地应力与卸压抽放瓦斯技术的探讨(报公司论文)2.doc

地应力与卸压抽放瓦斯技术的探讨(报公司论文)2

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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10~15 m3/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。

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。2 6＃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。