石港煤矿高瓦斯易自燃煤层开采综合防治瓦斯和煤层自燃技巧研究计划义务书5.21修改

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1、 编号 类别 2014年科学技术项目计 划 任 务 书项目名称：石港煤矿高瓦斯易自燃煤层开采综合防治 瓦斯和煤层自燃技术研究承担单位：山西石港煤业有限责任公司 协作单位：中国矿业大学(北京) 起止年限：2014年1月2015年6月 2014年1月国内外概况、水平和发展趋势及专利情况瓦斯抽采是治理瓦斯突出、瓦斯积聚和瓦斯爆炸的根本性措施，按照地应力程度来划分，瓦斯抽采包括未卸压煤层抽采和卸压煤层抽采，尤其是利用采动效应对瓦斯的卸压作用高效抽采瓦斯已经成为我国煤矿瓦斯灾害治理的最有效途径。卸压瓦斯抽采的主要技术手段包括利用高抽巷或高位钻孔抽采邻近层瓦斯、穿层钻孔抽采卸压瓦斯以及地面钻井（孔）抽采卸

2、压瓦斯等，目前前两者因经济实用而被较常采用。矿井自燃火灾防治技术与体系在近几十年得到了较快的发展和完善，但是随着煤矿开采强度的不断增大，同时由于自燃危险区域的隐蔽性和特殊性，煤层的自燃危险性有明显增大的趋势。矿井自燃火灾防治技术与体系主要包括采空区遗煤自燃机理、采空区火源位置探测技术和煤自燃火灾防治技术等。回采工作面瓦斯及火灾防治技术相对比较成熟，但是现场在实施瓦斯治理及火灾防治的措施时，没有考虑到二者之间的耦合，在实施瓦斯治理方法时，容易引起采空区漏风，从而导致煤自燃。因此，在治理易自燃煤层采空区瓦斯时，需选择合理的参数，在有效地降低采空区瓦斯涌出同时，尽可能地避免煤自燃事故的发生。山西石港

3、煤业有限责任公司主采15号煤层，15号煤层原始瓦斯含量为15.29 m3/t，原始瓦斯含量较大，采煤工作面采用U+I型通风方式，工作面回采期间内错尾巷瓦斯超标现象时有发生，表明回采期间瓦斯涌出量较大，本煤层瓦斯抽采并没有达到根治瓦斯的效果；由于15号煤层较厚且为二类自燃煤层，同时上邻近层14号煤层（与15号煤层平均层间距仅为6.55m）为一类容易自燃煤层，回采期间上邻近层14号煤层垮落落入采空区和15煤层遗留浮煤共同构成采空区自燃灾害隐患，故而采空区CO气体浓度也长期存在超标现象；2013年7月25日，15203回采工作面采空区14号煤层发生自燃导致采空区爆燃事故的发生。因此，石港煤矿煤层开采

4、中瓦斯和自燃灾害问题已严重威胁着矿井的安全高效生产。本项目拟针对工作面采空区CO气体超限、采空区自燃、内错尾巷瓦斯浓度超限等现象，运用理论研究、实验室试验、数值模拟、现场验证等多种技术手段，深入探讨并确定适合石港煤矿工程技术特点的近距离煤层回采工作面瓦斯与煤自燃共治机理，建立石港煤矿近距离煤层回采工作面瓦斯与煤自燃共治技术体系，为进一步完善石港煤矿现有生产技术条件下采空区防灭火技术和回采工作面瓦斯治理技术提供理论支撑，为石港煤矿安全高效生产提供技术保障。主要研究、试验内容、目标、技术关键及主要技术经济指标（目标要具体，包括阶段目标和最终目标） 主要研究、试验内容：由于14#煤层没有开采，且距离

5、15#煤层距离较近，处于15#煤层的冒落带，会在15#煤层的采空区形成大量浮煤，采空区中14#煤层的自燃发火危险程度可能比15#煤层更严重，而14#煤层的指标气体，采空区自燃“三带”分布等参数尚不清楚。因此，为了消除采空区煤自燃的危险性，降低回采工作面瓦斯浓度，特别是尾巷瓦斯浓度，以及将来取消内错巷之后工作面上隅角的瓦斯浓度，实现对石港煤矿近距离煤层回采工作面瓦斯与煤自燃共治的目的，项目拟开展的研究内容如下：（1）回采工作面瓦斯与煤自燃共存致灾机理研究研究回采工作面瓦斯与煤自燃共存的内在关联性及致灾机理，建立回采工作面采场裂隙场、浓度场（甲烷浓度场和氧气浓度场）和温度场三场交汇模型；本项研究的

6、技术路线图如图1所示。采煤工艺通风条件抽放工艺瓦斯涌出情况数学模型数值模拟风流压力分布瓦斯浓度分布氧气浓度分布漏风强度分布采空区风流流场及采场瓦斯分布特征研究图1 工作面采空区风流流场及采场瓦斯分布特征研究技术路线示意图根据工作面的采煤方法，巷道布置，包括治理瓦斯巷道的布置，运用UDEC软件模拟研究回采工作面和采空区的裂隙场。根据直接顶的厚度，碎胀性及冒落带，裂隙带的分布规律，分析采空区内14#层，15#层浮煤分别的厚度和层位。以裂隙场为基础，利用FLUENT数值模拟软件分析采空区漏风分布，并结合采空区温度的测定，气体浓度的测定，分析采空区三维立体的浓度场，温度场。在此基础上得出该采空区自燃“

7、三带”的特征。作为以后研究和措施实施的基础。（2）采空区自然发火危险程度研究煤自然发火预测预报技术的关键技术核心是如何自然发火预测预报标志气体及临界指标。根据以往的研究，使用最多的自然发火预测预报标志气体往往是CO、C2H4等。但有些矿区自然发火预测预报技术已有的研究表明，CO、C2H4等标志气体不一定是最灵敏的，故需进一步探索更适合石港矿煤自然发火预测预报技术预测预报标志气体及临界指标，使煤自然发火预测预报技术更能满足安全生产的要求。为了分析哪层煤在采空区中更容易发生自燃现象。基于14#煤层和15#煤层含硫量的差异，通过实验室试验，分别提出适合石港煤矿15号、14号煤层自然发火危险程度评估的

8、标志性气体，深入分析采空区标志性气体随时间变化规律以及采空区不同位置温度变化规律。根据采空区14#、15#浮煤氧化带的位置，采空区内CO浓度和温度的变化，以及回风巷，内错巷，高抽巷内CO浓度的监测，结合工作面推进速度与14#、15#煤层的自然发火期和自燃倾向性，对采空区14#、15#煤层浮煤的自然发火危险程度进行评估。（3）构建采空区立体注氮体系研究针对采空区存在14#和15#浮煤，且14#、15#浮煤存在空间立体关系，为了有效消除两层浮煤自燃的危险性，拟构建采空区立体注氮体系，即在在进风巷落山处埋管连续注氮，消除15#浮煤的自燃危险性，并在采空区自燃三带的研究结果基础上，分析埋管注氮的效果；

9、同时通过回采工作面进风巷向采空区打低位钻孔，对14#浮煤的氧化带进行连续注氮，消除14#浮煤的自燃危险性；或者通过在内错巷中埋管或打钻的办法，向采空区14#煤层的浮煤氧化带内注氮，消除14#浮煤的自燃危险性。在此基础上分析立体注氮体系下不同注氮量、不同注氮位置对采空区自燃发火的控制效果。（4）高抽巷抽采瓦斯及工作面配风量对采空区自然发火的影响研究O2是浮煤氧化的必要条件，通过控制采空区的漏风量，可以缩小浮煤氧化带的范围，氧化带的范围越小，自然发火的危险性就越低。针对工作面采空区漏风的分析，要分析其漏风通道，及漏风原因。通过对工作面的巷道的布置和采空区顶板冒落形态的预分析，发现工作面的上下隅角、

10、内错尾巷、高抽巷是主要的漏风通道。由于高抽巷和工作面风流是采空区漏风的主要来源。所以要分析采动影响下上覆岩层垮落及裂隙发育规律，研究高抽巷抽采条件下的采空区漏风规律，以及采空区浮煤自燃发火程度，确定合理的高抽巷抽采负压，使得在满足瓦斯抽放的前提下，漏风最小；同时根据裂隙带规律，确定合理的高抽巷距15#煤层顶板的距离以及高抽巷与回风巷的水平距离。分析工作面不同配风量对采空区“三带”的影响规律，在此基础上确定高抽巷抽采及工作量配风对采空区自然发火的耦合机制。 (5) 本煤层预抽瓦斯参数研究由于15#煤层原始瓦斯含量及煤层厚度均较大，且瓦斯在垂直煤层节理方向的渗流性远小于平行煤层层理方向的渗流性，因

11、此回采工作面预抽钻孔的布置数量和位置对本煤层预抽影响较大，而尾巷瓦斯浓度受本煤层预抽瓦斯效果的影响较大，因此拟通过在进、回风巷实施双排抽采钻孔，一排水平钻孔，控制下部瓦斯；一排倾斜向上的钻孔，控制中部瓦斯，以并结合工作面前方采动卸压区的范围，改变本煤层瓦斯抽采钻孔方位角，使之朝向工作面方向。在内错巷中布置水平钻孔，控制15#煤层上部的瓦斯。在此基础上对比分析本煤层预抽参数优化前及优化后的抽采效果。(6)回采工作面瓦斯与煤自燃共治的技术的进一步探讨本部分工作根据石港公司今后是否开采14#煤层分两种情况讨论。a.开采14#煤层测试14#煤层的瓦斯参数，包括瓦斯含量，瓦斯吸附常数，瓦斯放散初速度，煤

12、的坚固性系数等，为开采14#煤层提供依据。并在此基础上提出14#煤层瓦斯抽放方案。初步分析开采14#煤层对15#煤层的卸压效果，以及15#煤层的瓦斯排放效果。对15#层卸压后的瓦斯含量进行测定，在此基础上，提出开采15#煤层本煤层抽放措施，工作面的最佳风量，以及采空区埋管注氮的参数等。b.不开采14#煤层由于内错巷的取消，工作面上隅角瓦斯问题会有所加重。为此，提出15#煤层采用W形通风方式，在工作面上下巷中间再打一条专用回风巷，形成上下巷进风，中间巷回风的工作面通风系统。该系统的优点是：减小进回风之间的压差，减小采空区的漏风，同时减轻上隅角问题。强化本煤层预抽在15#层的进回风均布置两排钻孔，

13、下排钻孔水平，上排钻孔倾斜向上，钻孔方向均向工作面倾斜；同时做钻场，用平行钻孔对15#煤上部进行抽放；并确定合理的水平抽采间距及抽采负压。必要时，可以做钻场对14#煤进行抽放。高抽巷参数优化分析15#煤层开采时的竖三带的分布，优化高抽巷层位，和距回风巷的水平距离，同时确定高抽巷的合理抽放负压，使其在抽放足量瓦斯的同时不造成很大漏风。立体注氮体系在之前的研究基础上，继续对15#煤层的工作面采空区实施埋管注氮和钻孔注氮相结合的立体注氮体系。研究目标：本项目的最终目标为建立石港煤矿近距离煤层回采工作面瓦斯与煤自燃共治技术体系，阶段目标具体如下： （1）阐明回采工作面瓦斯与煤自燃共存致灾机理；（2）确

14、定合理的高抽巷抽采参数及工作量配风量；（3）建立适合石港煤矿的采空区14#、15#煤体自燃标志性气体判别模式，增强采空区气体监测的针对性；（4）确定合理的采空区立体注氮方式，包括采空区的注氮量及注氮位置；（5）确定合理的本煤层预抽参数。（6）为石港矿后续工作面开采煤火共治提出合理建议。技术关键：（1）回采工作面瓦斯与煤自燃共存的内在关联性及致灾机理，回采工作面采场裂隙场、浓度场和温度场三场交汇模型；（2）14#自燃特性及“三带”的确定；（3）采空区立体注氮体系的建立及分析验证。 达到的技术水平，经济、社会效益及推广应用前景本项目的实施不但可有效降低采空区15号、14号浮煤自燃的危险性，还可以减

15、少工作面回采期间瓦斯的涌出，降低尾巷瓦斯浓度，同时抽采出来的瓦斯能够加以工业利用，变废为宝，这不仅为石港煤矿的安全高效生产提供重要保障，还能够为石港煤矿带来巨大的经济和社会效益。具有良好的推广应用前景和社会经济效益。石港煤矿15号煤层瓦斯含量较大，采空区不同空间位置存在15号、14号浮煤，且14号、15号煤层均具有自燃发火特性，因此，石港煤矿的工作面瓦斯与煤自燃共治具有鲜明的特点，研究价值显著，预计研究成果可达国内领先水平以上。与石港煤矿煤层条件相近的煤田在全国还有许多，因此，开展石港煤矿近距离回采工作面瓦斯与煤自燃共治技术项目研究，其成果将会给同类条件下的煤矿的安全生产提供有意的借鉴和可靠的

16、技术保证，保证矿井的正常安全开采。本项目成功后具有广泛的推广应用前景，将会产生极大的经济和社会效益。 采用的研究、试验方法和技术路线（包括工艺流程）1研究、试验方法（1）通过传热学，气体的渗流、扩散等理论研究回采工作面瓦斯与煤自燃共存的内在关联性及致灾机理，建立回采工作面采场裂隙场、浓度场和温度场三场交汇模型。（2）运用UDEC软件对近距离煤层回采工作面采场裂隙分布规律进行数值模拟，在此基础上，利用FLUENT数值模拟软件分析高抽巷瓦斯抽采负压以及工作面配风量对采空区“三带”的影响规律、模拟不同注氮位置及注氮量对采空区自然发火的影响。（3）通过实验室测试提出适合判别石港煤业15号、14号煤自燃

17、的标志性气体，结合束管监测和人工取样相结合的技术手段，对不同的立体瓦斯抽采方案、立体注氮方式以及工作面配风量下采空区煤体自燃程度进行判别。（4）通过在采空区埋置热电偶，对采空区遗煤温度、采空区火源位置进行实测分析，从而对采空区煤自燃的防治效果进行评估，并为进一步优化工作面瓦斯与煤自燃共治的技术方案提供依据。（5）拟通过现场测试本煤层预抽技术参数改变前及改变后沿煤层垂直方向不同位置的煤层瓦斯含量，考察尾巷瓦斯浓度及预抽钻孔瓦斯抽采量、抽采浓度，分析工作面进、回巷双排本煤层预抽效果，实现对本煤层预抽的技术参数优化。（6）监测高抽巷、内错尾巷、回风巷落山CO、N2、O2、CH4及其它标志性气体浓度随

18、时间的变化，统计工作面每天的推进情况，根据采空区“三带”的范围确定工作面合理的推进速度。（7）改变高抽巷抽放负压，分析高抽巷中气体浓度，抽放量，尾巷瓦斯浓度，回风巷落山，上隅角气体浓度变化。确定最佳抽放负压。（8）实施进风巷走向低位注氮，考察注氮量变化对各区域气体变化情况的影响，并考察进风巷埋管注氮量对气体浓度变化的影响。确定合理的注氮参数。图2 项目研究技术路线现有技术基础及条件（包括本课题作了哪些工作和现有仪器设备条件等）中国矿业大学（北京）具有雄厚的科研实力中国矿业大学（北京）长期从事瓦斯与火灾防治技术研究，拥有国家批准成立的“煤炭资源与安全开采国家重点实验室”和“煤矿瓦斯治理国家工程研

19、究中心”，建立有一批国内先进的瓦斯、火灾防治技术研究实验室，有一支稳定的高水平科研队伍，专业门类齐全，相互协作配合性强，具有显著的整体优势。人员力量本课题组研究实力雄厚，人员组成、知识结构和年龄结构合理。课题组王凯教授，男，中国矿业大学安全工程专业博士毕业，教授，博导，中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院安全工程系主任，长期从事安全科学与工程领域的教学与科研工作，曾获霍英东青年教师基金、全国煤炭青年科技奖等荣誉称号，入选教育部新世纪优秀人才，任中国煤炭工业技术委员会煤矿安全专家委员会委员、中国煤炭工业劳动保护科学技术学会瓦斯防治专业委员会委员、中国自然资源学会政策研究专业委员会委员。承担86

20、3计划重点项目子课题、国家自然科学基金项目等多项课题，出版专著2部、主编教材1部、参编教材2部，发表学术论文80余篇、其中被SCI、EI等收录40余篇，获省部级科技奖励10余项、发明专利1项、实用新型专利4项。设备支撑条件本课题组拥有与项目相关各类性能先进的仪器设备，包括：热红外成像仪、气相色谱仪、煤升温氧化气体产物测试系统、煤自燃倾向性测试仪、瓦斯等温吸附解吸测试系统、快速煤质分析仪、瓦斯残存量测定仪、测氡仪等，为本项目实施奠定了较强的实验手段。合作单位对矿井防治火与瓦斯技术长期重视，在多项科学研究中进行了大量的试验和测试工作，积累大量的防火与瓦斯治理的经验，取得了大量的科研成果，并有一大批

21、精干的现场生产和管理人员，所有这一切都为该项目的实施创造了有利的条件。地点、试验规模和进度安排一、试验地点： 1. 中国矿业大学（北京）2阳泉煤业（集团）石港公司二、试验规模：选取石港公司15203工作面为研究对象，通过对石港煤矿回采工作面瓦斯与煤自燃共存引起的潜在安全问题的分析，研究复杂因素影响下近距离煤层回采工作面瓦斯与火灾共治技术，制定出技术上可行、方法上有效的近距离煤层回采工作面瓦斯与煤自燃共治保障技术措施，最终通过项目的应用研究，待应用成功后再向其它矿推广应用。三、进度安排：2014年6月2014年9月 资料收集，进行瓦斯抽采与煤自燃相关资料的调研；2014年10月2014年11月

22、理论分析、实验室测试、数值模拟；2014年11月2015年5月 现场实施与验证；2015年6月 研究报告编写及项目验收。承担单位和主要协作单位分工（包括研究、试制、试验各阶段各单位的分工和承担的责任）中国矿业大学（北京）1）负责完成理论分析和实验室试验研究；2）负责各项技术的现场应用和技术服务；3）负责编写研究总报告。阳泉煤业1）负责项目施工及相应费用；2）负责各项技术的现场实施；3）提供科研经费，并组织验收鉴定。经费概算（包括总概算和分年度预算的项目和费用及偿还经费和年度）序号费用名称金额(万元)备注1研发费2设备材料费3现场仪器调试费4工程费05总体调研费6总体资料费7总体鉴定费2.089

23、10合 计1需要添置的主要设备、仪器（名称、规格型号、数量）和材料课题负责人（单位、姓名、职称、职务）1、课题组组长 闫志铭 山西石港煤业有限责任公司 董事长/总经理2、课题组副组长 祁文斌 山西石港煤业有限责任公司 总工/高工课题工作人员（单位、姓名、职称、职务）王凯 中国矿业大学（北京） 教授/博导周爱桃 中国矿业大学（北京） 讲师/博士臧杰 中国矿业大学（北京） 博士生李鹏 中国矿业大学（北京） 博士生郑吉玉 中国矿业大学（北京） 博士生王公达 中国矿业大学（北京） 博士生吴伟阳 中国矿业大学（北京） 博士生吴则琪 中国矿业大学（北京） 博士生董海滨 中国矿业大学（北京） 硕士生蒋一峰

24、中国矿业大学（北京） 硕士生魏高举 中国矿业大学（北京） 硕士生徐晨阳 中国矿业大学（北京） 硕士生徐屯 中国矿业大学（北京） 硕士生夏威 中国矿业大学（北京） 硕士生荆鹏 山西石港煤业有限责任公司 通风副总工程师刘业忠 山西石港煤业有限责任公司 通风工程师白砚国 山西石港煤业有限责任公司 通风工程师卜豹章 山西石港煤业有限责任公司 生产副总工程师孙福军 山西石港煤业有限责任公司 采煤工程师王凯强 山西石港煤业有限责任公司 通风工程师基层单位、负责人审查意见（指所室、院系、厂矿基层负责人等） 负责人（签名、盖章） 审查日期： 年 月 日上报任务书单位、负责人审查意见负责人（签名、盖章） 审查日期： 年 月 日分管领导审查意见负责人（签名、盖章） 审查日期： 年 月 日主管部门审查意见 （公章） 审查日期： 年 月 日