宋元文1,杨云峰2
(1.兰州资源环境职业技术学院,甘肃兰州730000;2.窑街煤电公司通灭部,甘肃兰州730084)
摘 要:煤与CO2、油气突出在国内比较罕见,窑街煤电公司海石湾矿借鉴煤与瓦斯突出的防治技术,采取以抽放为主的防突措施,取得了一定的成效。在介绍该矿突出防治措施的基础上,分析了制约安全生产的有关问题,提出了进一步加强安全生产的技术途径。
关键词:煤;CO2;油气;突出;防治
中图分类号:TD713 文献标识码:B 文章编号:1003-496X(2006)06-0017-03
1 矿井概况
海石湾煤矿是按照低瓦斯矿井设计的“一井一区一面”年产150万t的新建矿井。由于矿井在建井期间及其邻近矿在历史上曾多次发生过动力异常现象,实际揭煤后经测定瓦斯含量为22.59 m3/t,甘肃省煤炭工业局以“甘煤(2002)151号”文批复海石湾矿井为“煤与瓦斯(CO2、油气)突出矿井”。
矿井开采深度大(700 m),地质构造复杂,井田含煤地层煤、气(CO2、CH4、C2-5等重烃)、石油共生。井田含油气岩层共6层,其中主要含油气岩层呈不连续片状结构,无工业开采价值。井田内含煤地层为中生代中侏罗统窑街群第二岩组,共含煤6层,可采煤层有煤一层和煤二层。煤一层位于窑街群第二岩组的顶部,厚0~11.79 m,平均厚4.14 m,结构简单,井田内广泛分布,较稳定;煤二层位于窑街群第二岩组的中部,平均间距达20 m,厚0.71~59.28 m,平均厚19.61 m,在井田内普遍分布,较稳定。煤一层为高灰、低发热量的腐泥煤,设计不开采,主采煤层为煤二层。矿井目前只开采煤二层,开拓了一个采区。
煤层瓦斯解吸、放散能力较差,硬度较大,局部存在软分层。透气性系数9.76×10-2MPa2·d,百米钻孔瓦斯流量衰减系数0.34×0.61 d-1,煤层瓦斯压力在6.5~7.3 MPa,属较难和不易抽放煤层。目前,矿井的绝对瓦斯涌出量16.69 m3/min,相对瓦斯涌出量36.03 m3/t。煤层自燃倾向等级为Ⅲ级,是不自燃和不易自燃煤层,最短发火期为117 d。煤尘具有爆炸性,爆炸指数为34.03%。
6121(Ⅰ)-1首采工作面采用走向长壁倾斜分层全部垮落法后退式开采。接续工作面(6121(Ⅰ)
-2)拟采用综采放顶煤采煤法,顶煤处理采用深孔预裂爆破技术。
2 防治措施
2.1 抽放瓦斯
抽放系统是按年产量150万t设计的,共安装2台2BEC60型真空泵,设计抽气量245 m3/min,真空度-80 kPa。抽放主干管路选用直径600 mm玻璃钢管,经风井与井下直径400 mm、200 mm、159 mm的支管相连接形成抽放网络。在实际运行过程中,矿井抽放负压为-50 kPa,抽放量为48.6 m3/ min,抽放瓦斯浓度(CH4、CO2)30%左右,纯瓦斯量为14.6m3/min,抽放富余系数为5.0。矿井预计瓦斯储量为815 220万m3,设计抽放率150万t/a时为65.53%,在90万t/a时为42.6%。目前动用块段的抽放率为30.6%。采用的瓦斯抽放方法是根据矿井煤层赋存情况和瓦斯来源及压力分布、油气赋存规律,结合井下采煤方法及顶板管理措施等条件选用综合抽放法,即在一个工作面同时采用多种方法抽放瓦斯。遵循原则:以抽为主,抽排结合,边采边抽,采中随抽,采后复抽。在抽放瓦斯的同时,视顶板油气层的压力情况,进行油气的探、放、抽等工作。
首采面在煤层底板布置2条岩石中巷,通过岩石中巷施工穿层钻孔,如图1。采用穿层钻孔抽放时,控制掘进条带穿层钻孔开孔间距0.8~1.0 m,孔底沿煤层走向、倾斜方向的间距为6 m,沿倾斜方向共布置5个钻孔,在断层两边各20 m的范围的所有钻场均增加6个钻孔,孔底沿走向和倾斜方向的间距分别为6 m、5 m。采煤工作面的网格穿层钻孔沿走向和倾斜方向孔底间距为10 m×12 m,开孔间距为0.8~1.0 m。首采工作面施工穿层钻孔总长度为90 656 m,吨煤施工钻孔0.9 m,施工底板岩巷1106 m。
抽放封孔工艺为水泥砂浆封孔,岩孔封孔深度不小于3 m,煤孔封孔深度不小于5 m。封孔时采用SKFB封孔泵机械封孔,孔内下不小于6 m的钢管,钢管末端采用花眼布置,有利于气体抽放。
2.2 防突措施
2.2.1 石门揭煤
(1)石门揭煤前编制石门揭煤方案经煤电公司批准后实施。石门揭煤时在距煤层底板法线距5m,打4~5个探孔,准确探明煤层顶底板和煤层赋存状况,防止误穿煤层,确保放炮揭开煤层前岩柱距离不小于2 m。
(2)在上山石门工作面距煤层底板法线距为3m时,采用钻屑量、钻屑瓦斯解吸指标K1值、钻孔瓦斯涌出初速度以及其衰减系数Cq指标进行突出危险性预测,并结合瓦斯抽出率、瓦斯突出预兆等综合分析突出危险性,若无突出危险则掘进到距煤层垂距2 m处。
(3)揭开煤层。石门工作面距煤层垂距2 m时,先刷斜面(台阶式),然后布置密集炮眼,减少单孔装药量,全断面一次起爆,进入煤层的深度不少于1.3m。
2.2.2 煤巷掘进
(1)顺层前探钻孔。如图2,在煤巷掘进过程中,首先在煤巷安排3个顺层顶部前探钻孔。钻孔孔径75~92 mm,长度为51 m,钻孔终孔位于巷道左右两帮各10 m、底3 m。对前方地质及瓦斯情况进行探测,如果前探钻孔施工过程中没有发现异常现象,可掘进40 m,留10 m的安全煤柱。如果施工过程中出现夹钻、顶钻、喷孔、出水。钻屑量增加等现象,可判断前方煤体存在异常,根据瓦斯动力情况采取相应的排放措施。
(2)防突预测。如图3,在煤巷工作面布置2排预测孔,每排3~5个钻孔。孔径Ф40 mm,孔深8~10 m。钻孔尽量布置在软分层中,其中一个孔位于中部,与掘进方向一致,终孔位于巷道轮廓线外3m。预测孔采用1.2 kW煤电钻施工。钻孔从第2 m开始,每进1 m测定一次钻屑量(△S),钻孔瓦斯涌出初速度q及其衰减系数Cq,每2 m测定一次钻屑瓦斯解吸指标K1。打钻控制在1 m/min左右,钻进到规定位置后,用专用封孔器封孔,测定q的测定室长度为1 m,打完钻后测定q的时间不超过2min,钻屑量的测定仪器为弹簧称,K1的测定仪器为WTC瓦斯突出参数预测仪。当钻屑量<7 kg/m,K1<0.6 mL/(g·min1/2),q<4.5 mL/min时,预测为无突出危险性掘进工作面。这时留3 m的预测超前距,掘进7 m。有突出危险时则采取相应的防突措施,采取措施后,再进行效果检验,证明采取的措施效果有效后,留5 m的安全煤柱进行掘进,在地质构造复杂带,保留6 m的安全超前距。
(3)小直径密集排放钻孔措施。当掘进工作面预测为有突出危险时,则要实施小直径密集排放钻孔措施对煤层中的瓦斯进行排放。
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进工作面所采取的措施基本相似,在采煤工作面倾斜方向上每隔10m,布置一个预测钻孔,有顶煤时,布置顶煤预测孔,预测孔孔深10 m,预测方法与掘进相同,当预测正常后,允采7 m,留3 m的安全距离,不正常时采取排放措施。在突出威胁区,连续2次预测正常,则允采30 m。
3 存在的问题
通过以上防突技术,海石湾矿井在生产过程中,未发生任何瓦斯事故。但是,在生产工程中,还存在如下一些制约安全生产的问题。
(1)经管采取了一系列防治瓦斯的措施,但由于含煤地层瓦斯含量高,加之因采取防突措施,工作面推进速度慢,以至于工作面上隅角及回风巷瓦斯超限较为严重。预计随着放顶煤工作面的投产,矿井产量的逐年提高,这一问题将会更加突出。
(2)海石湾矿井是按照低瓦斯矿井设计的一井一区一面生产,年产150万t的矿井。矿井的生产及通风安全系统随着产量的扩大难以满足安全生产的需要,需要进行改造。目前的开采布局生产过于集中,一是不利于瓦斯治理;二是生产接续紧张。
(3)在抽放方面还存在如下问题:底板岩石中巷+穿层钻孔的方法达到了瓦斯治理的目的,但费用较高,也不能很好地解决工作面回采时上隅角瓦斯问题。
4 解决思路
在坚持现有防突措施的同时,建议采取以下措施,以解决目前存在的问题。
(1)分区开采。应积极考虑对矿井的开拓及通风系统进行改造,以满足矿井持续发展的需要。将回采工作面和准备工作面分别布置在两个采区,合理的安排好采掘接续,以解决瓦斯治理和生产接续紧张的问题。
(2)工作面采用“W”型通风系统。在采煤工作面内错回风顺槽顶部施工一条高位瓦斯排放巷,以利于解决工作面上段的瓦斯问题。
(3)采前预抽。取消底板岩石中巷改穿层钻孔抽放为顺层钻孔抽放,边抽边掘,顺层钻孔的布置是根据煤层的厚度、硬度、孔口抽放负压和抽放时间等参数,确定顺层钻孔的抽放半径,从而确定布孔参数。
(4)开采保护层。矿井原设计为低瓦斯矿井,主采煤层为煤二层,煤一层为高灰、低发热量的腐泥煤,设计不开采。鉴于矿井实属“煤与瓦斯(CO2、油气)突出矿井”,从煤层赋存情况来看,煤二层具备开采保护层条件。建议对煤一层瓦斯赋存情况及保护参数进行科研,开采保护层。
参考文献:
[1] 张国枢.通风安全学[M].徐州:中国矿业大学出版社,2000.
[2] 俞启香.矿井瓦斯防治[M] .徐州:中国矿业大学出版社,1990.
作者简介:宋元文(1964-),男,副教授,自1999年以来,先后在国内有关刊物发表论文9篇。
·国外煤矿安全信息·
РХ—90Т呼吸器———保护矿山救护队员呼吸器官的新器具在充满瓦斯的空气中进行事故救护作业时,在乌克兰和各主要产煤国家都使用压缩氧和化学氧呼吸器保护救护队员的呼吸器官。在乌克兰采用Р—34和Р—30呼吸器,在俄罗斯采用РХ—90Т,在德国采用Tramix、BG—4。压缩氧和化学生氧呼吸器各有优缺点。为了克服化学氧呼吸器的缺点,俄罗斯唐波夫化工科学技术研究院研制成РХ—90Т呼吸器。该呼吸器是由2个再生筒的隔离式呼吸装置构成,是循环结构的呼吸系统。保护作用时间不小于200 min,重量不大于8.5 kg,外形尺寸为470 mm×360 mm×155 mm。РХ—90Т呼吸器的维护保养次数少,比压缩氧呼吸器的维护费用少很多。氧容量百分率从工作开始到结束一般在50%~95%之间,而压缩氧呼吸器为95%或更大。РХ—90Т与国外同类呼吸器比较都处于优越地位。德国的Air—elite呼吸器的同样保护作业时间的重量为12 kg和外形尺寸为570 mm×370 mm×170 mm。文章有РХ—90Т呼吸器详细结构装置的图形。
