朱仙庄煤矿地面井初步设计.docx
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朱仙庄煤矿地面井初步设计
项目负责单位：
淮北矿业（集团）公司
淮北矿业（集团）朱仙庄煤矿
项目负责人：
李伟
项目副组长：
陈家祥黄华山吴建国
项目组成员：
姚曹节李子明张传来
叶礼明张育宝
专家组成员：
刘华民马嘉荣张树齐
一、前言
二、矿井概况及瓦斯赋存状况
2.1矿井概况
2.2瓦斯赋存状况
三、Ⅱ103、Ⅱ105采区及Ⅱ1034、Ⅱ1051工作面概况
3.1Ⅱ103采区及Ⅱ1034工作面概况
3.2Ⅱ105采区及Ⅱ1051工作面概况
四、地面采动井抽采理论和矿区抽采实践
4.1下保护层开采作用机理
4.2井下开采岩层移动特征
4.3“O”形圈理论
4.4下保护层及被保护层开采范围的确定
4.5矿区采动井抽采实践
五、Ⅱ1034、Ⅱ1035工作面瓦斯储量和可抽瓦斯量的预测
六、Ⅱ103、Ⅱ105地面钻井予抽8煤卸压瓦斯方案
6.1地面采动布置原则
6.2地面钻井布置方案
6.3钻井结构设计
七、地面管路设计及设备校核
7.1新建抽放泵站
7.2新建地面瓦斯抽放管路系统
八、地面钻井抽采工程费用概算
九、井上下两种抽采瓦斯方案比较
9.1井下抽放方式
9.2井上下工程费用比较
9.3地面钻井及井下抽采优缺点比较
9.4有关抽采参数的考察
十、地面钻井抽采工程效益分析
10.1产气量预测
10.2经济效益
10.3矿井安全效益
10.4环境效益
十一、结论和建议
11.1结论
11.2建议
淮北矿业集团朱仙庄煤矿
地面钻井预抽Ⅱ103、Ⅱ105采区8煤卸压瓦斯
防治瓦斯初步设计
一、前言
朱仙庄煤矿为高瓦斯突出矿井，年产煤炭200吨左右。
8煤层属特厚构造煤结构，煤层透气性系数低，λ=8.3×10-4毫达西。
8煤开采过程中曾发生煤与瓦斯突出事故及自燃发火事故，始突深度－294m。
由于第一水平煤炭储量不多，矿井正向二水平过度，煤和瓦斯突出的危险性也将进一步增大，为解除8煤突出威胁，二水平拟改变开采程序，先采Ⅱ103、Ⅱ105采区10煤下保护层，经采动卸压释放，同时抽采被保护层8煤卸压瓦斯。
由地面钻井抽采采动区中组煤卸压瓦斯，已先后在淮北芦岭矿、海孜矿取得成功，共施工了13口井，单井产气最大已达368万m3。
实践证明：
地面钻井抽采中组煤卸压瓦斯，是解除8煤突出威胁，和减少回采面瓦斯涌出量防治瓦斯的最佳途径之一；同时地面井抽采瓦斯的浓度高，是发电或民用的清洁、高效燃料。
因此贯彻“以抽促采，以用促抽”的方针，应做到抽采与利用并重，实现先抽后采，提高瓦斯利用经济效益，保护矿区环境，达到“一举三得”的效果。
根据集团公司领导指示，充分利用该矿二水平先采10煤保护层的条件，安排地面钻井抽采8煤卸压瓦斯。
为此，特编制朱仙庄矿《地面钻井预抽Ⅱ103、Ⅱ105采区8煤卸压瓦斯，防治瓦斯初步设计》，结合开采进度，分期安排实施。
二、矿井概况及瓦斯赋存状况
2.1矿井概况
朱仙庄煤矿位于安徽省宿州市东15公里，属于宿东向斜的北半部，往东南以F1断层和Ⅶ-Ⅷ勘探线与芦岭矿分界。
走向长9.5公里，宽1.5-4.5公里，井田面积23.5km2。
第四系覆盖层厚度247m，地面标高+25.0m，含煤地层为二迭纪石盒子组和山西组，地层倾角西部平缓15-25°，东部45-90°，局部倒转。
含煤18-25层，平均可采总厚度13.65-16.08m，其中8、10煤层为主采煤层，煤种为气煤、1/3焦煤，煤岩特征见表2-1及附图2-1。
可采煤层特征表2-1
煤层
名称
厚度（m）
层间距
（m）
结构
稳定
程度
顶、底板岩性
可采范围
最大
最小
平均
顶板
底板
6
1.90
0
1.01
25-30
20-25
1-5
70-80
简单
不稳定
泥岩
泥岩
Ⅰ2、Ⅰ4采区
7
7.45
0
1.50
复杂
较稳定
砂、岩
粉砂岩
泥岩
大部分可采
8
28.07
5.4
9.98
复杂
稳定
泥岩
粉砂岩
泥岩
全井田可采
9
2.5
0
1.70
简单
不稳定
泥岩
泥岩
Ⅰ7采区可采
10
4.9
0
2.30
简单
较稳定
粉砂岩
粉砂岩
大部分可采
井田位于徐州—宿县弧形构造带南端的宿东向斜北部，受燕山期构造运动的影响，地质构造复杂，井田内东翼地层倾角60-80°受F4逆断层切割，西翼地层倾角12°-25°（图2-2），井田内落差大于30m的断层有19条，其中正断层13条，逆断层6条，按断层走向可分三组，F10以南为N10-20E的斜切断层组，以北为N60-80W的斜切断层组，井田东翼为走向断层组。
井田北部煤系上方有砾岩含水层（五含）、岩溶发育，富水性强，水文地质条件比较复杂，南翼水文地质条件比较简单。
矿井年原设计生产能力120万吨，1974年12月建井，1983年4月投产，1988年扩建为180万吨/年，2007年核定220万吨/年，目前年生产能力200万吨。
矿井设计以竖井—底板运输大巷—采区石门开拓，两个开采水平。
第一水平标高-435m，回风水平标高-275m，一水平设计10个采区，南部向斜西翼有一、三、五、七4个采区，北部向斜西翼有二、四、六、八4个采区，东翼有十、十二两个采区，采区以断层为界，一般长800-1200m，倾斜长520-600m。
二水平设计标高-680m，目前开采正向二水平过度。
采煤方法，采用走向长壁顶板垮落、放炮落煤，单体液压支柱和铰接顶梁支护、部分采用简易放顶煤开采。
矿井有3座回风井（南一、南二、西风井），采用两翼对角混合式通风，其中南一风井已于2002年关闭停运，目前总抽风量为162513/min，工广西部风井已建瓦斯抽放泵站,装备两台纳西姆公司生产的2BE3-420水环式真空泵，配132KW电机，能力120m3/分，南二风井拟建抽放泵站，装备2台2BE1600型水环式真空泵，配备315KW电机，额定流量为300m2/min，其中1台工作、1台备用，服务于三、五、七及南翼二水平采区。
井下八七采区装备一套移动抽放系统，能力80m3/分。
2007年矿井瓦斯鉴定绝对涌出量38.56m3/分，相对涌出量10.96m3/t，抽放量2006年为529.0万m3。
2.2矿井瓦斯赋存状况
朱仙庄矿南、北两翼瓦斯赋存状况有明显的差异，由于F10剪切断层斜切宿东向斜北段，造成朱仙庄矿南、北翼煤层互不相连，瓦斯也不构通，彼此成为独立的块段。
断层北侧是向斜的仰起端，三面可以沿露头排放瓦斯，加之中生代对煤系切割深，煤盆变浅，煤系之上是透气性好的“五含与四含”，煤系瓦斯经历了长期排放，形成了今天的低瓦斯区。
断层南侧，向斜的枢组（褶皱轴）往南加深，地表基岩面又有所提高，煤层枢纽轴到煤层的露头斜距长，煤内拥有瓦斯的绝对量大，煤系上覆的第三系“四含“不发育，透气性低，自第三纪以来煤层处于封闭状态，因此南翼为瓦斯突出危险区，始突深度约在-294m标高附近。
朱仙庄主要高瓦斯突出煤层为8煤层，也是该矿主采煤层，由于宿东向斜是西寺坡断层上盘的一个逆冲推覆构造体，相对于宿南向斜，它是外来系统。
它的推移距离在20公里以上，地层在推移过程中沿软弱层8煤层的层面滑动，使宿东向斜8煤层遭受搓揉和不同程度的破碎。
8煤破坏类型，据有关调查资料，全区内由顶部到底部破坏程度差异较明显，而在走向上差异不明显，并有下列规律：
由朱仙庄矿北翼采区到南翼采区，一直再延续到芦岭矿8采区，8煤层顶部是一层1.0-1.3m厚分布稳定的破坏轻微煤层，为完好的块状煤或碎裂煤，除顶分层外，各剖面上煤层均以碎粒煤、鳞片煤为主。
各种破坏类型煤分层在走向不连续。
这种结构往南到芦岭八采区不明显，芦岭八采区8煤层底部变成块状煤，形成四层结构。
据实测煤的坚固性系数（f），瓦斯放散初速度（△P）和综合指标K值，为评价煤层突出可能性的指标。
8煤层顶分层各实测点f值，△P值，K值很接近，说明顶分层这层硬煤特性很一致。
除顶分层外，而南北两区的f、△P、K值的平均值也较接近，可以看作南、北差异不大，所有剖面平均f值均小于0.5、K值均不大于15，所有剖面平均△P值小于10。
由于综合指标K值等于或大于15，这些煤分层具有突出倾向性，在其它条件配合下，突出会从它些层位发生。
详见表2-2-1
井田南翼各钻孔煤样f、△P、K值统计表（顶分层除外）2-2-1
采区
F值
△P值
K值
最小－最大/平均（样品数）
最小－最大/平均（样品数）
最小－最大/平均（样品数）
一采（2个孔）
0.26－0.77/0.54－（14）
4－10/6（14）
5－39/12（14）
三采（2个孔）
0.3－0.64/0.51（8）
6－10/7（8）
9－33/16（8）
五采（3个孔）
0.23－0.67/0.45（13）
5－10/7（13）
9－35/17（13）
井田内仅有瓦斯取样钻孔10个，其中以补9线3号孔瓦斯含量最大，标高－473.44，可燃基甲烷含量15.97m3/t，分析基甲烷含量12.29m3/t，推算压力值3.05Mpa，气体成分甲烷为92.26%,CO2、0.58%、N23.16%为优质煤层气。
南翼一、三、五采区内共有5个有效实测瓦斯压力值，三采-435大巷为2.6Mpa，五采人行下为2.1Mpa，中国矿大1994年根据瓦斯压力梯度及8煤瓦斯含量等值线图推算8煤Ⅱ3、Ⅱ5采区不同深度的煤层瓦斯压力及瓦斯含量见表2-2-2
8煤层Ⅱ3、Ⅱ5采区瓦斯压力和瓦斯含量推算值表2-2-2
煤层标高
瓦斯压力/Mpa
瓦斯含量/m3/t
-360
1.94
9.95
-390
2.27
10.79
-410
2.49
11.29
-450
2.93
12.19
-480
3.26
12.80
-530
3.81
13.70
-560
4.14
14.19
-590
4.47
14.65
-620
4.80
15.08
-650
5.13
15.49
-680
5.46
15.88
-710
5.79
16.26
-740
6.12
16.62
煤层瓦斯（又称煤层气）为洁净、高效的新能源，必须做到开发与利用并重，为规划开发利用，有关单位曾计算了资源量，预测总资源量31.0亿m3，其中矿井范围内为14.74亿m3，深部16.43亿m3，综合开发、利用瓦斯资源的潜力很大。
三、Ⅱ103、Ⅱ105采区及Ⅱ1034、Ⅱ1051工作面概况
3.1Ⅱ103采区及Ⅱ1034工作面概况
Ⅱ103采位位于朱仙庄矿二水平南翼，采区北以F23断层及南一风井煤柱为界，南以F19-1断层为界，浅部以1031工作面为界，深部以-680等高线为界，采区为单翼开采，走向长650－700m，倾斜长580-600m，采区可采储量220.6万吨，划分成4个阶段，第一阶段为-400大巷煤柱，首采面为Ⅱ1034面，正准备掘进。
上覆8煤为Ⅱ83采区首采面，底板瓦斯抽放巷已开好（约530m）抽放巷距8煤底板30m、岩巷断面9m2、锚喷支护巷道中每30m布置钻窝，向8煤打密集扇形钻孔，抽放8煤卸压瓦斯，8煤-430m，瓦斯含量10.5m3/T。
Ⅱ1034工作面为Ⅱ103采区北翼二区段，走向长530m，倾斜140m，倾角23-24°，煤厚2.5m，工作面可采煤量19.3万吨，工作面风巷标高-473m，机巷标高-53771m，预计工作面瓦斯含量12-13m/T，煤层直接顶板岩性为砂质泥岩，老顶为中粒砂岩。
工作面计划于2008年7月16日投产，至2009年2月结束。
为二水平10煤第一个投产的综采面。
3.2Ⅱ105及Ⅱ1051工作面概况
Ⅱ105采区位于朱仙庄矿二水平南翼，南以芦岭矿Ⅱ108采区为邻，北以Ⅱ105回风上山与Ⅱ103采区相邻，浅部以-450m等高线，深部-680等高线为界，设计为单翼采区，走向长1250m，划分为6个阶段，详见图3-2。
首采面为Ⅱ1051工作面，该面尚未掘进。
上覆8煤为Ⅱ85采区、Ⅱ85一阶段底板设计一条瓦斯抽采巷，预计1200m，由底板瓦斯抽采巷向8煤打扇形密集钻孔，抽采8煤卸压瓦斯。
8煤可采储量1147.8万吨，该采区10煤可采储量266.4万吨。
Ⅱ1051工作面走向长1249m，倾斜180m，煤层倾角12°—15°，煤厚2.21—2.86m，风巷标高-460，工作面可采储量55.3万吨，计划于2009年10月1日投产，2010年7月15日结束，为接替Ⅱ1034的综采面。
四、地面采动区井抽采瓦斯理论和矿区抽采实践
4.1下保护层开采作用机理
国内外大量实测资料表明：
保护层开采后，在突出危险煤层的对应区域，地应力和瓦斯压力太大降低，瓦斯在煤层内部所构成的破坏力减少，消除了突出的危险性，煤层的强度也相对地增加，同时突出煤层向开采层采空区方向移动和变形，产生垂直层面的膨胀变形，在煤层和岩层内原有的裂隙扩大，产生大小不同的新裂隙，使煤层透气性得到大幅度增加，因为卸压使原吸附在煤比面积大量瓦斯解吸成为自由瓦斯，为抽采瓦斯创造了有利条件，所以开采保护层起到了降低地应力，解吸瓦斯和提高煤的机械强度等三个方面的综合作用。
另据桃园1028工作面试验资料，10煤开采后，上部8、9煤层膨胀率大于10％。
芦岭矿Ⅱ1048面开采后，上覆8、9煤卸压后煤层透气性相当原来的1930倍。
实践证明卸压开采后煤层透气性大幅度提高，为地面钻井抽采卸压瓦斯创造了极为有利条件。
4.2井下开采岩层移动特征
采空区瓦斯储集和流动机理决定于上覆岩层的运动特征及移动规律。
众所周知，采动对上覆岩层造成的移动裂隙可分为“竖三带”和“横三区”，即采空区沿顶板垂直方向，由下往上分为冒落带，裂隙带，弯曲下沉带，而沿工作面推进方向又可分为：
煤壁支撑影响区、离层区、重新压实区。
同样采动对底板的破坏也存在“下三带”和“下三区”，即采空区底板由上至下分为：
直接破坏带，影响带和微小变化带，随着工作面的推进，顶板和底板的“三带”和沿走向的“三区”也向前移动，这一空间动态概念，对于煤层卸压，瓦斯活动非常重要。
开采下保护层10煤，由地面井抽采弯曲下沉带8、9煤层卸压瓦斯效果显著，其理论依据就是上覆岩层移动特征。
4.3“O”形圈理论
“O”形圈通道，是根据回采工作面顶板冒落后，中间部分较快的被压实，但在采空区的四周煤柱侧，由于煤柱的支撑作用使已形成的离层圈裂隙不易压实闭合，而且上、下、左、右相互贯通，形成了连通的环状圈，其形状与老顶岩层破断的“O－X”型相似，故称“O”形圈通道。
“O”型圈，由刘华民高工1989年首先提出，后得到中国矿大模型试验证实，“O”型裂隙带宽33－34mm，是采空区瓦斯流动和储存的空间和通道，利用此“O”型圈理论，指导顶板穿层钻孔和采空区地面钻井位置的定位。
根据模型试验，还获得了煤层顶板竖三带和底板下三带的参数，当采高2.5m时，上覆岩层采动冒落高度8－9m，即采高的3.2－3.6倍，裂隙带高为24－27m，即采高的9.6－10.8倍，以上为弯曲下沉带。
裂隙破断角：
走向θ＝65°，上方β＝70°，下方γ＝75°。
采动对下伏底板的破坏：
直接破坏带10－15m，影响带20－30m，微小变化带50－70m，同理在采空区煤柱内侧的边缘，也存在一个底板“O”形圈通道。
4.4下保护层及被保护层开采范围的确定
（1）有效层间距：
即能够起到有效的保护作用的煤层间距离，据有关资料，保护层的有效层间距与保护层厚度，回采工作面长度，顶板管理方法及开采深度等因素均有关系。
《防突实施细则》中规定，保护层作用有效范围划定方法及有关参数都应根据矿井实际考察结果确定。
因此，朱仙庄矿在10煤开采过程中应注意实测数据积累。
在没有实测数据时，暂采用邻矿开采实际数据，芦岭矿Ⅱ1048面，8、10煤层最大有效垂距＞100m，10煤开采后，8煤被卸压，地面采动井抽出248.8万m3瓦斯。
海孜Ⅱ1024工作面，7-10煤层最大有效垂距146m，该面10煤开采后，地面Ⅱ1024-1井已累计抽出285.0万m3瓦斯，7、8、9三层煤均受10煤采动卸压影响，实际有效垂距均超过《防突实施细则》推荐的数值，即缓倾斜和倾斜煤层，开采下保护层最大有效垂距＜100m。
朱仙庄矿8至10煤层间实际垂距80-90m，小于细则规定，证明在类似条件下先开采10煤保护层是有效的。
（2）沿倾斜的保护范围
保护层沿倾斜的保护范围，可按卸压角确定，朱仙庄矿Ⅱ1034工作面煤层倾斜24°Ⅱ1051工作面煤层倾角12°-14°，按《防突实施细则》取下部卸压角=75°，上部卸压角=85°，走向卸压角=56°。
相对于被保护层8煤工作面，被保护层工作面，下部和上部的内错距离分别为：
Ⅱ1034工作面
L1=×sin1°×COI24°=2.04（斜距）×COI24°=1.86m（平距）
L2=×sin21°×COI24°=40.4m
Ⅱ1051工作面
L1=×sin1°×COI24°=2.16（斜距）×COI24°=2.1m（平距）
L2=×sin21°×COI24°=42.0m
3、沿走向的保护范围：
8煤开切眼向里内错L3=123m×ctg56°=83m
8煤停采线向里内错L4=123m×ctg56°=83m
见附图4-1、4-2
今后可参照芦岭Ⅱ1048实际测定资料及科研成果所确定的卸压角，划定8煤已消突范围，进一步做好局部防突工作，确保安全开采。
4.5矿区采动井抽采瓦斯实践
2004年9月，先在芦岭矿Ⅱ1048工作面试验了一口采动井，获得成功，抽采291天，单井总产气量248.8万m3，最高日产46656m3。
而后推广至海孜矿，先后在三个工作面又打了6口采动井均取得了成功，6口井至2007年底累计产气1164.66万m2平均单井产气194.1万m3/井，单井最高产气368.25万m3表4-4，
矿区地面采动井抽采瓦斯情况表
（截至2007年12月底）表4-4
井名
抽采起止
日期
井深
累计
抽采纯瓦量
（万m3）
抽采
天数
最高日抽采量（m3）
平均日
抽采量
备注
芦岭Ⅱ1048-1井
04.9.21-05.7.28
587
248.8
291
46656
8537
因工作面走向短，致抽采半径偏小
海孜Ⅱ1017-1井
05.2.25-05.12.30
578
219.0
311
16574
7043
已停抽
海孜Ⅱ1017-2井
06.1.1-07.11.30
628.4
368.25
553
22579
6542
采面结束。
一年后目前日产气量尚有8956m3
海孜Ⅱ1019-1井
06.9.16-07.2
583.8
64.6
167
5261
3868
工作面跳采而停抽
海孜Ⅱ10192井
07.3-07.11
615.30
198.63
306
10540
6847
尚在抽采
海孜Ⅱ1024-1井
07.1.8-07.11
647
285.01
357
15465
7665
目前尚在抽采
合计
1384.29
海孜矿采动井不仅抽采了1164.66万m3中组煤瓦斯，而且抽采了10煤采空区瓦斯，使工作面风排瓦斯量大大减少，实现了工作面安全生产。
通过七口采动区井的抽采瓦斯实践，得出以下几点认识：
（1）采动井抽采瓦斯单井产气量高，最高预计400万m3。
（2）采动井最大抽采半径经海孜矿Ⅱ1017面证实可达388m；
（3）采动井抽采高峰的出现时间是在回采工作面推过钻井60-90米范围；
（4）采动井抽采时间较长，大于井下穿层钻孔，水平钻孔抽采时间。
如海孜矿Ⅱ1017-2井工作面已收作一年，共已抽采553天，现仍可抽采，日产气3000-4000m3左右；
（5）地面钻井施工方便，不受井下工程制约，与井下高抽巷、穿层钻孔抽采瓦斯效果相同，但不打岩巷，工程费用低；
（6）采动井主要抽中组煤卸压瓦斯，但也抽采开采层工作面部分采空区瓦斯。
（7）采动井抽采瓦斯浓度高达50-90%，有利于民用和燃气发电。
五、Ⅱ1034、Ⅱ1051工作面瓦斯储量和可抽瓦斯量的预测
Ⅱ1034、Ⅱ1051面，8煤计算范围均以保护层工作面风巷、机巷、切眼及预计收作线垂直向上所圈定的范围作为储量计算范围，煤厚采用7和8煤层累计厚度，瓦斯含量采用中国矿大1994年科研成果资料，计算可抽瓦斯量时由原煤瓦斯含量扣除原煤残存瓦斯含量3m3，计算结果列表如下：
（表5-1、表5-2）
Ⅱ1013采区、Ⅱ1015采区上覆卸压区中组煤层煤炭地质储量表
表5-1
采区
名称
工作面
走向长（m）
斜长
（m）
倾角
（°）
斜面积
（m2）
煤厚
（m）
容重
（t/m3）
储量
（万t）
注
Ⅱ103
Ⅱ1034
530
140
25
80313.5
13.18
1.3
137.6
7、8
煤层
Ⅱ1036
650
140
25
98497.7
13.18
1.3
168.7
Ⅱ1038
660
130
25
92869.3
13.18
1.3
159.1
小计
465.5
Ⅱ105
Ⅱ1051
1230
170
22
222238.6
9.19
1.3
265.5
7、8
煤层
Ⅱ1053
1230
165
22
215702.1
9.19
1.3
257.7
Ⅱ1055
1300
160
22
221069.5
9.19
1.3
264.3
Ⅱ1057
1250
165
22
219209.5
9.19
1.3
261.9
小计
1049.2
Ⅱ1013采区Ⅱ1015采区上覆卸压区中组煤层瓦斯资源量
表5-2
采区
名称
工作面
煤炭资源
量（万t）
原煤瓦斯含量（m3/t）
瓦斯储量（万m3）
可抽瓦斯含量（m3/t）
可抽瓦斯储量
（万m3）
注
Ⅱ103
Ⅱ1034
137.6
14.4
1981.4
11.4
1568.6
7、8
煤层
Ⅱ1036
168.8
16.1
2717.7
13.1
2211.3
Ⅱ1038
159.1
17.8
2832.0
14.8
2354.7
小计
465.5
7531.1
6134.6
Ⅱ105
Ⅱ1051
265.5
12.7
3371.8
9.7
2575.4
7、8
煤层
Ⅱ1053
257.7
14.4
3710.9
11.4
2937.8
Ⅱ1055
264.1
16.1
4256.84
13.1
3459.7
Ⅱ1057
261.9
17.8
4661.8
14.8
3876.1
合计
1049.2
16001.3
12849.0
六、Ⅱ103、Ⅱ105采区地面钻井预抽8煤卸压瓦斯方案
6.1地面采动井布置原则
地面采动井位置选定考虑以下几个方面
（1）钻井位置应选在工作面倾向的中部，第一口井距工作面开切眼60-80m左右的位置。
根据陷落法顶板岩移的规律，
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