刨煤机薄煤层工作面瓦斯治理经验总结材料.docx
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刨煤机薄煤层工作面瓦斯治理经验总结材料
薄煤层刨煤机工作面瓦斯治理经验总结
1、小青矿概况（插入矿井简介视频）
小青井田位于铁法煤田的中东部，南北走向长最大9.910km，平均为8.201km，东西倾斜长最大为6.360km，平均为4.291km。
井田面积为35.190km2。
1975年5月1日开工建设，1984年12月15日投产。
矿井原设计生产能力年产120万吨，服务年限90年。
近些年，通过对矿井各生产环节、生产工艺的技术改造，特别是针对小青煤矿薄煤层储量多的实际情况，2000年引进德国全自动薄煤层刨煤机生产设备，解决了薄煤层开采问题，走出了薄煤层生产工艺的困境，使矿井生产能力进一步提高，2004年核定小青煤矿生产能力253万吨/年，2006年实际生产能力251万吨。
小青煤矿采用竖井、两水平、集中运输大巷、采区上、下山开拓方式。
第一水平标高-447m，第二水平标高-650m。
现生产第一水平，主采煤层：
4-2、7层煤，采煤方法为长壁式，顶板管理方式为自然垮落。
2、薄煤层刨煤机工作面简介（插入刨煤机视频），
采用全自动刨煤机系统开采薄煤层，是保证安全、提高单产、创造效益的有效途径。
铁法煤田薄煤层的比例占整个煤田的近三分之一，小青井田薄煤层的比例高达73.75％。
为了在薄煤层实现安全、高产、高效，2000年铁法煤业（集团）有限责任公司从德国鲁尔集团DBT公司购进了全国第一套滑行式全自动控制的刨煤机，并在小青煤矿应用获得成功。
薄煤层刨煤机工作面采高使用范围0.6m～1.8m，采煤工艺为：
刨煤机割煤、装煤→可弯曲刮板输送机运煤→电液控制系统控制推移输送机→电液控制系统控制拉移支架支护顶板。
工作面所有的液压支架的推溜和移架实现全部自动化，无需人工操作。
刨头在到工作面两端头时机头部和机尾部的也循序自动推进。
所有工作由设在工作面运顺的控制台实现微机自动控制，工作面上仅需要配备少量的维修人员即可完成全部操作。
3、薄煤层刨煤机工作面通风、瓦斯涌出规律
薄煤层刨煤机工作面相对于综采工作面，在通风、瓦斯涌出规律、顶板垮落特性等方面存在不同。
（1）工作面断面小，采空区漏风多。
薄煤层刨煤机工作面采高较低，断面较小，工作面风阻较大，采空区两端风压差高，致使工作面采空区漏风比综采工作面多，采空区瓦斯涌出占工作面瓦斯涌出的比例较大。
（2）工作面风量受风速制约。
刨煤机工作面通风断面只有4～6m2，配风量必须在1440m3/min以下，否则，工作面风速将超过《煤矿安全规程》规定。
（3）瓦斯涌出量随风量增加较快。
因工作面阻力大，风量增加到一定程度后，工作面回风瓦斯浓度随工作面风量增加反而增大，这是采空区高浓度瓦斯随采空区漏风被大量带到回风，致使回风瓦斯浓度增高。
（见表1）
（4）刨煤机推进位置对回风瓦斯影响小。
刨煤机工作面推溜移架步距较小，工作面顶板受移架影响较均衡。
工作面刨头体积小，所产生的通风阻力小，而且运行速度快，回风瓦斯涌出受刨头位置影响不大，工作面瓦斯涌出比较均衡。
而综采工作面回风瓦斯涌出与采煤机位置关系较大，采煤机接近机尾时，会造成采空区瓦斯大量涌出。
（见图1）
（5）周期来压步距较大，周期来压时顶板大面积垮落，瓦斯涌出量较大。
（6）采场推进速度快（月推进度可达到300m），瓦斯涌出量较大。
（7）顶板下沉缓慢，裂隙带发育差。
由于薄煤层刨煤机工作面采高低，采场推进速度快，相对于综采工作面，其顶板下沉缓慢，裂隙带发育差（其高度仅为10米左右），
4、薄煤层刨煤机工作面瓦斯防治技术
4.1小青矿W2采区概况
小青矿W2采区煤层厚度平均1.35米，最小0.80米，采用刨煤机开采。
W2采区7煤层总体上为一宽缓背斜构造，煤层倾角最大13°，最小2°，平均4°，煤层厚度最大3.20米，最小0.80米，平均1.35米；由西北向东南逐渐变厚，为单一结构煤层，煤层自燃发火期为3～6个月，煤尘爆炸指数为39.17%。
煤层顶板普遍发育一层灰色、灰黑色泥岩伪顶，其厚度最大1.20米，平均0.30米；直接顶为泥岩、粉砂岩、细砂岩互层，以泥岩、细砂岩为主，灰白色、灰黑色，泥岩孔隙型胶结，厚度一般在5米左右；老顶是以细砂岩、粉砂岩为主的砂岩互层，夹有泥岩。
另根据资料7煤层上部14.29米～47米处普遍发育4-2煤层，厚度平均0.79米，层间距由西北向东南逐渐变小。
4.2薄煤层刨煤机工作面瓦斯防治技术
小青矿自2000年以来，采用刨煤机设备先后开采了W1E采区、W1W采区、W2采区共7个薄煤层工作面，W1E采区由于上覆煤层4-2层煤已经开采，瓦斯涌出量不大，瓦斯管理未对安全生产造成影响，进入W2采区后，由于W2采区裂隙带发育，瓦斯赋存条件较好，瓦斯涌出量较大，瓦斯管理对安全生产造成较大影响，成为制约安全生产的主要因素，小青矿根据薄煤层刨煤机工作面瓦斯涌出规律、特点，积极探索引进无火花抽出式引排风机、顶板水平长钻孔、地面钻孔等新技术、新工艺，逐步摸索出一套适合薄煤层刨煤机工作面瓦斯管理技术和方法，取得了较好的效果。
4.2.1工作面风量配备
合理的工作面配风对抑制采空区瓦斯涌出和自燃发火及工作面煤尘非常重要，风量过大，工作面两端压差大，会造成采空区瓦斯涌出量增大，同时对控制采空区的煤炭自燃及工作面煤尘不利。
风量过小，又不能有效的稀释回风流瓦斯浓度，而且造成工作面温度升高，作业环境较差。
风量配备主要根据瓦斯涌出量和瓦斯抽采量情况。
W1E采区工作面由于上临近层已采，瓦斯涌出量减少，仅9m3/min左右，抽采量达到5~6m3/min，配风量确定为700m3/min。
其它工作面上临近层未采，瓦斯涌出量较大，配风1000~1200m3/min。
在实际生产时刨煤工作面的配风一直比较稳定，证明配风是合理的，有效的稀释了回风瓦斯浓度，又控制了采空区煤炭氧化自燃和工作面煤尘飞扬，保证安全生产。
4.2.2瓦斯抽采
瓦斯抽采是解决采场瓦斯问题的治本措施。
由于小青矿煤层透气性比较差，不能预抽，只能抽采正在开采工作面采空区的瓦斯（边采边抽），减少这部分瓦斯涌向工作面。
小青矿主要采用顶板斜交钻孔、顶板水平长钻孔、地面钻孔三种抽采技术。
4.2.2.1顶板斜交钻孔抽采
采场覆岩移动规律的理论分析表明，覆岩的移动破坏，在竖直方向上通常划分为“三带”，即冒落带、裂隙带、弯曲下沉带，在水平方向上形成三个区，既煤壁支撑影响区、离层区和重新压实区。
煤层开采后，覆岩的裂隙及离层的分布状态，将对瓦斯的流动产生重大影响。
离层裂隙是瓦斯积聚的空间，也是瓦斯流动的通道。
岩层的垂直裂隙带高度，主要取决于岩层距开采层的高度、开采层的采高以及各岩层的极限拉伸变形值。
将钻孔或巷道布置在离层裂隙带中，在抽采负压的作用下，瓦斯就沿着裂隙流到抽采钻孔或巷道内，通过抽采管路被直接抽到地面或排到总回风巷中。
也就是说采煤工作面在开采过程中形成了“三带”、“三区”，这就是高位钻孔采空区抽采技术的主要理论依据。
（1）钻场及钻孔参数布置
小青煤矿采煤工作面均采用U型通风方式，风流除沿工作面流动外，一部分进入采空区，采空区的瓦斯随着风流从工作面回风侧上隅角涌出。
越靠近采空区内部瓦斯浓度越高，越靠近回风侧瓦斯浓度越高，越靠近采空区上部瓦斯浓度越高。
因此,根据U型通风工作面瓦斯运移的规律以及采场覆岩移动规律，钻孔布置在距回顺20～70m的范围内。
钻孔与回顺夹角（方位角）一般10～40度，夹角过大，则钻孔有效长度相对缩短，钻孔的有效抽采日期缩短。
夹角过小，钻孔处于回顺煤壁支撑影响区，影响抽采量。
方位角大小也与工作面倾角有关，如工作面向运顺倾斜，回顺煤壁支撑影响区较小，同时瓦斯向上隅角积聚，这时钻孔方位角要相对小一些。
钻孔终孔与工作面的垂高主要取决于裂隙带的高度，它因工作面的采高、顶板岩性、工作面长、推进度而不同。
根据小青矿工作面的情况，钻孔终孔垂高一般20～60m，这样能保证钻孔大部处在顶板离层裂隙带中。
垂高过大，钻孔的终孔位置处于弯曲下沉带，抽采流量较小；垂高较小，钻孔的终孔位置处于冒落带，抽采浓度较低。
两者均造成抽采量降低。
钻孔长度主要取决于工作面煤壁支撑影响区与钻孔终孔垂高，根据小青矿工作面的情况，钻孔长度一般100～130m。
在同一仰角下，钻孔越长，距煤层顶板越高，越不易进入裂隙带，只有随工作面向前推进，才能形成正常抽采。
钻场之间距离主要取决于钻场之间的接续，一般第一个钻场距离工作面70m，以后每30m布置一个钻场。
钻场及钻孔的布置如图3所示。
钻孔参数如下表
图3
W2719工作面顶板斜交钻孔参数表表1
孔号
方位
倾角
孔长
垂高
距回顺
有效长
工作面高差
回顺高差
实际垂高
1
35
20
130
44
70
100
0
3
47
2
30
18
130
40
62
107
0
3
43
3
25
16
120
33
49
105
0
3
36
4
20
14
120
29
40
109
0
3
32
5
15
14
120
29
30
112
0
3
32
6
10
12
120
25
20
116
0
3
28
W2719工作面概况：
采高1.8~2.2m，面长225m，月推进度168m，顶板砂泥岩互层，周期来压不明显，与4-2层煤间距40~47m。
工作面以1~6度仰采。
（2）钻孔施工工艺及施工设备
根据钻孔长度和倾角要求，采用杭州钻探机具厂生产的SGZ-ⅢA液压钻机施工钻孔，该钻机最大钻进距离300m。
钻孔终孔直径85mm、94mm，钻杆直径50mm，钻杆长度1.5m。
封孔直径113mm，封孔长度3.5m，采用直径90mm铁管作为封孔管，封孔材料为聚氨酯胶。
为防止钻孔塌孔，全程下直径60mm套管护孔。
为解决钻孔涌水问题，每个钻场安一个或两个集水放水器，每个钻孔安设一个气水分离装置，实行气水二次分离，同时支管及干管另安设若干放水器。
套管加工示意图钻机、设备布置示意图
图4图5
钻孔气水分离装置示意图
图6
集水放水器示意图抽采管路放水器示意图
图7图8
4.2.2.2顶板水平长钻孔抽采技术
（1）顶板水平长钻孔的应用背景及理论依据
由于薄煤层刨煤机工作面采高低，采场推进速度快，顶板下沉缓慢，裂隙带发育差（其高度仅为10米左右），致使顶板斜交钻孔处于离层裂隙带的长度很小，导致钻孔的有效抽采长度很小（20～25米），钻场有效抽采时间很短（2～3天），瓦斯抽采量较低。
并且小青煤矿W2采区地质构造复杂，裂隙比较发育，瓦斯赋存的条件比较好，瓦斯涌出量比较大。
W2采区的第一个薄煤层刨煤工作面——W2704开采时，小青矿主要采取顶板斜交钻孔抽采，辅以埋管抽采和引排风机处理上隅角瓦斯，但终因顶板斜交钻孔抽采较低，采场瓦斯时有超限。
因此，只采用顶板斜交钻孔已经不能满足安全生产的需要，必须采取新的抽采方法解决采场瓦斯问题。
顶板斜交钻孔与顶板离层裂隙带的关系如图9。
按图所示，要想提高钻孔抽采量，需要尽量降低钻孔倾角，增加钻孔长度，使大部分钻孔处于离层裂隙带内。
根据“三带”理论，近水平煤层，如果采高一定，工作面倾角一定，推进速度一定的情况下，其裂隙带距离工作面的高度也是一定的，如果将钻场位置抬高，钻孔倾角无限降低，最后沿水平方向在裂隙带内无限延伸，即变成——“水平长钻孔”，其抽采效果将是最好的，这就是顶板水平长钻孔瓦斯抽采技术的理论依据。
为此，小青矿决定在W2采区刨煤工作面采用顶板水平长钻孔瓦斯抽采技术，以期提高钻孔瓦斯抽采量，解决薄煤层刨煤机工作面瓦斯时常超限的问题。
顶板斜交钻孔与顶板离层裂隙带关系图
图9
（2）钻场及钻孔布置方法：
I钻场布置方式及其演变：
小青矿先后在W2采区的W2705、708、719三个工作面采用了水平长钻孔抽采技术，钻场及钻孔的布置方式逐渐趋于成熟。
W2705工作面：
根据该工作面层间距及开采高度，结合以前W2704工作面顶板斜交钻孔抽采的经验，考虑W2705工作面综合柱状图所描述的顶板岩性，决定将水平钻孔布置在4-2煤层与2煤层中间的砂岩互层中，距回顺30～80m的范围内。
根据钻孔层位选择的要求，在W2705回风联络巷施工一上山巷道，在距7煤层顶板约30m的位置然落平布置钻场，向工作面方向施工钻孔，设计钻孔4个，理想孔深500m。
W2708工作面：
受顶板岩性的影响，W2705工作面顶板水平长钻孔长度在440~250m之间，未能贯穿整个工作面走向长度，工作面刚开采时，未能起到抽采作用。
因此W2708工作面采取在回顺每隔200m施工一上山，在距离7煤层顶板12m时落平施工钻场，并根据该工作面层间距，决定将水平长钻孔布置在4煤与7煤中间。
W2719工作面：
W2708工作面钻孔施工时，每孔基本能保证350m以上，水平钻场间距如果为200m，将不能充分发挥水平钻孔的作用，同时考虑钻孔接续以超前100m为好。
因此，W2719面将水平钻场距离增加至260m。
水平长钻孔及钻场布置如图10。
附W2719水平长钻孔剖面图。
水平长钻孔及钻场布置示意图
1、钻机主机2、钻机操作台3、循环水箱4、钻杆架5、钻机泵箱
6、调度绞车7、电源开关8、套管架9、泥浆泵10、铁道
图10
II钻孔参数布置
每个钻场施工5~7个钻孔，沿工作面成扇形布置，距离回顺20~130m，施工前预先描绘出钻孔轨迹，要使尽量多的钻孔位于裂隙带范围内。
W2705、W2708、W2719参数如下表。
W2705水平钻场施工情况表表5
钻孔
编号
倾角
方位角
（回顺夹角）
终孔直径
终孔长
扩孔直径
扩孔长
套管长
与回顺距离
垂高范围
度
（度）
mm
mm
mm
m
m
m
m
1
5
0
113
441
153
354
0
50
24~38
2
7
1
113
340
153
303
0
56
24~54
3
6
2
113
324
153
213
0
61
24~56
4
5
4
113
361
153
0
0
75
24~45
5
5
-10
113
249
153
0
0
24~40
W2708水平钻场施工情况表表6
2#
钻场
倾角
方位角
回顺夹角）
终孔直径
终孔长
扩孔直径
扩孔长
套管长
与回顺距离
垂高范围
（度）
（度）
mm
mm
mm
m
m
m
m
1
2.5
0
113
368
153
368
280
25
14~25
2
2.5
5
113
373
153
342
120
57
14~25
3
2.5
10
113
313
153
312
233
80
14~25
4
3
12.5
113
384
153
0
323
108
14~27
5
2.5
15
113
381
153
381
260
124
14~25
6
2.5
18
113
354
153
354
190
134
14~25
W2719水平钻场施工情况表表7
3#
钻场
倾角
方位角
回顺夹角）
终孔直径
终孔长
扩孔直径
扩孔长
套管长
与回顺距离
垂高范围
（度）
（度）
mm
mm
mm
m
m
m
m
1
6
0
113
315
153
312
270
30
11~36
2
6
3
113
312
153
306
292
46
11~36
3
6
6
113
312
153
309
297
63
11~36
4
6
9
113
373
153
372
305
88
11~36
5
6
12
113
396
153
0
80
112
11~36
6
6
15
113
292
153
0
263
106
11~36
III钻孔施工工艺及设备
顶板水平长钻孔钻孔设计为3级结构:
开孔直径为113mm，终孔直径为153mm，封孔直径为193mm。
采用普通回转不取芯钻进法，利用二次成孔工艺，即先用和钻杆直径接近的Φ113mm内凹四翼复合片钻头接稳定组合钻具按设计钻孔轨迹的要求钻出一个导向钻孔，然后用扩孔钻头扩孔，以达到设计要求。
这种成孔工艺不但有利于钻孔轨迹的控制，而且能加快施工进度，缩短裸孔时间。
顶板水平长钻孔的施工采用煤科总院西安分院研制的ZDY10000S（MK-7）型全液压钻机，其主要技术参数为：
钻杆直径89mm；主轴输出最高转速为200r/min左右，最低转速由液压系统的最小稳定流量决定；主泵系统和副泵系统的压力定为28MPa和21MPa；给进行程为1000mm；给进与起拔能力为250kN。
钻机具有扭矩及给进、起拔能力大，钻进效率高，操作简单，安全可靠，解体性好，搬运安装方便等特点。
IV抽采效果分析
W2705工作面采用水平长钻孔抽采时，其有效钻孔段处于距离工作面25~30m范围内（采高为1.59m），属于裂隙带的上部的较小裂隙带范围，导致抽采浓度高，抽采流量较小，平均抽采纯量4.2m3/min；最高抽采浓度87%，平均抽采浓度74%。
基本达到预期效果，对采场瓦斯管理起到一定作用，但未起到决定性作用。
W2708工作面根据W2705工作面的经验，将钻孔布置在25~30m范围内，平均抽采纯量8.6m3/min；抽采浓度平均在50%，说明钻孔处于中裂隙带，属于抽采效果比较好的裂隙带范围。
W2719工作面吸取了W2705和W2708工作面的经验教训，根据采高，将钻孔布置在30~35m的合理范围内，取得了比较好的抽采效果，平均抽采量达到了12m3/min。
对该面的瓦斯管理起到了决定性的作用。
4.2.2.3、地面钻孔抽采技术
顶板水平长钻孔存在以下不足：
（1）对煤层顶板岩性要求较高，钻孔轨迹的控制与理想的水平延伸相差较大。
（2）在回顺施工顶板水平长钻孔钻场时，以及以后的抽采过程中，需要采用局部通风方式，通风瓦斯管理比较困难，特别是工作面通过水平长钻孔钻场时，顶板管理和通风瓦斯管理更是十分困难。
（3）水平长钻孔钻场之间的的接续比较困难等问题。
为了更好的解决薄煤层刨煤机工作面的瓦斯管理问题，需要寻求更好的抽采方法。
随着地面钻孔抽采技术的不断成熟，抽采效果越来越好，地面钻孔抽采技术逐渐应用于薄煤层刨煤机工作面。
IW2713工作面概况
W2713工作面位于西二采区北部，工作面走向长1712米，倾向长225米，面积385200平方米。
工作面中部地表为晓明砖厂，北部有沙后所部分住宅及王河经过，其它部分为农田。
W2713工作面煤层北部为一宽缓单斜构造，煤层走向140°～190°,倾向230°～280°，工作面中部南侧煤层为一马鞍形构造的一部分，煤层走向70°～195°，倾向340°～285°,工作面煤层倾角最大10°，最小2°，平均4°。
根据实见资料及钻孔资料分析，邻近本工作面或可能对本工作面构成影响的断层为F76、W2F25、W2F30、W2F35、W2F38断层，共五条，对本工作面抽采工作影响不大。
煤层厚度最大1.70米，最小1。
10米，平均1.39米；顶板发育一层灰色、灰黑色泥岩伪顶，其厚度最小0.10米，最大1.4米，平均0.80米，水平层理，松软易碎，易冒落，节理、裂隙发育。
直接顶为中、粉砂岩互层，夹泥岩层，砂岩互层灰白色、灰黑色，泥岩孔隙型胶结，成分以石英、长石为主，直接顶厚度一般在5米左右。
老顶是以粉砂岩、粗砂岩、砂砾岩为主的砂岩互层。
七煤层顶部28.03米～38.89米处发育有4-1、4-2煤层，4-1煤层厚度在0.15米～0.60米之间，属不可采煤层；4-2煤层厚度最大0.7米，属不可采煤层。
II地面钻孔布置方式
因W2713工作面是首个采用地面钻孔的薄煤层刨煤机工作面，钻孔终孔距回顺距离为80m、40m两种，钻孔间距为150m，为以后同类型采煤工作面采用地面钻孔抽采提供依据。
（附地面钻孔布置图，剖面图）
III抽采效果分析
现W2713工作面已经推过1#~4#地面立孔，平均抽采量10m3/min，效果良好。
附表：
2#钻孔距工作面距离与抽采量统计表
距工作面m
10
22
28
35
42
51
57
浓度
12
21
45
52
57
52
54
混量
2.62
3.85
12.56
18.94
19.22
21.36
22.62
纯量
0.31
0.81
5.65
9.85
10.96
11.1
12.21
升级会员 