瓦斯综合治理“一面一策”标准研究——西山煤电矿井回采工作面瓦斯分级治理标准

李艳奎,吴世跃,安省伟,薛丽萍,武青林

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.山西西山煤电(集团)有限责任公司 技术中心,太原 030053)

瓦斯综合治理“一面一策”标准研究
——西山煤电矿井回采工作面瓦斯分级治理标准

李艳奎1,吴世跃1,安省伟2,薛丽萍2,武青林2

(1.太原理工大学 矿业工程学院,太原 030024;2.山西西山煤电(集团)有限责任公司 技术中心,太原 030053)

为得到回采工作面瓦斯治理的规范性、标准性方案,以西山煤电集团回采工作面的瓦斯抽采方案为例,根据瓦斯来源将回采工作面瓦斯抽采方法归纳为本煤层、裂隙带、下邻近层及采空区4类,将这4类抽采方法和工作面瓦斯绝对涌出量组成复合指标体系,采用系统聚类分析法,并借助SPSS数据处理软件对这些指标进行分析,根据聚类分析结果把回采工作面瓦斯治理划分为4个等级,并提出了不同等级工作面瓦斯治理的基本方法。该划分方法能提高制定瓦斯抽采方案的效率,对相似地质条件矿井的瓦斯治理工作具有指导意义。

瓦斯抽采;回采工作面;分级治理;聚类分析;一面一策

增加通风量已不能满足目前高产高效回采工作面的排瓦斯要求,进行瓦斯抽采是目前的共识,但对于回采工作面瓦斯抽采措施的制定,却没有标准性的参考方案。针对瓦斯抽采方案的制定、归类,程远平、俞启香等[1-2]提出先以煤层开采时间为依据，将抽采方法分为采前、采中、采后三大类，再用空间位置进行细分。申宝红等[3]总结了适合我国不同煤田地质条件的瓦斯抽放技术体系,提出了促进和加强我国煤矿瓦斯抽放工作的技术对策,并将瓦斯抽采分为煤层气地面开发、煤矿井下抽放和地面井下综合抽放三种方式。一些现场工作者从某一具体矿区出发,提出适合自己矿区的瓦斯抽采方案,如田富军[4]针对义马煤田综放工作面不同瓦斯涌出量提出针对性治理措施。郭峰[5]对平顶山矿区的地质构造和瓦斯地质规律进行分析,制定了防治瓦斯的抽采方案。根据国家安全生产监督总局对瓦斯治理“一矿一策”、“一面一策”的要求[6],在前人研究的基础上,结合西山煤电集团所属矿井瓦斯治理成熟案列,对回采工作面瓦斯抽采技术进行综合聚类分析,依据工作面绝对瓦斯涌出量和采用的抽采方法对瓦斯综合抽采方案进行归类和分级,再依据相关法规及经验,对其结果进行微调,得出每级回采工作面瓦斯抽采的模板性方案——瓦斯综合治理“一面一策”标准。

1 回采工作面瓦斯治理现状

以西山煤电集团现有的回采工作面瓦斯抽采方案为例。

1.1 几种抽采方法定义

各矿对抽采方法命名不一致,为便于统计分析,对几个命名有歧义的抽采方法定义如下。

1.1.1 高低位倾斜裂隙带钻孔

高低位倾斜裂隙带钻孔主要抽采裂隙带内的瓦斯,这类瓦斯一般为上邻近层向本煤层运移的瓦斯和工作面回采后采空区向裂隙带运移的瓦斯[7]。高低位倾斜裂隙带钻孔是从下一个工作面的进风巷施工一组高低位钻孔,抽采裂隙带范围内的瓦斯,如图1所示。

1.1.2 回风巷倾斜高位钻场钻孔

回风巷倾斜高位钻场钻孔,亦称回风巷顶板走向钻场,是在工作面回风巷内施工顶板钻场,每个钻孔施工上下两排钻孔并指向工作面方向,如图2所示。

1.1.3 上邻近层老空区钻孔

在工作面回风巷打钻,终孔进入上邻近层老空区,抽采老空区瓦斯,如图3所示。

图1 高低位裂隙带钻孔剖面图

图2 回风巷倾斜高位钻场钻孔示意图

图3 上邻近层老空区钻孔示意图

1.1.4 煤柱钻孔

在相邻工作面进风巷布置煤柱钻孔,钻孔终孔打至本煤层进风巷与采空区顶板交界处,横穿整个工作面推进后的采空区,抽采工作面推进后的采空区瓦斯。

1.2 抽采方法的分类汇总

根据西山煤电集团的地质条件和现有的抽采措施,将抽采方法按照瓦斯来源划分为本煤层、裂隙带、下邻近层、采空区四类,并按此分类方法对各回采工作面资料进行收集整理,结果见表1。

表1 西山煤电集团部分回采工作面抽采措施及抽采量汇总

2 回采工作面瓦斯治理方案聚类分析

2.1 聚类方法

聚类分析是根据事物本身的特征,对事物进行分类的多元分析方法,并通过数学建模达到简化数据的目的[8]。运用IBM SPSS Statistics软件内置的聚类分析中的系统聚类分析模块进行分类工作,其流程如图4所示。借助于SPSS数据分析软件,可以对表1中的所有工作面进行比较,确定不同工作面之间的关系,从而对工作面进行归类分级。

2.2 聚类结果

现有的回采工作面瓦斯抽采方案比较多,为了发现他们之间的联系,同时为其它类似地质条件的工作面瓦斯抽采方案的制定提供建议,采用IBM SPSS Statistics 19作为工具,以表1中的瓦斯绝对涌出量、本煤层瓦斯抽采量、裂隙带(包括高抽巷)瓦斯抽采量、底抽巷(包括下邻近层顺层钻孔)瓦斯抽采量、采空区瓦斯抽采量为指标,对回采工作面进行聚类分析,得到聚类合并的树状图(图5)。

图4 系统聚类分析法计算流程图

图5 聚类分析得到的树状谱系关系图

3 聚类结果在瓦斯等级划分中的应用

根据图5,当距离系数D=5时,可以得到4类工作面群组。然后将表1中各工作面绝对瓦斯涌出量与之对照可知:聚类分析后的第一组工作面序号为1～7,绝对瓦斯涌出量(Q表示回采工作面绝对瓦斯涌出量)范围为1.8 m3/min≤Q≤4.6 m3/min;第二组工作面序号为8～14,绝对瓦斯涌出量范围为6 m3/min≤Q≤12 m3/min;第三组工作面序号为15～25,绝对瓦斯涌出量范围为13.7 m3/min≤Q≤28 m3/min;第四组工作面序号为26～30,绝对瓦斯涌出量范围为30 m3/min≤Q≤48.6 m3/min。

根据以上分析,以回采工作面瓦斯涌出量、工作面瓦斯抽采方法作为复合指标,将回采工作面聚类为4个等级。其中,与四个等级相对应的例子分别为图5中的群集1，2，4，3中包含的工作面。由于回采工作面瓦斯综合治理样本较少,各等级临界处工作面瓦斯涌出量不连续情况难以避免,故采取就近原则,并以保证安全为目标,从而得到回采工作面瓦斯综合治理等级表,见表2。

表2 回采工作面瓦斯综合治理等级表

4 分类标准治理方法图示

为了对各等级的回采工作面瓦斯综合治理方案有更直观的认识,同时提高瓦斯“一面一策”方案的制定效率,本节针对每一等级均给出了模板性的标准方案以供参考。由于本标准是最基本的统计学措施,是煤矿安全生产的最低要求,在对新的回采工作面瓦斯抽采方案进行设计或评价时,各矿可根据地质因素、人员设备等条件增加抽采措施。

4.1 等级一(Q<5 m3/min)

该等级不属于规程中必须进行抽采的范围[9],一般情况下通风就能满足排放瓦斯的要求,但要注意风流和瓦斯浓度的变化。此外,在工作面推进速度较快的工作面,可以采用上隅角埋管抽采方法防止采空区瓦斯向上隅角积聚。等级一抽采标准方案布置如图6所示。

图6 等级一的回采工作面瓦斯综合抽采标准示例

4.2 等级二(5≤Q<12 m3/min)

西山煤电集团规定工作面瓦斯浓度不得高于0.8%,风速不超过4 m/s。在瓦斯涌出量较大时,仅靠增加风量会导致工作面风速超限,通风已经不能满足生产要求,需要进行瓦斯抽采。该等级回采工作面常用的措施为通风排瓦斯、上隅角埋管、本煤层顺层钻孔抽放,有邻近层的工作面一般采用上邻近层老空区钻孔或打高低位倾向裂隙带钻孔进行瓦斯抽采。等级二抽采标准方案布置见图7。

图7 等级二的回采工作面瓦斯综合抽采标准示例

4.3 等级三(12≤Q<28 m3/min)

该等级采区除了保障合理的通风量外,还需要布置本煤层顺层钻孔、上隅角埋管、高低位裂隙带钻孔、回风巷斜巷高位钻场钻孔等措施,下邻近层瓦斯涌出量比较大的工作面一般还布置有底抽巷,并在底抽巷中布置下邻近层顺层钻孔。等级三抽采标准方案布置见图8。

图8 等级三的回采工作面瓦斯综合抽采标准示例

4.4 等级四(Q≥28 m3/min)

该等级工作面瓦斯涌出量大,邻近层瓦斯向工作面涌出比较严重,除合理的通风量外,还需要采用综合的抽采措施。该等级比较明显的特点是高抽巷开始作为一种专项治理措施广泛运用到瓦斯抽采中,其它常用的方法有本煤层顺层钻孔、上隅角埋管、裂隙带倾斜高低位钻孔、底抽巷、煤柱钻孔、上邻近层老空区钻孔等,部分条件许可的矿井还可以采用千米钻井掩护预抽瓦斯提高回采速度。等级四抽采标准方案布置见图9。

图9 等级四的回采工作面瓦斯综合抽采标准示例

此外,每个回采工作面初采时期瓦斯管理都比较困难,建议在回风巷向切眼方向打初采初放钻孔控制初采期的瓦斯浓度。此外,还可以采用人为控制放顶间距、布置切眼与回采面成一定夹角等方式减小因顶板垮落步距大而导致的工作面瓦斯大量涌出的影响。

5 主要结论

1)以西山煤电8个主要矿井30个回采工作面的成熟案例的绝对瓦斯涌出量和每类抽采方法的实际抽采量作为聚类指标,对回采工作面瓦斯综合治理方法进行了聚类分析,根据聚类分析结果按绝对瓦斯涌出量和抽采方法将回采工作面瓦斯治理划分为四个等级。根据分类结果,在制定瓦斯防治措施和方案时,能够根据工作面实际瓦斯涌出量方便地选择出相应的有效的瓦斯治理基本方法。

2)回采工作面瓦斯治理等级划分:等级一,Q<5 m3/min;等级二,5≤Q<12 m3/min;等级三,12≤Q<28 m3/min;等级四,Q≥28 m3/min。

3)瓦斯治理方法聚类分级不足之处是样本和部分涌出量区段的数据较少,随着成功实践案例增加、样本增大,分类精度会更高,不同瓦斯涌出等级工作面所应采用的基本方法更符合实际。

致谢:在资料收集过程中得到西山煤电集团技术中心和山西焦煤集团通风部相关人员的大力支持,特表感谢!

[1] 程远平,付建华,俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展[J].采矿与安全工程学报,2009(2):127-139.

[2] 俞启香,程远平.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社，2012：79-85.

[3] 申宝宏,刘见中,张泓.我国煤矿瓦斯治理的技术对策[J].煤炭学报,2007(7):673-679.

[4] 田富军,兀帅东.义马煤田综放工作面瓦斯分级治理技术[J].煤矿安全,2010(7):36-37.

[5] 郭峰.平顶山矿区瓦斯防治对策研究[J].矿业安全与环保,2014(1):95-98.

[6] 中华人民共和国国家发展和改革委员会,国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.煤矿瓦斯治理经验五十条[S].北京：煤炭工业出版社，2005.

[7] Zhang Meihong,Wu Shiyue,Wang Yongwen.Research and application of drainage parameters for gas accumulation zone in overlying strata of goaf area[J].Safety Science,2012 (50):778-782.

[8] 韩金炎.数学地质[M].北京:煤炭工业出版社,1987：153-178.

[9] 国家安全生产监督管理总局.煤矿瓦斯抽采基本指标[S].北京：煤炭工业出版社，2006.

(编辑：张爱绒)

Methane Classification Governance Standard of Xishan Coalface

LI Yankui1,WU Shiyue1,AN Xingwei2,XUE Liping2,WU Qinglin2

(1.SchoolofMiningEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan030024,China;2.TechnologyCenter,XishanCoalandElectricityGroupComp,Taiyuan030053,China)

For the standardization of the coal face gas management,put xishan coal electricity group mine working face gas extraction scheme as an example for sorting.According to the gas source,extraction methods will be summarized as the coal working face,fissure zone,adjacent layer and goaf.Then put the four types of extraction method and the working face of absolute gas emission quantity as an composite index system,use the method of system clustering,and with the aid of SPSS data processing software,got the result of clustering analysis of the working face gas control is divided into four grades,and put forward the basic methods of different grade working face gas control.The dividing method can improve the efficiency of gas extraction scheme,and to similar geological conditions of coal mine gas control work as a guiding significance.

gas extraction;coal face hierarchical governance;cluster analysis; one face;one scheme

2014-09-22

国家科技支撑计划资助项目(2007BAK29B01)；横向项目：瓦斯综合治理“一面一策”标准化研究

李艳奎(1989-)，男，河南封丘人，博士，主要从事矿井瓦斯防治方面的研究，(E-mail)liyankui0631@163.com

吴世跃，教授，博导，(E-mail)wushiyue2000@aliyun.com

1007-9432(2015)01-0055-05

TD712

A

10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2015.01.011