30103工作面采取瓦斯精细—协同治理的管理模式后, 经济效益显著。合理利用现有技术, 取消了工作面采空区埋管抽采及上隅角插管抽采, 减少了本煤层预抽钻孔布置, 缩短了工作面回采工期, 共节省资金728.6万元。

结语

1)构建了瓦斯精细—协同治理模型, 形成了以瓦斯基本参数及赋存规律、工作面瓦斯协同化预抽、工作面瓦斯协同化治理、抽采效果综合评价四大部分为主的精细化瓦斯管理体系。

2)分析了瓦斯精细—协同治理体系各部分的技术内涵, 明确了关键技术的细节要求, 并在石泉煤业30103工作面进行了现场实践。

3)从管理层面上采用瓦斯精细—协同治理模型, 有效提高了瓦斯抽采效率, 达到了“降本增效”的发展目标。

推文来源

尚林伟,孙宝强.瓦斯精细化治理与多源协同抽采技术的应用研究[J].矿业安全与环保,2023,50(04):135-141.

参考文献

[1]袁亮, 张平松. 煤矿透明地质模型动态重构的关键技术与路径思考[J]. 煤炭学报, 2023, 48(1): 1-14.

[2]张书林, 杨建, 舒龙勇. 煤矿瓦斯治理动态工作流构建方法研究[J]. 工矿自动化, 2022, 48(10): 97-106.

作者丨张凯重庆大学

审核丨赵昱龙重庆大学

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