高效!保护层与被保护层瓦斯协同抽采技术!

文摘   2024-10-16 22:00   重庆  

针对深部低透突出煤层群下保护层开采后上覆被保护层卸压瓦斯及下保护层瓦斯协同抽采的难题, 新景矿采用地面井预抽+高(低)位抽采巷实现了被保护层卸压瓦斯及上隅角瓦斯的协同抽采。综合应用机械造穴、地面井压裂等增透措施, 提高了新景矿15号煤层抽采效率。

增透前后支管抽采瓦斯纯流量提高了2.27倍, 缩短了保护层工作面预抽瓦斯的达标时间; 通过对比15号煤层开采前后3号、8号及9号被保护层的卸压瓦斯地面井抽采瓦斯纯流量提高了1.85倍, 实现了保护层与被保护层瓦斯的协同抽采, 开采突出煤层群做到安全可控, 对阳泉矿区煤层群安全高效开采具有重要的参考意义。


矿井概况

沁水煤田位于山西省中南部, 属华北石炭二叠系煤系, 是我国最大的煤层气和无烟煤生产基地阳泉矿区位于沁水煤田的西北部, 区内地形较复杂, 西部寿阳区、南部和顺区以剥蚀低山丘陵为主, 中部盂县、阳泉、昔阳一带以剥蚀中—低山为主; 总趋势为西高东低、南高北低, 相对高差近千米。矿区总体构造为单斜构造, 区内断层不发育, 但环状陷落柱构造特别发育。含煤地层为石炭—二叠系的太原组和山西组, 煤层发育。

新景矿批准生产规模5.80Mt/a, 批准井田面积为64.7477km2, 核定生产能力为4.50Mt/a。井田位于阳泉矿区大规模单斜构造的西部, 即太行山背斜西翼、寿阳向斜东翼, 属于沁水煤田的东北部分。煤层赋存呈东北部高而西南部低的态势, 倾角一般为6°~10°。新景矿共划分2个水平4个分区, 主要可采煤层有3、8、9、15号煤层, 均为突出煤层。

技术应用背景

新景矿突出煤层群开采, 4个分区主要采取的区域瓦斯治理措施有: 保护层开采地面井抽采, 定向钻孔、穿层钻孔预抽煤巷条带瓦斯等。

由于矿井建设时间较早, 芦北分区、芦南分区、保安分区开拓系统早已形成, 针对矿井各分区实际情况, 实行各分区差异化瓦斯多源抽采, 实现分区治理。芦北分区、芦南分区、保安分区以3号煤层作为上保护层进行卸压开采。

结合矿井实际情况, 选取最具有代表性的佛洼分区瓦斯多源抽采模式进行探索研究。

保护层开采及卸压瓦斯抽采

由于佛洼分区15号煤层是突出危险性最弱的煤层, 故选择该煤层作为下保护层开采。开采15号煤层作为下保护层可以依次保护到上部3、8、9号煤层, 确定开采顺序为15煤组→3煤组→8/9煤组。

佛洼分区地面压裂井实施地点在佛洼分区15号煤15132工作面。先利用地面压裂井压裂预抽, 累计产气量410万m3。单井压裂水量达2000m3以上, 压砂量为40m3以上, 属于采前预抽。地面井压裂影响区域巷道掘进期间实拍图如图1所示。


图1 地面井压裂影响区域巷道掘进期间

实拍图


在工作面回采过程中, 15号煤层作为保护层开采, 上覆被保护层充分卸压, 同时利用地面井作为被保护层卸压瓦斯抽采方式, 实现被保护层的卸压瓦斯抽采

保护层瓦斯抽采

抽采参数分析

佛洼分区选取15号煤层作为下保护层开采, 其他煤层均未开采。对于15号煤层主要通过穿层钻孔及造穴增透进行消突工作。

佛洼分区15号煤层顶、底(板)岩巷穿层钻孔造穴增透预抽措施如图2所示, 本煤层钻孔抽采回采工作面顺层预抽钻孔措施如图3所示。进风巷采用底抽巷穿层钻孔造穴增透条带预抽措施; 回风巷采用低位抽采巷下向穿层钻孔造穴增透条带预抽措施, 要求穿层钻孔预抽始终超前煤巷掘进300m以上, 实现连续掘进。


图2 15号煤层顶、底(板)岩巷穿层钻孔造穴

增透预抽措施图



图3 15号煤层回采工作面顺层预抽钻孔

措施图


佛洼分区首采工作面为15121工作面, 在佛洼15121回风底抽巷采用穿层钻孔预抽措施超前保护掘进巷道, 共施工完成311组, 累计施工2177个钻孔, 钻孔工程量为6.8万m, 总抽采量316.05万m3。巷道已顺利施工完毕, 掘进期间未出现瓦斯异常及动力现象。

在佛洼15124低位抽采巷施工下向穿层造穴钻孔, 作为15124回风巷掘进期间区域防突措施。设计钻孔570组, 现已施工231组。抽采支管瓦斯浓度(甲烷体积分数, 下同)为28%, 混合流量为15.10m3/min, 纯流量为4.23m3/min, 日抽采量为6091.20m3, 累计抽采量254.95万m3。对比造穴前抽采支管纯流量1.86m3/min, 瓦斯抽采量变为原来的2.27倍。

目前15124回风巷已掘进866m, 掘进工作面穿层钻孔144组, 穿层钻孔超前回风巷掘进巷道440m。掘进期间未出现瓦斯异常及动力现象。下行穿层造穴钻孔施工现场及抽采设备如图4所示。


图4 下向穿层造穴钻孔施工现场及抽采设备实物图


同时为了解决生产中上隅角瓦斯超限问题, 在15号煤层布置顶板低位抽采巷进行抽采, 示意图如图5所示。


图5 回采工作面顶板低位抽采巷抽采

示意图


15号煤层回采工作面开采强度大, 工作面回采时邻近层(11、12、13号煤层及K2、K3灰岩)的卸压瓦斯将向本煤层工作面大量涌出。由矿井煤层及瓦斯赋存条件可知, 邻近层瓦斯含量较高。在15号煤层开采时, 预计有大量的邻近层卸压瓦斯涌向回采工作面, 必须对这部分卸压瓦斯进行抽采, 顶板高位抽采巷布置示意图如图6所示。


图6 回采工作面顶板高位抽采巷布置示意图


在回采期间, 顶板低位抽采巷抽采瓦斯纯流量达12.13m3/min, 顶板高位抽采巷回采期间抽采瓦斯纯流量达78.71m3/min。回采期间未出现瓦斯异常现象。保护层开采前后地面井卸压瓦斯抽采数据对比如图7所示。


图7 保护层开采前后地面井瓦斯抽采

数据对比


由图7可知, 开采保护层后地面井卸压瓦斯纯流量得到大幅度提高。保护层开采前, 地面井平均抽采瓦斯纯流量为851m3/d, 保护层开采后地面井平均抽采瓦斯纯流量为1576m3/d, 保护层开采后抽采瓦斯纯流量是保护层开采前的1.85倍。

结语

1)新景矿采用“地面井预抽+高(低)位抽采巷”等大区域综合协同瓦斯抽采治理措施, 同时采用地面井压裂、机械造穴等增透措施提高抽采效率, 瓦斯抽采量达到原来的2.27倍。能够解决佛洼分区大区域突出煤层群瓦斯治理问题。

2)新景矿通过地面井对保护层超前预抽, 结合回采期间通过保护层创造新生裂隙, 利用地面井对被保护层进行协同抽采, 卸压瓦斯的平均纯流量是保护层开采前的1.85倍。在回采期间利用高、低位抽采巷对本煤层及邻近层涌出瓦斯进行统筹抽采, 实现了安全高效回采。



推文来源

张兆一.保护层开采与卸压瓦斯协同抽采技术研究与应用[J].矿业安全与环保,2024,51(04):74-79.DOI:10.19835/j.issn.1008-4495.20230632.



参考文献

[1]缑金洪伟, 马硕, 徐刚, 等. 基于量纲分析讨论煤与瓦斯突出的影响因素[J]. 矿业安全与环保, 2023, 50(1): 109-114.

[2]薛俊华, 肖健, 杜轩宏, 等. 我国煤矿保护层开采卸压瓦斯抽采现状及发展趋势[J]. 煤田地质与勘探, 2023, 51(6): 50-61.


 作者丨      张   凯            重庆大学

 审核丨      赵昱龙            重庆大学


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