矿井瓦斯赋存、释放规律与瓦斯预测、治理研究可行性研究报告

矿井瓦斯赋存、释放规律与瓦斯预测、治理研究可行性研究报告内容摘要：

抽放等相关的技术难题。 煤矿企业有着 地质复杂，构造应力集中，煤层多，瓦斯含量高，顶底板岩性变化大，资料多等 优势。 参与本次应用试验的 AAA 国际矿业公司工作组成员包括：刘光华博士， Leszek Lunarzewski 博士，蔡厚安博士生，刘长久博士生。 本报告由 Leszek Lunarzewski 博士，刘光华博士，蔡厚安博士生负责起草。 第一章 工作面简介 1 矿井概况 略 煤矿 1983 年建成投产。 目前开采 13 112 和 8 煤层，设计能力为 ， 1996 年达产，之后矿井产量一直稳定在。 2020 年未核定生产能力为 ，实际产量为 Mt。 2 地质情况 略 3 通风系统 矿井采用机械抽出式通风，中央并列单翼对角混合式通风方式。 共有 3 个进风井和 3个回风井，即由主副井及南风井进风，东风井、新东风井和中央风井回风。 4 瓦斯抽采系统 矿井采用以地面永久抽采系统为主、井下局部抽采系统为辅的抽采的方法抽采矿井瓦斯。 矿井现有中央区和南风井两个地面永久瓦斯抽采站，额定能力为 980m3/min，系统核定能力为 143 m3/min。 矿井煤层抽采工艺及方法包括： ⑴ 煤层底板瓦斯抽采巷穿层钻孔抽采； 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京确博尔 ) ⑵ 本煤层顺层钻孔 预抽； ⑶ 地面钻孔抽采； ⑷ 开采煤层顶板走向钻孔瓦斯抽采； ⑸ 高抽巷瓦斯抽采； ⑹ 采空区预埋管路瓦斯抽采； ⑺ 尾抽巷瓦斯抽采； ⑻ 掘进工作面边掘边抽。 矿井采用中央立井、运输大巷盘区开拓，对角式通风。 井田设四个井筒：主井、副井、东风井、西风井。 两个水平，第一水平标高 350m ，第二水平标高 500m，采区开拓采用水平 石门、集中上山、集中岩巷，矿井西翼采用走向长壁式开采方式，东翼采用倾斜长壁开采方式。 5 煤与瓦斯突出防治 该煤矿属煤与瓦斯突出矿井，突出煤层为 13 11 8 和 41 煤层，其中 131 煤层瓦斯含量为 1222m3/t。 迄今为止该矿已发生过 21 次煤与瓦斯动力现象，其中 131 煤层 19 次。 该矿开采突出煤层时，均严格执行突出危险性预测、防治突出措施、防治突出措施的效果检验和安全防护措施“四位一体”的综合防突措施。 但在现场工作中仍存在以下缺陷和不足导致防治效果不甚理想。 ⑴ 局部防治措施主要为钻孔抽采、排放，手段比较单一，且由于防突措施循环周期长，制约掘进进尺，影响交替； ⑵ 防突预测预报指标不理想，矿井常有误报现象； ⑶ 严重煤与瓦斯突出煤层无顶底板专用瓦斯预抽巷道。 在新建的工作面虽然有底板专用瓦斯预抽巷道，但预抽效果不理想，这在一定程度上体现了对瓦斯赋存和释放机理的不清楚。 而我们这次研究的瓦斯预测和瓦斯释放模拟软件正是针对瓦斯的赋存，涌出以及释放过程进行验测和分析。 这能使我们很好的掌握瓦斯赋存和瓦斯释放状况，对于 矿业单位主动地预防和治理瓦斯事故有很好的借鉴意义。 例如，本软件可以对工作面工作过程中的瓦斯释放量进行定量预测；并能对保持井下瓦斯含量低于安全线的通风措施提出建议；还能指导我们进行采前用于瓦斯抽放的钻孔的设计。 这些在很大程度上减小了工作量，也为煤矿企业节省了大量的开支。 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京确博尔 ) 6 安全监测监控系统 该煤矿目前使用的安全监控系统是 KJ2020 安全监控系统，共安装了 30 台 KJF23 系列分站、 4 台 KJ2020F 型分站和三台 3 台 KJ2020G 型分站、 118 台低浓度瓦斯传感器、 75 台断电仪、 7 台风速传感器、 15 台管道高浓瓦斯 传感器、 5 台一氧化碳传感器、 74 台设备开停传感器、 16 台风门开关传感器、 3 套瓦斯抽采监控系统以及少量的负压传感器、温度传感器和煤位计等。 监控系统实现了全局联网、全省联网。 7 煤矿安全基本参数 该矿在井下 19 个地点测试了煤层瓦斯压力，实测值为 ，且 131 煤层为自然发火煤层，自然发火期为 36 个月， 131 煤层还具爆炸性。 抽采系统存在的问题是：抽采管网阻力大，抽采能力无法发挥。 目前由于井下抽采管路管径偏小、管网阻力大，实际永久系统仅抽采瓦斯约 45m3/min，与抽采泵核定能力差距较大， 矿井抽采率约 4050%，低于 60%要求，瓦斯利用率仅为 2%左右，远远低于国际先进水平。 因此，急需对井下抽采管网和工艺以及布置方式进行改造，以增大矿井抽采能力。 8 工作面简介 工作面是一个新建的综采工作面，所采的煤为 131 号煤，设计产量为 35000 吨 /周。 监察分局 在“ 一通三防 ” 专项监察通报会 上指出该工作面存在以下几点不足和隐患： ⑴ 瓦斯综合治理工作不到位，瓦斯处于临界状态，未能做到以风定产。 综放面风量未能达到最高允许风速，即将其回风瓦斯放限按 %进行管理 ； ⑵ 综放面回风巷与主进风巷之间有三组风门连通，当某一采、掘地点发生灾变时，通风网络内无法对风路进行调节，影响整个东三采区安全，通风系统的抗灾能力 和 可靠性差； ⑶ 采掘工作面瓦斯抽放达不到设计要求，抽放工程施工进度较慢，抽放效果不好。 41（ 3） 综放面上、下顺槽顺层抽放孔抽放瓦斯绝对量为 179。 /min 左右，达不到设计要求的3m179。 /min。 第二章 瓦斯预测和释放模拟软件简介 1 简介 略 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京确博尔 ) 2 瓦斯预测软件简介 略 矿井瓦斯预测系统可以用来测量与气体环 境、地层卸压量和煤矿生产水平相联系的煤矿瓦斯释放量和通风量。 众所周知，开采过程中影响矿井瓦斯的赋存和释放的因素包括：顶底板应力、顶底板岩性、顶底板岩层及煤层的渗透性、煤层厚度、本煤层含气量、其中瓦斯的百分比含量、临近煤层瓦斯含量、采煤推进速度等等。 因此在软件中，我们综合考虑了特定矿井的特定工作面的一切地质、 煤田地质和各煤矿的围岩岩性、岩石力学性质、煤的物理化学性质以及透气性能等所有可能的影响因素，争取尽最大可能准确地预测瓦斯的赋存和释放情况，并通过简单的图表模拟之。 图 21 显示了矿井的综采面和掘进面的通风系 统，该软件的一个重大作用就是通过我们的预测结果来为矿井的通风提出具体的、定量的建议，以节省矿井的通风费用和解决井下瓦斯超量问题。 掘进面 图 2综采面和掘进面的通风系统图 3 瓦斯释放模拟软件简介 瓦斯释放模拟（ GRM）代表了一种独特的和创新性的软件，采用了当今世界上地质界、采矿界和煤矿瓦斯方面最先进的知识和成果以及计算机技术， 可以用研究区的地质、瓦斯以及煤矿数据来模拟煤层及其顶 /底板 地层的卸压和瓦斯活动情况，并对瓦斯释放区进行分带。 其设计过程中考虑了各种瓦斯释放源和释放途径（如图 22 所示）。 顶板瓦斯释放模拟采用“连续层分离”和“顶板弯曲原理”，建立采掘工作面附近顶、底板 地层中的不同 地层应力运输巷 回风巷 采采 空空 区区 煤煤 体体 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京确博尔 ) 体系。 而且，计算中还运用了“边界元素原理”。 该系统可以： ⑴ 生成岩层卸压和瓦斯释放区的形状和边界； ⑵ 考虑构造与水平应力，反映应力与岩层卸压的关系； ⑶ 描述瓦斯从不同的瓦斯释放区释放的比率； ⑷ 能以简单的图形形式，采用不同截面显示在工作面后指定距离点所有预测数据； ⑸ 定义“包络线”，代表了岩层弯曲变形的理论的零点。 GRM 软件可以被用于以下几个方面的研究： ⑴ 识别岩层卸压区和它们的边界； ⑵ 估定活性的瓦斯源，包括煤层和含煤岩层； ⑶ 预测从顶底板松动的岩层中释放的瓦斯所占的比率； ⑷ 决定充满气体状态的预报系数； ⑸ 设计和优选地下和地表抽放气井系统； ⑹ 制定煤矿瓦斯控制与抽放策略。 图 2瓦斯释放模拟系统的设计方案 图 23 显示了 瓦斯释放模拟系统输出的平面剖面图，图中显示了地表气井和从井下打的钻孔等，也显示了该软件的功能，即预测采煤工作面前后指定位置的瓦斯赋存情况，并可进一步指导瓦斯预抽钻孔及地表气井的布置。 图 24 为地层卸压和瓦斯释放区瓦斯释放模型的169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京确博尔 ) 三维示意图，图中能明显看出卸压区的分布，在顶底板以及煤壁中所打的钻孔和气井的布置。 图 25 为扇形钻孔平面图。 图 2瓦斯释放模拟系统输出图 —— 水平剖面图 图 2地层卸压和瓦斯释放区瓦斯释放模型 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京确博尔 ) 图 2瓦斯释放模型 — 水平剖面图（扇形钻孔） 其作用是指导我们进行钻孔布置，以解决我们在现实工作中不能有根据的合理安排钻孔位置，以致抽放效果不理想的问题。 它能指导我们合理的进行瓦斯预抽和采中瓦斯抽放的进程，最大限度的抽放瓦斯以降低矿井瓦斯隐患，并在条件允许的情况下加以利用，最大限度的变废为宝。 第三章 实验成果及其解释 1 数据收集和分析 略 2 CMGP 的模拟的和计算 当在煤矿开采 15 工作面时 CMGP 的中英文版本被用于预测瓦斯涌出量。 数据输入表和瓦斯释放预测数据如表 31 所示，工作面瓦斯涌出量预测如表 32 所示。 需输入该软件的数据如下所示： （ 1） 工作煤层名称＝ 131； （ 2） 钻孔位置＝ IV East 27； （ 3） 工作面长度＝ 200 米； （ 4） 工作煤层厚度＝ 米（ 3 米割煤， 米放顶）； （ 5） 煤矿周产量＝ 35000 吨； 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京确博尔 ) （ 6） 煤矿平均日产量＝ 5000 吨； （ 7） 每周的工作天数＝ 6（ 2 班 /天）； （ 8） 维护班 8 小时； （ 9） 工作层本煤层甲烷含量 = m3/t . ； （ 10） 瓦斯中甲烷（ CH4）含量百分比 97%； （ 11） 二氧化碳或其他气体含量为 3%； （ 12） 采中瓦斯抽放率 =60%； （ 13） 预抽效率 =30%； （ 14） 工作煤层瓦斯释放率 =%； （ 15） 抽放影响到的煤层 = 14, 15 amp。 16； （ 16） 顶板上 200 米地层中的煤层数 =4； （ 17） 底板下 60 米中的煤层数 =3； （ 18） 地层瓦斯释放率 =10%。 煤矿瓦斯预测系统 长臂工作面瓦斯涌出量预测 煤矿名称 淮南 工作面名称或编号 15 工作煤层 131 抽放钻孔位置 IV East 27 矿井参数 系数及计算 Longwall face length (m) Gas drainage coefficient SGE when gas drainage is used 长壁工作面长度（米） 瓦斯抽放矿井的瓦斯涌出情况 Working thickness (m) Coal seams affected by gas drainage suction 生产煤层厚度（米） 瓦斯抽放系数 Weekly coal production (tonne) 35,000 每周煤炭产量（吨 ） 抽放煤层的瓦斯涌出量 Working seam gas content (m3Gas/t) Suction level (kPa) Other coal seams not affected by gas drainage suction 生产煤层含气量（立方米 /吨） Methane position (%) 97 甲烷浓度（ %） 抽吸压力 (千帕） 未抽放煤层的瓦 斯涌出量 169。 2020 lConfidential, AAA Minerals Int’l (北京确博尔 ) Other gas position (%) 3 20 Total SGE with gas drainage: 其它气体浓度 (%) 瓦斯涌出总量 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 工作煤层瓦斯释放 In seam predrainage efficiency (%。