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1、西安科技大学 硕士学位论文 集贤煤矿高瓦斯煤层瓦斯抽采方法研究与应用 姓名：孙全喜 申请学位级别：硕士 专业：矿业工程 指导教师： 论文题目：集贤煤矿高瓦斯煤层瓦斯抽采方法研究与应用 专业领域：矿业工程 硕 士 生：孙全喜 （签名） 指导教师：陈晓坤 （签名） 陈一光 （签名） 摘 要 集贤煤矿瓦斯涌出量比较大，威胁着矿井安全生产。开展了集贤煤矿瓦斯抽采技术 研究，设计了瓦斯抽采方案，并在实践中解决了瓦斯抽采问题，对保障矿井安全起到了 重要作用。 本文研究了集贤煤矿煤层瓦斯含量及分布规律， 建立了采空区上履层顶板裂隙带模 型。通过钻孔研究确定集贤煤矿 9 层采空区上履裂隙带裂隙带高度，据此确定
2、仰角钻孔 的终孔高度不要超过此高度为 312 米，终孔距隔离煤柱的距离为 1035 米，当钻场间 距为 40 米时，其钻孔长度为 120 米。 确立了高瓦斯工作面采用下行通风时瓦斯抽放的方法， 研究了邻近层瓦斯斜角钻孔 抽采、本煤层瓦斯扇形钻孔抽采、隅角瓦斯仰角钻孔抽采、工作面采空区埋管抽采、掘 进过程中的瓦斯抽采等抽采技术方案，通过多种方法联合使用，取得了良好的瓦斯抽采 效果。 本论文研究对双鸭山矿区瓦斯治理有重要的指导意义， 对同类生产矿井也有一定的 参考价值。 关 键 词：高瓦斯；煤层；瓦斯抽采 论文类型：应用研究 Subject : Study of Gas Extraction Me
3、thods of High-Methane Coalseam and Its Application in Jixian Coalmine Program fuild : Safety Engineering Name : Sun Quanxi （Signature） Instructor : Chen Xiaoqun （Signature） Chen Yiguang （Signature） ABSTRACT Firedamp content of JIXIAN coanmine is fairly high and threatened coal production seriously.
4、Gas extraction technique is studied and the blue print of gas extraction in the coalmine is designed. The technique is employed to solve the problem of firdamp and make sure safety production in the mine successfully. Regulation of methane content and its distribution in JIXIAN coalmine are studied.
5、 A theoretical model of cranny zone distritution in the gob is set up. The distribution of the cranny zone in above the gob of No.9 coal seam of JIXIAN mine is determined by means of drilling. Gas extraction parameters like angle, direction and length are designed considering the range of the cranny
6、 zone. It desighed that the hight of the bore end should be no higher than 312m above the bottom of the coal seam and 1030m away from the coal pillar. The length of the bore is designed to be 120m if the distance between the drilling bases is 40m. The method of gas extraction from the on condition o
7、f up-to-down ventilation is determined. The methods of extracting firedamp of the neiboring coalseam withh cross bores, extracting the mining seam gas with fan-shaped boes, extracting the congregated upper corner gas with elevation bores, extracting the gas in the mined out area with pre-burried pip
8、elines, and extracting gas during diging laneway are studied systematically. By combining all the above mentioned methods, firedamp problem is solved well in JIXIAN coalmine. The study is important for directing gas fathering problem in SHUANGYASHAN coal field and also in other coalmines of similar
9、conditions. Key words : High Methane Coalmine Gas Extraction Methods Thesis type: Application Study 1 绪论 1 绪论 1.1 本课题研究的背景及意义 双鸭山矿业集团公司位于黑龙江省东北部，是国家 520 家国有重点工业企业之一。 七星煤矿是双鸭山矿业集团的主要生产矿井，2006 年，集贤矿开采的 4109 采区已出现 瓦斯升高的趋势，随着开采深度的增加，集贤矿瓦斯涌出量不断增加，目前处在低瓦斯 向高瓦斯的过渡时期，预计不久将成为高瓦斯矿井。2009 年，集贤煤矿已经作为高瓦斯 矿井管理。200
10、9 年双矿集团瓦斯鉴定情况如表 1.1。 表表 1.1 双矿集团各矿双矿集团各矿 2009 年瓦斯鉴定情况年瓦斯鉴定情况 矿 井 东荣二 矿 集贤 矿 东保 卫矿 七星 矿 双阳 矿 新安 煤矿 东荣 三矿 安泰 煤矿 绝对瓦斯涌出 m/min 2.02 19.3019.1927.595.5818.54 0.81 3.28 相对瓦斯涌出量 m/t 0.470 8.6158.4849.0963.7763.704 0.202 4.165 鉴定等级 低 高管高管高 低 高管 低 低 双鸭山矿业集团公司 2009 年矿井瓦斯绝对涌出量为 96.31m/min，其中 4 个高瓦斯 （高管）矿井绝对涌出量
11、为 84.62m/min，占全公司涌出总量的 87.85%。 高瓦斯矿井七星矿在掘进过程中瓦斯涌出很大，因而发生瓦斯事故也增多，如高瓦 斯的七星矿曾经发生了多起掘进工作面瓦斯事故， 低瓦斯的集贤矿采煤工作面也发生了 机组割煤时着火事故等。由于集贤矿是不易自然发火矿井，所以在抽采时减少了因抽采 漏风引起煤层自然发火的危险，因此，可以对集贤矿进行多种抽采形式的研究，对于双 矿集团公司的其他矿最后可参考集贤矿的抽采形式， 找出适合自己矿的抽采方法。 所以， 研究集贤煤矿的瓦斯抽采对指导双矿集团公司有着十分重要的意义。 1.2 研究现状及发展趋势 1.2.1 煤岩瓦斯渗流和煤层卸压瓦斯抽放研究现状 煤
12、层瓦斯， 以吸附和游离两种状态赋存在煤体中， 形成固气并存的二相介质， 因此， 研究煤层瓦斯渗流和瓦斯抽放问题必须考虑气体（CH4、CO2等）对煤岩体本身的变形 和强度造成的影响。 固液（气）两相变形与运动研究是从土力学中固结问题开始，Darcy（1856）从均 1 西安科技大学工程硕士学位论文 质砂土的恒定均匀渗流试验中得到著名的 Darcy 定律，K.Terzaghi（1923，1925）认识 到孔隙水逸出后土体孔隙会缩小，提出了有效应力的概念，对土力学的研究发挥了重要 作用；Jacob（1940）研究了岩层发生竖直弹性变形的地下渗流运动的连续性微分方程； 陈宗基（19531957）最先考
13、虑了土骨架蠕变引起的时间效应；Verruijit（1965）将孔隙 流体压力作为数学模型，对岩体内流体流动规律进行分析；Robinson（1959）和 Handin （1963） 通过试验得到了当岩石具有连续的连通孔隙系统时， 有效应力控制岩体的破坏， 在一般情况下，需要对 Terzaghi 有效应力公式进行修正。许多学者研究了煤岩变形对岩 体渗透性的影响，认为变形岩体的渗透系数随孔隙压力及围岩而变化，周世宁院士等在 20 世纪 80 年代通过大量实验室试验，研究了瓦斯的孔隙压力、围岩与渗透率之间的关 系，以及含瓦斯煤的力学性质；鲜学福院士、余楚新博士等（1989）在假设煤体中瓦斯 吸附与解吸
14、过程完全可逆条件下，建立了煤层瓦斯流动理论及渗流控制方程。 国内外煤层瓦斯抽放方法大体分为采前预抽和卸压瓦斯抽放。 煤岩体内裂隙发育程 度和煤层透气性对瓦斯抽放起关键作用，我国煤田大多属于低透气性煤层，所以预抽瓦 斯效果往往不好。煤层开采引起岩层移动，形成采动裂隙并使一定范围内煤层卸压，引 起卸压区煤层透气性显著增大，卸压瓦斯抽放往往取得较好效果。煤层卸压瓦斯运移与 采动裂隙的动态分布特征有着紧密的关系，覆岩采动裂隙分为两类：一类为沿层离层裂 隙，主要是煤层卸压膨胀所致；另一类为竖向破断裂隙，主要是煤层受拉压破坏所致， 它是上覆邻近层卸压瓦斯流向开采煤层工作面及其采空区的通道， 此类裂隙仅在覆
15、岩一 定高度范围内发育，其高度（导气裂隙带）与保护层采高及覆岩岩性有关，处于“导气 裂隙带”以上的覆岩区煤层卸压瓦斯不流动到开采煤层工作面或采空区。卸压瓦斯分为： 本煤层卸压瓦斯；邻近层卸压瓦斯；远距离煤层卸压瓦斯。其中本煤层卸压瓦斯 和邻近层卸压瓦斯流向开采煤层工作面及采空区，引起工作面上隅角瓦斯超限，而远距 离煤层卸压瓦斯一般不能流向开采煤层。对采动卸压瓦斯进行抽放，一方面可实现煤层 气资源有效开发和利用，另一方面可防止煤层开采时大量瓦斯向工作面涌出，实现工作 面高产高效。 卸压瓦斯抽放在国内外煤层群开采的高瓦斯矿井广泛采用， 其技术关键是根据采动 裂隙场分布规律合理布置抽放钻孔，我国从
16、60 年代开始，开展了保护层开采与卸压瓦 斯抽放试验，取得了显著成效，至今已形成了以阳泉矿区和淮南矿区为代表的比较完善 的卸压瓦斯抽放技术。卸压瓦斯抽放研究不足表现在：其一，对覆岩采动裂隙场分布特 征缺乏整体把握与理性认识，影响到抽放钻孔布置的优化；其二，国内外卸压抽放是从 开采煤层工作面安全出发，主要研究本煤层与邻近层卸压瓦斯抽放，而对上覆远距离煤 层卸压程度及卸压瓦斯抽放效果缺乏系统研究。基于岩层移动关键层理论，钱鸣高、缪 协兴、许家林等将覆岩移动及其裂隙场分布规律应用于卸压瓦斯抽放研究中，初步建立 了卸压瓦斯抽放“O”形圈理论的钻孔布置基本原则， 即： “O” 型圈相当于一条 “瓦斯河”， 2 1 绪论 周围煤岩体中的瓦斯 解吸后通过裂隙不断地汇集到这条“瓦斯河”中，当卸压瓦斯抽 放钻孔布置在采动裂隙 “O” 形圈内，可以
