煤與瓦斯(CO2油氣)突出防治措施

宋元文1,楊云峰2

(1.蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院,甘肅蘭州730000;2.窯街煤電公司通滅部,甘肅蘭州730084)

摘　要:煤與CO2、油氣突出在國(guó)內(nèi)比較罕見(jiàn),窯街煤電公司海石灣礦借鑒煤與瓦斯突出的防治技術(shù),采取以抽放為主的防突措施,取得了一定的成效。在介紹該礦突出防治措施的基礎(chǔ)上,分析了制約安全生產(chǎn)的有關(guān)問(wèn)題,提出了進(jìn)一步加強(qiáng)安全生產(chǎn)的技術(shù)途徑。

關(guān)鍵詞:煤;CO2;油氣;突出;防治

中圖分類號(hào):TD713　　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:B　　　文章編號(hào):1003-496X(2006)06-0017-03

1　礦井概況

海石灣煤礦是按照低瓦斯礦井設(shè)計(jì)的“一井一區(qū)一面”年產(chǎn)150萬(wàn)t的新建礦井。由于礦井在建井期間及其鄰近礦在歷史上曾多次發(fā)生過(guò)動(dòng)力異?，F(xiàn)象,實(shí)際揭煤后經(jīng)測(cè)定瓦斯含量為22.59 m3/t,甘肅省煤炭工業(yè)局以“甘煤(2002)151號(hào)”文批復(fù)海石灣礦井為“煤與瓦斯(CO2、油氣)突出礦井”。

礦井開采深度大(700 m),地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,井田含煤地層煤、氣(CO2、CH4、C2-5等重?zé)N)、石油共生。井田含油氣巖層共6層,其中主要含油氣巖層呈不連續(xù)片狀結(jié)構(gòu),無(wú)工業(yè)開采價(jià)值。井田內(nèi)含煤地層為中生代中侏羅統(tǒng)窯街群第二巖組,共含煤6層,可采煤層有煤一層和煤二層。煤一層位于窯街群第二巖組的頂部,厚0~11.79 m,平均厚4.14 m,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,井田內(nèi)廣泛分布,較穩(wěn)定;煤二層位于窯街群第二巖組的中部,平均間距達(dá)20 m,厚0.71~59.28 m,平均厚19.61 m,在井田內(nèi)普遍分布,較穩(wěn)定。煤一層為高灰、低發(fā)熱量的腐泥煤,設(shè)計(jì)不開采,主采煤層為煤二層。礦井目前只開采煤二層,開拓了一個(gè)采區(qū)。

煤層瓦斯解吸、放散能力較差,硬度較大,局部存在軟分層。透氣性系數(shù)9.76×10-2MPa2·d,百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)0.34×0.61 d-1,煤層瓦斯壓力在6.5~7.3 MPa,屬較難和不易抽放煤層。目前,礦井的絕對(duì)瓦斯涌出量16.69 m3/min,相對(duì)瓦斯涌出量36.03 m3/t。煤層自燃傾向等級(jí)為Ⅲ級(jí),是不自燃和不易自燃煤層,最短發(fā)火期為117 d。煤塵具有爆炸性,爆炸指數(shù)為34.03%。

6121(Ⅰ)-1首采工作面采用走向長(zhǎng)壁傾斜分層全部垮落法后退式開采。接續(xù)工作面(6121(Ⅰ)

-2)擬采用綜采放頂煤采煤法,頂煤處理采用深孔預(yù)裂爆破技術(shù)。

2　防治措施

2.1　抽放瓦斯

抽放系統(tǒng)是按年產(chǎn)量150萬(wàn)t設(shè)計(jì)的,共安裝2臺(tái)2BEC60型真空泵,設(shè)計(jì)抽氣量245 m3/min,真空度-80 kPa。抽放主干管路選用直徑600 mm玻璃鋼管,經(jīng)風(fēng)井與井下直徑400 mm、200 mm、159 mm的支管相連接形成抽放網(wǎng)絡(luò)。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,礦井抽放負(fù)壓為-50 kPa,抽放量為48.6 m3/ min,抽放瓦斯?jié)舛?CH4、CO2)30%左右,純瓦斯量為14.6m3/min,抽放富余系數(shù)為5.0。礦井預(yù)計(jì)瓦斯儲(chǔ)量為815 220萬(wàn)m3,設(shè)計(jì)抽放率150萬(wàn)t/a時(shí)為65.53%,在90萬(wàn)t/a時(shí)為42.6%。目前動(dòng)用塊段的抽放率為30.6%。采用的瓦斯抽放方法是根據(jù)礦井煤層賦存情況和瓦斯來(lái)源及壓力分布、油氣賦存規(guī)律,結(jié)合井下采煤方法及頂板管理措施等條件選用綜合抽放法,即在一個(gè)工作面同時(shí)采用多種方法抽放瓦斯。遵循原則:以抽為主,抽排結(jié)合,邊采邊抽,采中隨抽,采后復(fù)抽。在抽放瓦斯的同時(shí),視頂板油氣層的壓力情況,進(jìn)行油氣的探、放、抽等工作。

首采面在煤層底板布置2條巖石中巷,通過(guò)巖石中巷施工穿層鉆孔,如圖1。采用穿層鉆孔抽放時(shí),控制掘進(jìn)條帶穿層鉆孔開孔間距0.8~1.0 m,孔底沿煤層走向、傾斜方向的間距為6 m,沿傾斜方向共布置5個(gè)鉆孔,在斷層兩邊各20 m的范圍的所有鉆場(chǎng)均增加6個(gè)鉆孔,孔底沿走向和傾斜方向的間距分別為6 m、5 m。采煤工作面的網(wǎng)格穿層鉆孔沿走向和傾斜方向孔底間距為10 m×12 m,開孔間距為0.8~1.0 m。首采工作面施工穿層鉆孔總長(zhǎng)度為90 656 m,噸煤施工鉆孔0.9 m,施工底板巖巷1106 m。

　　抽放封孔工藝為水泥砂漿封孔,巖孔封孔深度不小于3 m,煤孔封孔深度不小于5 m。封孔時(shí)采用SKFB封孔泵機(jī)械封孔,孔內(nèi)下不小于6 m的鋼管,鋼管末端采用花眼布置,有利于氣體抽放。

2.2　防突措施

2.2.1　石門揭煤

(1)石門揭煤前編制石門揭煤方案經(jīng)煤電公司批準(zhǔn)后實(shí)施。石門揭煤時(shí)在距煤層底板法線距5m,打4~5個(gè)探孔,準(zhǔn)確探明煤層頂?shù)装搴兔簩淤x存狀況,防止誤穿煤層,確保放炮揭開煤層前巖柱距離不小于2 m。

(2)在上山石門工作面距煤層底板法線距為3m時(shí),采用鉆屑量、鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1值、鉆孔瓦斯涌出初速度以及其衰減系數(shù)Cq指標(biāo)進(jìn)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè),并結(jié)合瓦斯抽出率、瓦斯突出預(yù)兆等綜合分析突出危險(xiǎn)性,若無(wú)突出危險(xiǎn)則掘進(jìn)到距煤層垂距2 m處。

(3)揭開煤層。石門工作面距煤層垂距2 m時(shí),先刷斜面(臺(tái)階式),然后布置密集炮眼,減少單孔裝藥量,全斷面一次起爆,進(jìn)入煤層的深度不少于1.3m。

2.2.2　煤巷掘進(jìn)

(1)順層前探鉆孔。如圖2,在煤巷掘進(jìn)過(guò)程中,首先在煤巷安排3個(gè)順層頂部前探鉆孔。鉆孔孔徑75~92 mm,長(zhǎng)度為51 m,鉆孔終孔位于巷道左右兩幫各10 m、底3 m。對(duì)前方地質(zhì)及瓦斯情況進(jìn)行探測(cè),如果前探鉆孔施工過(guò)程中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象,可掘進(jìn)40 m,留10 m的安全煤柱。如果施工過(guò)程中出現(xiàn)夾鉆、頂鉆、噴孔、出水。鉆屑量增加等現(xiàn)象,可判斷前方煤體存在異常,根據(jù)瓦斯動(dòng)力情況采取相應(yīng)的排放措施。

(2)防突預(yù)測(cè)。如圖3,在煤巷工作面布置2排預(yù)測(cè)孔,每排3~5個(gè)鉆孔?？讖涧?st1:chmetcnv w:st="on" TCSC="0" NumberType="1" Negative="False" HasSpace="True" SourceValue="40" UnitName="mm">40 mm,孔深8~10 m。鉆孔盡量布置在軟分層中,其中一個(gè)孔位于中部,與掘進(jìn)方向一致,終孔位于巷道輪廓線外3m。預(yù)測(cè)孔采用1.2 kW煤電鉆施工。鉆孔從第2 m開始,每進(jìn)1 m測(cè)定一次鉆屑量(△S),鉆孔瓦斯涌出初速度q及其衰減系數(shù)Cq,每2 m測(cè)定一次鉆屑瓦斯解吸指標(biāo)K1。打鉆控制在1 m/min左右,鉆進(jìn)到規(guī)定位置后,用專用封孔器封孔,測(cè)定q的測(cè)定室長(zhǎng)度為1 m,打完鉆后測(cè)定q的時(shí)間不超過(guò)2min,鉆屑量的測(cè)定儀器為彈簧稱,K1的測(cè)定儀器為WTC瓦斯突出參數(shù)預(yù)測(cè)儀。當(dāng)鉆屑量<7 kg/m,K1<0.6 mL/(g·min1/2),q<4.5 mL/min時(shí),預(yù)測(cè)為無(wú)突出危險(xiǎn)性掘進(jìn)工作面。這時(shí)留3 m的預(yù)測(cè)超前距,掘進(jìn)7 m。有突出危險(xiǎn)時(shí)則采取相應(yīng)的防突措施,采取措施后,再進(jìn)行效果檢驗(yàn),證明采取的措施效果有效后,留5 m的安全煤柱進(jìn)行掘進(jìn),在地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜帶,保留6 m的安全超前距。

　　(3)小直徑密集排放鉆孔措施。當(dāng)掘進(jìn)工作面預(yù)測(cè)為有突出危險(xiǎn)時(shí),則要實(shí)施小直徑密集排放鉆孔措施對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行排放。

2.2.3　采煤工作面的防突措施

采煤工作面的防突措施和掘進(jìn)工作面所采取的措施基本相似,在采煤工作面傾斜方向上每隔10m,布置一個(gè)預(yù)測(cè)鉆孔,有頂煤時(shí),布置頂煤預(yù)測(cè)孔,預(yù)測(cè)孔孔深10 m,預(yù)測(cè)方法與掘進(jìn)相同,當(dāng)預(yù)測(cè)正常后,允采7 m,留3 m的安全距離,不正常時(shí)采取排放措施。在突出威脅區(qū),連續(xù)2次預(yù)測(cè)正常,則允采30 m。

3　存在的問(wèn)題

通過(guò)以上防突技術(shù),海石灣礦井在生產(chǎn)過(guò)程中,未發(fā)生任何瓦斯事故。但是,在生產(chǎn)工程中,還存在如下一些制約安全生產(chǎn)的問(wèn)題。

(1)經(jīng)管采取了一系列防治瓦斯的措施,但由于含煤地層瓦斯含量高,加之因采取防突措施,工作面推進(jìn)速度慢,以至于工作面上隅角及回風(fēng)巷瓦斯超限較為嚴(yán)重。預(yù)計(jì)隨著放頂煤工作面的投產(chǎn),礦井產(chǎn)量的逐年提高,這一問(wèn)題將會(huì)更加突出。

(2)海石灣礦井是按照低瓦斯礦井設(shè)計(jì)的一井一區(qū)一面生產(chǎn),年產(chǎn)150萬(wàn)t的礦井。礦井的生產(chǎn)及通風(fēng)安全系統(tǒng)隨著產(chǎn)量的擴(kuò)大難以滿足安全生產(chǎn)的需要,需要進(jìn)行改造。目前的開采布局生產(chǎn)過(guò)于集中,一是不利于瓦斯治理;二是生產(chǎn)接續(xù)緊張。

(3)在抽放方面還存在如下問(wèn)題:底板巖石中巷+穿層鉆孔的方法達(dá)到了瓦斯治理的目的,但費(fèi)用較高,也不能很好地解決工作面回采時(shí)上隅角瓦斯問(wèn)題。

4　解決思路

在堅(jiān)持現(xiàn)有防突措施的同時(shí),建議采取以下措施,以解決目前存在的問(wèn)題。

(1)分區(qū)開采。應(yīng)積極考慮對(duì)礦井的開拓及通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行改造,以滿足礦井持續(xù)發(fā)展的需要。將回采工作面和準(zhǔn)備工作面分別布置在兩個(gè)采區(qū),合理的安排好采掘接續(xù),以解決瓦斯治理和生產(chǎn)接續(xù)緊張的問(wèn)題。

(2)工作面采用“W”型通風(fēng)系統(tǒng)。在采煤工作面內(nèi)錯(cuò)回風(fēng)順槽頂部施工一條高位瓦斯排放巷,以利于解決工作面上段的瓦斯問(wèn)題。

(3)采前預(yù)抽。取消底板巖石中巷改穿層鉆孔抽放為順層鉆孔抽放,邊抽邊掘,順層鉆孔的布置是根據(jù)煤層的厚度、硬度、孔口抽放負(fù)壓和抽放時(shí)間等參數(shù),確定順層鉆孔的抽放半徑,從而確定布孔參數(shù)。

(4)開采保護(hù)層。礦井原設(shè)計(jì)為低瓦斯礦井,主采煤層為煤二層,煤一層為高灰、低發(fā)熱量的腐泥煤,設(shè)計(jì)不開采。鑒于礦井實(shí)屬“煤與瓦斯(CO2、油氣)突出礦井”,從煤層賦存情況來(lái)看,煤二層具備開采保護(hù)層條件。建議對(duì)煤一層瓦斯賦存情況及保護(hù)參數(shù)進(jìn)行科研,開采保護(hù)層。

參考文獻(xiàn):

[1]　張國(guó)樞.通風(fēng)安全學(xué)[M].徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,2000.

[2]　俞啟香.礦井瓦斯防治[M] .徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社,1990.

　　作者簡(jiǎn)介:宋元文(1964-),男,副教授,自1999年以來(lái),先后在國(guó)內(nèi)有關(guān)刊物發(fā)表論文9篇。

·國(guó)外煤礦安全信息·

РХ—90Т呼吸器———保護(hù)礦山救護(hù)隊(duì)員呼吸器官的新器具在充滿瓦斯的空氣中進(jìn)行事故救護(hù)作業(yè)時(shí),在烏克蘭和各主要產(chǎn)煤國(guó)家都使用壓縮氧和化學(xué)氧呼吸器保護(hù)救護(hù)隊(duì)員的呼吸器官。在烏克蘭采用Р—34和Р—30呼吸器,在俄羅斯采用РХ—90Т,在德國(guó)采用Tramix、BG—4。壓縮氧和化學(xué)生氧呼吸器各有優(yōu)缺點(diǎn)。為了克服化學(xué)氧呼吸器的缺點(diǎn),俄羅斯唐波夫化工科學(xué)技術(shù)研究院研制成РХ—90Т呼吸器。該呼吸器是由2個(gè)再生筒的隔離式呼吸裝置構(gòu)成,是循環(huán)結(jié)構(gòu)的呼吸系統(tǒng)。保護(hù)作用時(shí)間不小于200 min,重量不大于8.5 kg,外形尺寸為470 mm×360 mm×155 mm。РХ—90Т呼吸器的維護(hù)保養(yǎng)次數(shù)少,比壓縮氧呼吸器的維護(hù)費(fèi)用少很多。氧容量百分率從工作開始到結(jié)束一般在50%~95%之間,而壓縮氧呼吸器為95%或更大。РХ—90Т與國(guó)外同類呼吸器比較都處于優(yōu)越地位。德國(guó)的Air—elite呼吸器的同樣保護(hù)作業(yè)時(shí)間的重量為12 kg和外形尺寸為570 mm×370 mm×170 mm。文章有РХ—90Т呼吸器詳細(xì)結(jié)構(gòu)裝置的圖形。