新登煤礦32采區井下瓦斯抽采方案研究

王建偉，杜朝陽

(1.國投煤炭鄭州能源開發有限公司，河南 登封 452470;2.河南理工大學能源學院，河南 焦作 454003)

三水平32采區為新登煤業新開拓采區，采掘生產期間的實際瓦斯涌出量沒有可參照的歷史數據;同時，根據開拓、掘進期間實際揭露資料，32采區與鄰近的南翼31采區瓦斯涌出特征具有非常明顯的差異，不能依據31采區的通風、瓦斯數據，應用礦山統計法對32采區的瓦斯涌出量進行預測。因此，依據國家安全生產監督管理總局《礦井瓦斯涌出量預測方法》(AQ1018-2006)規定的分源預測法對32采區瓦斯涌出進行預測。

1 計算32采區瓦斯涌出源的瓦斯涌出量值

1.1 掘進工作面瓦斯涌出量

綜掘工作面瓦斯涌出量由以下兩部分組成:

1)掘進煤巷煤壁瓦斯涌出量。

式中:

Q1-1—掘進煤巷煤壁瓦斯涌出量，m3/min;

D—巷道斷面內暴露煤面的周邊長度，m;

D=2(h+b)=2 × (2.65+4.5)=14.3 m，h、b分別為掘進巷道的高度、寬度;

V—巷道平均掘進速度，m/min，普掘工作面計劃月進尺為116 m時，取0.0028;

L—巷道長度，m，取800;

q0—暴露煤壁初始瓦斯涌出速度，m3/(m2·min)。

式中:

a—常數，取 0.026;

X—煤層原始瓦斯含量，m3/t，取 13.93;

Vdaf—煤的揮發分含量，%，根據地勘資料，取 12.47。

2)掘進煤巷落煤瓦斯涌出量［1］。

式中:

Q1-2—掘進煤巷落煤瓦斯涌出量，m3/min;

S—掘進煤巷斷面積，m2，參照32061副巷作業規程，取 8.87;

V—巷道平均掘進速度，m/min;

p—煤的密度，t/m3，取 1.35;

Xc—運出礦井后原煤的殘存瓦斯含量，m3/t，根據《礦井瓦斯涌出量預測方法》(AQ1018-2006)中表 C.1，取可燃基殘存量 X’c=3.5 m3/t·r。

式中:

X’c—煤的可燃基瓦斯殘存量，m3/t·r;

A—煤中灰分含量，%，根據地勘資料，取10.19;

W—煤中水分含量，%，根據地勘資料，取1.92。

由此計算原煤運出礦井后的殘存瓦斯含量為:

則，掘進落煤瓦斯涌出量:

由此得出:每個煤巷掘進工作面的絕對瓦斯涌出總量為:

32采區正常生產期間布置2個煤巷掘進工作面，由此計算掘進工作面瓦斯涌出總量為:

1.2 回采工作面瓦斯涌出量

每個綜采工作面的瓦斯涌出量主要由開采煤層及其鄰近層瓦斯涌出量兩部分組成，即:

式中:

q采—回采工作面相對瓦斯涌出量，m3/t;

q1—開采層相對瓦斯涌出量，m3/t;

q2—鄰近層相對瓦斯涌出量，m3/t。

1)開采層瓦斯涌出量。

薄及中厚煤層不分層開采時，開采煤層回采工作面瓦斯涌出量按下式計算:

式中:

q1—開采煤層(包括圍巖)的瓦斯涌出量，m3/t;

K1—圍巖瓦斯涌出系數，與圍巖巖性、圍巖瓦斯含量及頂板管理方法有關，一般按頂板管理方法取值，取1.2(全部陷落法);

K2—工作面丟煤瓦斯涌出系數，K2=1/刀，刀—工作面回采率，%，取 93，計算得，K2=1.08;

K3—采區內已掘進(準備)巷道預排瓦斯對開采層煤體瓦斯涌出的影響系數。采用走向長壁后退式回采方法時，K3按下式確定:

式中:

L—回采工作面傾斜長度，m，取150;

h—已掘進巷道預排瓦斯帶寬度，m，與巷道煤壁暴露時間d有關，依據《礦井瓦斯涌出量預測方法》(AQ1018-2006)中表 D.1 取 10.5，計算得，K3=0.86;

2)鄰近層瓦斯涌出量。

鄰近層瓦斯涌出量本次預測不予考慮，前文已作分析。

綜合開采層與其鄰近層瓦斯涌出量分析、計算結果，綜采工作面相對瓦斯涌出量為:

結合鄰近31采區31071綜采工作面日產量1540 t/d的生產規模計算，32采區綜采工作面絕對瓦斯涌出量為20.75 m3/min。

1.3 生產采區瓦斯涌出量

生產采區所有回采工作面、(煤巷)掘進工作面和采空區瓦斯涌出量之和，按下式計算［2］。

m—開采煤層平均厚度，m，取3.54;

M—回采工作面采高，m，取2.2。

由此計算出每個綜采工作面本煤層瓦斯涌出量為:

式中:

q'—生產采區絕對瓦斯涌出量，m3/min;

K'—采空區瓦斯涌出系數，取1.30;

q2i—第i個回采工作面的瓦斯涌出量，m3/t;

Ai—第i個回采工作面的平均日產量，t/d;

Q1i—第i個掘進工作面(煤巷)的瓦斯涌出量，m3/min。

據此計算得到32采區正常生產及通風最困難時期最大瓦斯涌出量為:

2 瓦斯抽采的必要性

根據國家《煤礦安全規程》(2010)和《煤礦瓦斯抽放規范》(2006)的規定，凡符合下列情況之一的礦井，必須建立地面永久瓦斯抽放系統或井下移動泵站瓦斯抽放系統。

1)一個采煤工作面絕對瓦斯涌出量大于5 m3/min或一個掘進工作面絕對瓦斯出量大于3 m3/min，用通風方法解決瓦斯問題不合理的。

2)礦井絕對瓦斯涌出量q達到以下條件的:

年產量等于或小于 0.4 Mt的礦井，q＞15 m3/min。

3)開采具有煤與瓦斯突出危險煤層。

國投新登鄭州煤業有限公司屬登封市地方國有企業。2006年經河南省煤炭工業局核定礦井生產能力為84萬t/a，當前實際生產能力為84萬t/a。根據以上規定和計算結果該礦32采區有必要進行瓦斯抽采。

3 瓦斯抽采方案設計

3.1 選擇瓦斯抽采方法的原則

抽采瓦斯的類型按空間對象分有開采層、鄰近層、采空區和圍巖抽采;按地應力對比來分，有未卸壓和卸壓抽采;按時間對比分，有采(掘)前預抽、邊掘邊抽、邊采邊抽和采后抽采［3］。

抽采瓦斯方法是指匯集瓦斯的施工方法而言，可以分為鉆孔法、巷道法和綜合法。

選擇礦井瓦斯抽采的類型和方法應根據礦井煤層賦存條件、瓦斯基本參數、瓦斯來源、巷道布置、抽采瓦斯的目的及瓦斯利用等因素來確定，并應遵守以下原則:

1)抽采方法應適合煤層賦存狀況、巷道布置、地質條件和開采技術條件。

2)應根據礦井瓦斯涌出來源及涌出量構成分析，有針對性地選擇抽采瓦斯方法，以提高瓦斯抽采效果。

3)在滿足瓦斯抽采的前提下，應盡可能地利用生產巷道，以減少抽采工程量。

4)選擇的抽采方法應有利于抽采巷道的布置和維護。

5)選擇的抽采方法應有利于提高瓦斯抽采效果，降低瓦斯抽采成本。

6)瓦斯抽采應有利于鉆場、鉆孔的施工和抽采系統管網的布置，有利于增加鉆孔的抽采時間。

3.2 瓦斯抽采方法的確定

鑒于新登煤業目前仍為低瓦斯礦井，但32采區存在局部的高瓦斯區域，甚至發生瓦斯動力現象。因此，瓦斯抽采的主要目的是使采、掘工作面的瓦斯涌出量降低到通風能合理解決的水平或減輕礦井通風負擔;同時，輔以消除或緩解局部地帶可能存在瓦斯突出(或瓦斯動力現象)傾向性特征。據此確定32采區瓦斯抽采的方法為開采煤層瓦斯抽采(包括回采工作面和掘進工作面)和采空區瓦斯抽采等方式。該礦選擇的主要瓦斯抽采方法如下:

1)采用順層鉆孔抽采回采工作面本煤層瓦斯。

2)采用順層條帶預抽掘進工作面本煤層瓦斯。

3)采用高位鉆孔抽采回采工作面及采空區卸壓瓦斯。

4)采用埋管方式抽采回采工作面采空區瓦斯。

3.2.1 采用順層鉆孔抽采回采工作面本煤層瓦斯

雖然二1煤層的瓦斯透氣性很低，但在工作面回采之前采用順層鉆孔預抽本煤層瓦斯可以有效降低回采時的煤層殘余瓦斯含量，減少瓦斯涌出量，降低回采工作面和生產系統的瓦斯濃度。該瓦斯抽采方法的鉆孔布置方式見圖1。本煤層預抽鉆孔布置參數見表1。

圖1 回采工作面本煤層瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

表1 本煤層預抽鉆孔布置參數表

3.2.2 掘進工作面瓦斯抽放

掘進工作面抽采瓦斯的方法有邊掘邊抽和先抽后掘兩種方式。考慮到新登煤業在31采區掘進工作面瓦斯涌出相對較小，但在32采區存在局部高瓦斯區域，建議采用邊掘邊抽方式，可以根據不同的瓦斯賦存特征，重點針對高瓦斯區域采用順層條帶預抽掘進工作面前方煤體的瓦斯，從而降低掘進作業時的瓦斯涌出量。在煤巷掘進工作面采用順煤層條帶預抽瓦斯的鉆孔布置方式見圖2。推薦的鉆孔布置參數見表2。

圖2 掘進工作面邊掘邊抽瓦斯鉆孔布置示意圖

表2 推薦的鉆孔布置參數表

在煤巷掘進工作面后5 m處的巷道兩幫各施工一個鉆場。鉆場的規格應根據巷幫瓦斯抽放鉆孔布置的要求，選用鉆機的外形尺寸及鉆桿長度而定。根據該礦的具體情況，每組鉆場在煤巷兩側錯開布置，其規格為:4 m×4 m×2 m，采用木棚支護。相鄰兩組鉆場之間的間距為40～50 m。

在每一鉆場內，沿走向布置3～5個順煤層抽采鉆孔，孔深60 m左右;同一側鄰近鉆場施工的鉆孔要保證有5～10 m的交叉范圍。

掘進工作面先抽后掘就是在煤巷掘進工作面向前方煤層施工扇形鉆孔，每個循環9～11個鉆孔，鉆孔深度50～60 m;每個循環間距40～50 m;預計抽放時間為20 d左右。鉆孔終孔點分別控制到煤巷兩幫距離巷道中心線兩側各15 m范圍。

鉆孔布置的原則是保證將鉆孔布置在煤層內，鉆孔傾角與巷道底板平行或根據煤層的厚度向上或下傾斜。當掘進工作面抽放鉆孔數量較多時，為擴大鉆孔覆蓋范圍，抽放鉆孔應以巷道中線為基準，向周圍煤體呈放散狀排列，以提高抽采效果。

3.2.3 回采工作面回風巷高位鉆孔抽采

采用高位鉆孔抽采就是把回采工作面上部煤層中和部分采空區中的瓦斯通過鉆孔和瓦斯抽采管道排放到地表或采區回風巷(回風井)中。現場在施工高位鉆孔時還應當充分考慮以下方面:

1)根據以往科研成果，回采工作面瓦斯涌出比較集中分布在上隅角以下10 m范圍。因此，本文建議的鉆孔覆蓋的有效范圍為回風巷口以下20 m。

2)根據相關科研成果及經驗，煤層頂板的3～5倍采高范圍內為受采動影響后巖層破碎、充分卸壓，因而在采面和采空區上部形成了一個彼此相通的、具有很高透氣性的區域，非常有利于瓦斯抽采;結合新登煤業當前的回采方法和工藝及作業規程及其鄰近礦井的實際情況，該部分區域的高度為20 m左右。所以，高位抽采鉆孔的終孔位置應該在煤層頂板以上15～20 m范圍之內。

3)應該通過補充測定二1煤層瓦斯抽采半徑、實際考察回采工作面頂板裂隙帶高度等指標對抽采鉆孔的布置進行調整，以達到最佳的抽采效果。

4)適當增加封孔深度及鉆孔中套管長度可以有效提高抽采瓦斯的濃度。

綜上所述，初步設計32采區回采工作面回風巷高位鉆孔布置方式見圖3。

圖3 回風巷高位鉆孔抽采采空區瓦斯示意圖

3.2.4 采空區埋管抽采

該方法是把帶孔眼的管子在頂板冒落前直接插入采空區內進行抽采，見圖4。根據二1煤層頂板的巖性特征和回采工藝，從實用和經濟方面考慮，插入管子一般選用直徑150～200 mm，壁厚1 mm的鐵皮管。處在采空區內一端2～3 m的管子的管壁穿有小孔并用紗網包好，防止抽采過程中發生堵塞現象。該管應盡量靠近煤層頂部，處于瓦斯濃度較高的地點。這種瓦斯抽采方法抽出的瓦斯濃度一般不高，通常只有10% ～25%，故而抽采效率較低。但簡單易行，而且成本低。

圖4 利用采空區插管方法抽采瓦斯方案示意圖

一般情況下，抽采管子插入采空區的長度在20～30 m。另外，雖然根據地勘報告及相關鑒定成果，二1煤層不具有自燃傾向性［4］，但鑒于以往曾出現過局部煤自燃的狀況，所以抽采初期首先要作好對采空區遺煤自燃(即氣體濃度)的監測和預防(預置采空區注漿管)工作;并在此基礎上通過不斷試探，尋找一個比較理想的插管長度，以盡量提高瓦斯抽采效率。

3.3 瓦斯抽采效果預測

3.3.1 預計抽采瓦斯量

根據前面分析，在開采32采區深部采、掘工作面瓦斯涌出量最大時需要抽采的總瓦斯量為26.29 m3/min。結合新登煤業及其鄰近的鄭煤集團搞成、白坪煤礦當前的瓦斯抽采實際情況，取平均瓦斯抽采濃度為 30%，則瓦斯抽采的混合流量為 87.63 m3/min，年抽采瓦斯純量為:

由于抽采方式為伴隨生產進程的邊采邊抽，所以抽采年限與采區服務年限相同，應該在11年以上。

3.3.2 預計采區瓦斯抽采率

礦井(或采區)抽采率是指礦井(或采區)的抽出瓦斯量占其風排瓦斯量與抽出瓦斯量之和的百分比，即:

式中:

刀K—礦井瓦斯抽采率，%;

QKC—礦井風排瓦斯量，m3/min;QKY—礦井抽采瓦斯量，m3/min。

綜合前面分析數據，計算得到新登煤業32采區瓦斯抽采率為71.33%。

4 結論

我國煤礦主要是井下開采，生產環境條件復雜。近年，隨著開采深度的不斷增加，瓦斯涌出量不斷加大，煤與瓦斯突出危險也不斷增加，高瓦斯突出礦井數量也在增加，致使煤炭企業在生產過程中經常發生瓦斯窒息、瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出事故。而瓦斯抽放技術是瓦斯災害防治的主要技術措施，本文通過計算采區瓦斯涌出量以及根據地質條件確定一整套可行的瓦斯抽放方案，大大減少了瓦斯涌出量，有效地避免了瓦斯事故的發生，確保了礦井安全生產。

［1］陳先容.提高礦井瓦斯抽放率的途徑［J］.煤礦設計，1994(9):19-24.

［2］愈啟香.礦井瓦斯抽放理論與技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，1992:69-70.

［3］張家彪.新安礦采空區高位鉆孔瓦斯抽放技術研究［D］.焦作:河南理工大學，2011.

［4］杜 通.趙各莊礦瓦斯抽放工藝參數優化研究［D］.唐山:河北理工大學，2009.