告成21021工作面预抽煤层瓦斯消突设计报告.docx
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告成21021工作面预抽煤层瓦斯消突设计报告
121021工作面概况
1.121采区概况
1.1.1采区位置及其顶底板情况
21采区位于告成井田中部，东至–110m煤层底板等高线，南至12204孔附近，西至–330m煤层底板等高线与古观星台暂不能利用储量边界，北至补7孔与付12604孔连线一带。
采区走向长2150m，倾向长1250m，上限标高–110m，下限标高–330m，对应地表标高为249.17m～323.8m，面积1.95km2。
21采区煤层整体为单斜构造，厚度呈近东西轴向厚薄相间的条带分布。
煤层顶板大部分为滑动构造破碎带直接压煤，滑动构造破碎带厚度为24.55～73.30m，平均为50.72m。
滑动构造破碎带顶板约占70%，约30%煤顶板保留部分原生顶板砂质泥岩。
底板一般为砂质泥岩，局部变相为细、粉砂岩及泥岩，层位连续，厚度5.57～12.61m，平均9.72m。
1.1.2采区储量、布置采面、服务年限和瓦斯涌出量
采区煤厚为0～12.61m，平均煤厚4.63m，煤层倾角为9.5～13.2°，平均11.35°。
采区设计区域地质储量1263.5万t。
其中：
A级159.4万t，B级986.0万t，C级118.1万t。
设计永久煤柱储量为583.4万t，可布置面的储量为524.3万t。
该采区设计布置21011、21021、21031、21041、21051、21061共计6个工作面，实行跳采。
采区设计生产能力为60～90万吨/年，即一个工作面生产达到设计能力，采区服务年限为6.6a。
采区瓦斯绝对涌出量15m3/h，相对瓦斯出量为16.7m3/t。
1.221021工作面概况
21021工作面为21采区首采工作面，其东部为未开采的21011工作面，西部为未开采的21031工作面，南部为中央集中皮带下山，北部与-110m运输大巷相邻。
该工作面上副巷标高界于-83.9m～-120.7m，下副巷标高界于-95.9m～-138.7m，走向长度780～840m，平均810m，工作面（切巷）设计斜长150m，伪倾斜布置。
平均煤厚4.9m，煤层平均倾角7°，顶底板起伏变化较大，煤层赋存不稳定。
工作面煤炭储量74.7万t，设计炮采放顶煤开采，工作面生产能力为2300t/d，上下付巷均为29#U型钢支护，净断面11.5m2。
工作面采用“U”型通风方式。
21021工作面主采二1煤层，其二1煤层顶、底板都比较松软，顶板为细粒砂岩、砂质泥岩，底板为砂质泥岩。
21021工作面上、下副巷分别与2004年4月和2003年9月开门施工，掘进期间上副巷绝对瓦斯涌出量0.37～2.36m3/min，下副巷绝对瓦斯涌出量0.44～2.30m3/min。
21021工作面处于突出危险区域内，为确保安全施工，在两巷掘进期间，均采取了“四位一体”综合防突措施，主要防突措施有：
挂耳钻场瓦斯抽放、超前卸压钻孔、瓦斯释放钻孔等。
1.321021工作面煤与瓦斯突出危险性
1.3.121021工作面煤与瓦斯突出动力现象
在21021工作面掘进过程中，仅在21021下副巷发生一次煤与瓦斯突出动力现象。
2004年1月15日8点班13时23分，21021工作面下副巷辅助巷掘进至17m时，煤巷队在架第2棚时，煤壁发出闷雷声，掘进头作业人员撤离后，发生了动力现象，煤壁整体外移800mm，底板很快鼓起lm高，煤体整体位移，没有明显松散，无分选性，动力现象后没有空洞。
瓦斯浓度最高达12.98%，5小时后瓦斯浓度降到1%以下（风量545m3／min），涌出瓦斯量为3667m3，压出和底鼓煤量为26.8t，平均吨煤瓦斯涌出量136.8m3/t。
动力现象后，煤体没有明显松散，无分选性，且没有孔洞。
发生动力现象的地点标高为-83m，对应地面标高+290m。
1.3.221021工作面瓦斯涌出量
21021上副巷掘进期间412d的监测瓦斯资料显示：
21021上副巷瓦斯浓度最高0.43%，最低0.1%，平均瓦斯浓度为0.141%；掘进期间风量371～649m3/min；瓦斯涌出量最大为2.36m3/min，最小为0.37m3/min，平均为0.700m3/min。
21021下副巷掘进期间532d的监测瓦斯资料显示：
21021下副巷瓦斯浓度最高达0.5%，最低0.1%，平均瓦斯浓度为0.224%；掘进期间风量界于377～702m3/min；瓦斯涌出量最大为2.30m3/min，最小为0.44m3/min，平均为1.149m3/min。
21021切巷掘进期间43d的监测瓦斯资料显示：
21021切巷瓦斯浓度最高达0.51%，最低0.08%，平均瓦斯浓度为0.287%；掘进期间风量界于427～542m3/min；其瓦斯涌出量最大为2.87m3/min，最小为0.36m3/min，平均为1.332m3/min。
其具体情况如表1-1所示。
表1-121021工作面掘进期间瓦斯涌出情况
地点
瓦斯浓度（%）
瓦斯涌出量（m3/min）
最大
最小
平均
最大
最小
平均
21021上副巷
0.43
0.1
0.141
2.36
0.37
0.700
21021下副巷
0.5
0.1
0.224
2.30
0.44
1.149
21021切巷
0.51
0.08
0.287
2.87
0.36
1.332
1.3.321021工作面突出危险性预测（效果检验）指标
21021上副巷、切巷均采用钻孔瓦斯涌出初速度q、钻屑量S、综合指标R进行突出危险性预测和效果检验；21021下副巷前段采用瓦斯涌出初速度q、钻屑量S、综合指标R进行突出危险性预测和效果检验，仅后面一小段补增△h2指标进行突出危险性预测和效果检验。
21021上副巷、下副巷、切巷近2000m巷道突出危险性预测指标分布情况如表1-2、表1-3、表1-4所示。
21021工作面巷道圈定过程中钻屑量S没有超标现象，瓦斯涌出初速度q和综合指标R超标次数和频率较小。
预测指标超标地点主要集中在工作面切眼附近、停采线附近以及下副巷13～16号钻场附近。
表1-221021工作面掘进巷道q值区间划分和频数统计
巷道名称
0≤q<1
1≤q<2
2≤q<3
3≤q<4
4≤q<5
q≥5
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
21021上副巷
27
13%
87
43%
65
32%
19
9%
5
2%
1
0%
21021下副巷
4
1%
76
22%
110
32%
88
25%
49
14%
22
6%
21021切巷
0
0%
8
15%
11
20%
13
24%
11
20%
11
20%
表1-321021工作面掘进巷道S值区间划分和频数统计
巷道名称
0≤q<2
2≤S<3
3≤S<4
4≤S<5
5≤S<6
S≥6
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
21021上副巷
0
0%
37
19%
141
73%
13
7%
1
1%
0
0%
21021下副巷
0
0
14
4%
311
87%
31
9%
1
0%
0
0%
21021切巷
0
0%
0
0%
39
72%
15
28%
0
0%
0
0%
表1-421021工作面掘进巷道R值区间划分和频数统计
巷道名称
R<0
0≤R<1
1≤R<2
2≤R<3
3≤R<4
R≥4
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
次数
频数
21021上副巷
165
96%
3
2%
1
1%
0
0%
0
0%
2
1%
21021下副巷
192
75%
39
15%
8
3%
2
1%
2
1%
13
5%
21021切巷
32
58%
11
20%
0
0%
0
0%
0
0%
12
22%
221021工作面瓦斯基础参数
为了对21021工作面预抽瓦斯后突出危险性进行可靠评价，特对该采面原始区域的瓦斯含量、抽放半径、吸附常数、煤层坚固性系数、瓦斯放散初速度等瓦斯基础参数进行了测试和计算，以期为工作面消突抽放设计和消突效果检验提供科学依据。
2.1瓦斯压力与瓦斯含量
告成煤矿、煤炭科学研究总院重庆分院、焦作煤业（集团）有限责任公司科学技术研究所对告成煤矿二1煤层13、21采区的瓦斯压力、瓦斯含量进行过多次测定，测定结果如表2-1和表2-2所示。
表2-1告成煤矿二1煤层瓦斯压力测定结果汇总
测定地点
开口标高
（m）
见煤标高
（m）
垂深
（m）
瓦斯压力
（MPa）
施工异常
情况
21下山变电所通道
-235
-225
488
0.11
无
21皮带下山4#联巷向上25m
-234
-216
478
0
终孔见水
21皮带下山P24向下32m
-219.5
-201.8
458.3
0
无
21皮带下山P22向下32m
-210.7
-185.2
435.2
0
无
21回风下山回22向下10m
-198.5
-183.8
442.4
0.16
喷孔
瓦斯超限
21皮带下山P18向上23m
-188.8
-181.2
442.2
0
无
21回风下山回20向上3m
-187
-154.8
413.3
0.25
无
21回风下山回17向下10m
-183.5
-152
411.5
0
无
21021下车场（中3车场）
-161
-161.4
428
1.1
喷孔、顶钻、瓦斯超限
21皮带下山P11向上20m
-140.8
-126.3
407.4
0.22
喷孔、瓦斯超限
21皮带下山P8向下5m
-121.5
-108.5
402.5
0.5
13091上付巷回风联巷口向南5m
-109.9
-84.5
396.5
0.62
13041下付巷回风联巷口向南5m
-94.58
-80.18
362.2
0.63
13131下付巷回风联巷口向南20m
-87.6
-78
417
0.58
表2-2告成煤矿二1煤层瓦斯含量测定结果汇总
测定地点
测点标高
（m）
瓦斯含量（m3/t）
吸附常数a（m3/t）
吸附常数b（MPa-1）
13081皮带巷“十头”向上530m处
+38
6.07
13121工作面轨道巷距10#钻场向东30m
±0
9.01
13081皮带巷“十头”向上365m处
-3
9.22
13121工作面轨道巷“十头”向上230m
-25
5.96
13081皮带巷“十头”向上200m处
-30
4.16
3＃顶板疏水巷揭煤1号样
-90
8.97
41.4938
0.6894
3＃顶板疏水巷揭煤2号样
-90
7.68
21021下副巷运3向南6m处
-109
7.28
21021上付巷材12向南20m处
-133
2.3
13131辅助巷56米孔深24m
-150
11.54
21回风下山回17向下10m
-152
15.7
2１回风下山回20向上3m处
-155
13
42.8526
0.6316
2１回风下山回22向下10m处
-184
13.92
43.4783
0.6472
21轨道下山变电所通道口向里20m处
-225
2.59
河南理工大学在21021上副巷6#钻场南10m处（标高-95m）、27#钻场南10m处（标高-120m）、下副巷42#钻场内（标高-137m），利用解吸法直接测定了二1煤层的瓦斯含量，分别为4.32m3/t、12.85m3/t和10.95m3/t。
对瓦斯压力、瓦斯含量与煤层埋藏标高的关系进行分析整理，得到二1煤层瓦斯压力与标高的关系为：
（2-1）
式中
——煤层瓦斯压力，MPa；
——煤层埋藏标高，m，取正值。
二1煤层瓦斯含量与标高的关系为：
（2-2）
式中
——煤层瓦斯含量，m3/t；
——煤层埋藏标高，m，取正值。
2.2始突瓦斯含量和始突瓦斯压力
截止目前，告成煤矿共发生2次煤与瓦斯突出。
在21021工作面下副巷掘进过程中，发生告成煤矿首次煤与瓦斯突出动力现象，涌出瓦斯量为3667m3，压出和底鼓煤量为26.8t，突出地点为21021工作面下副巷辅助巷掘进至17m处，标高为-83m，对应地面标高+290m。
另一次发生在21021下副巷回风联巷揭煤处，突出煤量948t，涌出瓦斯28117m3，突出地点标高-165.5m，地面标高+435m。
根据13、21采区的生产揭露情况，21采区上部的13采区基本回采完毕，并未发生过煤与瓦斯突出动力现象，判定21021工作面下副巷辅助巷突出点标高-83m为该区域始突标高。
根据式（2-1）和式（2-2）推算二1煤层始突瓦斯压力为0.57MPa，始突瓦斯含量为8.68m3/t。
图2-1抽放半径测定钻孔布置示意图
2.3抽放半径
根据钻孔瓦斯压力的相对变化来考察抽放半径的大小。
2006年8月28日4点班在距离21021下副巷21#钻场对面2m处施工抽放半径测定钻孔，抽放半径测定钻孔布置如图2-1所示。
施工钻机为ZY-1250型煤矿用全液压钻机，钻机功率为22kw。
测点标高为-115m，煤厚4.8m。
钻孔施工过程很顺利，没有任何动力现象。
其中1#压力孔施工760mm钻杆42根，2#抽放孔施工760mm钻杆41根，3#压力孔施工760mm钻杆42根。
钻孔施工详细参数如表2-3所示。
表2-3抽放半径测定施工记录表
孔号
孔径
（mm）
位置
孔深
（m）
方位
倾角
（°）
备注
1#压力孔
94
距21#钻场2m
31.9
垂直巷帮
-3
孔口瓦斯1.8%
2#抽放孔
94
距21#钻场4m
31.2
垂直巷帮
-2
孔口瓦斯2.1%
3#压力孔
94
距21#钻场8m
31.9
垂直巷帮
0
孔口瓦斯1.7%
2006年8月29号零点班钻孔施工结束，当日早晨8点班进行封孔，3个孔的封孔材料均为聚胺脂，封孔深度均为10m。
封孔后1#、3#压力孔连接“U”型水柱计，2#抽放孔连接抽放管路。
抽放半径测定数据记录如表2-4所示。
从抽放半径数据观测记录（表2-4）可以看出，经过8～10d的抽放后，1#观测钻孔和3#观测钻孔内的压差变为0。
后来由于2#抽放孔抽放负压的降低，3#观测钻孔内的压差由处于上升状态。
由于1#观测钻孔比3#观测钻孔更靠近2#抽放孔，受抽放负压的影响，其孔内压差先变为0。
抽放半径随抽放时间长短而变化，抽放时间越长，抽放半径越大，反之，抽放时间越短，抽放半径越小。
根据研究，抽放半径的变化符合：
（2-3）
式中
——抽放半径，m；
——反应煤层瓦斯动力性质的系数，
或
；
——抽放时间，min或d。
根据21021工作面抽放半径数据观测结果（表2-4），计算得到
，则该工作面所测抽放半径与时间的关系为：
（2-4）
式（2-4）仅表明了抽放半径（抽放影响范围）与抽放时间的关系，并不代表有效抽放半径与时间的抽放。
按照《煤矿安全规程》第一百九十条，采用预抽煤层瓦斯作为区域防突措施时，煤层瓦斯预抽率应大于30%。
因此，有效抽放半径按瓦斯预抽率等于30%来进行考察。
表2-4抽放半径测定数据观测记录表
观测日期
1#孔水柱计读数
（mmHg）
3#孔水柱计读数
（mmHg）
2#孔板前后端压差
（mmHg）
2#孔板前端绝对压力
（mmHg）
瓦斯
浓度
（%）
8月31日4点
5
3
3
4
12.5
9月1日4点
5
3
6
9
58
9月1日8点
3
4
4
6
55
9月2日4点
3
4
6
22
48
9月3日4点
2
4
2
20
43
9月5日8点
2
4
-
-
9月5日4点
2
1
2
21
42
9月6日4点
2
1
2
20
43
9月7日4点
0
1
2
10
42
9月9日8点
0
0
2.5
21
42
9月9日4点
1
0
2
21
42
9月10日8点
1.5
0
-
22
39
9月10日4点
1
3
5
19
35
9月11日8点
0
0
3.5
16
36.1
9月13日8点
0
0
2
21
38
9月14日8点
0
0
3
17
37.6
9月15日8点
-
2
2
16
41
9月16日8点
0
0
1
17
36
9月17日8点
3
2
2
10
39
9月18日8点
0
3
2
6
32
9月20日8点
0
5
2
9
31
9月21日8点
0
1
2
13
29
2.4瓦斯流量衰减系数
钻孔瓦斯流量衰减系数是表示钻孔瓦斯流量随着时间延续呈衰减变化关系的系数，可作为评估开采层预抽瓦斯难易程度的一个指标。
根据《矿井瓦斯抽放管理规范》，钻孔瓦斯流量衰减系数的测算方法是：
选择具有代表性的地区打钻孔，先测其初始瓦斯流量
，测试时间一般不低于10d，经过时间t后，再测其瓦斯流量
，然后以下式计算之：
（2-5）
式中
——钻孔瓦斯流量衰减系数，d-1；
——钻孔初始瓦斯流量，m3/min；
——经t时间后的钻孔瓦斯流量，m3/min；
t——瓦斯排放时间，d。
对表2-4中的抽放数据进行分析整理，得到2#抽放孔抽放流量与时间的关系如图2-2所示。
钻孔瓦斯流量衰减规律为：
（2-6）
图2-2钻孔流量和抽放时间的变化关系
21021工作面抽放钻孔瓦斯流量衰减系数为0.0437d-1，按照《矿井瓦斯抽放管理规范》第19条关于煤层瓦斯抽放难易程度的划分标准（表2-5），21021工作面煤层属于可以抽放煤层。
表2-6煤层瓦斯抽放难易程度划分标准
类别
钻孔流量衰减系数
d-1
煤层透气性系数
m2/MPa2.d
容易抽放
<0.003
>10
可以抽放
>0.003～0.05
<10～0.1
较难抽放
>0.05
<0.1
2.5百米钻孔流量与有效抽放半径
2.5.1百米钻孔流量
根据
得到百米钻孔抽放量变化规律为:
（2-7）
百米钻孔累计抽放量与时间的关系为：
（2-8）
式中
——钻孔在一定时间内的抽放量，m3；
——抽放时间，min。
由式（2-8）得到百米钻孔极限抽放量为4086m3，平均流量0.0157m3/min。
2.5.2有效抽放半径
有效抽放半径不是一个定值，其随抽放时间的长短、煤层瓦斯含量的大小而变化。
根据《矿井瓦斯抽放管理规范》的规定，采用朗格缪尔公式计算抽放地点的煤层瓦斯含量，将抽放地点的煤层瓦斯压力、煤的吸附常数等代入朗格缪尔公式中，即可得到煤层瓦斯含量。
21021工作面上副巷标高-83.9m～-120.7m，下副巷标高-95.9m～-138.7m，按平均标高-120m来计算21021工作面的煤层瓦斯含量。
由
可得21021工作面平均瓦斯压力0.78MPa，经计算瓦斯含量为9.58m3/t。
抽放钻孔按抽放半径1.5m布置，则百米抽放钻孔控制范围内的瓦斯储量为9476m3。
瓦斯预抽期按5个月考虑，百米抽放钻孔的抽放量为3391m3，则钻孔控制范围内瓦斯预抽率为35.8%，符合《煤矿安全规程》第一百九十条规定的煤层瓦斯预抽率应大于30%的要求，故21021工作面煤层有效抽放半径按1.5m考虑。
321021工作面预抽瓦斯消突设计依据
为了保证21021工作面预抽瓦斯消突效果，预抽瓦斯设计必须符合以下要求：
（1）《防治煤与瓦斯突出细则》第53条
单一的突出危险煤层和无保护层可采的突出煤层群，可采用预抽煤层瓦斯防治突出的措施，钻孔应控制整个预抽区域并均匀布孔。
（2）《煤矿安全规程》第一百九十条
预抽煤层瓦斯后，必须对预抽瓦斯防治突出效果进行检验，其有效性指标应根据矿井实测资料确定。
如无实测数据，可依据下列指标之一确定：
①预抽煤层瓦斯后突出煤层的残存瓦斯含量小于煤层始突深度的原始瓦斯含量；
②煤层瓦斯预抽率大于30％。
（3）《防治煤与瓦斯突出细则》第55条
采用预抽煤层瓦斯防治突出措施时，钻孔封堵必须严密。
穿层钻孔的封孔深度应不小于3m，沿层钻孔的封孔深度应不小于5m。
钻孔孔口抽放负压不应小于13KPa。
（4）《矿井瓦斯抽放管理规范》第28条
采用顺层钻孔时，吨煤钻孔量表满足要求表3-1的要求。
表3-1吨煤钻孔量表单位：
m／t
煤层类别
薄煤层
中厚煤层
厚煤层
容易抽放
0.05
0.03
0.01
可以抽放
0.05～0.1
0.03～0.05
0.01～0.03
较难抽放
＞0.1
＞0.05
＞0.03
421021预抽钻孔布置设计
4.121021工作面瓦斯储量与需抽瓦斯量
4.1.121021工作面瓦斯储量
21021工作面平均煤厚为4.9m，实际走向长度780～840m，平均810m，工作面（切巷）设计斜长150m。
所以该工作面的煤炭储量为：
21021工作面煤炭储量=总面积储量-不可开采薄煤带储量
=4.9×810×150×1.3-4125×4.9×1.3
=747678.8（t）
21021工作面瓦斯含量平均为9.58m3/t，则21021工作面瓦斯储量为7162763m3。
4.1.221021工作面需抽瓦斯量
根据《防治煤与瓦斯突出细则》第56条，煤层瓦斯预抽率应用钻孔控制范围内煤层瓦斯储量与抽出瓦斯量（包括打钻时钻孔喷出的瓦斯量、自然排放量）来计算，考虑到顺层抽放钻孔的封孔深度为5m，上、下副巷同时布孔则应减去10m斜长的煤炭储量，所以21021工作面钻孔控制范围内煤层瓦斯储量即为6685245m3。
（1）按煤层瓦斯预抽率大于30%计算需抽瓦斯量
21021工作面钻孔控制范围内煤层瓦斯储量为6685245m3，则需抽瓦斯量为2005573m3。
（2）按始突瓦斯含量计算需抽瓦斯量
21采区二1煤层始突瓦斯含量为8.68m3/t，21021工作面瓦斯含量平均为9.58m3/t，则21021工作面需抽瓦斯量628050m3。
为了确保预抽瓦斯防突效果，取按煤层瓦斯预抽率30%得到的需抽瓦斯量2005573m3作为抽放钻孔布置设计的依据。
4.2
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