西安科技大学工程论文复杂地质构造松软煤层高瓦斯长巷掘进通风技术实践研究

论文题目：复 杂 地 质 构 造 松 软 煤 层 高 瓦 斯 长 巷 掘 进 通 风 技 术 实 践 研 究专 业：矿业工程硕 士 生： (签名) 指导教师： (签名) (签名) 摘 要瓦斯灾害是煤矿地下开采过程中危害最大的自然灾害，解决高瓦斯矿井煤巷掘进工作面瓦斯灾害的主要措施是依靠掘进通风机通风，而掘进通风机作为常年运转的设备，易出现故障，造成掘进工作面瓦斯积聚，甚至酿成瓦斯爆炸事故。随着掘进工作面的推进，掘进工作面长度的增加，单巷掘进通风技术难度和管理难度也不断增加。复杂地质条件对煤层瓦斯含量有重要的影响，在地质构造带内存在大量裂隙，掘进过程中瓦斯涌出不均匀，增加掘进通风的难度。松软煤层在采动的影响下，极易破碎，造成煤壁在暴露初期瓦斯涌出量增加。在高瓦斯、复杂地质构造、松软煤层中进行长巷掘进，掘进通风技术研究的主要内容是选择合适的掘进通风设备包括掘进通风机和风筒；创造先抽后掘的条件；合理的通风方案；合适的锚网支护参数；瓦斯监测监控。其关键技术路线是要选择大功率对旋式风机；大直径特制风筒；设计合理通风方案；喷浆封闭巷道；先抽后掘；完善安全保障体系，合理地向掘进工作面配风，控制瓦斯涌出量，使供给的风量能够稀释瓦斯浓度到安全浓度以下，创造良好气候条件，在技术可行、经济合理的前提下，达到安全掘进长巷、布置长走向采煤工作面的目的，为矿井的高产高效服务。研究结果表明：在复杂地质构造、高瓦斯、松软煤层长巷中掘进，采用大功率对旋式掘进通风机通风，大直径风筒供风为主要手段，再通过喷浆封闭巷道，减少后巷瓦斯涌出，选择合理通风方案，减少单巷供风的长度，对瓦斯监测监控，及对煤层进行瓦斯抽放、安全措施到位等手段综合治理瓦斯灾害，能够达到安全掘进的目的。在复杂地质构造、高瓦斯、松软煤层中长巷掘进通风技术在试验矿井靖煤公司大水头煤矿试验成功，取得良好的效果，该项技术有一定推广价值。关 键 词：复杂地质构造；松软煤层；长巷掘进；高瓦斯；通风技术研究类型：应用研究Subject : Practice Study on Ventilation Technology of the Long Distance Digging Coal Laneway with High Consistency Gas in Soft Seams and Complicated Geological Conditions Specialty : Mining EngineeringName : Jiao Jian (Signature) Instructor: Li Shu-gang (Signature) Liu Sheng-li (Signature) ABSTRACTGas calamity is the most fatal natural calamity during the course of the underground mining of coal mine. The major measure to solve the gas calamity of the high consistency gas coal entries on the working-face is to use local-ventilator to ventilate. Local-ventilator is the equipment which operates all the year round, so machine malfunction is always found. This causes the gas gathering in the digging-workface and even causes the gas explosion accident. With the length of the digging-workface increasing, the difficult of the digging ventilation technology and the management will increase endlessly. The complicated geological condition has an important influence to the gas content of the coal seams, because there are plenty of cracks among the geological structure tape. During the process of digging, the gas gushes unevenly. This makes the single digging ventilation more difficult. With the influence of mining, the soft seams will easily break which will cause the gushing of gas increase at the beginning of explosion of coal wall. When digging in the long-entries with high consistency gas, complicated geological structure and soft seams, the main digging ventilation technology is to choose the suitable local-ventilation equipment including local-ventilator and ventilating-canister, creating condition to whop gas before digging, selecting a reasonable ventilating project, choosing a reasonable anchor-net support parameter; supervising and controlling the gas. The key technology route is to choose a high-power reversely rolling ventilator and special great-diameter ventilating-canister, to design ventilation project in reason, to spray with concrete to obdurate the entries, to whop gas before digging, to consummate safety indemnificatory system, to ventilate to the digging workface reasonably and to control gas gushing so that the consistency of methane can be diluted under a safe level by the supporting air and a better condition is provided.Key words: Complicated geological conditions Soft seams Long-digging High-consistency gas Ventilation technologyThesis : Research of application目 录I目 录1 绪论.11.1 前言 .11.2 选题的背景及研究的意义 .21.2.1 选题的背景 .21.2.2 研究的意义 .21.3 国内外研究现状 .31.3.1 单巷掘进巷道长度现状 .31.3.2 长巷掘进通风技术的研究 .41.3.3 矿井瓦斯灾害防治研究 .61.3.4 在复杂地质构造及松软煤层中采掘研究 .81.4 研究的技术路线 .92 掘进通风方法及掘进风量计算.112.1 掘进通风方法 .112.1.1 掘进通风机通风 .112.1.2 矿井全风压通风 .142.1.3 引射器通风 .162.2 掘进通风设备及掘进工作面风量计算 .162.2.1 掘进通风设备 .162.2.2 掘进工作面风量计算 .172.2.3 长巷掘进通风特点 .182.3 本章小结 .183 长巷掘进通风技术在大水头矿东 103 工作面的研究应用.203.1 东 103 工作面概况 .203.1.1 煤层赋存 .203.1.2 工作面构造特征 .203.2 掘进巷道需风量计算 .233.2.1 计算依据 .233.2.2 计算参数选择 .233.2.3 掘进巷道需风量计算 .233.2.4 计算结果讨论 .243.3 通风方案的选择 .24西安科技大学工程硕士学位论文II3.3.1 方案的提出及其特点 .243.3.2 通风方案的比较 .253.4 通风设备选型 .283.5 本章小结 .294 长巷掘进通风技术现场工业试验.304.1 辅助联络巷前后两个掘进阶段通风瓦斯情况 .304.2 喷浆封闭巷道 .344.2.1 喷浆质量要求 .344.2.2 巷道未喷浆时瓦斯涌出情况 .354.3 先抽后掘 .354.4 完善安全保障体系 .364.5 安全技术措施 .364.6 本章小结 .375 长巷掘进通风技术试验结果分析.385.1 长巷掘进通风技术优越性分析 .385.2 长巷掘进通风技术研究的经济效益和社会效益 .395.2.1 技术研究经济效益 .395.2.2 技术研究的社会效益 .405.3 本章小结 .416 结 论.42致 谢.45参考文献.46附 录.481 绪 论11 绪论1.1 前言煤矿地下开采，受到矿井瓦斯、矿尘、矿井水灾、矿井火灾、顶板事故等自然灾害的严重威胁，其中矿井瓦斯灾害造成的危害是煤矿开采过程中的事故灾害之首。在近代煤炭开采史上，瓦斯灾害每年都造成许多人员的伤亡和国家财产的具大损失，我国 20 世纪 6090 年代，矿井生产技术相对落后，矿井瓦斯防治以通风为主要手段，瓦斯监测主要使用瓦斯检定器，矿井安全生产条件差。进入 21 世纪，煤矿生产技术条件有很大的改善，瓦斯灾害仍然威胁着矿井的安全生产。近两三年，我国煤矿瓦斯事故不断，其中黑龙江鸡西城子沟煤矿特大瓦斯爆炸事故、郑煤集团公司大平煤矿煤与瓦斯突出及瓦斯爆炸事故、陕西铜川煤业集团陈家山煤矿瓦斯爆炸事故，造成百人以上的人员伤亡和重大财产损失，给人们带来惨痛的教训。统计数据表明，在煤矿井下最易发生瓦斯爆炸的地点是采掘工作面，如 19701979 年瓦斯爆炸次数统计中，发生在掘进工作面的次数达到 41%。所以，如何预防掘进工作面瓦斯事故对于高瓦斯矿井显得尤为重要。掘进工作面容易发生瓦斯爆炸的原因归纳起来有两点，一方面，这些地点采用掘进通风机通风，掘进通风机作为常年运转的设备，极易出现故障，造成风机停转，从而导致掘进工作面停风，而风筒在送风时沿途破口和接头存在漏风，造成掘进工作面有效风量降低，不能稀释排出瓦斯，造成瓦斯积聚；另一方面，放炮、掘进机械、掘进通风机、电钻等设备，易产生高温火源。在高瓦斯矿井煤巷掘进中，通风技术难度和通风管理难度较大，单巷掘进长度受诸多因素的影响，瓦斯涌出量的大小是其主要影响因素之一。而瓦斯涌出量的大小与煤层瓦斯含量、地质构造、煤层的破碎程度、煤层露头、围岩透气性等因素有关。在复杂地质构造、高瓦斯、松软煤层进行长巷掘进，其通风技术的关键是要解决如何合理地向工作面配风，在整个掘进过程中，冲淡稀释掘进工作面与后巷瓦斯浓度在安全浓度以下，防止瓦斯积聚，防止煤尘飞扬，不断加强管理，达到安全掘进的目的。通过对靖远煤业公司大水头矿井东一采区走向长 1631m 工作面长巷掘进通风技术的实践研究，总结出在高瓦斯、复杂地质条件下、松软煤层中长巷掘进的通风技术，在现场指导完成包括开切眼在内 1800m 长的巷道掘进任务的同时，总结出了在同等条件下较为先进的掘进通风技术，对今后高瓦斯矿井煤巷掘进通风提供理论指导。该项技术的研究成果在甘肃省乃至全国高瓦斯矿井煤巷掘进通风中具有一定先进性，在复杂地质构造、高瓦斯、松软煤层进行长巷掘进，该技术有一定推广价值。在开采技术西安科技大学工程硕士学位论文2不断发展，国家对于矿井安全生产要求越来越高，高产高效矿井不断涌现的今天，大型机械设备的应用，采煤工作面走向长度不断增加，煤矿开采对各项技术的要求越来越高，对掘进通风技术也会提出更高的要求，掘进通风技术的研究和应用也将迈上一个更高的台阶。1.2 选题的背景及研究的意义1.2.1 选题的背景近年来，随着我国煤矿开采深度的增加，掘进工作面单进水平的提高，掘进速度的加快，煤壁暴露面的瓦斯泄放速度也在增加，致使掘进工作面的绝对瓦斯涌出量大大提高，瓦斯灾害日趋严重，特别是煤巷独头掘进工作面瓦斯事故频发。解决煤巷掘进工作面瓦斯灾害的主要措施是依靠掘进通风机通风。而掘进通风机作为常年运转的电机设备，由于各种原因常出现各种故障，造成掘进工作面瓦斯积聚，甚至酿成事故。对于瓦斯涌出量较大的矿井，掘进工作面掘进通风机的数目有时高达 34 台，不仅耗电量大，而多风筒供风造成掘进巷 道 断 面 缩 小 ， 且 长 巷 供 风 风 筒 损 耗 大 ， 且 风 筒 漏 风 ，工 作 面 有 效 风 量 率 降 低 1。 所以对高瓦斯矿井，瓦斯涌出量成为制约巷道掘进长度的关键因素。另外，随着矿井机械化程度的提高，高产高效矿井长走向、大断面采煤工作面的普及与推广，巷道掘进长度不断增加，对长巷掘进通风技术提出了更高的要求 2。地质构造是影响煤层瓦斯含量的重要因素之一。在围岩低透气性条件下，封闭型构造有利于瓦斯的储存，而开放型地质构造有利于排放瓦斯。其中断层对瓦斯含量的影响比较复杂，一是断层（带）的封闭性，二是与煤层接触的对盘岩层的透气性。开放性断层，无论与地面是否相通，断层附近的煤层瓦斯含量会降低；封闭性断层，煤层对盘透气性低时，阻止瓦斯释放。如果地质构造复杂，既有开放性断层，又有封闭性断层，煤层瓦斯含量就会不稳定，掘进时瓦斯涌出量具有不均衡性,如果裂隙发育，采掘过程中出现瓦斯异常涌出。瓦斯涌出的不均衡性会影响安全掘进 3。软煤层也影响煤层瓦斯含量。如果煤层硬度小，透气性差，瓦斯含量高，同时在采动的影响下容易破碎产生裂隙，采掘过程中瓦斯涌出量增加，对于安全掘进影响较大 4。靖远煤业公司大水头煤矿东一采区布置走向长 1631m 超长工作面，目的是提高工作面可采储量，减少大吨位综采设备搬家次数，减少回撤封闭的材料、人工投入，为矿井持续稳定高产创造条件，同时由于各种费用的减少，使吨煤成本下降，经济效益提高。该区域是在高瓦斯、软煤层、复杂地质构造、煤尘具有爆炸性的自然条件下，准备采区及工作面，进行长巷掘进，掘进通风技术难度大，该项技术是否具有可行性，1 绪 论3成为一项有待研究的课题。1.2.2 研究的意义掘进通风是生产矿井通风的组成部分，是井巷掘进的必要条件，也是实现安全生产的重要前提。掘进通风的特点在于井巷独头部分不能形成贯穿风流，必须使用导风设施，使新鲜风流和污风分开，且多数需要通风动力设备。随着掘进长度增加，掘进工作面有效风量会降低，在一定程度上不能满足掘进工作面的需风量。对瓦斯涌出量大的煤矿，其瓦斯涌出量成为影响煤巷掘进长度的关鍵因素，采掘过程中采 用 任 何 一种 单 一 瓦 斯 治 理 方 案 ， 往 往 无 法 有 效 治 理 采 面 瓦 斯 超 限 ， 只 有 结 合 多 种 瓦 斯 治 理 方 案 ，才 能 达 到 预 期 的 效 果 。 在复杂地质构造、高瓦斯、松软煤层长巷掘进，受瓦斯涌出量的影响，掘进通风技术和管理技术难度大。复杂地质构造、高瓦斯、松软煤层长巷掘进通风技术的研究，在现场中指导完成了靖远煤业公司大水头矿东一采区在复杂地质构造、高瓦斯、松软煤层，煤尘具有爆炸性的条件下，完成走向 1631m 超长工作面长巷掘进，布置工作面，提高工作面可采储量，减少大吨位综采设备搬家次数，减少回撤封闭的材料、人工投入，为矿井持续稳定高产创造条件，同时由于各种费用的减少，使吨煤成本下降，经济效益提高。研究总结出复杂地质构造、高瓦斯、松软煤层掘进中先进科学的掘进通风技术，为同等条件下煤层中井巷掘进提供理论依据。1.3 国内外研究现状1.3.1 单巷掘进巷道长度现状长巷掘进普遍应用于铁路隧道、金属矿山井下巷道施工、煤矿井下巷道施工。长巷在掘进过程中，由于不能形成贯穿风流，往往借助于掘进通风机供风，风筒导风来稀释和排出瓦斯及其它有害气体，稀释和排出矿尘，创造良好气候条件。掘进长度受到掘进通风机全压范围、风筒风阻及风筒漏风、瓦斯涌出量等诸多因素的影响。掘进长度越长，通风技术的难度和管理难度越大。在铁路隧道、金属矿山井下巷道施工、煤矿岩巷掘进中，由于受到瓦斯涌出的影响小或不受影响，掘进长度国内有 4000m 以上的记录。煤巷掘进由于受到瓦斯涌出量的影响，甘肃省窑街、华亭两大煤业集团所属低瓦斯矿井，长巷掘进长度未超过 1500m。甘肃省靖远煤业公司所属高瓦斯矿井，历年来长巷掘进长度在 8001200m。国内其他地区高瓦斯矿井中，山西阳泉、湖南涟邵、黑龙江鸡西等煤业集团公司所属部分煤矿，其绝对瓦斯涌出量大于 25m3min，但并不是破碎软煤层，煤层赋存的地质条件也简单，长巷掘进长度有 1300m 的纪录；山东兖矿东滩煤矿长巷掘进达 2800m，但属低瓦斯 矿 井 5； 大 同 煤 业 集 团 马 脊 梁 矿 掘 进 长 度 有西安科技大学工程硕士学位论文42600m 的 记 录 ， 也 属 低 瓦 斯 矿 井 6； 平顶山煤业集团六矿属高瓦斯矿井，局部供风长度1800m1，但不是在复杂地质构造、松软煤层中掘进。采煤技术先进的国家，由于其科学技术水平相对发达，对于高瓦斯、破碎软煤层复杂地质构造区域己不进行井下直接开采，而是对该区域采取相关技术使其转化为煤层气直接进行抽采。到目前为止，在复杂地质构造、高瓦斯、破碎软煤层中掘进长巷，单巷掘进长度尚未达到 1800m 长的。1.3.2 长巷掘进通风技术的研究孙森等在“高瓦斯煤巷掘进全负压通风技术探讨研究”中认为 1：掘进巷道全负压通风技术的应用，减少了掘进通风机的数量，节省