神华宁夏煤业集团有限责任公司汝箕沟煤矿

1、0102216工作面安全开采综合瓦斯治理方 案 目 录前 言11 0102216工作面概况12 工作面瓦斯抽采情况42.1 0102216区域工作面瓦斯抽采情况42.2 0102216工作面瓦斯抽采量计算53 0102216工作面瓦斯涌出量预测73.1 本煤层相对瓦斯涌出量预测73.2 邻近层相对瓦斯涌出量预测84 0102216工作面回采期间综合瓦斯治理方案104.1 风排稀释瓦斯104.2 上风巷插管抽采上隅角瓦斯114.3 顶板走向高位钻孔抽采瓦斯114.3.1 高位瓦斯抽放钻孔参数设计原则114.3.2 0102216工作面高位钻孔施工参数124.4 其他辅助性瓦斯治理措施145 抽放

2、管径计算145.1 瓦斯抽放量分析155.2 抽放管径156 建议15前 言神宁集团汝箕沟煤矿0102216回采工作面作为煤与瓦斯突出工作面，在回采之前采取了相关的瓦斯治理，并在西北安全生产科学院（以下简称西北院）的协助下，对该工作面进行了采前抽采达标评价，其评价结果显示，0102216工作面采前抽采达标。0102216回采工作面虽然采前抽采达标，但由于其上覆二1煤层采空区内积聚有大量瓦斯，随着工作面推进，将会有大量瓦斯回流到0102216工作面；另外在回采期间其下伏的二2煤层二分层、三分层、3#煤层和4#煤层等煤层的卸压瓦斯也会不同程度地涌入0102216工作面，这些涌入到工作面的瓦斯如不能

3、得到有效治理，易造成工作面回采期间瓦斯超限、瓦斯爆炸等安全事故，影响矿井安全高效生产。鉴于此，作为西北院2012年度下半年技术服务工作任务之一，神华集团和汝箕沟煤矿共同安排西北院协助汝箕沟煤矿编制0102216工作面回采期间综合瓦斯治理方案。2012年9月，西北院安全工艺技术部技术人员与汝箕沟煤矿相关技术领导就0102216工作面回采期间的瓦斯治理方案进行了多次的分析和论证，并经过西北院技术人员协助整理后，编制形成了汝箕沟煤矿0102216工作面开采综合瓦斯治理方案，为该工作面回采期间瓦斯治理提供途径和方法。本瓦斯治理方案编制主要依据的行业规范标准有：（1）煤矿安全规程2011年 国家安全生产

4、监督管理总局，国家煤矿安全监察总局；（2）煤矿井工开采通风技术条件 AQ1028-2006国家安全生产监督管理总局；（3）采空区瓦斯抽放监控技术规范 MT1035-2007国家安全生产监督管理总局；（4）矿井瓦斯涌出量预测方法 AQ1018-2006国家安全生产监督管理总局；（5）煤矿瓦斯抽放规范 AQ1027-2006国家安全生产监督管理总局。1 0102216工作面概况 0102216工作面设计开采二2层煤，该工作面上覆二1层煤原8620工作面、8611工作面、860工作面、862工作面、8311工作面和825工作面采空区。二2煤层产状：走向5105，倾向95195，倾角09，平均4。根据

5、矿方提供数据，二2煤层原始瓦斯压力为0.48MPa，煤层原始瓦斯含量14.51m3/t，常压不可解吸瓦斯含量为3.02 m3/t，该煤层工业分析等参数如表1所示。表1 二2煤层瓦斯吸附常数及工业分析等参数地 点吸附常数水分灰分假密度孔隙率a(m3/t)b(MPa-1)Mad(%)Ad(%)r(t/m3)(%)32213（1）风巷34.3021.3892.2224.171.454.610102216工作面走向长度240m左右，倾斜长度249m左右，倾角09，平均4，采厚2.5m左右，开采储量19.1万吨左右，瓦斯储量277.2万m3。0102216综采面平面示意图如图1所示，岩层描述情况如表2所

6、示。地层单位标志层真厚（m）岩 性 描 述统组最小最大平均下侏罗统延安组二1层煤采空区454947细砂岩粗砂岩，局部为石英砂岩，较坚硬10.516.513.50老顶：灰白色细砂岩岩砂砾岩，厚层状，团块状，局部为石英砂岩，坚硬2.564.4直接顶，以灰白色粉砂岩为主，局部相变为灰黑色砂质泥岩。矸10.080.250.10伪顶，破碎的炭质泥岩，易离层，局部渐变为砂质泥岩。0.200.500.36二12煤矸20.150.60.3砂质泥粉砂岩，以粉砂岩为主，较硬。3.64.544.10 二12煤G5（1）0.120.310.35黑色炭质泥岩部分地段变为砂质泥岩。0.531.402.0二12煤G5（2）

7、0.060.200.10黑色炭质泥岩，砂质泥岩，较软。1.21.951.3二12煤G62.110.802.30直接底：灰黑色粉砂砂岩为主，局部相变为粗砂岩细砂岩。1.202.802.10二22煤2125.5023灰黑色粉砂岩细砂岩，以粉砂岩为主。粉砂岩为泥质胶结成分以石英为主，致密坚硬2.492.792.64三层煤，接近底部为媒（岩）互层，相对较软，易离层。表2 0102216工作面岩性情况描述图1 0102216综采面平面示意图2 工作面瓦斯抽采情况2.1 0102216区域工作面瓦斯抽采情况1、澳钻抽采情况汝箕沟矿委托中澳公司于2008年9月至2009年6月在1930大巷B钻场、1930西

8、翼大巷D钻场、1940回风大巷A钻场向32213区域共施工千米定向钻孔13个（主孔11个），施工钻孔进尺14681m，钻孔边施工边连抽，2009年6月全部开抽。根据矿方提供的抽放数据，截止2011年12月，32213（1）综采面抽出煤层瓦斯120.97万m3。后期由于工作面常规施工钻孔，与澳钻钻孔打通造成抽采浓度低，目前澳钻钻孔全部停抽。 2、1930西翼常规穿层钻孔抽采情况为解决工作面开采过程中底板瓦斯大量涌出，利用常规钻机在1930西翼向0102216（原32213部分区域）区域施工底板穿层钻孔，2009年7月份开始施工。钻孔设计每12m一个钻场，每个钻场19个钻孔，共设计65个钻场121

9、5个钻孔，目前所有钻孔全部施工结束。根据矿方提供的抽放数据，截止2012年3月，32213（1）综采面共抽出煤层瓦斯143.85万m3。3、32213（1）机巷顺层钻孔抽采情况32213（1）机巷顺层钻孔前段每4m、后段每6m垂直煤壁施工一个钻孔，孔深200m，钻孔于2010年1月份开始施工，2010年9月施工结束，共施工长距离钻孔164个，进尺24520m；后期又在32213（1）机巷9-12#钻场中补充施工构造带钻孔，每个钻场设计施工钻孔15个，共计施工62个钻孔。目前，机巷大部分抽放钻孔因漏气而关闭。根据矿方提供的抽放数据，截止2012年3月，32213（1）综采面共抽出煤层瓦斯132.

10、13万m3。4、32213（1）风巷顺层钻孔抽采情况前期，在32213（1）风巷每12m施工5个扇形钻孔，孔深70m，钻孔于2010年2月份开始施工，2010年8月钻孔全部施工结束，共施工钻孔454个，进尺24552.86m。后期又在0102216风巷每10m施工一个大直径钻孔，共施工钻孔39个。截止2012年3月，32213（1）综采面共抽出煤层瓦斯165.41万m3。原32213工作面抽放钻孔竣工图如图2所示。2.2 0102216工作面瓦斯抽采量计算由于矿方没有对各抽放钻孔进行单独计量，故0102216工作面瓦斯抽采量是根据原32213（1）工作面的抽采量进行计算。根据矿方提供的抽放数据

11、，截止2012年3月份，32213（1）综采面共抽出瓦斯562.36万m3。根据原32213（1）工作面抽放钻孔煤孔总长度（69272m）和总抽放量(562.36万m3)，计算百米钻孔抽放量为81.18m3。0102216工作面抽放钻孔煤孔长度约为23189m（走向长钻孔煤孔长度5640m，顺层钻孔12420m，穿层钻孔煤孔长度5129m），根据百米钻孔抽放量计算，0102216工作面共抽出瓦斯为188.25万m3。根据0102216工作面抽采达标评价报告数据显示，该工作面残余瓦斯含量最大为7.7m3/t，抽采率54.3%，评价结果为采前抽采达标。图2 原32213工作面抽放钻孔竣工图 3 0

12、102216工作面瓦斯涌出量预测0102216工作面回采期间，瓦斯主要来源包括以下几方面：（1）上覆采空区瓦斯；（2）0102216工作面本煤层瓦斯；（3）0102216工作面下伏两个分层及邻近层3#煤层、4#煤层瓦斯。采用分源预测法对0102216综采工作面瓦斯涌出量进行预测计算。回采工作面瓦斯涌出包括开采层瓦斯涌出和邻近层瓦斯涌出，即：式中：回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t ； 开采层瓦斯相对涌出量，m3/t； 邻近层瓦斯相对涌出量，m3/t。3.1 本煤层相对瓦斯涌出量预测开采层相对瓦斯涌出量按下式确定：式中：K1围岩瓦斯涌出系数，取1.3；K2工作面丢煤系数，用回采率的倒数来计算，取

13、1.05；K3采区内准备巷道预排瓦斯对开采层瓦斯涌出影响系数； K3（252m213m）/252m0.9L回采工作面长度；h巷道煤体瓦斯排放带宽度，m，取h13m；Kf取决于煤层分层数量和顺序的分层瓦斯涌出系数，如无实测值可参考表3所示。在此Kf1取1.820。表3 分层开采Kf值两个分层开采三个分层开采Kf1Kf2Kf1Kf2Kf31.5040.4961.8200.6920.488W0煤层瓦斯含量；WC运出矿井后煤的残存瓦斯含量，3.02m3/t（常压下不可解吸量）；当0102216工作面预抽后，根据实际测定0102216工作面残余瓦斯含量，其平均值为6.8 m3/t，则0102216工作面

14、本煤层相对瓦斯涌出量计算如下：0102216工作面本煤层相对瓦斯涌出量Q1如表4所示。表4 0102216工作面本煤层相对瓦斯涌出量WC（m3/t）W0（m3/t）Q1(m3/t)3.026.88.43.2 邻近层相对瓦斯涌出量预测对于0102216区域的二、三分层（二22煤层），在此作为0102216工作面的邻近层，邻近层相对瓦斯涌出量计算按下式进行：式中：第i个邻近层的煤厚，m；开采煤层的开采厚度，m，取2.3；第i个邻近层受采动影响的瓦斯排放率，二分层取0.9，三分层取0.8，3号煤层取0.3，4号煤层取0.25；第i个邻近层煤层原始瓦斯含量，m3/t；第i个邻近层煤层残存瓦斯含量，m3

15、/t；对于0102216区域的二、三分层的残余瓦斯含量和常压不可解吸的残存瓦斯含量，参考0102216工作面的数据。则0102216工作面区域的二分层、三分层、及下伏3#、4#煤层的相对瓦斯涌出量如下：二分层相对瓦斯涌出量： 三分层相对瓦斯涌出量： 下伏3号煤层相对瓦斯涌出量： 下伏4号煤层相对瓦斯涌出量： 则0102216工作面邻近层相对瓦斯涌出量Q2为11.3m3/t。根据矿井瓦斯涌出量预测方法（AQ1018-2006）要求，考虑瓦斯涌出不均衡，取1.2的瓦斯涌出不均衡系数。回采工作面最大相对瓦斯涌出量按公式Q回（Q1+Q2）1.2进行计算，结果如表5所示。表5 0102216工作面相对瓦

16、斯涌出量计算表Q1（m3/t）Q2（m3/t）Q回（m3/t）8.411.3 23.6根据表5可知，在0102216工作面正常回采期间, 0102216工作面日产量按2400t计算，0102216工作面本煤层瓦斯、0102216工作面下覆邻近煤层瓦斯相对瓦斯涌出量、绝对瓦斯涌出量及其所占比例如表6所示。表6 瓦斯涌出来源分析表类别相对瓦斯涌出量（m3/t）绝对瓦斯涌出量（m3/min）所占比例（%）Q回23.639.3Q1（m3/t）8.416.742.5Q2（m3/t）11.322.657.5根据矿方提供的原32213（1）工作面生产期间的通风、瓦斯报表，截止2011年6月4日（因工作面发火

17、，后期没再回采），计算该工作面生产期间绝对瓦斯涌出量最大为36.2m3/min（不包括工作面生产期间机巷、风巷顺层钻孔和1930西翼穿层钻孔抽放瓦斯量，抽放量大约35 m3/min）。因此，本次瓦斯涌出量预测数据与现场实际情况相符，数据是可靠的。4 0102216工作面回采期间综合瓦斯治理方案根据0102216工作面瓦斯涌出量预测以及汝箕沟煤矿瓦斯治理装备的配备情况，结合其他类似工作面的瓦斯治理实践，综合考虑，0102216工作面回采期间瓦斯治理采用如下的综合治理方案：（1）保留底板穿层钻孔，拦截抽采回采期间的卸压瓦斯；（2）顶板走向高位钻孔抽采瓦斯；（3）采空区插管抽采瓦斯；（4）风排稀释瓦

18、斯瓦斯；（5）其他辅助性瓦斯措施。4.1 风排稀释瓦斯根据矿方提供数据，0102216工作面在回采期间，工作面配风量为2000m3/min左右，按照规程要求工作面风速最大为4m/s和工作面回风巷瓦斯浓度最大0.6%进行管理，则0102216工作面在正常回采期间，最大风排瓦斯量Q风排为12m3/min。因此，在0102216工作面回采期间，根据回采期间的绝对瓦斯涌出量以及风排能够解决的瓦斯量，需要抽放的瓦斯量Q抽如表7所示。表7 需要抽放的瓦斯量Q回（m3/t）Q回绝（m3/min）Q风排（m3/min）Q抽（m3/min）23.639.31227.3由表7可知，0102216工作面回采期间需要

19、抽放的瓦斯量为27.3m3/min，采用穿层钻孔拦截抽放、上风巷插管抽采、顶板高位钻孔抽采及其他辅助性瓦斯治理措施等。4.2 上风巷插管抽采上隅角瓦斯在0102216工作面上风巷内敷设抽采管，（抽采管前端兼作埋管），随着工作面推进，抽采管管口保持伸入工作面上隅角，采用负压抽放，使采空区气体向埋管口流动，将采空区瓦斯抽出，以此治理工作面采空区瓦斯涌出及工作面瓦斯超限。与本煤层预抽瓦斯相比，采空区抽放的特点是抽放量较大，但埋管抽放负压一般控制在35kPa，抽放瓦斯浓度可达5左右。4.3 顶板走向高位钻孔抽采瓦斯4.3.1 高位瓦斯抽放钻孔参数设计原则1)钻孔轴线在回风巷方向的投影长度x。合理的钻场

20、间距和钻孔长度的配合,应当能保证相邻两钻场的钻孔在空间上的重叠,并且前钻场的高浓度终点恰好接续本钻场高浓度的起点,即钻孔空间重叠和抽放接续。2)钻孔终孔点距煤层的垂直距离(高位钻孔高度)y。抽放高度主要决定裂隙带的高度和裂隙带的可抽高度。3)钻孔终孔点在煤层面垂直投影点到回风巷的距离z。根据工作面采空区瓦斯流动、分布规律、终孔点的合理间距,确定高位抽放钻孔终孔点在煤层面垂直投影点到回风巷的距离。高位瓦斯抽放钻孔参数如图3所示。图3 高位钻孔参数示意图4.3.2 0102216工作面高位钻孔施工参数对于0102216工作面高位钻孔施工地点，经与矿方沟通，在0102216综采面的回风巷布置顶板高位

21、钻孔施工钻场，在风巷下帮迎向工作面推进方向施工顶板扇形钻孔，每个钻场施工8个钻孔，钻孔终孔间距5m，钻孔压茬20m，钻孔直径为90mm，钻孔终孔位置位于0102216工作面采空区裂隙带内（裂隙带设计为8倍采高）。在0102216工作面回采过程中，抽采采空区和邻近层的卸压瓦斯。第一个钻场距切眼50m，以后每相邻两个钻场间距为50m，第一个钻场钻孔施工参数见表8，以后各钻场参数和第一个钻场施工参数一致。通过抽采负压作用，改变工作面后方采空区流场，以此达到解决工作面采空区瓦斯涌出、上隅角瓦斯超限的问题。表8 0102216综采面顶板高位走向裂隙长钻孔施工参数表钻场钻孔号倾角（）夹角（）预计深度（m）

22、1#钻场1#钻孔194722#钻孔8743#钻孔12774#钻孔16805#钻孔20826#钻孔24867#钻孔27898#钻孔3093备注：夹角为逆回风流方向左偏角度。 0102216工作面采空区瓦斯采用顶板走向高位钻孔抽采方式，剖面图如图4所示，平面图如图5所示。图4 0102216工作面顶板走向高位钻孔剖面示意图图5 0102216工作面顶板走向高位钻孔平面示意图0102216工作面高位钻孔施工参数是根据工作面的实际情况，结合经验设计的参数，建议矿井在以后的实际生产中对钻孔的抽采效果进行考察，结合工作面的瓦斯涌出情况，得出合理的钻孔布置及抽采参数。严格按设计参数施工，施工完后作好钻孔竣工

23、参数记录。采用水泥浆封孔泵封孔。封孔管采用DN50mm钢管，水泥浆采用425号水泥与水搅拌制成，水灰比为1:2，封孔长度不少于8m。在钻孔施工完后，用胶管将每个钻孔与钻场汇流瓦斯管相连接，连接处需用8号铁丝将胶管扎紧。然后将汇流管与回风巷的安设的抽采管路相连接，在连接处需安设阀门以便控制抽采负压。顶板走向长钻孔的抽采负压一般控制在1620kPa。4.4 其他辅助性瓦斯治理措施在工作面推进期间，不排除某些区域瓦斯涌出量增大，造成工作面瓦斯超限，尤其是上隅角瓦斯超限，此时应在工作面的上隅角设定固定风障碍，在工作面放煤口设置移动风幛，稀释局部积聚瓦斯。必要时，还可采取采空区埋管抽放、利用联络巷大管径抽采采空区后部瓦斯等措施。5 抽放管径计算根据瓦斯抽采管服务的范围和所担负输送抽放量的大小，其管径按下式计算： D0.1457(Q混/V)1/2式中 D瓦斯管内径，m； V管道中混合瓦斯的经济流速，m/s，一般取V515m/s； Q混管内混合瓦斯流量，m3/min。5.1 瓦