【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 抽放等相關(guān)的技術(shù)難題。 煤礦企業(yè)有著 地質(zhì)復(fù)雜，構(gòu)造應(yīng)力集中，煤層多，瓦斯含量高，頂?shù)装鍘r性變化大，資料多等 優(yōu)勢(shì)。 參與本次應(yīng)用試驗(yàn)的 AAA 國(guó)際礦業(yè)公司工作組成員包括：劉光華博士， Leszek Lunarzewski 博士，蔡厚安博士生，劉長(zhǎng)久博士生。 本報(bào)告由 Leszek Lunarzewski 博士，劉光華博士，蔡厚安博士生負(fù)責(zé)起草。 第一章 工作面簡(jiǎn)介 1 礦井概況 略 煤礦 1983 年建成投產(chǎn)。目前開(kāi)采 13 112 和 8 煤層，設(shè)計(jì)能力為 ， 1996 年達(dá)產(chǎn)，之后礦井產(chǎn)量一直穩(wěn)定在 。 2020 年未核定生產(chǎn)能力為 ，實(shí)際產(chǎn)量為 Mt。 2 地質(zhì)情況 略 3 通風(fēng)系統(tǒng) 礦井采用機(jī)械抽出式通風(fēng)，中央并列單翼對(duì)角混合式通風(fēng)方式。共有 3 個(gè)進(jìn)風(fēng)井和 3個(gè)回風(fēng)井，即由主副井及南風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，東風(fēng)井、新東風(fēng)井和中央風(fēng)井回風(fēng)。 4 瓦斯抽采系統(tǒng) 礦井采用以地面永久抽采系統(tǒng)為主、井下局部抽采系統(tǒng)為輔的抽采的方法抽采礦井瓦斯。礦井現(xiàn)有中央?yún)^(qū)和南風(fēng)井兩個(gè)地面永久瓦斯抽采站，額定能力為 980m3/min，系統(tǒng)核定能力為 143 m3/min。 礦井煤層抽采工藝及方法包括： ⑴ 煤層底板瓦斯抽采巷穿層鉆孔抽采； 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京確博爾 ) ⑵ 本煤層順層鉆孔 預(yù)抽； ⑶ 地面鉆孔抽采； ⑷ 開(kāi)采煤層頂板走向鉆孔瓦斯抽采； ⑸ 高抽巷瓦斯抽采； ⑹ 采空區(qū)預(yù)埋管路瓦斯抽采； ⑺ 尾抽巷瓦斯抽采； ⑻ 掘進(jìn)工作面邊掘邊抽。 礦井采用中央立井、運(yùn)輸大巷盤(pán)區(qū)開(kāi)拓，對(duì)角式通風(fēng)。井田設(shè)四個(gè)井筒：主井、副井、東風(fēng)井、西風(fēng)井。兩個(gè)水平，第一水平標(biāo)高 350m ，第二水平標(biāo)高 500m，采區(qū)開(kāi)拓采用水平 石門(mén)、集中上山、集中巖巷，礦井西翼采用走向長(zhǎng)壁式開(kāi)采方式，東翼采用傾斜長(zhǎng)壁開(kāi)采方式。 5 煤與瓦斯突出防治 該煤礦屬煤與瓦斯突出礦井，突出煤層為 13 11 8 和 41 煤層，其中 131 煤層瓦斯含量為 1222m3/t。迄今為止該礦已發(fā)生過(guò) 21 次煤與瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象，其中 131 煤層 19 次。 該礦開(kāi)采突出煤層時(shí)，均嚴(yán)格執(zhí)行突出危險(xiǎn)性預(yù)測(cè)、防治突出措施、防治突出措施的效果檢驗(yàn)和安全防護(hù)措施“四位一體”的綜合防突措施。但在現(xiàn)場(chǎng)工作中仍存在以下缺陷和不足導(dǎo)致防治效果不甚理想。 ⑴ 局部防治措施主要為鉆孔抽采、排放，手段比較單一，且由于防突措施循環(huán)周期長(zhǎng)，制約掘進(jìn)進(jìn)尺，影響交替； ⑵ 防突預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)指標(biāo)不理想，礦井常有誤報(bào)現(xiàn)象； ⑶ 嚴(yán)重煤與瓦斯突出煤層無(wú)頂?shù)装鍖Ｓ猛咚诡A(yù)抽巷道。在新建的工作面雖然有底板專用瓦斯預(yù)抽巷道，但預(yù)抽效果不理想，這在一定程度上體現(xiàn)了對(duì)瓦斯賦存和釋放機(jī)理的不清楚。 而我們這次研究的瓦斯預(yù)測(cè)和瓦斯釋放模擬軟件正是針對(duì)瓦斯的賦存，涌出以及釋放過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)測(cè)和分析。這能使我們很好的掌握瓦斯賦存和瓦斯釋放狀況，對(duì)于 礦業(yè)單位主動(dòng)地預(yù)防和治理瓦斯事故有很好的借鑒意義。例如，本軟件可以對(duì)工作面工作過(guò)程中的瓦斯釋放量進(jìn)行定量預(yù)測(cè)；并能對(duì)保持井下瓦斯含量低于安全線的通風(fēng)措施提出建議；還能指導(dǎo)我們進(jìn)行采前用于瓦斯抽放的鉆孔的設(shè)計(jì)。這些在很大程度上減小了工作量，也為煤礦企業(yè)節(jié)省了大量的開(kāi)支。 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京確博爾 ) 6 安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng) 該煤礦目前使用的安全監(jiān)控系統(tǒng)是 KJ2020 安全監(jiān)控系統(tǒng)，共安裝了 30 臺(tái) KJF23 系列分站、 4 臺(tái) KJ2020F 型分站和三臺(tái) 3 臺(tái) KJ2020G 型分站、 118 臺(tái)低濃度瓦斯傳感器、 75 臺(tái)斷電儀、 7 臺(tái)風(fēng)速傳感器、 15 臺(tái)管道高濃瓦斯 傳感器、 5 臺(tái)一氧化碳傳感器、 74 臺(tái)設(shè)備開(kāi)停傳感器、 16 臺(tái)風(fēng)門(mén)開(kāi)關(guān)傳感器、 3 套瓦斯抽采監(jiān)控系統(tǒng)以及少量的負(fù)壓傳感器、溫度傳感器和煤位計(jì)等。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全局聯(lián)網(wǎng)、全省聯(lián)網(wǎng)。 7 煤礦安全基本參數(shù) 該礦在井下 19 個(gè)地點(diǎn)測(cè)試了煤層瓦斯壓力，實(shí)測(cè)值為 ，且 131 煤層為自然發(fā)火煤層，自然發(fā)火期為 36 個(gè)月， 131 煤層還具爆炸性。 抽采系統(tǒng)存在的問(wèn)題是：抽采管網(wǎng)阻力大，抽采能力無(wú)法發(fā)揮。目前由于井下抽采管路管徑偏小、管網(wǎng)阻力大，實(shí)際永久系統(tǒng)僅抽采瓦斯約 45m3/min，與抽采泵核定能力差距較大， 礦井抽采率約 4050%，低于 60%要求，瓦斯利用率僅為 2%左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國(guó)際先進(jìn)水平。因此，急需對(duì)井下抽采管網(wǎng)和工藝以及布置方式進(jìn)行改造，以增大礦井抽采能力。 8 工作面簡(jiǎn)介 工作面是一個(gè)新建的綜采工作面，所采的煤為 131 號(hào)煤，設(shè)計(jì)產(chǎn)量為 35000 噸 /周。 監(jiān)察分局 在“ 一通三防 ” 專項(xiàng)監(jiān)察通報(bào)會(huì) 上指出該工作面存在以下幾點(diǎn)不足和隱患： ⑴ 瓦斯綜合治理工作不到位，瓦斯處于臨界狀態(tài)，未能做到以風(fēng)定產(chǎn)。綜放面風(fēng)量未能達(dá)到最高允許風(fēng)速，即將其回風(fēng)瓦斯放限按 %進(jìn)行管理 ； ⑵ 綜放面回風(fēng)巷與主進(jìn)風(fēng)巷之間有三組風(fēng)門(mén)連通，當(dāng)某一采、掘地點(diǎn)發(fā)生災(zāi)變時(shí)，通風(fēng)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)無(wú)法對(duì)風(fēng)路進(jìn)行調(diào)節(jié)，影響整個(gè)東三采區(qū)安全，通風(fēng)系統(tǒng)的抗災(zāi)能力 和 可靠性差； ⑶ 采掘工作面瓦斯抽放達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，抽放工程施工進(jìn)度較慢，抽放效果不好。 41（ 3） 綜放面上、下順槽順層抽放孔抽放瓦斯絕對(duì)量為 179。/min 左右，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求的3m179。/min。 第二章 瓦斯預(yù)測(cè)和釋放模擬軟件簡(jiǎn)介 1 簡(jiǎn)介 略 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京確博爾 ) 2 瓦斯預(yù)測(cè)軟件簡(jiǎn)介 略 礦井瓦斯預(yù)測(cè)系統(tǒng)可以用來(lái)測(cè)量與氣體環(huán) 境、地層卸壓量和煤礦生產(chǎn)水平相聯(lián)系的煤礦瓦斯釋放量和通風(fēng)量。眾所周知，開(kāi)采過(guò)程中影響礦井瓦斯的賦存和釋放的因素包括：頂?shù)装鍛?yīng)力、頂?shù)装鍘r性、頂?shù)装鍘r層及煤層的滲透性、煤層厚度、本煤層含氣量、其中瓦斯的百分比含量、臨近煤層瓦斯含量、采煤推進(jìn)速度等等。因此在軟件中，我們綜合考慮了特定礦井的特定工作面的一切地質(zhì)、 煤田地質(zhì)和各煤礦的圍巖巖性、巖石力學(xué)性質(zhì)、煤的物理化學(xué)性質(zhì)以及透氣性能等所有可能的影響因素，爭(zhēng)取盡最大可能準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)瓦斯的賦存和釋放情況，并通過(guò)簡(jiǎn)單的圖表模擬之。圖 21 顯示了礦井的綜采面和掘進(jìn)面的通風(fēng)系 統(tǒng)，該軟件的一個(gè)重大作用就是通過(guò)我們的預(yù)測(cè)結(jié)果來(lái)為礦井的通風(fēng)提出具體的、定量的建議，以節(jié)省礦井的通風(fēng)費(fèi)用和解決井下瓦斯超量問(wèn)題。 掘進(jìn)面 圖 2綜采面和掘進(jìn)面的通風(fēng)系統(tǒng)圖 3 瓦斯釋放模擬軟件簡(jiǎn)介 瓦斯釋放模擬（ GRM）代表了一種獨(dú)特的和創(chuàng)新性的軟件，采用了當(dāng)今世界上地質(zhì)界、采礦界和煤礦瓦斯方面最先進(jìn)的知識(shí)和成果以及計(jì)算機(jī)技術(shù)， 可以用研究區(qū)的地質(zhì)、瓦斯以及煤礦數(shù)據(jù)來(lái)模擬煤層及其頂 /底板 地層的卸壓和瓦斯活動(dòng)情況，并對(duì)瓦斯釋放區(qū)進(jìn)行分帶 。其設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了各種瓦斯釋放源和釋放途徑（如圖 22 所示）。頂板瓦斯釋放模擬采用“連續(xù)層分離”和“頂板彎曲原理”，建立采掘工作面附近頂、底板 地層中的不同 地層應(yīng)力運(yùn)輸巷 回風(fēng)巷 采采 空空 區(qū)區(qū) 煤煤 體體 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京確博爾 ) 體系。而且，計(jì)算中還運(yùn)用了“邊界元素原理”。該系統(tǒng)可以： ⑴ 生成巖層卸壓和瓦斯釋放區(qū)的形狀和邊界； ⑵ 考慮構(gòu)造與水平應(yīng)力，反映應(yīng)力與巖層卸壓的關(guān)系； ⑶ 描述瓦斯從不同的瓦斯釋放區(qū)釋放的比率； ⑷ 能以簡(jiǎn)單的圖形形式，采用不同截面顯示在工作面后指定距離點(diǎn)所有預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)； ⑸ 定義“包絡(luò)線”，代表了巖層彎曲變形的理論的零點(diǎn)。 GRM 軟件可以被用于以下幾個(gè)方面的研究： ⑴ 識(shí)別巖層卸壓區(qū)和它們的邊界； ⑵ 估定活性的瓦斯源，包括煤層和含煤巖層； ⑶ 預(yù)測(cè)從頂?shù)装逅蓜?dòng)的巖層中釋放的瓦斯所占的比率； ⑷ 決定充滿氣體狀態(tài)的預(yù)報(bào)系數(shù)； ⑸ 設(shè)計(jì)和優(yōu)選地下和地表抽放氣井系統(tǒng)； ⑹ 制定煤礦瓦斯控制與抽放策略。 圖 2瓦斯釋放模擬系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案 圖 23 顯示了 瓦斯釋放模擬系統(tǒng)輸出的平面剖面圖，圖中顯示了地表氣井和從井下打的鉆孔等，也顯示了該軟件的功能，即預(yù)測(cè)采煤工作面前后指定位置的瓦斯賦存情況，并可進(jìn)一步指導(dǎo)瓦斯預(yù)抽鉆孔及地表氣井的布置。圖 24 為地層卸壓和瓦斯釋放區(qū)瓦斯釋放模型的169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京確博爾 ) 三維示意圖，圖中能明顯看出卸壓區(qū)的分布，在頂?shù)装逡约懊罕谥兴虻你@孔和氣井的布置。圖 25 為扇形鉆孔平面圖。 圖 2瓦斯釋放模擬系統(tǒng)輸出圖 —— 水平剖面圖 圖 2地層卸壓和瓦斯釋放區(qū)瓦斯釋放模型 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京確博爾 ) 圖 2瓦斯釋放模型 — 水平剖面圖（扇形鉆孔） 其作用是指導(dǎo)我們進(jìn)行鉆孔布置，以解決我們?cè)诂F(xiàn)實(shí)工作中不能有根據(jù)的合理安排鉆孔位置，以致抽放效果不理想的問(wèn)題。它能指導(dǎo)我們合理的進(jìn)行瓦斯預(yù)抽和采中瓦斯抽放的進(jìn)程，最大限度的抽放瓦斯以降低礦井瓦斯隱患，并在條件允許的情況下加以利用，最大限度的變廢為寶。 第三章 實(shí)驗(yàn)成果及其解釋 1 數(shù)據(jù)收集和分析 略 2 CMGP 的模擬的和計(jì)算 當(dāng)在煤礦開(kāi)采 15 工作面時(shí) CMGP 的中英文版本被用于預(yù)測(cè)瓦斯涌出量。數(shù)據(jù)輸入表和瓦斯釋放預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)如表 31 所示，工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè)如表 32 所示。需輸入該軟件的數(shù)據(jù)如下所示： （ 1） 工作煤層名稱＝ 131； （ 2） 鉆孔位置＝ IV East 27； （ 3） 工作面長(zhǎng)度＝ 200 米； （ 4） 工作煤層厚度＝ 米（ 3 米割煤， 米放頂）； （ 5） 煤礦周產(chǎn)量＝ 35000 噸； 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京確博爾 ) （ 6） 煤礦平均日產(chǎn)量＝ 5000 噸； （ 7） 每周的工作天數(shù)＝ 6（ 2 班 /天）； （ 8） 維護(hù)班 8 小時(shí)； （ 9） 工作層本煤層甲烷含量 = m3/t . ； （ 10） 瓦斯中甲烷（ CH4）含量百分比 97%； （ 11） 二氧化碳或其他氣體含量為 3%； （ 12） 采中瓦斯抽放率 =60%； （ 13） 預(yù)抽效率 =30%； （ 14） 工作煤層瓦斯釋放率 =%； （ 15） 抽放影響到的煤層 = 14, 15 amp。 16； （ 16） 頂板上 200 米地層中的煤層數(shù) =4； （ 17） 底板下 60 米中的煤層數(shù) =3； （ 18） 地層瓦斯釋放率 =10%。 煤礦瓦斯預(yù)測(cè)系統(tǒng) 長(zhǎng)臂工作面瓦斯涌出量預(yù)測(cè) 煤礦名稱 淮南 工作面名稱或編號(hào) 15 工作煤層 131 抽放鉆孔位置 IV East 27 礦井參數(shù) 系數(shù)及計(jì)算 Longwall face length (m) Gas drainage coefficient SGE when gas drainage is used 長(zhǎng)壁工作面長(zhǎng)度（米） 瓦斯抽放礦井的瓦斯涌出情況 Working thickness (m) Coal seams affected by gas drainage suction 生產(chǎn)煤層厚度（米） 瓦斯抽放系數(shù) Weekly coal production (tonne) 35,000 每周煤炭產(chǎn)量（噸 ） 抽放煤層的瓦斯涌出量 Working seam gas content (m3Gas/t) Suction level (kPa) Other coal seams not affected by gas drainage suction 生產(chǎn)煤層含氣量（立方米 /噸） Methane position (%) 97 甲烷濃度（ %） 抽吸壓力 (千帕） 未抽放煤層的瓦 斯涌出量 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京確博爾 ) Other gas position (%) 3 20 Total SGE with gas drainage: 其它氣體濃度 (%) 瓦斯涌出總量 Is postdrainage used Y / N Y Working seam gas release Contribution of free gas from porous rocks and old workings (%) 是否采用了采中和采后瓦斯抽放 是 /否 工作煤層瓦斯釋放 In seam predrainage efficiency (%