S2107工作面初采期瓦斯治理方案加强版.docx
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S2107工作面初采期瓦斯治理方案加强版
目录
一、S2107综采放顶煤工作面概况1
二、瓦斯涌出量预测1
1、主采层的瓦斯涌出量1
2、邻近层的瓦斯涌出量2
3、工作面的瓦斯涌出量3
三、瓦斯治理能力评估4
1、通风瓦斯治理能力4
（1）通风现状4
（2）通风瓦斯治理能力4
2、抽采瓦斯治理能力5
（1）瓦斯抽采现状5
（2）抽采瓦斯治理能力10
3、瓦斯治理能力评估10
四、初采期瓦斯治理方法11
1、打设密闭墙11
2、L型风障均压12
3、对工作面进行CO2预裂13
4、上隅角瓦斯引排器13
5、施工释放孔14
6、施工地面瓦斯抽采井14
一、S2107综采放顶煤工作面概况
S2107综采放顶煤工作面位于南二采区，东侧为S2106工作面（已采）；西侧、北侧为实体煤；南侧接南二胶带下山、南二进风下山、南二1号回风下山、南二2号回风下山。
2107胶带顺槽长度1483.82m，S2107回风顺槽长度1483.82m,S2107高抽巷1406m。
工作面可采长度为1286m，切眼长度为313.3m。
工作面可采储量约为298万吨。
采用走向长壁、后退式大采高低位放顶煤一次采全高全部垮落式综合机械化采煤法。
S2107工作面由西南向东北3号煤层整体近似为一单斜构造，平均坡度+2°。
东北方向高，西南方向低。
煤层瓦斯含量为9.7m³∕t,煤尘具有爆炸危险性，3#煤层属不自燃煤层。
煤质为特低硫、低磷、中灰、热稳定性好、高发热量的优质动力煤。
二、瓦斯涌出量预测
1、主采层的瓦斯涌出量
S2107工作面煤层平均厚度5.73m，工作面长313.3m，采用放顶煤开采，工作面平均日产量10000t，其回采过程中的瓦斯涌出量可按照下式计算：
式中：
k1——围岩瓦斯涌出系数，一般取1.2；
k2——工作面丢煤瓦斯涌出系数，为回采率的倒数，1/0.9=1.11；
k3——工作面巷道预排瓦斯影响系数，
L——S2107工作面工作面切眼长度，313m；
h——掘进巷道预排瓦斯等值宽度，23m；
A——工作面日产量，10000吨/日；
——S2107工作面3号煤层实测瓦斯含量，9.7m3/t；
——S2107工作面3号煤层残余瓦斯含量，2.05m3/t。
2、邻近层的瓦斯涌出量
式中：
q2——邻近层绝对瓦斯涌出量m3/min；
——第i个邻近层煤层厚度，m；
——工作面采高，m；
——第i个邻近层的瓦斯排放率，%；
当采高大于4.5m时，
按下式计算
（注：
当下部煤层远离S2107工作面289m时，瓦斯排放率为0）
——第i邻近层与开采层垂直距离；
A——工作面日产量，10000吨/日；
——第i个邻近层的原始瓦斯含量，取6m3/t；
——第i个邻近层的残存瓦斯含量，取2.05m3/t。
3#煤层上邻近层为1#、2#煤，仅局部地区发育有煤线，瓦斯涌出量可忽略不计，3#煤层下部存在4#、5#、9#、12#、15#煤此三煤层赋存较稳定，离3#煤层的平均距离为：
10.96m、62.6m、77.95m及111.16m。
3、工作面瓦斯涌出量
根据以上分析和计算，可得出S2107工作面的瓦斯涌出量
为：
三、瓦斯治理能力评估
1、通风瓦斯治理能力
（1）通风现状
S2107工作面回风顺槽总长为1483m，胶带顺槽总长为1483m，断面面积均为20.52m2,；S2107工作面采用单U型通风，胶带顺槽为进风流，实际风量为2382m3/min，其中S2106辅助切眼风量为524m3/min，回风顺槽风量1876m3/min，平均瓦斯浓度为0.35%，风排瓦斯量6.57m3/min。
风流路线如下图：
图1S2107工作面风流路线图
（2）通风瓦斯治理能力
S2107工作面计划配风量为4000m3/min，回风流瓦斯浓度按照0.75%进行计算，其最大处理瓦斯能力为30m3/min
2、抽采瓦斯治理能力
（1）瓦斯抽采现状
S2107工作面回采期间抽采方式有煤层顺层钻孔抽采、胶带顺槽裂隙带钻场钻孔及回风顺槽上隅角顶板抽采孔抽采、高抽巷抽采。
a、煤层顺层钻孔
S2107回风顺槽胶带顺槽和切眼布置平行预抽钻孔，设计孔深180m，开口位置距底板1.8m，钻孔间距为2.5m，钻孔仰角随煤层走向变化而改变，切眼平行孔由胶带顺槽瓦斯管带抽。
表1煤层顺层钻孔抽采情况
地点
钻孔数量（个）
钻孔总长度（m）
总抽采量（m3/min）
单孔抽采量（m3/min）
万米抽采量m3/（min·万m）
回风顺槽
503
77179
21.86
0.043
2.83
胶带顺槽
527
54613
4.44
0.008
0.813
切眼
30
图2S2107工作面平行孔布置示意图
由数据可以看出S2107工作面回风顺槽平行孔的抽采纯量、单孔抽采量、万米抽采量均远远超过其胶带顺槽的数据，且远远大于余吾煤业已采工作面的平行孔抽采情况，即S2107工作面回风槽抽采出现异常。
经瓦斯科研小组排查，原因如下：
1）地面排采井压裂
S2107回风顺槽两帮分布有余吾1-47至余吾1-60共14口地面排采井。
其中奇数号排采井位于巷道西帮平均距巷道60m，间距150m；偶数号排采井位于巷道东帮平均距巷道80m，间距150m。
据地测科资料，所有排采井均已压裂。
偶数号排采井位于工作面范围内，经排采井压裂后，工作面裂隙逐渐发育，至S2107工作面形成后，裂隙正处于发育成熟期，使得S2107回顺侧透气性系数得到提高，使得瓦斯抽采浓度得到提升。
S2107回顺侧平均瓦斯抽采浓度为42.38%，胶带侧平均瓦斯抽采浓度为20.77%。
图3S2107工作面抽采浓度统计
2）俯仰孔
S2107工作面回顺侧低、胶顺侧高，故施工钻孔时回顺侧钻孔均为仰孔，其易于施工、封孔、排水、排渣。
S2107回顺侧有效钻孔平均深度为141m，S2107胶顺侧有效钻孔平均深度为117m。
3）邻近工作面回采情况
S2107回风顺槽为原S2106工作面进风顺槽，在S2106工作面形成工作面至今，靠近S2107回顺侧的煤体不断卸压，使得此部分煤层各种裂隙不断发育，透气性系数增大。
S2107进风顺槽侧现为S2108准备工作面，基本未受采动影响，为原始应力区。
b、煤层裂隙带钻孔
S2107胶顺布置16个裂隙带钻场，已施工14个钻场，2个钻场未施工完毕，钻场内宽4m、外宽6m、深5m、高3.6m，钻场内施工裂隙带钻孔12个，平均孔深120m，钻孔开孔高度1.8m、2.2m，钻孔间距0.5m，钻孔控制工作面距回风、胶带顺槽100m范围。
至今未进行瓦斯抽采。
c、高抽巷抽排
1）高位高抽巷
S2107高抽巷已掘成，在S2107初采位置打设55个沟通孔，待回采时建密闭埋管，由南二胶带与2#回风7#贯中的南二移动泵站负责带抽，移动泵站未施工完毕，现未运行使用。
2）低位高抽巷
S2107工作面在高位高抽巷内开口有低位高抽巷。
巷道从S2107高抽巷1197m处开口，与S2107高抽巷夹角20°沿-10°下山掘进30m后，与S2107高抽巷夹角0°沿-9°下山掘进至90m处时巷道底板距3#煤层顶板为15m。
然后水平掘进至75m，然后按-12°下山掘进至巷道底板距3#煤层顶板为5m，而后与煤层顶板平行掘进至214m。
待施工完毕后，由南二移动泵站负责带抽。
图4S2017高抽巷布置示意图
3）抽采瓦斯排放
因南二采区风量较小，考虑到高抽巷抽采的瓦斯有可能造成回风巷瓦斯超限，故对高抽巷抽采瓦斯的排放进行计算与设计，计算时以S2107高抽巷的抽采量为预测瓦斯涌出量的35%，抽采不均匀系数取1.2，高抽巷最大抽采量为27.43m3/min。
详情如下。
表2南二采区及S2107工作面回风现状
地点
风量（m3/min）
瓦斯浓度（%）
瓦斯量（m3/min）
南二采区1号回风下山
5325
0.11
5.86
南二采区2号回风下山
6289
0.14
8.80
S2107回风顺槽
1876
0.35
6．57
预计S2107工作面回风顺槽配风量为4000m3/min，假设其瓦斯浓度为0.75%，最后汇入南二采区2#回风下山，可使得2#回风下山浓度升高至0.51%。
1#回风下山无工作面回风流汇入，其瓦斯浓度保持不变。
如S2107高抽巷抽采瓦斯均排入2#回风下山，则2#回风下山的瓦斯浓度是0.87%；如S2107高抽巷抽采瓦斯均排入1#回风下山，则1#回风下山的瓦斯浓度是0.57%。
设计2趟Φ400mm排气管安装到南二2#回风下山4#贯东30m处，1趟Φ400mm排气管安装到南二1#回风下山瓦排管专用巷口东50m处。
其中以1#回风下山为主，在两趟管路分开处利用蝶阀控制流量。
详细设计见表3
表3S2107高抽巷排放设计
地点
风量（m3/min）
未排放前预计瓦斯浓度（%）
排放量（m3/min）
排放浓度（%）
排放量（m3/min）
排放后瓦斯浓度（%）
南二采区1号回风下山
5325
0.14
400
4.9
19.6
0.47
南二采区2号回风下山
6289
0.51
160
4.9
6.83
0.60
由计算可以得出在抽采量为33.6m3/min的条件下，南二采区1#回风下山及2#回风下山都不会出现瓦斯超限，除回风瓦斯影响外两条巷道最大能处理54m3/min的抽排瓦斯。
（2）抽采瓦斯治理能力
初采期抽采瓦斯治理能力按如下规则计算：
平行孔按现抽采情况抽采量为26.3m3/min；
裂隙带钻场参照余吾煤业已采工作面的胶顺裂隙带钻场回采数据，取抽采量为4m3/min；
高抽巷瓦斯抽采按N1102工作面高抽巷的抽采率35%进行计算，78.37*35%=27.42m3/min。
则S2107工作面抽采瓦斯治理能力为57.72m3/min
3、瓦斯治理能力评估
综上所述，S2107工作面瓦斯治理能力评估详细数据如表4所示
表4S2107工作面瓦斯治理能力评估表
治理方式
治理瓦斯能力（m3/min）
备注
通风
30
平行孔
26.3
裂隙带钻场
4
高抽巷
27.42
瓦斯治理能力
87.72
预测瓦斯涌出量
78.37
平均值
四、初采期瓦斯治理方法
由以上计算可得出S2107工作面的瓦斯治理能力稍大于S2107工作面的预测瓦斯涌出量，瓦斯治理饱和系数为112%。
但工作面正常回采期间瓦斯涌出存在不均衡性，故其最大瓦斯涌出量要大于平均涌出量。
余吾煤业为单一煤层开采，且丢煤较少，瓦斯涌出不均衡系数取下限值即1.2，则最大瓦斯涌出量为82.52*1.2=94.04m3/min，大于S2107现瓦斯治理能力（87.72m3/min）。
S2107低位高抽巷在回采期间将与工作面进行直接沟通（预计负压点位置位于切眼后方7m处），可能造成S2107高抽巷抽采量下降。
S2107工作面采用U型通风，在生产期间肯定会造成上隅角瓦斯超限。
鉴于以上原因必须对S2107工作面补充新的瓦斯治理措施。
1、打设密闭墙
在胶带顺槽尾巷每隔20m构筑一道密闭，胶带顺槽打设密闭后可以减少胶顺向采空区的漏风，防止过多的风流带出大量高浓度的采空区瓦斯。
通过密闭墙的打设可以相对减小工作面的长度，减少采空区漏风量，改变采空区的流场，有效地降低工作面上隅角处的瓦斯浓度。
由于封堵为余吾煤业首次使用，瓦斯科研小组提供两个方案作为备选：
利用柔性封堵材料对工作面胶顺侧进行全断面封堵，防止风流过度漏入采空区。
利用粉煤灰砌墙对胶顺侧进行半断面封堵，以保证老塘有足够的跨落空间；同时顶板跨落后封堵上部分未封堵空间。
此方案相对于a方案较为省钱，但封堵效果不好。
如胶顺打设密闭后，上隅角还经常超限，则在回风顺槽尾巷每隔10m加设防漏风密闭。
2、L型风障均压
采取上隅角“一巷两道”形式的L型风障引排瓦斯，将回采时采空区涌出的高浓度瓦斯通过固定通道排出，防治上隅角瓦斯超限。
该技术使得工作面通风阻力与采空区通风压差降低，上隅角处漏风量与瓦斯涌出减少。
在回风巷道内打设中间单体柱附近的锚杆上打设一道钢丝绳，要求钢丝绳紧贴巷道顶板。
紧靠回风巷道中间单体支柱，用钢丝绳把风障固定在巷道顶板上，钢丝绳与风障间用圆环连接。
风障正对端尾行人过桥处，留设行人风门，尺寸为1.0×1.5米。
风门底部利用铁丝捆绑上废旧锚杆，确保风障底部搭接严密不漏风。
行人通过时，掀起风门通过。
前部横风障在工作面前方2.5-5m处，尾部延接至后溜尾处，随着工作面推进，每小班进行延接一次。
图5S2107工作面L型风障设计图
3、对工作面进行CO2预裂
根据N2103胶顺的CO2预裂试验，CO2预裂可以增大煤层透气性，降低工作面瓦斯涌出不均匀系数。
在回采期间对S2107回顺及胶顺距切眼80m处进行CO2预裂，提高工作面前方应力集中区的瓦斯抽采效果，减少回采期间的瓦斯涌出量。
4、上隅角瓦斯引排器
对上隅角风流引射器进行改造，做成瓦斯引排器（如图6）。
将瓦斯引排器放在上隅角瓦斯探头后部200mm处。
风流引排器可将探头后方高浓度瓦斯通过瓦斯引流装置引入风流引排器，而后通过Φ108高压管接入回顺Φ400管路进行带抽。
图6上隅角瓦斯引排器设计图
5、施工释放孔
如果采煤期间回风顺槽风流瓦斯浓度高，则每天利用检修班时间在S2107切眼内施工释放孔，其设计开孔高度1.6米，倾角0°，钻孔间距2米，钻孔深度10米，孔径65mm。
6、施工地面瓦斯抽采井
提前在S2107工作面前方施工地面瓦斯抽采井，待工作面推过后对采空区进行地面抽采，以减少采空区的瓦斯涌出量。
根据N2105工作面地面瓦斯抽采井数据，切眼在抽采井前50m范围内时，其抽采量约7m3/min。
表5采取措施后S2107工作面瓦斯治理能力评估表
治理方式
治理瓦斯能力（m3/min）
备注
通风
30
平行孔
26.3
裂隙带钻场
4
高抽巷
27.42
地面瓦斯抽采井
7
工作面瓦斯治理能力
94.72
预测瓦斯涌出量
78.37
未采取措施前
预测最大瓦斯涌出量
94.04
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