地应力与卸压抽放瓦斯技术的探讨(报公司论文)2

论文地应力与卸压抽放瓦斯技术的探讨作者：唐怀林樊树槐魏明部门：南桐煤矿通瓦科日期：2011年12月地应力与卸压抽放瓦斯技术的探讨前言南桐煤矿开采二迭系龙潭组煤系地层，煤系内含煤六层，可采三层，即4#、5#、6#煤层，煤层倾角30～40°。可采层4#、5#、6#平均厚度依次为：2.8m、0.95m、1.4m；瓦斯含量依次为：20m3/t，12m3/t，15m3/t，其中4#层为主采层，煤层透气性系数0.01m2／（Mpa2.d）。可采层均属严重突出煤层，其突出危险由大到小依次为4#、6#、5#煤层，为此选择5#煤层作为保护层，保护层开采中抽4#、6#煤层的卸压瓦斯。近十多年来，随着矿井的延深，在同等保护层开采强度的前提下，卸压抽放瓦斯量逐渐下降（至2008年5月，由过去的4.5m3/min下降到1.6m3/min）,使近3000户居民用气量不能得到保障。为此我们对卸压抽放量下降原因进行了分析,找到了地应力与卸压抽放技术存在密切联系这一规律,通过采取针对性措施,卸压抽放量逐渐得到提高,至2011年11月止，矿卸压抽放纯量约10～15m3/min,完全满足了居民生活用气,同时保证了矿井锅炉煤改气工程顺利完工后的用气量,目前仍有3～5m3/min富余瓦斯排空,预计今后抽放量还会大幅度提高，矿井目前正在进行瓦斯发电筹备工作。1矿井抽放概况矿井生产能力60万t/a,2009年核定生产能力80万t/a，经改扩建后其生产能力为120万t/a。矿井于上世纪六十年代初期建立永久性抽放瓦斯系统，以开采5#层作保护层来抽4#煤层的卸压瓦斯（5#、6#层瓦斯未进行抽放），近十多年来随着矿井的延深，其抽放量逐渐下降，至2008年5月，由过去的4.5m3/min下降到1.6m3/min，给安全生产带来威胁；矿生活用气不能得到保证。为此我们对矿井抽放量逐渐下降的原因进行了分析。2分析2.1地应力2.1.1开采深度与卸压抽放量的变化近十多年来，矿井开采水平由过去的±0m水平逐渐延深到-325～-450m水平，在相同开采、地质、抽放技术条件下，随着开采深度的增加，4#层卸压抽放量也随之逐渐减少，如矿井南翼的零二采区，4#煤层卸压瓦斯抽放量随开采深度增加、地应力增大而逐渐减少。2.1.2区域构造应力与卸压抽放量的关系1)区域构造应力：矿井以f1大断层组为界，分南、北两翼开采，南翼开采王家坝向斜构造两翼煤层，北翼开采“乌龟山倾伏背斜”东翼煤层，在-200m水平以上，两翼各分为7个采区，各采区走向长450m左右。南翼采区受“王家坝向斜”和f1大型压性断层组控制，煤层走向发生扭折，因此区域构造应力大，表现在：矿井发生的428次突出中有366次发生在南翼，而这些突出主要以压出为主，掘进巷道常发生响天炮、岩爆、底鼓、支柱移位、片帮、抽冒等；北翼全部采区位于“乌龟山倾伏背斜”东翼，北翼南部距f1大型压性断层组近，应力较大，主要表现在：矿井发生的428次突出中、仅62次发生在北翼，62次突出中又有55次发生在f1断层组附近的采区。北翼采区由南向北距背斜枢纽线越近，压应力逐渐减少、张应力产生的张裂隙逐渐增加，突出越来越少。因此矿井南翼区域压应力大，北翼区域压应力逐渐减少。2）区域抽放量对比在相同开采、抽放技术条件下，矿井南北两翼采区抽放量对比有着显著区别，南翼各采区受区域构造应力影响最大；北翼南部一、三采区受区域构造应力影响较小；北翼北部区域构造应力逐渐消失。因此在横向上抽放量随区域构造应力逐渐减弱而呈逐渐上升的趋势，说明在相同开采、抽放技术条件下，区域构造应力越大，抽放效果越差。2.1.3地应力对抽放钻孔的影响矿井延深到-200m水平以下开采后，逐渐增大的矿山压力与区域构造应力叠加，使大部分区域地应力非常严重。施工抽放钻孔采用的钻机型号为:“ZY-100型”、“ZYG-150型”、“ZYG-150B型”、“ZY-750型”、MYZ—150型等，钻杆为Φ42mm，钻孔为Φ62mm，由于地应力大、钻机功率小，部分钻孔施工到岩孔段就出现垮孔、卡钻，导致钻孔不能进入煤体；部分进入煤体的钻孔出现更严重的垮孔、卡钻，导致钻孔不能过完煤层全厚；部分施工好的钻孔被压实、封闭并与煤层隔离。严重的地应力对抽放钻孔产生极大影响，导致钻孔抽不出瓦斯。2．2抽放巷、抽放钻孔布置2.2.1抽放巷布置矿井可采的三个煤层由下至上称为6#、5#、4#煤层，层间距离：6#～5#层14m；5#～4#层23m，其中5#至4#层之间中部有9m厚的硅质灰岩，抽放巷就布置在硅质灰岩层位内，然后再在抽放巷内每隔30～40m布置一个抽放钻场。抽放巷的作用一是在5#煤层回采过程中抽4#煤层的卸压瓦斯；二是对待掘的5#保护煤层巷道实施穿层预抽瓦斯措施。由于抽放技术落后，6#煤层的瓦斯未进行抽放。2.2.2抽放钻孔布置在钻场内向4#煤层布置扇形抽放钻孔，孔间距10～15m。5#煤层回采推进中，超前应力随工作面推进方向向煤壁前方逐渐运移，同时煤壁后方钻场逐渐受破坏见（图一），如煤壁采至钻场位置，钻场后方采空区岩石冒落、产生的裂隙破坏了抽放钻场，使钻场内钻孔发生漏气，导致控制煤壁线后方煤层的钻孔在4#层卸压瓦斯涌出高峰期抽不出瓦斯；钻场内控制煤壁线前方的钻孔，受裂隙破坏漏气更严重，抽放效果更差。以这样的方式布置钻孔，对抽放卸压瓦斯极为不利。40.0m卸压抽放钻孔布置剖面示意图23.0m14.0m矽质灰岩抽放钻场40.0m抽放钻孔5#层回采推进方向4#5#6#裂隙带5#煤层煤壁线冒落带卸压抽放钻孔布置平面示意图矽质灰岩抽放钻图一2.3堵孔采用人工、水泥、沙桨、堵孔,堵孔深度3～5m,当采动应力产生的裂隙影响到抽放钻场,极易破坏3～5m的堵孔段而导致钻孔漏气。2.4结论1）在相同开采、抽放技术条件下，经过纵向对比，开采深度增加，地应力增大，抽放量减少；经过横向对比，受区域构造应力影响越大的区域，抽放效果越差；区域构造应力与深水平的矿山压力叠加，地应力更加严重，煤岩被紧压，微孔隙减少，导致施钻困难、抽放效果更差。2）在严重的地应力作用下，钻孔出现卡钻、垮孔、不能进入煤层或不能过完煤层全厚，达不到设计要求；巳施工好的钻孔发生垮孔、堵塞。说明钻机功率小，施钻、堵孔技术差，有待改进。3）抽放钻孔设计中，下保护层与被保护层之间的抽放巷、极易受保护层开采的应力影响而产生的垮冒和裂隙破坏，造成抽放钻孔严重漏气、抽不出瓦斯，因此在这种条件下不利于布置“扇形孔”。3．针对性措施3.1改进施钻技术1）增大钻机功率，选购“ZYW-1200型”,“ZY-1250C型”,“ZDY-1200S型”等大功率钻机，同时把Φ42mm钻杆改变为Φ50mm钻杆，以此来防止或减少施钻时发生卡钻的机率。2）增大钻孔孔径，降低垮孔堵塞钻孔对抽放瓦斯的影响，把孔卸压抽放钻孔布置剖面示意图23.0m14.0m矽质灰岩抽放钻场抽放钻孔5#层回采推进方向裂隙带5#煤层煤壁线冒落带矽质灰岩抽放钻图二20.0m4#5#6#径为Φ62mm的钻孔改变为Φ75～90mm钻孔。3）对钻孔垮孔严重部位，采取下套管的方法，钻孔过完煤层后、及时退出套管、插入堵孔管进行堵孔。4）减少钻孔在岩体内遇不同硬度的岩石造成钻孔在方位、倾角上出现偏差、给钻机增大负荷，在钻孔开孔段5m采用取芯钻进。5）增大钻孔控制煤体的准确性，采取对每个施工结束的钻孔进行验收，然后把验收资料及时上入竣工图进行分析，对钻孔未控制的“空白带”增补钻孔。3.2改变钻孔设计把“扇形孔”布置方式改变为“单向孔”布置方式，钻场间距由过去的30～40m改变为20m，钻孔间距由过去的10～15m改变为8～10m。每一个钻场的钻孔控制范围超过后方一个钻场5m以上，当采场应力破坏钻场后，下一个钻场的钻孔又控制了受破坏的钻场部位的煤层见（图二）：3.3提高堵孔质量把人工、水泥、沙桨堵孔改变为马丽散、水泥、石膏混合浆液、机械堵孔，把过去堵孔深度3～5m改变为8～10m，以此来降低采场应力产生的裂隙对钻孔的破坏。3.4对6#煤层卸压瓦斯进行抽放6#煤层的御压瓦斯由于钻孔长（70m左右）、钻机功率小、地应力大、垮孔、卡钻严重等原因,基本上未进行抽放,在“改进钻孔施工技术”中，对6#煤层的御压瓦斯进行了抽放，钻孔布置在茅口大巷内，在布孔方式上、因6#煤层位于保护层工作面的下部，不受垮冒影响而布置了“扇形孔”。4．效果4.1技术改进的第一个深水平保护层“75002”工作面1）“75002”工作面是矿井的严重突出区域，工作面对应的4#煤层瓦斯储量467.5万m3,技术改进后抽出4#煤层瓦斯量228.98万m3,占瓦斯储量的49%。2）过去由于卸压抽放技术落后，5#煤层回采中、4#煤层的卸压瓦斯大量涌入工作面而导致工作面回风瓦斯常超限，特别是5#煤层初次卸压时，工作面回风瓦斯浓度最大达到20%左右（风量500m3/min），而“75002”工作面回风瓦斯浓度一般都在0.5%左右，在初次卸压时仅有0.7%，说明技术改进后开采的“75002”工作面、对4#煤层的卸压抽放效果是明显的。4.26#煤层卸压抽放瓦斯效果掌握了地应力与卸压瓦斯抽放技术的关系后,在技术改进中,对原未抽放的6#层瓦斯进行了卸压抽放，至今6#煤层的抽放量为3.0m3/min左右。4.3矿井抽放量显著提高卸压抽放技术改进前,矿井抽放量为1.6m3/min，改进后为10～15m3/min。矿井抽放量得到大大的提高后，降低了矿井风排瓦斯量，为安全生产提供了保障，同时完全满足了全矿近3000户居民用气量,并使矿井两个锅炉进行了煤改气,为国家“节能减排、清节环保”作出了贡献，目前仍有大量富余瓦斯,预计今后抽放量还会大幅度提高，矿井目前正在进行瓦斯发电筹备工作。5结语南桐煤矿在卸压抽放技术落后、抽放量少，且在向深水平延深、抽放量更加减少的情况下，分析出了严重的地应力是影响卸压抽放的客观原因，落后的抽放技术是主观原因，为此采取针对性的技术改进措施，提高了抽放量。说明矿井对地应力的研究、内容是非常丰富的，本文对“地应力与卸压抽放瓦斯技术的探讨”仅是该内容中的一部分。