開元煤礦1.5Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip

開元煤礦1.5Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip,開元,煤礦,1.5,Mta,設(shè)計(jì),CAD,采礦工程 煤礦瓦斯區(qū)域治理技術(shù)研究 摘要：礦井瓦斯是生產(chǎn)礦井中嚴(yán)重自然災(zāi)害的重要根源之一。井巷及采場瓦斯的超限存在可導(dǎo)致人員窒息、遇火爆炸等礦井重大安全事故。多年以來，為了徹底治理好礦井瓦斯隱患，國內(nèi)外廣大煤炭科技人員已經(jīng)進(jìn)行了長期的艱苦努力和技術(shù)探索。特別是近20多年來，隨著礦井安全技術(shù)工作向縱深方向的逐步發(fā)展，攻克了一個又一個的瓦斯治理技術(shù)難題。 關(guān)鍵詞：瓦斯區(qū)域治理；煤與瓦斯共采；瓦斯抽放；鉆爆抽一體化 1 緒論 1.1引言 我國是世界第一產(chǎn)煤大國，煤炭產(chǎn)量占世界的37%，煤炭作為我國的主要能源，分別占一次能源生產(chǎn)和消費(fèi)總量的76%和69%。國家《能源中長期發(fā)展規(guī)劃綱要(2004—2020午)》中已經(jīng)確定，中國將“堅(jiān)持以煤炭為主體、電力為中心、油氣和新能源全面發(fā)展的能源戰(zhàn)略”。顯然，在相當(dāng)長的時期內(nèi)，煤炭作為我國的主導(dǎo)能源不可替代。 我國的煤礦瓦斯與煤塵爆炸事故、煤與瓦斯突出事故頻繁發(fā)生，傷亡人數(shù)多，嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)。目前，全國共有高瓦斯礦井、煤與瓦斯突出礦井約9000多處，占生產(chǎn)礦井總數(shù)的30%左右。建國50多年來，我國一次傷亡100人以上的特別重大事故共發(fā)生71次，僅瓦斯爆炸事故就達(dá)49起，占全部特別重大事故的69%?？梢哉f，礦井瓦斯災(zāi)害防治工作不論是過去還是將來，一直是煤礦安全工作的重中之重。 我國煤礦開采深度平均每年增加10~20m，隨采深的增加，地應(yīng)力、瓦斯壓力、地溫也越來越高，煤礦自然災(zāi)害的威脅逐步加重，治理的難度也越來越大。煤層瓦斯壓力平均過年增加0.1~0.3MPa，瓦斯涌出量每年增加約1.5Bm3。45戶重點(diǎn)監(jiān)控企業(yè)中高瓦斯和突出礦井的比例2005年比2004年增加了10%。 瓦斯作為一種潔凈能源，應(yīng)予以開采和利用的科學(xué)采礦觀，它既是我國煤礦生產(chǎn)過程中的主要災(zāi)害源，也是一種新型的潔凈能源和優(yōu)質(zhì)化工原料，因此，對于煤礦瓦斯的災(zāi)害防治和治理利用應(yīng)予以高度重視。 煤礦瓦斯災(zāi)害防治的主要目的是防止瓦斯積累，消除瓦斯突出，防治瓦斯煤塵煤炸。防止瓦斯積聚的主要技術(shù)途徑是減少瓦斯向采掘空間涌出和稀釋采掘空間的瓦斯?jié)舛?，其中，瓦斯抽放是減少瓦斯涌山的一種最有效途徑，加強(qiáng)礦井通風(fēng)是稀釋采掘空間瓦斯?jié)舛茸钣行У姆椒?。消除瓦斯突出等動力現(xiàn)象的主要技術(shù)途徑是釋放煤巖層中的瓦斯和地壓。瓦斯災(zāi)害防治的輔助手段主要是控制井下火源、建立防隔爆、抑爆和個人防護(hù)體系、加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測。電器防爆、使用抗靜電和阻燃性材料、使用煤礦許用安全爆破器材、有效防治煤層自然發(fā)火、有效控制外因火災(zāi)等措施是控制井下火源的主要途徑。 隨著煤炭工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，我同的瓦斯抽放技術(shù)也得到了不斷的提高和發(fā)展，我國的煤礦瓦斯抽放技術(shù)大致經(jīng)歷以下4個階段： (1) 高透氣性煤層抽放瓦斯階段。20世紀(jì)50年代初期，在撫順高透氣性特厚煤層中首次采用井下鉆孔抽放瓦斯，獲得了成功，解決了撫順礦區(qū)高瓦斯特厚煤層開采的關(guān)鍵技術(shù)問題。在煤層透氣性遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于撫順煤田的其他礦區(qū)采用類似的方法抽放瓦斯時，未能取得撫順礦區(qū)的抽放效果。 (2) 鄰近層抽放瓦斯階段。20世紀(jì)50年代末，采用井下穿層鉆孔抽放上鄰近層瓦斯在陽泉礦區(qū)獲得成功，解決了煤層群開采首采煤層工作面瓦斯涌出量大的問題，且認(rèn)識到利用采動卸壓作用對未開采的鄰近煤層實(shí)施邊采邊抽，可以有效地抽放瓦斯，減少鄰近層瓦斯向開采層工作面涌出。該技術(shù)在具有鄰近居抽放條件的礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用．取得了較好的抽放效果。 (3) 低透氣性煤層強(qiáng)化抽放瓦斯階段：在低透氣性高瓦斯和突出煤層，采用常規(guī)鉆孔抽放瓦斯技術(shù)效果不理想。為此，從20世紀(jì)70年代開始，國內(nèi)試驗(yàn)研究了煤層中高壓注水、水力壓裂、水力割縫、松動爆破、大直徑鉆孔多種強(qiáng)化抽放技術(shù)；90年代又試驗(yàn)研究了網(wǎng)格式密集布孔、預(yù)裂控制爆破、交叉布扎等抽放新技術(shù)。網(wǎng)格式密集布孔在煤礦得到了應(yīng)用，但多數(shù)方法因存在工藝復(fù)雜、實(shí)用性差等問題，在煤礦未能得到廣泛應(yīng)用。 (4) 綜合抽放瓦斯階段。20世紀(jì)紀(jì)80年代開始，隨著機(jī)采、綜采，尤其是放頂煤采煤技術(shù)的應(yīng)用，采掘速度加快、開采強(qiáng)度增大，工作面瓦斯涌出量大幅度增加。為了解決高產(chǎn)、高效工作面瓦斯涌出問題，開始實(shí)施綜合抽放瓦斯，即在時間上，將預(yù)抽、邊采邊抽及采空區(qū)抽放相結(jié)合；在空間上，將開采層、鄰近層和圍巖抽放相結(jié)合；在工藝方式上，將鉆孔抽放與巷道抽放相結(jié)合、井下抽放與地面鉆孔抽放相結(jié)合、常規(guī)抽放與強(qiáng)化抽放相結(jié)合。實(shí)施綜合抽放瓦斯方法．最大限度地提高瓦斯抽放效果。 中國的含煤地層一般都經(jīng)歷了成煤后的強(qiáng)烈構(gòu)造運(yùn)動，煤層內(nèi)生裂隙系統(tǒng)遭到破壞、成為低透氣性的高延性結(jié)構(gòu)，煤層普遍具有變質(zhì)程度高、滲透率低和含氣飽和度低的特點(diǎn)，70%以上煤層的滲透率小于1×10-3mD，其透氣性比美國和澳大利亞低2~3個數(shù)量級，這使得地面鉆井完孔后采氣效果差，水力壓裂增產(chǎn)效果不明顯。地面鉆孔有效排放半徑和鉆孔瓦斯流量小，衰減快，透氣性最好的撫順煤層井下水平鉆孔與美國同類條件相比，鉆孔影響范圍僅30~50m，而美國可達(dá)到100m以上。煤層的低滲透率特點(diǎn)，決定了我國地面開發(fā)煤層氣的難度很大。雖然地面鉆井開采煤層氣在個別高透氣性煤層的礦區(qū)(沁水煤田)試驗(yàn)取得成功，但是我國70%以上礦區(qū)的煤層賦存在高地應(yīng)力、高瓦斯、低透氣性復(fù)雜地質(zhì)條件下，先采氣后采煤技術(shù)沒有突破，采用現(xiàn)行煤層氣開采技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)國家制定的“先抽后采”安全開采方針和“煤與瓦斯共采”能源戰(zhàn)略。 實(shí)踐表明，一旦煤層開采引起巖層移動，即使是滲透率很低的煤層，其滲透率也將增大數(shù)十倍至數(shù)百倍，為瓦斯運(yùn)移和抽放創(chuàng)造了條件。我國煤層的主要特點(diǎn)是地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜、煤層群開采，煤層透氣性低、瓦斯含量高、煤層突出危險嚴(yán)重，我國的煤層賦存條件決定了我同的瓦斯抽采應(yīng)以卸壓抽采為主，瓦斯抽采的重點(diǎn)應(yīng)放在井下，利用井下的采掘巷道，通過采礦活動引起的采動影響，卸壓增透，用拙采鉆孔和各種有效配套技術(shù)強(qiáng)化卸壓煤層的瓦斯抽采。因此若在開采時形成采煤和采瓦斯兩個既相對獨(dú)立又相互依賴的完整系統(tǒng)，即形成“煤與瓦斯共采”的開采體系，則不僅有益礦井的安全，而且實(shí)現(xiàn)了在采煤的同時采出了潔凈的瓦斯能源。因此必須創(chuàng)新設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)安全高效開采在礦井設(shè)計(jì)理念和技術(shù)的突破，尋求科學(xué)的深部開采技術(shù)難題的解決方法，創(chuàng)新煤與瓦斯共采技術(shù)、在開采煤炭的同時，利用采礦技術(shù)的基本原理將瓦斯安全高效地開采出來，是我國煤炭和瓦斯資源開發(fā)的一條重要途徑。 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 瓦斯在煤層及采動裂隙巖體中的運(yùn)移和聚積規(guī)律，是煤礦瓦斯防治和抽放技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，而這項(xiàng)研究涉及滲流力學(xué)、巖石力學(xué)、采礦及安全工程學(xué)等多學(xué)科，但關(guān)鍵卻在于力學(xué)學(xué)科的滲流理論。自1947年前蘇聯(lián)學(xué)者P. M.克里切夫斯基將滲透理論用于描述煤層內(nèi)瓦斯運(yùn)移過程，得出了考慮瓦斯吸附性質(zhì)的瓦斯?jié)B流規(guī)律，為煤巖瓦斯?jié)B流理論的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，到現(xiàn)在，煤巖瓦斯耦合作用理論已經(jīng)發(fā)展了近60年。目前，在國內(nèi)外指導(dǎo)煤礦瓦斯防治和抽放瓦斯機(jī)理的數(shù)學(xué)模型主要集中在煤層瓦斯?jié)B流規(guī)律、煤層瓦斯擴(kuò)散理論、煤層瓦斯?jié)B流一擴(kuò)散規(guī)律以及多物理場、多相煤巖瓦斯禍合規(guī)律、煤層卸壓瓦斯越流理論和采動裂隙帶瓦斯運(yùn)移規(guī)律等方而的研究。 從理論、實(shí)踐及其結(jié)合上，幾十年來國外都對礦井瓦斯災(zāi)害防治工作進(jìn)行了廣泛而深入的研究與探索，現(xiàn)簡單分述如下。 ⑴對礦井瓦斯預(yù)測工作的研究 在對礦井瓦斯預(yù)測工作的研究中，美國、澳大利亞、波蘭、德國、英國等世界主要產(chǎn)國家圍繞地質(zhì)開采因素、煤巖結(jié)構(gòu)應(yīng)力及井巷面區(qū)瓦斯預(yù)測預(yù)報等方面開展了大量而深的實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場試驗(yàn)研究工作，取得了令人矚目的巨大成就。各國所研發(fā)的許多礦井瓦預(yù)測方法己經(jīng)在生產(chǎn)實(shí)際中得到了廣泛使用并取得實(shí)際成效。特別是近年來計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用則顯著提高了礦一井瓦斯預(yù)測計(jì)算的速度和精度，使礦井瓦斯預(yù)測工作更加及時和準(zhǔn)。 ⑵對礦井瓦斯涌出量方面的研究 礦井瓦斯涌出量方面的研究內(nèi)容主要包括:研究煤層瓦斯的形成和遷移規(guī)律;測定煤瓦斯含量;預(yù)測礦井瓦斯涌出量，等等。 ①煤層瓦斯成分研究。煤層瓦斯通常指甲烷(沼氣)，因?yàn)榧淄镃H4是主要成分，一般占總量的80%以上，但是，即使在室溫下，煤層瓦斯也含有其他小分子的碳?xì)浠衔锛癈O2、N2、O2和H2等氣體物質(zhì)。 ②煤層瓦斯含量測定。目前各國主要采用的是解吸法測定煤層瓦斯含量。 ③礦井瓦斯涌出量測定。生產(chǎn)礦井中的瓦斯來源主要包括井巷煤巖中的緩慢析出瓦斯、掘進(jìn)區(qū)瓦斯、采煤區(qū)瓦斯以及采空區(qū)瓦斯。目前進(jìn)行礦井瓦斯涌出量預(yù)測時所采用的方法主要有三類:礦山統(tǒng)計(jì)法、煤層瓦斯含量法和瓦斯分源法等。 ④礦井瓦斯等級劃分。國外大多數(shù)國家都劃分礦井瓦斯等級，目的時便于采取相應(yīng)的礦井安全技術(shù)措施。例如，俄羅斯礦井瓦斯等級的劃分方法是:按照平均日產(chǎn)1t煤涌出的瓦斯量劃分為四個等級:一級瓦斯礦井，5 m3/t以下;二級瓦斯礦井，5-10 m3/t;三級瓦斯礦井，10—15 m3/t;超級瓦斯礦井，15 m3/t以上。德國所有的煙煤礦井都劃分為瓦斯礦井;工作面絕對瓦斯涌出量大于20 m3/min時，視為特大瓦斯工作面。 ⑶有關(guān)礦井瓦斯抽放方面的研究 在許多國家，礦井瓦斯抽放己經(jīng)成為降低工作面瓦斯涌出量和防止礦井瓦斯突出的一項(xiàng)主要措施。前蘇聯(lián)一年的瓦斯抽放量為25億m3;德國的平均抽放率達(dá)50%，其年抽放量約為6億m3。 1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 早在20世紀(jì)50年代初期至60年代中期，隨著我國煤炭工業(yè)的發(fā)展，煤礦瓦斯問題逐漸嚴(yán)重。對此，我國煤礦一方面開展礦井通風(fēng)系統(tǒng)技術(shù)改造，改善生產(chǎn)礦井的通風(fēng)條件和加強(qiáng)瓦斯管理;另一方面開始在瓦斯防治技術(shù)上全面進(jìn)行試驗(yàn)研究，在瓦斯含量和瓦斯涌出量預(yù)測、瓦斯抽放等多個方面同時進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場研究工作。 60年代中期至70年代末，我國在瓦斯抽放等方面進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)理論和實(shí)用技術(shù)措施的研究，均取得了較大進(jìn)展。例如，在瓦斯預(yù)測方面，針對地面鉆孔密閉式和集氣式巖芯取樣器的采芯率低、瓦斯損失量大、預(yù)測結(jié)果偏低的問題，研究了解析法直接測定煤層瓦斯含量的方法，開拓了直接測定瓦斯含量的新領(lǐng)域。與此同時，在瓦斯涌出量預(yù)測研究方面也有所發(fā)展，除了廣泛采用礦山統(tǒng)計(jì)法外，還開始采用一般計(jì)算法來預(yù)測礦井瓦斯涌出量。但由于缺乏必要的試驗(yàn)研究，這一時期的計(jì)算式中采用的參數(shù)值多為國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，瓦斯涌出量預(yù)測采用計(jì)算法還處于開始階段。在瓦斯抽放方面，除了繼續(xù)對鄰近層抽放技術(shù)和開采層高透氣性煤層抽放技術(shù)進(jìn)行研究外，重點(diǎn)轉(zhuǎn)入低透氣性煤層抽放技術(shù)的研究。在這個時期，瓦斯抽放研究的方向是煤層注水、水力割縫、水力壓裂等強(qiáng)化型瓦斯抽放技術(shù)。 為從根本上消除瓦斯根源，廣泛開展了本層瓦斯抽放、鄰近層瓦斯抽放、采空區(qū)瓦斯抽放、低透氣性煤層強(qiáng)化瓦斯抽放等技術(shù)裝備和工藝，以及包括瓦斯泵、鉆機(jī)鉆具、抽放系統(tǒng)配套裝置和抽瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)等裝備;“九五”、“十五”時期在突出危險預(yù)測方面，試驗(yàn)研究了突出危險區(qū)域無線電波透視技術(shù):利用無線電電波在不同煤巖介質(zhì)中吸收系數(shù)的變化探測預(yù)測區(qū)域范圍內(nèi)的構(gòu)造異常帶、煤層厚度變化帶、煤層強(qiáng)度變化帶、瓦斯富集帶等，然后利用專家系統(tǒng)等專用軟件綜合分析判斷煤巖區(qū)域的突出危險性。另外這個時期研制的KJ系列煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)具備了能夠?qū)崿F(xiàn)環(huán)境監(jiān)測與突出危險性實(shí)時監(jiān)測的功能，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了突出預(yù)測的自動化。與此同時，在研究和改進(jìn)瓦斯抽放技術(shù)方面，特別是本煤層瓦斯抽放技術(shù)和采空區(qū)瓦斯抽放技術(shù)等方面，均取得了重大進(jìn)展，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 在瓦斯含量和瓦斯涌出量預(yù)測方面，目前已經(jīng)較為完善地建立了地勘瓦斯含量測定方法及裝置、解吸法測定煤層瓦斯含量方法及裝置、瓦斯涌出量分源預(yù)測法、計(jì)算機(jī)繪制瓦斯地質(zhì)圖件的技術(shù)及軟件，并制定了相應(yīng)的技術(shù)規(guī)范，使預(yù)測精度達(dá)到了80%以上，為礦井通風(fēng)設(shè)計(jì)、瓦斯管理提供了必要的技術(shù)依據(jù)。 1.2.3本文主要研究內(nèi)容 本文立足陽煤集團(tuán)的新元煤礦，主要研究基于區(qū)域瓦斯治理的抽采方案的研究，以及針對煤層透氣性低和封孔質(zhì)量差是造成高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采效果普遍較差的情況，提出鉆爆抽一體化技術(shù)。針對開元煤礦煤層賦存特點(diǎn)及目前煤礦區(qū)域瓦斯治理過程中存在的問題，理論分析了煤與瓦斯耦合作用下爆生裂隙形成機(jī)理，開發(fā)了新型抽放鉆孔封材料，采用理論研究、數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試相結(jié)合的方式，研究了基于區(qū)域瓦斯治理的鉆爆抽一體化卸壓增透技術(shù)，通過控制爆破以及PD 復(fù)合材料密封抽放鉆孔的一體化技術(shù)，達(dá)到整體卸壓、增透、抽放瓦斯和消除突出的目的。 2 礦井概況及礦井瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定 2.1礦井概況 新元礦為高瓦斯礦井,瓦斯抽放始終是治理瓦斯的一項(xiàng)重要措施。近一段時期以來，在鄰近層開采時,該礦根據(jù)相鄰煤層層間距較近，頂板發(fā)育、冒落性好的特點(diǎn)，采用對鄰近層采空區(qū)瓦斯抽放方法,解決了高瓦斯煤層開采區(qū)受鄰近層瓦斯影響大的問題。經(jīng)過實(shí)踐證明，取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。 根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院撫順分院2003年11月編制陽泉煤業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司新元煤礦《礦井瓦斯危險程度預(yù)測及工作面瓦斯治理措施》中，首采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果詳見表2-1。 表2-1 首采工作面瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果 預(yù)測 方法 開采 位置 瓦斯涌出量預(yù)測值 開采層 鄰近層 合計(jì) m3/t m3/min m3/t m3/min m3/t m3/min 分源法 上段 3.02 34.86 2.53 17.57 7.55 52.43 中段 7.61 52.85 3.68 23.56 11.29 78.40 下段 10.21 70.90 3.30 36.81 13.51 107.71 從表2-1中可以看出，本井田首采3號煤層的相對瓦斯涌出量大于 10 m３/t，根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》劃分標(biāo)準(zhǔn)，屬高瓦斯礦井。 從瓦斯分布情況看，向斜軸部瓦斯含量高于其它區(qū)域，太原組煤系地層高于山西組煤系地層，煤層埋藏較深的區(qū)域瓦斯含量高于埋藏較淺的區(qū)域。 2.2瓦斯抽放系統(tǒng) 依據(jù)礦井瓦斯涌出量預(yù)測結(jié)果，首采工作面最大瓦斯涌出量為107.71 m３/min。根據(jù)《規(guī)程》第一百四十五條，“礦井的絕對瓦斯涌出量大于或等于40 m３/min時，必須建立抽放瓦斯系統(tǒng)”。因此，本礦井應(yīng)設(shè)立抽放瓦斯系統(tǒng)。 2.2.1 瓦斯抽放 1礦井瓦斯來源分析 ⑴礦井瓦斯來源及涌出構(gòu)成 礦井瓦斯主要來源于回采、掘進(jìn)工作面涌出的瓦斯，部分來源于采空區(qū)涌出的瓦斯。根據(jù)預(yù)測，回采工作面的瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的61.5%，掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的26.2%，采空區(qū)瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的12.3%。 ⑵回采工作面瓦斯來源及涌出構(gòu)成 回采工作面瓦斯主要來源于開采層、鄰近層和圍巖瓦斯涌出。根據(jù)陽煤集團(tuán)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，開采層的瓦斯涌出約占工作面瓦斯涌出的54%，鄰近層和圍巖的瓦斯涌出 2瓦斯抽放系統(tǒng)方案 由于本礦井為新建井，同時瓦斯儲量豐富，為保證礦井的安全生產(chǎn)，同時便于管理，設(shè)計(jì)推薦設(shè)地面永久抽放瓦斯系統(tǒng)。 結(jié)合礦井煤層賦存條件、瓦斯涌出來源構(gòu)成和我國煤礦(特別是陽泉礦區(qū))井下鄰近層和開采層瓦斯抽放的成功經(jīng)驗(yàn)與實(shí)踐，對礦井達(dá)產(chǎn)時回采工作面瓦斯抽放方式采用如下方案。 為了保證工作面達(dá)產(chǎn)，同時盡量多抽瓦斯，建議的總體抽放方式為：采用穿層鉆孔和采空區(qū)預(yù)埋管的綜合方式抽放鄰近層瓦斯；采用交叉鉆孔強(qiáng)化預(yù)抽3號煤層瓦斯，并利用工作面前方采動卸壓圈內(nèi)的交叉鉆孔，邊采邊抽開采層瓦斯。 ⑴開采層瓦斯抽放方案 從陽泉礦區(qū)煤層預(yù)抽實(shí)踐看，3號煤層屬于較難抽煤層，由此可以推測，井田3號煤層的透氣性不太可能明顯好于陽泉礦區(qū)現(xiàn)有各生產(chǎn)礦，采用常規(guī)鉆孔布置方式，其抽放率難以超過10%?；诖耍捎媒徊驺@孔方式高效強(qiáng)化預(yù)抽3號煤層瓦斯，據(jù)煤科總院撫順分院在焦作、平頂山這些低透氣性煤田的試驗(yàn)，抽放率能比常規(guī)孔方式提高50～80%。 可在回采前提前在回采面進(jìn)、回風(fēng)巷沿3號煤層向工作面內(nèi)打長距離鉆孔，預(yù)抽煤層瓦斯，在具有相當(dāng)預(yù)抽時間的條件下，利用鉆孔預(yù)抽未卸壓的3號煤層瓦斯的優(yōu)點(diǎn)是：①依靠降低煤體中的瓦斯含量，來減少回采工作面的總瓦斯涌出；②降低了煤體應(yīng)力，可防止回采工作面的瓦斯動力現(xiàn)象；③可利用抽放鉆孔進(jìn)行煤層注水，起到降塵和防火的作用。 預(yù)抽效果的好壞主要取決于煤層的透氣性、布孔方式、預(yù)抽時間長短，由于3號煤層透氣性一般較差且煤質(zhì)松軟，首先可通過采取打交叉鉆孔(根據(jù)測定結(jié)果確定鉆孔間距：平行孔為8 m，斜向孔與平行孔相同，其平行孔與斜向孔行間距0.5 m，傾角與煤層傾角相同?？紫颍浩叫锌状笾疗叫谢夭晒ぷ髅?，斜向孔與平行孔呈15°夾角，傾角較平行孔大1.5°～2°，平行孔開孔位置距底板0.8～1.2 m。鉆孔深度：上向孔120 m，下向孔80 m?；蛘唛_展大直徑鉆孔及深孔松動爆破等工藝技術(shù)研究，增大抽出量。采用聚氨酯快速封孔方法，為爭得較長的預(yù)抽時間，在回采面形成后即進(jìn)行鉆孔施工，并及時封孔聯(lián)網(wǎng)抽放。 用兩個回采工作面實(shí)現(xiàn)礦井生產(chǎn)能力，本煤層瓦斯抽放率要達(dá)到55% ⑵ 鄰近層瓦斯抽放方案（頂板高抽巷邊采邊抽） 工作面在回采時可沿頂板鄰近層的1號煤層布置高抽巷進(jìn)行邊采邊抽，借以提高瓦斯抽放效果。在工作面回采期間，因采空區(qū)頂板冒落鄰近層煤體破壞而卸壓，頂板圍巖體遭破壞而產(chǎn)生裂隙，使之與采空區(qū)溝通，瓦斯抽出量會有明顯增加。根據(jù)該礦井工作面的具體條件，建議在回采工作面上方頂板鄰近層1號煤層沿走向方向做小斷面巷道（斷面積6.16 m2，寬2.8 m，墻高1.1 m，半圓拱半徑1.4 m，錨噴支護(hù)）,其中高抽巷布置在距3號煤層頂板16 m位置的巖層內(nèi)、工作面上隅角裂隙帶內(nèi)，平面位置平行布置在靠近回風(fēng)巷側(cè)，中心距14 m。根據(jù)瓦斯涌出預(yù)測最大時107.71 m3/min的結(jié)果，考慮該巷道施工通風(fēng)實(shí)際現(xiàn)狀，主要是施工高抽巷時因距離遠(yuǎn)、斷面小，在通風(fēng)上存在一定的困難，建議可在施工高抽巷時分兩段施工，每段巷長1000 m左右，在沿工作面走向長度1000 m時做一上山。建議長度少于工作面走向長度150 m，在巷道到達(dá)預(yù)定位置后，采取向工作面采空區(qū)上方的裂隙帶內(nèi)打水平長鉆孔進(jìn)行抽放。鉆孔深度應(yīng)不小于150 m，鉆孔直徑應(yīng)不小于Ф91 mm，鉆孔數(shù)量3～4個。 若條件許可，最好采用千米鉆機(jī)或西安產(chǎn)Ⅵ型鉆機(jī)施工該鉆孔，鉆孔深度可達(dá)300 m以上，這樣可減少高抽巷的施工。以處理上隅角和采空區(qū)瓦斯,減少工作面上隅角瓦斯超限的問題。抽放率按65%考慮。 ⑶高位鉆孔抽放：主要解決上隅角瓦斯超限問題 ⑷瓦斯抽放量預(yù)計(jì)： ①頂板高抽巷邊采邊抽： 主要抽放鄰近層及采空區(qū)的瓦斯。鄰近層瓦斯涌出量36.08 m3/min，采空區(qū)瓦斯涌出量7.16 m3/min，共計(jì)43.24 m3/min。本煤層瓦斯有15%進(jìn)入采空區(qū)，即鄰近層、采空區(qū)瓦斯涌出量增加9.67 m3/min?？紤]本煤層瓦斯進(jìn)入采空區(qū)后，鄰近層、采空區(qū)瓦斯涌出量52.91 m3/min。預(yù)計(jì)抽放率65%，抽放量34.39 m3/min，剩余瓦斯量18.52 m3/min。 ②鉆孔預(yù)抽及邊采邊抽： 主要抽放本煤層，抽放率55%。本煤層的瓦斯涌出量64.46×（1-15%）=54.79 m3/min，抽放量30.13 m3/min，剩余瓦斯量24.66 m3/min。 ③高位鉆孔抽放：主要解決上隅角瓦斯超限問題。 3． 抽放巷道選擇 礦井不設(shè)專用抽放巷道，利用已掘的進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷兼作抽放巷。 鉆場、鉆孔參數(shù)確定 ⑴鉆場布置 本煤層抽放不設(shè)鉆場，鄰近層鉆場間距50～80 m，鉆場寬4 m，深5 m，高3.5 m，采用錨桿掛網(wǎng)錨噴支護(hù)。 ⑵鉆孔布置 采空區(qū)預(yù)埋管管間距為50～100 m。建議將來根據(jù)瓦斯情況，在回采面使用定向長鉆孔和分支孔技術(shù)，目標(biāo)孔深將達(dá)到500 m以上。這些鉆孔將根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行定向和改造，在不同系列鉆孔組之間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣激勵，提高抽放效果。 5．封孔方式、材料及工藝 本煤層預(yù)抽鉆孔采用人工封孔，封孔材料為聚胺脂，封孔深度5～6 m。 設(shè)備選型及主要檢測儀表 ⑴鉆機(jī) TUX—75鉆機(jī)2臺 ⑵主要檢測儀表 主要檢測儀表包括： ①孔板流量計(jì)，②皮托管，③抽放管道參數(shù)檢測儀,④0～100%光干涉瓦檢儀，⑤空盒氣壓計(jì)；⑥U型壓差計(jì)和傾斜壓差計(jì)。 設(shè)有抽放瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測調(diào)控。 2.2.2礦井瓦斯儲量及可抽放量 1．瓦斯儲量計(jì)算范圍 瓦斯儲量計(jì)算范圍：除井田范圍內(nèi)各可采煤層參與瓦斯儲量計(jì)算外，還應(yīng)包括受開采采動影響的向礦井涌出瓦斯的不可采煤層和圍巖的瓦斯。 2.瓦斯儲量及可抽量 瓦斯儲量 （1）瓦斯儲量 瓦斯儲量按下式計(jì)算： （2-1） 式中 WC——礦井瓦斯儲量，萬m3； K1——圍巖瓦斯儲量系數(shù),取1.1； K2——不可采鄰近層瓦斯儲量系數(shù)，取1.1； Ai——第i個可采煤層地質(zhì)儲量， Mt； Xi——第i個可采煤層平均瓦斯含量，m3/t。 經(jīng)計(jì)算井田范圍內(nèi)可采煤層瓦斯儲量2382780.6萬m3。 ⑵瓦斯可抽量 瓦斯可抽量是指在瓦斯儲量中能被抽出的最大瓦斯量，其計(jì)算公式為 （2-2） 式中： W抽——可抽瓦斯量，m3； K可——可抽系數(shù)， K可＝K1·K2·Kg’； K1——煤層瓦斯排放系數(shù)， K1＝K3(X-Xk)/X； K3——瓦斯涌出程度系數(shù)； X——煤層原始瓦斯含量，m3/t； Xc——運(yùn)到地面煤的殘余瓦斯含量，m3/t； （2-3） 式中 k——折合成可燃物的殘余瓦斯含量，m3/t，根據(jù)煤的揮發(fā)分查表選??； ad——煤中水分，%； Ad——煤中灰分，%； K2——負(fù)壓抽放時抽放作用系數(shù)，K2＝1.2； Kg——礦井抽放率，%。 本礦井瓦斯涌出主要來自于開采層和鄰近層，所以取K3＝0.8；3號煤層的殘余瓦斯含量經(jīng)查表為4.0 m3/t。 由于新元礦井煤層埋藏較深，黃土覆蓋較厚，煤層透氣性較差。但在礦井淺部瓦斯含量相對較低，有些地點(diǎn)可能不具備抽放條件。所以綜合分析取礦井抽放率Kg￠=0.25，則瓦斯可抽量為595693.2萬m3。 3瓦斯涌出量計(jì)算 (1)煤層瓦斯主要參數(shù) ①瓦斯壓力 根據(jù)地質(zhì)報告3號煤層瓦斯壓力為：4號鉆孔1.73MPa，21號鉆孔為2.21Mpa、22號鉆孔2.61MPa，24號鉆孔為1.96MPa。 ② 煤層瓦斯含量 根據(jù)撫順分院對3號煤層瓦斯含量分布預(yù)測結(jié)果，3號煤層瓦斯含量為5～22.75 m3/t。 ③煤層透氣性系數(shù)、百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)、瓦斯吸附常數(shù)和煤的孔隙率地質(zhì)報告未提供，建議揭露煤層后盡快測定。 (2)瓦斯涌出量計(jì)算 本井田是一個待開發(fā)的礦區(qū)，為了保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，因此，選用分源預(yù)測法預(yù)測礦井瓦斯涌出量。 分源預(yù)測法的主要技術(shù)途徑是：以煤層瓦斯含量、開采技術(shù)條件、配采關(guān)系為基礎(chǔ)，根據(jù)礦井瓦斯涌出源——回采瓦斯(包括圍巖和鄰近層)、掘進(jìn)瓦斯、采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律，對礦井內(nèi)各回采工作面、掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的。 分源預(yù)測法主要計(jì)算公式采用《礦井瓦斯涌出量預(yù)測規(guī)范》中的有關(guān)公式及針對本井田的相關(guān)預(yù)測參數(shù)選取如下： ① 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測 回采工作面瓦斯涌出由二部分組成：開采層(包括圍巖)瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出。 a開采層瓦斯涌出量 開采層瓦斯涌出量采用下式計(jì)算： （2-4） 式中： K１——圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取K１=1.3； K２——工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，K２=1.053； K３——準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對開采層瓦斯涌出系數(shù)， （2-5） 其中： L——回采工作面長度L=200m； h——巷道預(yù)排等值寬度，m，3號煤為貧煤～貧瘦煤取h=10m； K３=(200-2×10)/200=0.9 m——煤層厚度，m；m=2.5m； M——煤層開采厚度，m；M=2.5m； X０——煤層原始瓦斯含量，m３/t； XC——煤的殘存瓦斯含量，m３/t。 （2-6） b鄰近層瓦斯涌出量 根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院撫順分院一九九九年十二月編制的《陽泉礦區(qū)韓莊礦井瓦斯涌出量預(yù)測》報告中關(guān)于鄰近層瓦斯涌出量分析，礦井鄰近層瓦斯涌出量占鄰近層與開采層瓦斯涌出量之和的46%。因此鄰近層瓦斯涌出量=開采層瓦斯涌出量÷(1-46%)×46%。 c回采工作面瓦斯涌出量 （2-7） ② 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量 a掘進(jìn)巷道煤壁瓦斯涌出量 （2-8） 式中： n——煤壁暴露個數(shù)，雙孔送巷，n=4； l——巷道斷面煤壁計(jì)算當(dāng)量長，l=2.5m； V——巷道掘進(jìn)速度，m/min，V=0.02m/min L——巷道長度，m，L=2500m； q０——煤壁瓦斯涌出初速度，m３/min； （2-9） 其中： Vdaf——原煤揮發(fā)份含量，Vdaf=11.24% X０——煤層原始瓦斯含量，m３/t。 b掘進(jìn)落煤的瓦斯涌出量 （2-10） 式中： S——掘進(jìn)巷道斷面積，m２，S=15m２； γ——煤的容重，γ=1.4t/m３。 c掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量 （2-11） d采區(qū)瓦斯涌出量： （2-12） 式中： q采區(qū)——采區(qū)瓦斯涌出量，m3/t； K′——采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，取K′=1.3； Ai——第i個回采工作面瓦斯涌出量，m3/t； A0——采區(qū)平均日產(chǎn)量，t/d。 ③ 礦井瓦斯涌出量 （2-13） 式中： q礦井——礦井瓦斯涌出量，m３/t； K＂——礦井內(nèi)已采采區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，K＂=1.2。 礦井一期工程投產(chǎn)時，抽放前采煤工作面瓦涌出量、掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量、采區(qū)瓦斯涌出量和礦井瓦斯涌出量見表3-1。 2.2.3抽放瓦斯的必要性和可能性 1．抽放瓦斯的必要性 ⑴回采工作面抽放瓦斯必要性分析 根據(jù)預(yù)測，回采工作面的瓦斯涌出量達(dá)38.9～66.6 m3/min，遠(yuǎn)大于5 m3/min，且采用通風(fēng)方法，難以將風(fēng)流中的瓦斯含量稀釋到1%以下，所以必須進(jìn)行抽放。 ⑵掘進(jìn)工作面抽放瓦斯必要性分析 根據(jù)預(yù)測，掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量將達(dá)7.79～10.19 m3/min，遠(yuǎn)大于3 m3/min，且采用局扇通風(fēng)，難以能將瓦斯稀釋到1%以下，所以完全有必要進(jìn)行瓦斯抽放。 2. 抽放瓦斯的可能性 根據(jù)陽煤集團(tuán)的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，3號煤層基本屬于可以抽放類型且鄰近層抽放效果特別明顯。綜合分析認(rèn)為，預(yù)抽瓦斯完全可行。 3．抽放瓦斯效果預(yù)計(jì) ⑴瓦斯預(yù)抽率 預(yù)抽率的確定目前在我國大致有三種方法：①根據(jù)百米鉆孔瓦斯流量衰減變化規(guī)律進(jìn)行計(jì)算；②在抽放過程中進(jìn)行實(shí)際考察測定；③參照其他礦井的抽放情況確定。由于瓦斯參數(shù)不全，并受現(xiàn)場實(shí)際條件和時間的限制，只能參照其他礦井的抽放情況確定。 設(shè)計(jì)暫參照陽煤集團(tuán)其他抽放礦井的抽放情況確定本煤層瓦斯預(yù)抽率為15%，鄰近層瓦斯預(yù)抽率為60%，建議今后在實(shí)際抽放過程中，對抽放半徑和預(yù)抽率進(jìn)行實(shí)際考察測定。 ⑵工作面瓦斯抽放量 ①回采工作面開采層瓦斯抽放量預(yù)計(jì) 開采層瓦斯抽放采用預(yù)抽和邊采邊抽兩種方式配合抽放，預(yù)抽鉆孔布置采用能較顯著提高抽放效果的交叉鉆孔布置方式。此時，開采層瓦斯抽放量由下式計(jì)算： （2-14） 式中： q開抽——開采層瓦斯抽放量，m３/t； q開——開采層瓦斯涌出量，m３/t； η開——開采層瓦斯抽放率，根據(jù)陽泉礦區(qū)生產(chǎn)井3號煤層預(yù)抽實(shí)踐，同時考慮交叉鉆孔預(yù)抽和邊采邊抽可提高瓦斯抽放效率，取η開=15%。 ②鄰近層瓦斯抽放量預(yù)計(jì) 據(jù)陽煤集團(tuán)的經(jīng)驗(yàn)，鄰近層瓦斯抽放考慮采用穿層鉆孔和采空區(qū)預(yù)埋管相結(jié)合的抽放方式，其瓦斯抽放量按下式計(jì)算： （2-15） 式中： q鄰抽—鄰近層瓦斯抽放量，m3/t； q鄰—鄰近層瓦斯涌出量，m3/t； η鄰—鄰近層瓦斯綜合抽放率，根據(jù)陽泉礦區(qū)的抽放實(shí)踐，η鄰取60%。 回采工作面瓦斯抽放量根據(jù)井田瓦斯平均含量按下式計(jì)算： （2-16） 其中，取20 m3/min。 ③礦井瓦斯抽放量 按目前礦井生產(chǎn)安排，2個綜采工作面生產(chǎn)，考慮兩個備用工作面提前抽放。則礦井瓦斯抽放量為： 2.2.4抽放瓦斯方法 1礦井瓦斯來源分析 ⑴礦井瓦斯來源及涌出構(gòu)成 礦井瓦斯主要來源于回采、掘進(jìn)工作面涌出的瓦斯，部分來源于采空區(qū)涌出的瓦斯。根據(jù)預(yù)測，回采工作面的瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的61.5%，掘進(jìn)工作面的瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的26.2%，采空區(qū)瓦斯涌出約占礦井瓦斯涌出的12.3%。 ⑵回采工作面瓦斯來源及涌出構(gòu)成 回采工作面瓦斯主要來源于開采層、鄰近層和圍巖瓦斯涌出。根據(jù)陽煤集團(tuán)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，開采層的瓦斯涌出約占工作面瓦斯涌出的54%，鄰近層和圍巖的瓦斯涌出約占工作面瓦斯涌出的46%。 2抽放瓦斯方法 ⑴選擇抽放方法原則： 總體抽放方式為：采用穿層鉆孔和采空區(qū)預(yù)埋管的綜合方式抽放鄰近層瓦斯；采用交叉鉆孔強(qiáng)化預(yù)抽3號煤層瓦斯，并利用工作面前方采動卸壓圈內(nèi)的交叉鉆孔，邊采邊抽開采層瓦斯。 ⑵瓦斯抽放方法 ①本煤層瓦斯抽放方法 從陽泉礦區(qū)煤層預(yù)抽實(shí)踐看，3號煤層屬于較難抽煤層，由此可以推測，井田3號煤層的透氣性不太可能明顯好于陽泉礦區(qū)現(xiàn)有各生產(chǎn)礦，采用常規(guī)鉆孔布置方式，其抽放率難以超過10%。基于此，采用交叉鉆孔方式高效強(qiáng)化預(yù)抽3號煤層瓦斯，據(jù)煤科總院撫順分院在焦作、平頂山這些低透氣性煤田的試驗(yàn)，抽放率能比常規(guī)孔方式提高50～80%。 ②采空區(qū)瓦斯抽放 對采空區(qū)采用采空區(qū)預(yù)埋管的方式抽放采空區(qū)瓦斯。 ③鄰近層瓦斯抽放 結(jié)合礦井鄰近層賦存條件和回采工作面巷道布置特征，采用穿層鉆孔抽放鄰近層和圍巖瓦斯。 ⑶ 抽放巷道選擇 礦井不設(shè)專用抽放巷道，利用已掘的進(jìn)風(fēng)巷或回風(fēng)巷兼作抽放巷。 ⑷鉆場、鉆孔參數(shù)確定 ①鉆場布置 本煤層抽放不設(shè)鉆場，鄰近層鉆場間距50～80 m，鉆場寬4 m，深5 m，高3.5 m，采用錨桿掛網(wǎng)錨噴支護(hù)。 ②鉆孔布置 結(jié)合礦井3號煤層條件，本煤層交叉鉆孔布置方式。鄰近層穿層鉆孔布置形式；采空區(qū)預(yù)埋管管間距為50～100 m。建議將來根據(jù)瓦斯情況，在回采面使用定向長鉆孔和分支孔技術(shù)，目標(biāo)孔深將達(dá)到500 m以上。這些鉆孔將根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行定向和改造，在不同系列鉆孔組之間實(shí)現(xiàn)產(chǎn)氣激勵，提高抽放效果。 ⑸封孔方式、材料及工藝 本煤層預(yù)抽鉆孔采用人工封孔，封孔材料為聚胺脂，封孔深度5～6 m。 ⑹設(shè)備選型及主要檢測儀表 ①鉆機(jī) TUX—75鉆機(jī)2臺 ②主要檢測儀表 主要檢測儀表包括： a）孔板流量計(jì)，b）皮托管，c）抽放管道參數(shù)檢測儀,d）0～100%光干涉瓦檢儀，e）空盒氣壓計(jì)；f）U型壓差計(jì)和傾斜壓差計(jì)。 設(shè)有抽放瓦斯監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動監(jiān)測調(diào)控。 2.2.5礦井年抽放量及抽放年限 ⒈礦井瓦斯儲量及可抽放量 ⑴瓦斯儲量計(jì)算范圍 瓦斯儲量計(jì)算范圍：除井田范圍內(nèi)各可采煤層參與瓦斯儲量計(jì)算外，還應(yīng)包括受開采采動影響的向礦井涌出瓦斯的不可采煤層和圍巖的瓦斯。 ⑵瓦斯儲量及可抽量 ①瓦斯儲量 瓦斯儲量按下式計(jì)算： （2-16） 式中 Wc——礦井瓦斯儲量，萬m3； K1——圍巖瓦斯儲量系數(shù),取1.1； K2——不可采鄰近層瓦斯儲量系數(shù)，取1.1； Ai——第i個可采煤層地質(zhì)儲量， Mt； Xi——第i個可采煤層平均瓦斯含量，m3/t。 經(jīng)計(jì)算井田范圍內(nèi)可采煤層瓦斯儲量2382780.6萬m3。 ②瓦斯可抽量 瓦斯可抽量是指在瓦斯儲量中能被抽出的最大瓦斯量，其計(jì)算公式為： （2-17） 式中 W抽——可抽瓦斯量，m3； K可——可抽系數(shù)， K可＝K1·K2·Kg’； K1——煤層瓦斯排放系數(shù)， K1＝K3(X-Xk)/X； K3——瓦斯涌出程度系數(shù)； X——煤層原始瓦斯含量，m3/t； Xc——運(yùn)到地面煤的殘余瓦斯含量，m3/t； （2-18） Xk——折合成可燃物的殘余瓦斯含量，m3/t，根據(jù)煤的揮發(fā)分查表選??； Mad——煤中水分，%； Ad——煤中灰分，%； K2——負(fù)壓抽放時抽放作用系數(shù)，K2＝1.2； Kg——礦井抽放率，%。 本礦井瓦斯涌出主要來自于開采層和鄰近層，所以取K3＝0.8；3號煤層的殘余瓦斯含量經(jīng)查表為4.0 m3/t。 由于新元礦井煤層埋藏較深，黃土覆蓋較厚，煤層透氣性較差。但在礦井淺部瓦斯含量相對較低，有些地點(diǎn)可能不具備抽放條件。所以綜合分析取礦井抽放率Kg￠=0.25，則瓦斯可抽量為595693.2萬m3。 (2)瓦斯涌出量計(jì)算 ⑴煤層瓦斯主要參數(shù) ①瓦斯壓力 根據(jù)地質(zhì)報告3號煤層瓦斯壓力為：4號鉆孔1.73MPa，21號鉆孔為2.21Mpa、22號鉆孔2.61MPa，24號鉆孔為1.96MPa。 ② 煤層瓦斯含量 根據(jù)撫順分院對3號煤層瓦斯含量分布預(yù)測結(jié)果，3號煤層瓦斯含量為5～22.75 m3/t。 ③煤層透氣性系數(shù)、百米鉆孔瓦斯流量衰減系數(shù)、瓦斯吸附常數(shù)和煤的孔隙率地質(zhì)報告未提供，建議揭露煤層后盡快測定。 (2)瓦斯涌出量計(jì)算 本井田是一個待開發(fā)的礦區(qū)，為了保證預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性，因此，選用分源預(yù)測法預(yù)測礦井瓦斯涌出量。 分源預(yù)測法的主要技術(shù)途徑是：以煤層瓦斯含量、開采技術(shù)條件、配采關(guān)系為基礎(chǔ)，根據(jù)礦井瓦斯涌出源——回采瓦斯(包括圍巖和鄰近層)、掘進(jìn)瓦斯、采空區(qū)瓦斯涌出規(guī)律，對礦井內(nèi)各回采工作面、掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而達(dá)到預(yù)測采區(qū)和礦井瓦斯涌出量的目的。 分源預(yù)測法主要計(jì)算公式采用《礦井瓦斯涌出量預(yù)測規(guī)范》中的有關(guān)公式及針對本井田的相關(guān)預(yù)測參數(shù)選取如下： ① 回采工作面瓦斯涌出量預(yù)測 回采工作面瓦斯涌出由二部分組成：開采層(包括圍巖)瓦斯涌出和鄰近層瓦斯涌出。 a開采層瓦斯涌出量 開采層瓦斯涌出量采用下式計(jì)算： （2-19） 式中： K１——圍巖瓦斯涌出系數(shù)，取K１=1.3； K２——工作面丟煤瓦斯涌出系數(shù)，K２=1.053； K３——準(zhǔn)備巷道預(yù)排瓦斯對開采層瓦斯涌出系數(shù)，K３=(L-2h)/L 其中： L——回采工作面長度L=200m； h——巷道預(yù)排等值寬度，m，3號煤為貧煤～貧瘦煤取h=10m； K３=(200-2×10)/200=0.9 m——煤層厚度，m；m=2.5m； M——煤層開采厚度，m；M=2.5m； X０——煤層原始瓦斯含量，m３/t； XC——煤的殘存瓦斯含量，m３/t。 b鄰近層瓦斯涌出量 根據(jù)煤炭科學(xué)研究總院撫順分院一九九九年十二月編制的《陽泉礦區(qū)韓莊礦井瓦斯涌出量預(yù)測》報告中關(guān)于鄰近層瓦斯涌出量分析，礦井鄰近層瓦斯涌出量占鄰近層與開采層瓦斯涌出量之和的46%。因此鄰近層瓦斯涌出量=開采層瓦斯涌出量÷(1-46%)×46%。 c回采工作面瓦斯涌出量 （2-20） ② 掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量 a 掘進(jìn)巷道煤壁瓦斯涌出量 （2-21） 式中： n——煤壁暴露個數(shù)，雙孔送巷，n=4； l——巷道斷面煤壁計(jì)算當(dāng)量長，l=2.5m； V——巷道掘進(jìn)速度，m/min，V=0.02m/min L——巷道長度，m，L=2500m； q０——煤壁瓦斯涌出初速度，m３/min； （2-22） 其中： Vdaf——原煤揮發(fā)份含量，Vdaf=11.24% X０——煤層原始瓦斯含量，m３/t。 b掘進(jìn)落煤的瓦斯涌出量 （2-23） 式中： S——掘進(jìn)巷道斷面積，m２，S=15m２； γ——煤的容重，γ=1.4t/m３。 c掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量 q掘=q壁+q落 ③采區(qū)瓦斯涌出量 （2-24） 式中： q采區(qū)——采區(qū)瓦斯涌出量，m3/t； K′——采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，取K′=1.3； Ai——第i個回采工作面瓦斯涌出量，m3/t； A0——采區(qū)平均日產(chǎn)量，t/d。 ④礦井瓦斯涌出量 （2-25） 式中： q礦井——礦井瓦斯涌出量，m３/t； K＂——礦井內(nèi)已采采區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，K＂=1.2。 2.2.5抽放管路方法 ⑴抽放管路系統(tǒng)的選擇原則 A、抽放管路盡可能沿回風(fēng)巷布置； B、抽放管路系統(tǒng)在滿足抽放需要的情況下盡可能減少管路長度 C、便于安裝和使用管理。 抽放管路系統(tǒng)的選擇 抽放管路系統(tǒng)布置如下： 抽放站─中央回風(fēng)立井─井下總回風(fēng)巷─采區(qū)回風(fēng)巷—抽放面（預(yù)抽）抽放巷─回采面平巷。 抽放管道管徑、材質(zhì)、規(guī)格 ①瓦斯管徑計(jì)算 根據(jù)瓦斯抽放服務(wù)的范圍和所負(fù)擔(dān)的抽放量的大小，其管徑按下式計(jì)算： （2-26） 式中： D——瓦斯管內(nèi)徑，m； V——管道中混合瓦斯的經(jīng)濟(jì)流速，m/s，一般取V=5～15 m/s； Q混——管內(nèi)混合瓦斯流量，m3/min。 抽放瓦斯管徑計(jì)算結(jié)果見表3-2。 表2-2 抽放管徑計(jì)算表 管 路 名 稱 瓦斯流 量 （m3/min） 瓦斯?jié)舛龋?） 混合瓦斯流量（m3/min） 氣體流速 （m/s） 管 道 內(nèi)徑（m） 備 注 主管 80 60 133.33 12 0.483 地面和井下主管 干管1 40 60 66.67 10 0.376 西采區(qū)大巷干管 干管2 40 60 66.67 10 0.376 軌道下山干管 支管1 20 65 33.33 8 0.286 西采區(qū)平巷 支管2 20 65 33.33 7 0.305 東采區(qū)平巷 ②抽放管材的選擇和管徑確定 地面抽放主管選用螺旋焊接鋼管D520×10，井下抽放主、干管選擇煤礦用聚乙烯抽放瓦斯管，西采區(qū)大巷干管和軌道下山干管直徑均為D400，支管選擇無縫鋼管D325×9 mm。 ③瓦斯管的連接方式、主管趟數(shù) 考慮到井下大巷斷面較小以及安裝時對生產(chǎn)會有一定的影響，所以地面和井下抽放主干管采用一次敷設(shè)完成，敷設(shè)一趟主管。 ④抽放管路阻力計(jì)算 a直管阻力損失計(jì)算 直管阻力損失按下式計(jì)算 （2-27） 抽放管路阻力損失計(jì)算按抽放系統(tǒng)服務(wù)年限內(nèi)最長的一條抽放管路進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)新元礦井初步設(shè)計(jì)的礦井開拓布置圖，到西采區(qū)邊界的瓦斯管路最長，所以按從地面到井下西采區(qū)的抽放管路長度計(jì)算直管阻力損失，抽放系統(tǒng)的直管阻力損失H直總=15913 Pa。 b局部阻力損失計(jì)算 管路局部阻力損失按直管阻力損失的10%計(jì)算，則抽放系統(tǒng)的局部阻力損失為1591 Pa。 c總阻力損失計(jì)算 H直總=17504 Pa。 ⑤管路敷設(shè)及附屬裝置 地面管路采用埋地敷設(shè)，連接方式為焊接連接；井筒管路采用法蘭連接，井下管路采用吊掛敷設(shè)，連接方式為法蘭連接。 為了便于管路系統(tǒng)負(fù)壓的調(diào)節(jié)，掌握各抽放地點(diǎn)瓦斯抽出量、瓦斯?jié)舛鹊淖兓闆r以及保證管網(wǎng)系統(tǒng)的正常抽放，設(shè)計(jì)時在各主、干、分、支管路上已考慮分別安設(shè)閥門、流量計(jì)和放水器。 在瓦斯泵房和地面管路上還安設(shè)有防爆、防回火裝置及放空管（含放空燃燒火炬）等。 3基于區(qū)域瓦斯治理的鉆爆抽一體化技術(shù)及應(yīng)用 煤層透氣性低和封孔質(zhì)量差是造成我國高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采效果普遍較差的主要原因之一。為了解決上述問題，主要采取卸壓增透和提高封孔質(zhì)量的方法，目前卸壓增透方式有兩種: 層間的區(qū)域卸壓增透技術(shù)和層內(nèi)卸壓增透技術(shù)。保層開采作為層間的區(qū)域卸壓增透技術(shù)基本趨于成熟，能夠有效增加煤層透氣性，得到了廣泛的推廣應(yīng)用; 在不具備開采保護(hù)層條件時，只有在煤層內(nèi)部采取措施，溝通及擴(kuò)展煤層內(nèi)部的裂隙網(wǎng)，張開原有煤層裂隙，人為增加新裂隙，形成卸壓條件，才能改善煤層內(nèi)部瓦斯的流動情況，而在煤層內(nèi)部進(jìn)行深孔控制爆破和PD 復(fù)合材料密封抽放相結(jié)合的鉆爆抽一體化技術(shù)，則是一種有效的技術(shù)措施。 3.鉆爆抽一體化技術(shù) 3.1 煤與瓦作用爆生裂隙形成機(jī)理分析 3.1.1 爆炸應(yīng)力波作用 爆炸應(yīng)力波在煤體的傳播過程中主要形成沖擊波、壓縮應(yīng)力波和地震波。爆炸應(yīng)力波的作用范圍大致可分為沖擊波作用區(qū)、壓縮波作用區(qū)和地震波作用區(qū)。作用范圍如圖1 所示。 圖1 爆炸應(yīng)力波的傳播范圍和作用范圍 在爆炸沖擊波和應(yīng)力波的直接作用下，由于爆炸壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過介質(zhì)的抗壓強(qiáng)度，炮孔周圍的煤體被強(qiáng)烈壓縮、粉碎，形成壓縮粉碎區(qū)( 爆破近區(qū)) 和震動區(qū)( 爆破遠(yuǎn)區(qū)) 。在應(yīng)力波作用下，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)產(chǎn)生位移，在壓縮粉碎區(qū)內(nèi)形成了徑向裂隙和圓環(huán)狀的切向裂隙，新增的裂隙中斷或減弱了圍巖中徑向和切向應(yīng)力的傳遞，降低了圍巖的應(yīng)力，有利于瓦斯的解析; 同時地應(yīng)力得到部分釋放并且使圍巖應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生改變，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力向工作面前方及巷道兩側(cè)轉(zhuǎn)移; 在震動區(qū)( 爆破遠(yuǎn)區(qū)) 內(nèi)，雖然沒有形成可見的宏觀裂隙，但爆生氣體產(chǎn)生的準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場的擾動作用于已產(chǎn)生的裂隙內(nèi)，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展，并使煤體儲存的彈性能部分釋放出來，應(yīng)力水平趨于下降，瓦斯變得易于抽放。 3.1.2 爆生氣體作用及貫通裂隙形成的條件 應(yīng)力波過后，爆生氣體產(chǎn)生準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力場，并楔入空腔壁上已張開的裂隙中，在裂隙尖端產(chǎn)生應(yīng)力集中，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。在爆生氣體壓力驅(qū)動下，裂隙始終朝著壓力( 或應(yīng)力) 低的方向擴(kuò)展，即向著遠(yuǎn)離炮孔的方向擴(kuò)展。 由線性斷裂力學(xué)可知，在孔內(nèi)壓力作用下，裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為: 3-1) 式中， L 為裂隙擴(kuò)展瞬間長度; Pm為孔壁壓力; P 為地應(yīng)力。 裂隙失穩(wěn)擴(kuò)展條件為: Kr ≥1. 6Krc (3-2) 式中Krc———靜態(tài)斷裂韌性，N/m3 /2。 綜合上述分析，可得出孔間形成貫通裂隙條件是: (3-3) 爆破孔與控制孔間距Lk 應(yīng)滿足下列條件: Lk≤ L 3.1.3 煤層瓦斯壓力作用 深孔控制爆破是在煤與瓦斯固流耦合介質(zhì)中進(jìn)行的。 爆破前處于力學(xué)平衡狀態(tài)下的原生裂隙中的瓦斯，由于爆炸應(yīng)力場的擾動將作用于已產(chǎn)生的裂隙內(nèi)，使裂隙進(jìn)一步擴(kuò)展。由于瓦斯的作用，煤體中爆破裂隙圈會相應(yīng)的增大，煤體中瓦斯對爆破裂隙的影響主要體現(xiàn)在降低圍巖應(yīng)力上。瓦斯壓力驅(qū)動作用下裂隙尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子為： (3-4) 式中，Pg為孔隙內(nèi)瓦斯壓力; σ 為圍巖應(yīng)力與爆生氣體準(zhǔn)靜態(tài)應(yīng)力的合力; L 為裂隙長度; β 為裂隙面與垂直方向夾角。 由式( 3-4) 可知隨著瓦斯壓力Pg的增大，Kr值增大，因而有利于裂隙的擴(kuò)展。 3.2 鉆爆抽一體化技術(shù) 3.2.1 鉆爆一體化技術(shù)簡介 該技術(shù)是在采煤或掘進(jìn)工作面前方的煤層上交替布置順層或穿層抽放鉆孔( 控制孔) 和爆破孔孔位，爆破后，使炮孔周圍產(chǎn)生包括壓縮粉碎圈、徑向裂隙與環(huán)向裂隙交錯的裂隙圈和沿爆破孔和控制孔孔位連心方向的貫穿裂隙網(wǎng)，使地應(yīng)力轉(zhuǎn)移、煤體透氣性增大，降低了瓦斯壓力梯度和突出勢能，“鉆爆抽”三位一體卸壓防突區(qū)域卸壓增透示意圖如圖2 所示。 1—爆破孔; 2—控制孔( 抽放孔) ; 3—煤體; 4—裂隙 圖2 “鉆爆抽”三位一體卸壓防突區(qū)域卸壓增透示意圖 3.2.2 爆破孔與控制孔間距L 的數(shù)值模擬及分析 為了確定爆破孔與控制孔的間距L，對其進(jìn)行數(shù)值模擬。取爆破孔直徑為75mm，在兩爆破孔中間加設(shè)直徑為89mm 的控制孔，爆破孔與控制孔等間距布置。運(yùn)用LS －DYNA 軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看出，由于爆破孔與導(dǎo)向孔的間距不同，產(chǎn)生的卸壓效果有明顯的差別，孔間距增大，爆破后地應(yīng)力的峰值也提高，兩孔周圍的卸壓強(qiáng)度進(jìn)一步得到提高。從模擬結(jié)果可知當(dāng)L在3 ～ 4m 之間時，有效應(yīng)力的卸壓效果較好。 圖3 爆破孔與控制孔間距對卸壓效果的影響 3.2.3 瓦斯抽放鉆孔密封材料 抽放瓦斯是解決高瓦斯突出煤層開采防突及瓦斯超限問題最有效、最直接的辦法之一，封孔效果的好壞將直接影響抽放瓦斯量和抽放效率。膨脹水泥凍( PD) 是基于微膠囊技術(shù)研發(fā)的密封材料，經(jīng)驗(yàn)證，PD 材料密封效果優(yōu)于高水材料和聚氨酯有效的解決了抽放鉆孔的密封問題。 3.3 現(xiàn)場試驗(yàn)應(yīng)用及分析 崔廟礦主采煤層為煤與瓦斯突出煤層，瓦斯含量較高，且煤質(zhì)松軟破碎。采用傳統(tǒng)的煤層瓦斯預(yù)抽難以達(dá)到消突效果，必須采取強(qiáng)化抽放措施。在該礦工作面采取鉆爆抽一體化技術(shù)進(jìn)行預(yù)抽瓦斯作業(yè)，取得了良好的效果，消除了煤與瓦斯突出危險性。試驗(yàn)通過不同間距的鉆孔各控制一段條帶，通過一段時間的抽放，測試其消突效果。將設(shè)計(jì)的百米消突條帶分為三個區(qū)段，其中1、2 號鉆場控制區(qū)段為第一區(qū)段，3、4號鉆場控制區(qū)段為第二區(qū)段，5、6 號鉆場控制區(qū)段為第三區(qū)段。鉆場布置如圖4 所示。 圖4鉆場布置示意圖( m) 第二區(qū)段的鉆孔采用該礦常用的聚氨酯封孔方法進(jìn)行封孔，第二階段對第一區(qū)段和第二區(qū)段的鉆孔使用PD 復(fù)合材料進(jìn)行二次封孔。第三階段在第三區(qū)段進(jìn)行控制爆破，并在該區(qū)段使用PD 復(fù)合材料密封抽放鉆孔，比較三個區(qū)段的瓦斯抽放效果。第一區(qū)段和第二區(qū)段技術(shù)改進(jìn)前后抽放效果見表1。 在使用PD 材料封孔技術(shù)各孔抽放濃度在原來抽放濃度基礎(chǔ)上提高了5 ～ 20 倍，總體抽出比均上升了40%，即在原封孔方法所封抽放鉆孔已經(jīng)不能再發(fā)揮作用時，采用PD 復(fù)合材料封孔技術(shù)措施之后，鉆孔又重新發(fā)揮作用。 在第三區(qū)段進(jìn)行控制爆破后，三個區(qū)段不同抽放時間所對應(yīng)的煤層瓦斯抽放率如圖5 所示。 圖5 各區(qū)段爆破前后抽出率變化 從圖5 可以看出第一區(qū)段和第二區(qū)段在技術(shù)改進(jìn)前，抽出率最大為30%，采取鉆爆抽一體化技術(shù)后，第一區(qū)段抽出率為57. 0%，第二區(qū)段抽出率為48. 5%。技術(shù)改進(jìn)后，第一區(qū)段煤層殘余瓦斯含量為6. 56 m3 /t，第二區(qū)段煤層殘余瓦斯含量為7. 65 m3 /t。第三個區(qū)段在爆破完成后開始抽放，90d 后其抽出率達(dá)到48. 6%，其殘余瓦斯含量為7. 45 m3 /t，三個區(qū)段的殘余瓦斯含量均低于8m3 /t，消除了措施范圍內(nèi)煤層的突出危險性。 3.4 結(jié)論 試驗(yàn)證明，實(shí)施基于區(qū)域瓦斯治理的鉆、爆、抽一體技術(shù)后，煤層透氣性可提高20 ～ 50 倍，單孔瓦斯抽采量可提高5 ～ 10 倍，瓦斯抽采濃度大于50%，回采工作面瓦斯抽放率大于80%，預(yù)抽瓦斯時間可縮短一半，瓦斯抽放孔數(shù)減少20% ～ 30%。隨著研究工作的進(jìn)一步深入，鉆爆抽一體化技術(shù)在對危險性煤層進(jìn)行卸壓增透、提高瓦斯抽放量和施工速度方面必將成為一項(xiàng)