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本工作面位于天池矿风井西部,天池寺东北。
四周采
掘情况
本工作面南东为201工作面(已回采完毕),南西为天池寺保护煤柱(靠近矿井边界保护煤柱),北西为203工作面(设计),北东为二采区回风下山。
对地面
的影响
本工作面地面为丘陵山地,无地面设施影响。
1.2煤层赋存特征
15#煤,性脆,易碎,以亮煤、镜煤为主,其次为暗煤,丝炭少量。
含有黄铁矿晶粒,结构简单,具条带状结构,层状构造;
工作面内煤层产状变化不大;
工作面内存在2个较大范围薄煤区,面积分别为101292m2、9852m2。
薄煤区内煤层走向极不稳定,煤层缺失、薄厚变化无规律,对回采有较大影响。
15煤正常煤层普氏硬度系数f=2~4.15,煤中局部含有软分层,普氏硬度系数f=0.17~1。
煤层倾角:
1~10°
,平均为5.5°
。
1.3煤层顶底板条件
工作面煤层顶底板条件见表2。
表1.2工作面煤层顶底板条件
顶、底板名称
岩石
名称
厚度
岩性特征
老顶
K2石灰岩
4.10~6.46
5.0
深灰色,裂隙发育并被方解石脉充填,略含砂质,较硬,f=15。
直接顶
中细粒砂岩或泥岩
3.10~6.39
4.75
中砂岩,灰白色,主要成份为石英、长石,分选磨圆较好,钙质胶结,f=6~9;
局部相变为泥岩。
伪顶
不发育。
直接底
铝质泥岩或中砂岩
3.20~4.85
4.17
铝质泥岩,灰黑色,结构破碎,含植物化石,较软,遇水膨胀,硬度f=3~4。
局部相变为中砂岩,硬度f=6~9。
老底
砂质泥岩
0.50~2.75
2.55
灰-灰黑色,水平层理,贝壳状断口,硬度f=5~6。
1.4巷道布置通风系统
即工作面采用“U”型通风方式,主要有三条巷道,即工作面进风顺槽、回风顺槽和高抽巷,如表3所示。
新鲜风流→副斜井→1150大巷→202工作面进风顺槽→202工作面→202工作面回风顺槽(瓦斯尾巷)→1150回风大巷→总回风巷→回风立井→地面。
表1.3巷道断面形状、几何参数
巷道名称
进、回风
断面
形状
净宽
净高
净断面
(m2)
备注
202进风顺槽
进风
矩形
4.5
3.0
13.5
煤巷,沿15煤层顶板掘进
202回风顺槽
回风
202高抽巷
2.5
2.4
6
岩巷,
沿14煤层顶板K2灰岩掘进
切眼
7.0
2.8
19.6
煤巷
2.工作面回采瓦斯涌出量预计
2.1临近面瓦斯涌出情况
15201工作面为15202工作面上临近采面,平均煤厚3.4m,已于2009年回采完毕。
15201工作面正常回采期间,平均日产量3500t时,绝对瓦斯涌出量48m3/min,相对瓦斯涌出量10.26m3/t。
2、工作面原始瓦斯涌出量预计
(1)类比法公式:
q=q参+⊿h×
a(m3/t);
式中:
q—回采工作面相对瓦斯涌出量,m3/t。
q参—以已采工作面15201为参考工作面,m3/t;
其相对瓦斯涌出量为10.26m3/t。
⊿h—预测工作面与参考工作面标高差,m;
15201工作面平均标高-380m,15202工作面平均标高为-420m,则⊿h为40m。
;
a—瓦斯涌出量梯度,m3/t/m;
取0.0125。
则:
q=10.76m3/t
(1)分源法公式:
式中:
—回采工作面相对瓦斯涌出量,(m3/t);
—本煤层相对瓦斯涌出量,(m3/t);
—邻近煤层相对瓦斯涌出量,(m3/t);
k1—围岩瓦斯涌出系数,全部垮落法取1.2;
k2—工作面残煤瓦斯涌出系数,k2=1/c,c为工作面回采率,取0.95;
k3—掘进巷道预排瓦斯影响系数,
=(L-xb)/L,
为工作面长度,m;
b为巷道宽度,取m;
x为预排系数,取3~4;
k4—不同通风方式的瓦斯涌出系数,U型通风取1.0,Y型通风取1.3~1.5;
k5—本煤层抽采瓦斯影响系数,取1.1~1.5;
m,M—采高与本煤层厚度,m;
X0、Xc—本煤层原始、残存瓦斯含量,m3/t,一般X0-Xc=0.8X0;
据15202工作面情况
本煤层瓦斯涌出相对量计算表
范围
(m3/t)
全部垮落法
依据
取值
切眼~
600m
1.3
回采率95%
1.05
巷道预排
等值宽度10.5m
0.896
U型通风
1
综合抽采
1.5
2.7
12.98222
600m~
1000m
回采率85%
1.18
等值宽度12m
0.881
3.3
1000m~
停采线
回采率80%
1.25
等值宽度13m
0.871
5.5
X0取9.9m3/t;
则得:
qb=7.92m3/t。
邻近煤层卸压瓦斯涌向本面量qL按本煤层的20%计算,
预测结论:
202综放面瓦斯涌出量预测结果
日产量
(t)
不同预抽率下瓦斯绝对涌出量m3/min(考虑不均衡系数)
10%
20%
30%
40%
50%
3000
切眼~600m
42.06~54.67
37.1~48.23
32.14~41.78
27.18~35.33
22.22~28.88
600m~1000m
46.47~60.41
40.99~53.29
35.51~46.16
30.03~39.04
24.54~31.91
1000m~停采线
48.68~63.28
42.93~55.81
37.19~48.35
31.45~40.88
25.71~33.42
3500
49.07~63.79
43.29~56.27
37.5~48.75
31.71~41.22
25.92~33.7
54.22~70.48
47.83~62.17
41.43~53.86
35.03~45.54
28.64~37.23
56.79~73.83
50.09~65.11
43.39~56.4
36.69~47.7
29.99~38.99
4000
56.07~72.9
49.47~64.31
42.85~55.71
36.24~47.11
29.62~38.51
61.96~80.55
54.66~71.05
47.35~61.55
40.04~52.05
32.73~42.54
64.9~84.37
57.24~74.42
49.59~64.46
41.93~54.51
34.27~44.56
4500
切眼~到600m
63.08~82.01
55.65~72.35
48.21~62.67
40.77~53
33.33~43.32
69.71~90.62
61.49~79.94
53.27~69.25
45.04~58.55
36.82~47.86
73.02~94.92
64.4~83.72
55.79~72.52
47.17~61.32
38.56~50.13
5000
70.09~91.12
61.84~80.39
53.57~69.64
45.3~58.89
37.03~48.14
77.45~100.69
68.32~88.82
59.18~76.94
50.05~65.06
40.91~53.18
81.13~105.47
71.55~93.02
61.98~80.58
52.41~68.14
42.84~55.7
2.2邻近煤层瓦斯涌出量预测
由于XXX公司邻近瓦斯赋存参数不清,根据实际本煤层、初次来压和周期来压采空区瓦斯涌出数据分析,可知15#煤开采时邻近层瓦斯占该煤层未预抽下瓦斯涌出总量(包括采空区遗煤瓦斯涌出量)的70%。
3.瓦斯综合治理设计
(一)类似块段情况瓦斯治理设计
15201工作面回采期间主要采取高抽巷、顺层钻孔及专用排瓦斯巷等综合瓦斯治理措施。
(二)瓦斯治理方法选择
15202工作面回采期间将主要采用高抽巷、顺层钻孔、高位钻孔、工作面浅孔和上隅角埋管的治理瓦斯方法。
(三)回采工作面通风设计
1、通风方式:
本工作面采用U型通风方式,工作面进风顺槽进风,回风顺槽回风的通风方式。
2、通风路线:
新风→二采轨道下山→15202进风顺槽联络巷→15202进风顺槽→工作面;
泛风∽→15202回风顺槽→回风立眼一二采回风下山→北冀回风巷→回风立井。
3、工作面风量预算
(1)按人数计算
Q=4N(m3/min)
N—工作面同时工作最多人数,取100人。
则Q=4×
100=400m3/min
(2)按工作面温度计算
Q=60×
K×
V×
S(m3/min)
式中,K—配风调整系数,采煤工作面空气温度26℃,对应系数1.25m/s;
V—采煤工作面空气温度26℃,适宜风速2m/s;
S—采煤工作面平均有效通风断面积,取13m2;
则Q=60×
S=60×
1.25×
2×
13=1950m3/min
(3)按瓦斯涌出量计算
Q=100×
q采×
KCH4/C(m3/min)
q采—回采工作面回风巷风流中瓦斯的平均绝对涌出量,取16m3/min;
C—回风巷风流中瓦斯管理百分比浓度,取0.8;
KCH4—采面瓦斯涌出不均衡通风系数,取1.3;
16×
1.3/0.8=2600m3/min
(4)风速验算
0.25×
60S≤Q≤4×
60S
式中S:
工作面平均有效通风断面,取13m2
195≤Q≤3120(m3/min)
根据以上计算结果:
工作面回采期间设计需风量为2600m3/min,并根据回采期间实际瓦斯涌出量和采空区瓦斯抽采情况进行调整。
3.1瓦斯综合治理方法
3.1.1高抽巷
顶板抽采巷布置在本面上方,垂距15煤层顶板28.1~41.7m,预计抽采瓦斯浓度为45%。
布置方式如图3.1所示
图3.1高抽巷布置示意图
3.1.2顺层钻孔:
(1)钻孔布置方式
202工作面从两顺槽(202进风顺槽、202回风顺槽)施工对向瓦斯抽放钻孔,孔间距2~4m,孔径90mm,孔深105~110m,沿煤层倾角施工,如图3.2所示。
所有顺层区域预抽钻孔均保证预抽时间不少于6个月。
4m
3m
2m
图3.2预抽钻孔布置图
(2)平行钻孔布置参数
钻孔直径:
90mm。
钻孔间距:
2-4m。
开孔位置:
距巷道底板1.3m。
终孔位置:
进风顺槽终孔点位于煤层中部偏下0.1~0.3m,回风顺槽终孔点位于煤层中部偏上0.1~0.3m。
钻孔夹角:
与回风顺槽夹角90º
钻孔倾角:
顺煤层布置。
钻孔长度:
110m。
(3)封孔、联孔及并网抽采
2.1封孔
封孔方法采用赛福特封孔,封孔采用Ф50mm的PE管,孔内前端2m打上花眼,并用纱窗包住,封孔深度8~12m,长度不小于8m。
在管上扎好再生布,然后将适量的A、B料各一半倒入再生布内充分搅和。
在未发酵前一同送入孔内,钻孔即封密严实。
2.2联孔、并网抽采
(1)钻孔封孔后及时联孔,未联孔数量不超过10个,每10个钻孔用Ф90mm的PE分支管联接,在进风、回风巷超前工作面2m甩孔。
(2)每一钻孔要设置一测压嘴,每一分管处要设置Ф90mm的孔板,同时设置放水器及除渣器(如图3.3所示)。
(3)应当做好每个钻孔施工参数的记录及抽采参数的测定。
钻孔孔口抽采负压不得小于13kPa。
预抽瓦斯浓度低于30%时,应当采取改进封孔的措施,以提高封孔质量。
3.3钻孔与支管的连接
3.1.3高位钻孔抽采瓦斯技术
(1)布置方式
在回风顺槽布置高位钻孔,其布置方式见图3.4。
图3.4高位钻孔抽采瓦斯布置平、剖面示意图
(2)钻孔布置参数
开孔100mm(长度不小于7m),终孔90mm。
距底板1.5,钻孔间距0.5m。
钻孔个数:
可单排或两排布置5个。
钻孔倾角及长度:
钻孔倾角及长度决定了钻孔终孔点的位置,高位钻孔终孔点应位于冒落带之上,位于裂隙带之中,冒落带按采高的4~5倍,平均4.4倍计算。
(3)钻孔封孔、联孔
钻孔封孔工艺同采前预抽钻孔,采用聚氨酯封孔,封孔深度不小于5m,套管直径为90mm,套管末端密封段钻三花孔洞,长度为2m,孔洞距离100mm,孔径10~20mm。
钻场口设一汇总管,汇总管用Ф200mm无缝钢管焊制,每个汇总管焊5个Ф90mm梳形管,梳形管安装控制蝶阀,用Ф90mm吸水胶管将钻孔插管与梳形管相连,胶管连接处用铁丝扎紧。
钻孔封孔后,每一个钻孔与支管的连接处设置孔板、测压嘴及阀门,钻场汇总管与孔板连接后,再连接在抽采管路上进行抽采。
3.1.4上隅角埋立管(或高位孔)抽放瓦斯技术
上隅角瓦斯抽放的主要原理是在工作面上隅角形成一个负压区,使该区域内瓦斯由抽放管路抽走,这可以避免因工作面上隅角处局部位置因风流不畅(或微风)引起的瓦斯超限,还可解决因漏风使采空区向上隅角涌出瓦斯而造成的瓦斯超限。
采空区埋管抽放最大的问题是抽放瓦斯的浓度低,一般不到8%。
为弥补采空区埋管抽放不足,利用高位钻孔抽放原理,在工作面风巷打立孔,安设抽放立管,加大立管的高度(站管高度为20m),让其处于顶板离层区、冒落带上部的裂隙带内,抽上隅角高浓度瓦斯。
采空区埋管立孔抽放示意图见图3.6和图3.7。
(1)抽放管每隔20m设置一个三通接口,平时封闭此接口。
在埋进管路时,将三通接上瓦斯抽放器,埋入采空区。
抽放器直径90mm,用90mm薄壁管加工而成,顶端焊接封闭加保护盖,管壁上部均匀切割5mm宽×
100mm长×
15条×
5的圈孔作为瓦斯入口且用纱网包裹。
立管随工作面推进每20m布置一个,当工作面回采,抽放器滞后20m时,关闭老塘内的抽放器连入新的抽放器,依次不断向前延接。
图3.6采空区埋管立管抽放平面图
图3.7采空区上方瓦斯流场及立孔抽放剖面图
开孔100mm(长度不小于5m),终孔94mm。
15202工作面回风顺槽顶板,钻孔间距0.5m。
每组布置3个,每20米一组。
钻孔倾角为80-90度,深度为25米。
钻孔封孔工艺同采前预抽钻孔,采用聚氨酯封孔,封孔深度不小于5m,套管直径为90mm,套管末端密封段钻三花孔洞,长度为10m,孔洞距离100mm,孔径20mm。
钻场口设一汇总管,汇总管用Ф200mm无缝钢管焊制,每个汇总管焊3个Ф90mm梳形管,梳形管安装控制蝶阀,用Ф90mm吸水胶管将钻孔插管与梳形管相连,胶管连接处用铁丝扎紧。
3.2抽采系统设计
3.2.1抽采系统
(1)永久抽采系统:
15202工作面高抽巷、顺层钻孔采用永久抽采系统进行抽采。
15202高抽巷:
高抽巷封闭墙→-二采回风下山→北翼回风巷→总回风→地面。
15202顺层钻孔:
202进、回风抽放点→-二采回风下山→北翼回风巷→总回风→地面。
15202工作面浅孔抽放:
切眼→202进、回风抽放管→-二采回风下山→北翼回风巷→总回风→地面。
(2)移动抽采系统
上隅角瓦斯治理采用井下移动抽采系统,移动抽采泵站安设在15202高抽联络巷车场内;
抽采路径:
上隅角埋管→202回风顺槽→移动抽采泵站→二采回风下山→北翼回风巷→总回风→地面。
2、抽采管径的选择
抽采管径计算公式D=0.1457
Q——管道内抽采混合气体流量,m3/min;
V——管道内气体流速,取12m/s;
(1)高抽巷:
预计抽采瓦斯量为50m3/min,瓦斯浓度50%,抽采混合流量为96m3/min,则D=400mm。
(2)顺层钻孔:
预计抽采瓦斯量为15m3/min,瓦斯浓度20%,则抽采混合流量为50m3/min,则D=300mm。
(3)上隅角:
预计抽采瓦斯量为2m3/min,瓦斯浓度6%,则抽采混合流量为40m3/min,则D=300mm。
3.2.2瓦斯泵选型
(1)瓦斯泵流量计算
瓦斯泵流量应能满足抽采瓦斯系统最大抽采量的需要。
瓦斯泵流量按下式计算:
Q泵=(1)
式中 Q泵──瓦斯抽采泵的额定流量,m3/min;
Q──最大抽采瓦斯纯量,m3/min;
C──瓦斯泵入口处的瓦斯浓度,%;
η──瓦斯泵的机械效率,取0.8;
K──瓦斯综合抽采系数,取1.2。
15202工作面永久抽采系统:
预计地面永久抽采系统抽采15202工作面最大瓦斯纯量50m3/min,瓦斯泵入口处瓦斯浓度40%,代入式
(1),经计算得瓦斯泵预抽瓦斯流量为180m3/min,则1161(3)回采期间,永久抽采系统采用2BEC-62型水环式真空泵(额定流量为300m3/min)能满足系统需要。
15202工作面井下移动抽采系统:
井下移动抽采系统预抽15202工作面最大瓦斯纯量2m3/min,瓦斯泵入口处瓦斯浓度6%,经计算得瓦斯泵预抽瓦斯流量为53m3/min,则15202回采期间,移动抽采系统采用1台2BEC-42型水环式真空移动泵(额定流量为160m3/min)联合抽采,能满足要求。
3.2.3抽采管路布置、敷设要求及考察计量
(1)管路布置
永久抽采系统抽采支管采用管径φ400mm的抽采管敷设,与高抽巷封闭墙口抽采管连接,并与二采回风下山内管径φ500mmm的采区抽采干管合茬。
工作面移动抽采系统:
沿15202回风顺槽上帮敷设一路管径φ300mm的抽采管,移动抽采管自15202工作面上隅角敷设至15202高抽联络巷车场内,与移动泵站连接(泵站出气管敷设至与二采回风下山内管径φ500mmm的采区抽采干管合茬)。
(2)敷设要求
安设抽采管路时在所有抽采管路的低洼处、变坡点、龙门弯的进气侧必须设带闸阀的放水拨头,且闸阀不小于2.5吋;
抽采工区负责在上述地点设置放水装置,工作面采空区埋管抽采管路上须安设滤网或除渣器。
所有抽采管吊挂必须采用钢丝绳吊挂,做到吊挂平直、牢固,且不得与带电物体接触,严禁与电缆同侧吊挂。
(3)抽采效果考察及计量
工作面各抽采干管采用自动计量装置和孔板流量计计量,自动计量装置和孔板流量计进气侧前必须安设放水除渣装置,孔板流量计必须安设旁通。
抽采期间,各抽采支管每天至少考察一次抽采参数,移动抽采系统每小时至少考察一次抽采参数。
4.防突设计
4.1.1区域突出危险性预测
根据煤层瓦斯压力P或煤层瓦斯含量W进行预测。
预测所依据的临界值应根据试验考察确定,在确定前可暂按表3.1预测。
具体参数测定应符合下列要求:
预测所主要依据的煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数应为井下实测数据;
测定煤层瓦斯压力、瓦斯含量等参数的测试点在不同地质单元内根据其范围、地质复杂程度等实际情况和条件分别布置,原则上每50米,布置一组测定孔;
同一地质单元内沿煤层走向布置测试点不少于2个,沿倾向不少于3个,并有测试点位于埋深最大的开拓工程部位,划分出的无突出危险区和突出危险区。
表3.1根据煤层瓦斯压力或瓦斯含量进行区域预测的临界值
瓦斯压力P(MPa)
瓦斯含量W(m3/t)
区域类别
P﹤0.74
W﹤8
无突出危险区
经过煤层瓦斯压力P或煤层瓦斯含量W进行预测,无突出危险区直接采取安全防护措施后,掘进施工。
突出危险区必须采取区域防突措施。
4.1.2区域防突措施:
202工作面从两顺槽(202进风顺槽、202回风顺槽)施工对向瓦斯抽放钻孔,孔间距2~4m,孔径90mm,孔深105~110m,沿煤层倾角施工,如图所示。
图预抽钻孔布置图
4.1.3区域预抽效果检验
依据《防治煤与瓦斯突出规定》,进行效果检验可采用残余瓦斯压力或残余瓦斯含量指标。
但由于直接测定残余瓦斯压力,其测定工艺复杂,测定周期长,影响回采进度;
另一方面,如果采用直接测定残余瓦斯含量的方法换算残余瓦斯压力,不如直接采用指标残余瓦斯含量进行评价更快捷。
采用直接测定残余瓦斯含量进行效果评价,从技术角度来讲,测定周期短、工艺简单,不影响回采进度。
因此,本方案选用直接测定法测定残余瓦斯含量指标(W)进行检验,临界值为8.0m3/t。
(1)在W≥8.0m3/t区域,工作面为有突出危险。
(2)在W﹤8.0m3/t区域,工作面为无突出危险。
4.1.3.1效检方法
从切眼到500m、700m到停采线范围内,沿工作面推进方向每间隔50m,在上下顺槽沿工作面方向各布置1个直接测定煤层残余瓦斯含量的检验测试点。
每个检验测试点取样深度50~90m,每个测试点沿倾向采取煤样3个,一个取样点深度分别为50m,另一个取样点深度分别为50m、40m(如图4.1所示),效果检验区域在工作面推进方向至少超前100m。
图4.1效果检测测点布置
(1)对预抽煤层瓦斯区域防突措施进行检验时,均应当首先分析、检查预抽区域内钻孔的分布等是否符合设计要求,不符合设计要求的,不予检验。
(2)在进行直接测定预抽区域的煤层残余瓦斯含量前,根据钻孔联孔预抽时间进行检验区域划分,然后根据预抽前的煤层瓦斯含量及抽、排瓦斯量等参数进行评估分析,预测钻孔控制范围内煤层残余瓦斯含量降到8m3/t以下时,进行直接测定预抽区域煤层残余瓦斯含量。
(3)若检验期间在煤层中进行钻孔等作业时发现了喷孔、顶钻及其他明显突出预兆时,发生明显突出预兆的位置周围半径100m内的预抽区域判定为措施无效,所在区域煤层仍属突出危险区。
(4)若任何一个检验测试点的残余瓦斯含量≥8.0m3/t时,当判定为
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