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依靠科技创新抓好瓦斯治理

发布时间:2020-01-14 19:28:04 阅读: 来源:电能表厂家

神华宁夏煤业集团公司乌兰煤矿始建于1966年,1975年建成投产,原设计生产能力为90万吨/年,现核定生产能力为190万吨/年,属煤与瓦斯突出矿井,是神华宁夏煤业集团公司生产条件最为复杂、自然灾害最为严重的矿井之一。煤(岩)层起伏变化大,断裂构造多,煤层透气性差,煤层松软,成孔率低,瓦斯涌出量衰减快,预抽效果差,严重影响矿井安全开采。多年来,乌兰煤矿始终坚持把瓦斯防治作为安全管理的重中之重,按照“优化系统、稳定产能、减人提效、综合治理”的工作思路,积极探索瓦斯综合治理的有效方法,形成了“保护层开采、地面钻井抽采、底板岩巷穿层钻孔网格抽采”的立体式、全方位区域瓦斯治理格局,提升了矿井防灾抗灾能力。

一、潜心研究,积极探索瓦斯治理有效方法

乌兰煤矿是国家重点监控的煤与瓦斯突出矿井,深受水、火、顶板、煤尘、煤与瓦斯突出“五毒”侵害。矿井投产初期,相对瓦斯涌出量仅为5.3 m3/t,为低瓦斯矿井。1982年,矿井开采深度达到100m,相对瓦斯涌出量达到18.7m3/t,由低瓦斯矿井升级为高瓦斯矿井。1987年,石门揭煤时发生煤与瓦斯突出,矿井由高瓦斯矿井升级为煤与瓦斯突出矿井。

提高对瓦斯治理重要性的认识。

近年来,随着矿井开采深度的不断增加,瓦斯压力急速上升,煤层瓦斯含量不断增大,突出危险性明显增强,在施工钻孔和掘进时曾多次发生动力现象,严重威胁矿井安全生产。经鉴定矿井主采煤层均为突出煤层,且有自燃倾向性和煤尘爆炸性,其它煤层除瓦斯放散初速度未超过临界值指标,其余指标均超过《防治煤与瓦斯突出规定》的临界值,这就意味着矿井所有煤层都必须严格按照突出煤层进行管理,瓦斯制约矿井安全生产的问题更加凸显。面对客观存在的困难与挑战,乌兰煤矿深深体会到“瓦斯不治,矿无宁日”,提出了“举全矿之力治理瓦斯”的战略举措,开始了一场与瓦斯较量的攻坚之战。

认真总结煤层瓦斯赋存规律。

全面掌握煤层瓦斯变化规律是解决瓦斯治理问题的有效方法。建立了通风实验室,持续测定和分析矿井主采煤层实际参数,总结出主采各煤层在相同埋深、不同区域的瓦斯压力、瓦斯含量、煤层透气性及可抽采性的分布规律;绘制了详实的《瓦斯地质图》,并对矿井各煤层的突出危险区域进行了划分;确定了矿井主采煤层钻孔有效抽采半径与抽采时间的变化关系、突出煤层工作面突出危险性预测敏感指标及临界值。

确定综合治理瓦斯的有效对策。

采取“走出去、请进来”的方法,多次组织技术人员外出考察、学习先进的瓦斯治理经验,并结合矿井实际,展开了反复论证和研究,最终确定了下保护层开采方案。对煤层开采顺序进行了合理调整,将原来自上而下开采,调整为由下而上开采。与中国矿业大学合作进行了《高瓦斯突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯关键技术》项目研究,该项目先行开采7#煤层(保护层), 后开采8#煤层,受采动影响,上覆2#、3#煤层处于弯曲下沉带,保护层开采不会对2#、3#煤层造成破坏,只发生整体下沉,煤(岩)体变形、破裂和裂隙伸张,产生“卸压增透增流”效应,煤层透气性增大,促使大量吸附瓦斯解吸为游离瓦斯,再通过高瓦斯突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯关键技术,两次抽采2#、3#煤层卸压瓦斯,减小煤层瓦斯含量,消除卸压煤层煤与瓦斯突出危险性。

二、技术攻关,解决制约矿井安全生产的瓦斯难题

瓦斯隐患是影响矿井安全发展的核心问题。为提高煤层瓦斯抽采率,降低煤层原始瓦斯含量,消除煤与瓦斯突出危险性,有效解决瓦斯难题,乌兰煤矿在试验区域内全面实施了高瓦斯突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯关键技术等项目,实现了煤与瓦斯高效共采。

一是大力应用保护层开采技术。

保护层开采的关键是如何将被保护层大量卸压瓦斯抽出。首次在矿井试验工作面,通过采用回归分析法确定地面钻井布井参数,施工地面钻井等措施,最大程度的提高了瓦斯抽采量,扩大了瓦斯抽采半径,使单井日抽采瓦斯量达到2.48万m3,相当于过去井下打8620个钻孔的抽采效果,地面14口钻井累计抽出纯瓦斯1436万 m3,使被保护的2#、3#煤层残余瓦斯含量分别降到3.63 m3/t和3.14m3/t,抽采率分别提高到65.8%和66.3%,达到了煤矿瓦斯抽采指标要求。有效保护了层间距为70m~116m的煤层。3#煤层卸压区域透气性系数增大2046倍,坚固性系数由不足0.4增大至0.7左右,掘进巷道实现了留顶煤锚杆锚网支护。2#煤层得到有效保护,提高了煤炭资源回收率,为矿减少资源损失1400万吨,矿井服务年限延长了6年。在被保护区域内3#煤层工作面开采时,瓦斯涌出量小于10m3/min,工作面回风流瓦斯浓度最大仅为0.34%,瓦斯涌出量大幅下降。取消了顶板巷和尾巷抽放,降低了工作面回风量,减少了采空区漏风量。采空区窒息带距工作面距离由过去50m缩小到30m,极大降低了采空区煤炭自然发火危险性。建立了单井抽采卸压瓦斯数学模型,计算出了被保护层卸压瓦斯抽采量占钻井瓦斯抽采总量的比例。研制出了新型瓦斯流量测定装置,为准确监测瓦斯流量,分析瓦斯参数提供了可靠保障,并获得国家实用新型知识产权专利。

二是攻克地面钻井剪切破断技术难题。

乌兰煤矿以往采取地面钻井进行抽采,但随工作面推进,受采动影响煤岩体应力发生变化,容易将地面钻井剪切破断,从而影响抽采效果,需要辅以井下巷道、穿层钻孔进行抽采。为攻克这一技术难题,乌兰煤矿通过研究采动后上覆岩层移动规律,设计了从地面至井底的表层段、岩层段和卸压抽采段,具有防止剪切破断的新型地面钻井井身结构。大胆改进地面钻井穿煤层筛管,增加了抽采管挠度,增强了筛管抗压和抗剪强度,并获得国家实用新型知识产权专利。通过采取以上技术,有效防止了地面钻井剪切破断,煤层大量卸压瓦斯被地面钻井抽出,取得了与其他矿井采用井下巷道抽采、穿层钻孔联合抽采相同的良好效果, 不用再施工2#、3#煤层底板瓦斯治理巷,减少了生产环节,节省了资金,提高了安全系数。

《高瓦斯突出煤层群保护层开采与地面钻井抽采卸压瓦斯关键技术》项目研究成果,为我国西部矿区浅埋藏、煤层群开采条件下的高瓦斯及突出矿井瓦斯治理积累了宝贵经验,并在集团公司汝箕沟煤矿、白芨沟煤矿等多个矿井进行推广应用,取得了显著的经济与社会效益。2011年,该项目荣获中国煤炭工业科学技术一等奖、宁夏回族自治区科学技术进步一等奖、国家科学技术进步二等奖。

三是实施瓦斯赋存规律及突出综合防治技术。

针对7#、8#煤层层间距太小,局部地点基本合层,采掘时极易发生煤与瓦斯突出的实际,乌兰煤矿实施了瓦斯赋存规律及突出综合防治技术项目,采用穿层、顺层不同的钻孔布置方式,预抽煤层瓦斯,降低了煤层最大残余瓦斯压力、最大残余瓦斯含量,消除了区域煤层突出危险性。采用高位钻孔、上隅角埋管、地面钻孔抽采采空区卸压瓦斯等方式,彻底消除了回采工作面瓦斯超限现象。通过施工煤层底板瓦斯治理巷、密集穿层网格钻孔,实时监测煤层瓦斯压力、煤层瓦斯含量和钻孔流量变化等情况,形成了网格状超前条带预抽,消除了过去掘进工作面在耳巷钻场施工边掘边抽钻孔,短兵相接的走钢丝危险模式。

三、以用促抽,实现瓦斯抽采与利用最大化

瓦斯抽采最大化是瓦斯治理的最有效手段和根本途径,乌兰煤矿始终认为“只有打不到位的钻孔,没有抽不出的瓦斯”。面对煤层瓦斯预抽效果差、瓦斯抽采系统能力不足等现状,通过设备升级更新、系统扩能改造等多项措施,极大的提高了瓦斯抽采效果。

一是大力引进先进设备,提高钻孔施工质量。

选用了国内先进、适合矿井地质条件的大功率、大扭矩强力钻机,使钻孔孔径由 75mm扩大到113mm,孔深由80m延长到300m以上,孔壁暴露面积增加2.2倍,彻底解决了小功率钻机无法施工长孔和扭矩小易夹钻等问题。引进直径100mm螺旋钻杆代替原普通圆钻杆打钻排渣,钻屑排出量提高了40倍,有效释放了瓦斯,消除了地应力,提高了掘进效率。将原水力排渣改为风水结合排渣,减少了钻孔施工时的塌孔、夹钻现象。先后对抽采系统进行了两次扩能改造,达到了高负压、大流量、强力抽,实现了大能力抽放泵、大直径抽采管、大钻机、大钻孔“四大”抽采目标。发明了机械封孔泵,将手动封孔改为机械封孔, 钻孔单孔抽采浓度由10%提高到30%以上,大大提高了钻孔施工效率、封孔质量和抽采效果。2011年,该项发明获得国家专利授权,并在集团公司多个矿井推广使用。

二是不断改进技术工艺,提高瓦斯治理效果。

对“防突钻机改造及应用工程”进行了立项研究,研制出了全国首台孔径达到200mm连续螺旋钻杆的专用防突钻机,使用后该钻机在工作面打2个孔相当于过去打7个孔的瓦斯排放效果,充分发挥了防突钻机和螺旋钻杆的最大效用。实施了高位钻孔抽采和采煤工作面上隅角埋管抽采技术,彻底消除了尾巷排放和上隅角抽排风机引排瓦斯的安全隐患,减小了采掘工作面风排瓦斯量,矿井配风量由16453m3/min降低到13315m3/min,负压由2353Pa降低到1520Pa,提高了矿井安全生产能力。

三是综合利用变害为宝,提供了绿色能源。

按照“以抽保用、以用促抽”的工作思路,建立了瓦斯发电厂,安装了16台燃气发电机组,将矿井抽出的瓦斯直接输送到瓦斯发电厂发电,瓦斯得到有效利用,减少了对空排放和资源浪费,实现了被动向主动抽采瓦斯的根本转变。2011年,瓦斯利用量达到2026万m3,发电量4031万度(相当于每年燃烧14.2万吨煤炭发出的电量),减少碳排放25.66万吨(相当于3269棵大树吸收的二氧化碳量),发电效益达1983万元,取得了良好的经济效益。

总之,经过多年艰辛的探索与实践,乌兰煤矿在瓦斯防治方面取得了显著成效,我们深深体会到:抓好瓦斯治理工作是实现矿井安全发展的根本保障。必须深刻认识瓦斯治理任务的长期性、复杂性、艰巨性,进一步增强责任感和紧迫感,全力以赴抓好瓦斯治理工作;确保措施落实到位是瓦斯治理取得成效的关键所在。必须坚定不移地执行综合治理瓦斯措施,在打钻效果、封孔质量和抽采力度上要不打折扣,在“四位一体”防突措施落实上要一以贯之,坚决做到“不采突出面、不掘突出头”;加强科技攻关是实现瓦斯可防可控的必要手段。必须紧紧依靠科技提高矿井瓦斯治理水平,加大与科研院校合作力度,积极探索瓦斯防治的新途径和新技术,有效解决瓦斯治理中的难点问题,为安全生产保驾护航。

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