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依靠科技进步 实施先抽后采防止煤矿重大事故

依靠科技进步 实施先抽后采防止煤矿重大事故
——四川芙蓉集团实业有限责任公司
一、企业基本情况

  芙蓉集团实业有限责任公司系四川省煤炭产业集团管理下的国有重点煤炭企业,其前身芙蓉矿务局成立于1970年,1998年下划四川省管理,2001年4月经四川省经贸委批准,整体改制为芙蓉集团实业有限责任公司。

  芙蓉集团公司目前共有4对生产矿井,分别为白皎、杉木树、红卫及珙泉矿井,4对矿井均为煤与瓦斯突出矿井,煤层自然发火相当严重,其中杉木树矿井开采煤层还具有煤尘爆炸性。

  芙蓉矿区煤层开采条件十分恶劣。表现在一是矿区煤层赋存条件差,地质构造相当复杂,尤其层间滑动构造及落差小于2米的断层比较发育,平均掘进100米巷道遇断层2条;二是矿井瓦斯、煤层自然发火、煤尘爆炸等灾害非常严重,芙蓉局曾被煤炭部定为“事故多发局”,是目前全国45户重点监控企业之一,其中白皎煤矿位列全国22对重灾矿井的第五位,是全国有名的难治理煤与瓦斯突出矿井。从1966年矿井建设开始至2006年底,4对矿井共发生煤与瓦斯突出278次,其中1000吨/次以上的特大型突出9次(白皎矿井7次、红卫矿井2次),500吨/次以上的大型突出10次,最大突出煤量3114吨,最大突出瓦斯量49.75万立方米,突出瓦斯逆流最远达3500多米,还发生过回采工作面下邻近层卸压瓦斯突破9m的层间岩层喷出近10万立方米、掘进工作面炮后延期突出、综采工作面机组割煤中突出和截割煤层产生火花引燃瓦斯等;历史上还发生过瓦斯爆炸94次,瓦斯燃烧34次,煤层自然发火250次。其中发生6起严重的煤与瓦斯突出伤亡事故,共造成25名矿工死亡;发生5起瓦斯爆炸死亡事故,共死亡64人,最多一次死亡24人,给人民生命和国家财产造成重大损失。

  面对如此恶劣的生产条件和自然灾害,为实现安全生产,保障职工的生命安全和国家财产免遭损失,降伏瓦斯灾害这一“恶魔”,芙蓉集团公司始终把“一通三防”摆在安全生产重中之重的位置,把防止重大通风瓦斯事故作为“一通三防”工作的主线,严格贯彻落实“先抽后采、监测监控、以风定产”瓦斯治理十二字方针,切实开展瓦斯集中整治,依靠科技进步治理灾害,认真实施抽采瓦斯这一治理瓦斯灾害的根本措施,并坚持抽防并举,取得了我公司连续10周年(其中灾害最严重的白皎煤矿13周年)无重大通风瓦斯事故的好成绩,为矿井安全生产创造了有利条件,为集团公司的持续发展奠定了坚实的基础。

  二、矿井瓦斯抽采

  (一)矿井瓦斯抽采系统 

  白皎、珙泉、杉木树、红卫矿井分别于1979年、1991年、1996年、1997年建立了瓦斯抽采系统,2003~2005年实施国债安全技改项目,对4对矿井的瓦斯抽采系统进行技改扩能,更新高效节能抽采泵9台、新增抽采主干管网21160米。抽采系统的装备见表一。

  表一:抽采系统装备

矿井名称

抽采泵型号

台数

装机功率(KW

抽采能力(m3/min

抽采干管管径(mm

备注

白皎

2BEC42

3

160

130

Φ273

SK-60

1

75

60

Φ273

珙泉

2BE303-0

3

110

80

Φ273

杉木树

2BE1253-0

2

75

40

Φ273

2BE1303-0

2

110

80

Φ273

红卫

SK-60

1

75

60

Φ273

SK-27

1

35

27

Φ273

2BE1303-0

2

110

80

Φ273

  (二)矿井瓦斯抽采技术

  1、矿区瓦斯抽采基本参数

  1995年,我公司与重庆大学合作,对芙蓉矿区的瓦斯参数分布规律进行了考察,其结果见表二。

  表二:芙蓉矿区瓦斯基本参数

参数项目

白皎矿井

珙泉矿井

杉木树矿

红卫矿井

实测最大瓦斯压力(MPa)

3.2

1.63

1.45

2.95

最大a常数

33.66

43.92

34.11

35.71

最大b常数

1.76

2.00

1.86

1.40

煤层平均瓦斯含量(M3/t)

18.86

15.47

10.04

11.20

瓦斯压力梯度(MPa/m)

0.00477

0.00707

0.00477

0.00707

0.005840.00779

瓦斯含量系数 m3/(t. Mpa0.5)

7.498.69

8.7910.0

7.14

7.317.61

瓦斯储量(亿m3)

48.69

21.96

33.06

8.31

瓦斯涌出比

8.06

7.58

8.03

4.78

穿层钻孔最大瓦斯自排量(L/min)

27.3

80

25.2

10.4

顺层钻孔最大瓦斯自排量(L/min)

32.3

272

煤层透气性系数

m2/(MPa2.d)

00.02

1.541.56

0.01650.0363

0.01110.0599

百米煤孔(穿层)初始自排量[m3/min.100m)

00.070

0.50.6

0.014

0.040.20

最小f

0.25

0.34

0.5

0.24

最大ΔP

30

20

6

11

残存瓦斯量(M3/t)

4.164.18

4.164.18

4.164.18

4.164.18

  2、瓦斯抽采方式方法

  经过多年攻关试验研究,我公司目前采用有包括工作面采掘前预抽、边掘边抽、采中顺层抽及采后对采空区进行卸压抽等多种抽采方式。

  根据芙蓉矿区煤层的赋存条件,我公司已成功应用包括底板穿层网格钻孔抽采、顺煤层钻孔抽采、俯伪斜下邻近层钻孔抽采、顶板裂隙及采空区抽采等多种方法在内的综合立体抽采方法,矿井基本形成了“先抽后掘” 、“先抽后采”的格局,正规采区区段内瓦斯预抽率达25~30%以上才进行煤层巷道的掘进和回采工作。

  采掘前预抽是在煤层底板沿工作面走向施工抽采瓦斯的专用岩石巷道(底板道),底板道内每隔15m施工一个钻场,在钻场内向煤层施工网格钻孔,钻孔间距6×6、8×8、10×10m,控制范围主要是首采煤层巷道掘进条带,钻孔终孔点在巷道两侧轮廓线外不低于10m(见图一)。经过1~4年时间的预抽,预抽率达到25-35%以上后,才安排煤层巷道掘进。此种抽采的目的主要是防止首采煤层巷道掘进时发生煤与瓦斯突出,并降低其掘进过程中的瓦斯涌出量。

  对于地质构造较复杂,突出危险性较严重的区段,通过底板道的抽采钻场,向首采层开采范围内的下邻近煤层施工钻孔,钻孔布置也成网格式(见图一),并与首采层掘进条带钻孔同时投入预抽。此种抽采旨在消除首采层开采期间下邻近煤层的突出、瓦斯喷出并减少卸压瓦斯涌出量,确保回采期间的安全生产。

  

  顺层预抽是在采煤工作面上、下顺槽采用ZY-100型或ZY-150型钻机和φ42mm或φ50mm钻杆配φ64mm无岩芯钻头,垂直巷道煤壁沿煤层施工一至二排平行钻孔,钻孔间距2~5m。一般在下顺槽中施工的上斜钻孔长度为50~80m,在上顺槽中施工的下斜钻孔为30~60m,上、下斜钻孔间留10m隔离带(见图二)。此种抽采方式旨在消除首采煤层工作面回采期间本煤层的突出危险并降低回采工作面的瓦斯涌出量。

  俯伪斜穿层钻孔抽采下邻近煤层瓦斯技术,主要是针对无底板岩石抽采巷道或底板道抽采效果不佳的采煤工作面,在首采层开采时为了减少其下邻近煤层卸压瓦斯对开采的影响而实施。即在首采煤层巷道内施工本煤层顺层预抽孔的同时,在其底部每间隔5m,沿与工作面推进方向呈145°~135°夹角的伪斜方向,以-15°~-20°的倾角向其下邻近煤层平行施工下斜钻孔,钻孔深度一般45~60m,钻孔穿过层间岩石后见煤长度要尽量长,以保证在开采前更加充分预抽下邻近煤层的瓦斯。钻孔终孔点滞后工作面推进位置一般30~50m,保证开采中最大程度的抽采下邻近煤层卸压瓦斯(见图三)。

  边掘边抽主要是针对无底板抽采巷道或底板道抽采效果不佳的突出煤层掘进工作面而实施,即在掘进工作面退后5~10m位置两帮施工一钻场,在钻场内向掘进工作面前方施工3~5个顺煤层钻孔进行抽采。钻孔长度30~50m,终孔间距3~5m,钻孔控制巷道两侧轮廓线外不小于10m。在掘进过程中实行超前预抽(见图四)。

  采空区抽采是为了防止采空区大量高浓度瓦斯由于受气候、采场压力变化造成采煤工作面或巷道瓦斯超限而实施。主要方法有:一是利用底板道原有抽采管路直接抽采,与底板道预抽瓦斯不同之处是必须根据采空区的瓦斯浓度、气体成份变化情况适当、准确、及时调整抽采负压,最大限度的抽采采动卸压瓦斯,并防止抽采引燃采空区浮煤或抽出较低浓度瓦斯。二是在采煤工作面尾巷内埋管抽采,一般埋设直径100~150mm的钢管或塑料管,此种方法经过在杉木树矿N2432综采工作面应用,抽采浓度较低(10~15%),效果不太理想。三是在工作面的回风巷向工作面后方采空区顶板裂隙带内施工钻孔抽采,一般每个钻场布置3个钻孔,钻孔直径64mm。此种方法抽采瓦斯浓度较高(50~80%),但流量较小。四是为了利用瓦斯,当回采工作面开采完毕封闭时,在密闭墙上埋设管道,直接对采空区进行抽采。此种方法抽采的效果较好,但对于有自然发火的煤层不能长期抽采,且在抽采过程中必须经常检测抽采管道和采空区内的CO、温度等,防止抽采引燃采空区内的浮煤。

  3、钻孔施工和封孔工艺

  施钻工艺关系到钻孔能否施工到位,确保抽采的煤体得到有效控制。1995年,我公司与重庆煤科分院合作进行顺煤层长钻孔施工工艺的研究,通过ZY-200型钻机研制,改高压水排煤渣为高压风排渣和孔口高压水防尘,将长1.5m的钻杆改为长0.8m的钻杆,并改用合金刚材料制作以增加其强度,钻头采用PDC(聚晶金刚复合片)制作,在钻头上镶反向切削合金片以处理卡、埋钻事故,同时采用多级组合钻具,增加钻杆与钻头间的直径差值,在瓦斯富集带,遇到强力喷孔、煤层破碎的情况下,将钻进液压控制在3~5MPa,转速控制在200~500rpm之间。施工顺煤层长钻孔深度由原来的50m增加到150m,一般在地质构造较复杂的地段也能够施工到100m左右。近两年来,我公司自身也在不断地进行施钻工艺的改进和革新,通过技术人员的努力,取得了倾角-20°以上下斜钻孔施工深度能够达到100m的好成绩。

  封孔工艺则关系到钻孔能否抽出瓦斯的成败,是十分关键的一道工序。为了保证钻孔的气密性,确保孔口抽采负压在13KPa以上而不漏气,上斜孔均必须采用水泥砂浆泵机械封孔,下斜孔可采用人工封孔;封孔深度开孔在岩石中的必须在5m以上、开孔在煤层中的必须达8m以上。

  (三)瓦斯抽采效果

  各矿均采取密钻孔高负压预抽、卸压抽和采空区抽等综合抽采措施,且主要采取预抽煤层瓦斯,减小甚至消除煤与瓦斯突出危险性,降低工作面瓦斯涌出量。全公司施工抽采钻孔由2001年的23.5万米,增加到2006年的34.94万米;吨煤抽采钻孔进尺由2001年的0.17米/吨,增加到2006年的0.20米/吨;抽采瓦斯量由2001年的2100万立方米,增加到2006年的6606万立方米(见表三)。

  表三 近几年抽采指标完成情况

  

年度

抽采钻孔进尺

()

吨煤抽采钻孔进尺

(/)

抽采瓦斯量

(万立方米)

备注

2001

23.50

0.17

2100

2002

24.23

0.16

4400

2003

25.00

0.16

4800

2004

25.61

0.16

5035

2005

27.98

0.17

5437

2006

34.94

0.20

6606

  随着打钻及抽采瓦斯量的逐年上升,矿井的瓦斯灾害得到了一定遏制,矿井瓦斯超限次数、煤与瓦斯突出次数和平均突出强度明显下降,其中瓦斯超限次数由2001年的560次下降至2006年的258次,并消除了大面积瓦斯超限和非落煤状态(放炮、割煤作业)瓦斯超限,煤与瓦斯突出由2001年的9次下降至2006年的6次,平均突出强度由2001年的64.1t/次、3993.4m3/次,分别下降至2006年的34.3t/次、2810.8m3/次。实施先抽后采,降低了工作面的瓦斯浓度,减少了落煤过程中瓦斯超限的时间,工作面的生产能力有了较大提高,并给矿井创造了良好的安全生产环境。至2006年7月,公司实现了连续十周年杜绝煤矿重大事故的发生。

  (四)瓦斯抽采管理

  抽采瓦斯是治理瓦斯灾害的根本措施,我公司各级领导都给予高度重视。集团公司成立有通风处,各矿也相应成立有通风科,分别在集团公司和矿总工程师的领导下,负责“一通三防”的业务管理工作。

  在瓦斯抽采管理方面,矿通风科主要负责瓦斯抽采钻孔的设计与验收,制订矿井瓦斯抽采检查考核办法,下达矿井月度瓦斯抽采实施计划,并对施工单位的钻孔进尺及抽采瓦斯量进行质量和计量考核,实行按质、按量计资和奖惩。各矿均组建有专业的瓦斯抽采队伍,负责钻孔施工、封孔、管路安装、抽采泵的运转、抽采参数的检测与计量、抽采系统的日常检查与维护等。目前,全公司共有瓦斯抽采专业人员180人,保证了瓦斯抽采工作的正常进行。

  为了确保钻孔施工(隐蔽工程)到位,防止弄虚作假,各矿均实行跟班瓦斯检查员验收制度,即每个钻孔施工到位,在退出钻杆之前,由瓦检员与施钻班长在现场共同监督退钻并数钻杆计量。矿通风业务部门根据瓦检员验收单考核钻孔进尺,并对钻孔长度、方位、倾角和封孔质量进行抽查,同时考核抽采瓦斯浓度和负压,对于钻孔长度、方位、倾角、封孔质量和抽采瓦斯浓度、负压达不到设计要求的钻孔,不能结算工资,并对有关人员进行处罚。

  集团公司通风处主要负责瓦斯抽采规划的编制,制订瓦斯抽采管理规范和检查考核办法,下达年、季度矿井瓦斯抽采计划,并对矿井进行检查考核。近五年,集团公司加大了瓦斯抽采的考核力度,每季度进行一次专项检查考核,将季度、年度瓦斯抽采指标(钻孔进尺、瓦斯抽采量、瓦斯抽采率)完成情况与矿领导班子成员的年薪直接挂钩,奖惩逗硬,并实行终端效果考核制度。

  为了确保瓦斯抽采工作的正常开展,我公司对其费用投入坚决给予保证。一是坚持规范地提取、使用维简费和安全费。每年对瓦斯抽采钻孔工程和管路安装工程作出资金计划安排,保障其正常投入;对瓦斯抽采钻孔工程按每米进尺给予8元补贴,从提取的安全费用中列支,同时矿井抽出的瓦斯按每立方米0.14元销售给公用公司,各矿必须将销售瓦斯的收入投用到瓦斯抽采中,要求此两项资金作到专款专用,极大地推动了瓦斯抽采工作的开展。二是积极争取国债资金支持,实施矿井安全技术改造。2003~2005年利用国债资金1300余万元,对4对矿井的瓦斯抽采系统进行技改扩能,更新高效节能抽采泵9台,新增抽采主干管网21160米,提高了瓦斯抽采系统的能力。三是加大科研投入,依靠科技治理灾害。根据我公司“科技治灾求生存、提高机械化求发展”的工作思路,近十年来共计投入科研经费514.79万元(从2005年开始按吨煤1元提取使用,当年即投入176.28万元),极大的调动了工程技术人员的积极性,努力探索和创新灾害治理的技术;同时加强与科研院校的合作,开展科技攻关,不断获得新的技术成果,提高了矿井防灾、治灾的能力。十年共有21个项目获部(省)级科技成果奖、7个项目获省煤炭行业奖,分别占建局以来获奖比例的42.85%和100%,其中 “一通三防”方面取得的科研成果有27项,分别获得部科技进步一等奖1项、国家重大科技成果奖1项、部(省)级科技进步二等奖2项,部(省)级科技进步三等奖23项。在瓦斯抽采方面,试验成功了“穿层抽采与顺层抽采”、“本煤层抽采与邻近层抽采”、“预抽与卸压抽”、“采空区抽采与顶板裂隙带抽采”等相配合的综合立体抽采体系。为了提高抽采效果,还试验成功了“泥浆泵封孔”、“钻机封孔”、“自动放水器”、“移动泵高负压强力抽采”等技术。

  三、存在问题及下一步的打算

  实施先抽后采,虽然瓦斯灾害得到一定程度的遏制,我公司也取得安全生产十周年无重大事故,但我们必须清醒的看到,我们的瓦斯抽采治灾力度还很不够,矿井瓦斯抽采率仅有17.5~27%,平均为22%,与国家标准要求应达到35~45%还有较大差距;预抽后煤层剩余瓦斯含量和瓦斯压力仍然高于《煤矿瓦斯抽采基本指标》的规定,导致煤与瓦斯突出和瓦斯超限时有发生;灾害治理还不能适应机械化发展的需要,掘、抽、采关系还未根本理顺,采掘接替紧张的矛盾还未彻底解决。这些问题致使我们不能牢固掌握安全生产的主动权,煤矿安全状况离本质安全型矿井的要求还相差甚远。

  随着矿井开采深度的增加和开采强度的加大,矿井瓦斯灾害也在加重。为了加大瓦斯灾害的治理力度,必须提高矿井瓦斯抽采率,我公司计划在3~5内矿井瓦斯抽采率由目前的22%逐年提高到35~50%,达到《煤矿瓦斯抽采基本指标》的要求。要提高矿井瓦斯抽采率,必须在抽采技术上进行研究和攻关,一是针对芙蓉矿区煤层透气性较差的特点,采取深孔预裂爆破或高压水力割缝扩孔,增大其透气性;二是采取大功率钻机,施工大直径长钻孔,提高抽采效果;三是实施顶板或底板巷道抽采采空区瓦斯,减少采煤工作面风排瓦斯量,进一步降低工作面及其回风流中的瓦斯浓度;四是对矿区的1#极薄煤层实施钻采,同时抽采邻近煤层的卸压瓦斯,使主采煤层得到卸压保护,消除其煤与瓦斯突出危险性并减少开采过程中的瓦斯涌出量,努力创建本质安全型矿井,达到安全生产的目的。

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