采煤工作面瓦斯測控抽放技術研究

天地（常州）自動化股份有限公司 鄧 榮

采煤工作面瓦斯測控抽放技術研究

天地（常州）自動化股份有限公司 鄧 榮

在采煤過程中經常會出現工作面瓦斯濃度很高，使用通風無法解決的情況。因此這里就必須借助工作面瓦斯抽放技術來實現，為此我們以某煤業集團一個采供工作面作為案例分析了瓦斯濃度較高采取瓦斯抽放的過程，設計并實現了工作面瓦斯抽放系統，并對系統中線路鋪設、瓦斯抽放泵施工以及各項參數的設計等進行了介紹，探索采煤工作面瓦斯抽放技術。

采煤工作面；瓦斯抽放系統；技術；設計

瓦斯爆炸是煤礦事故中最為嚴重也是最為常見的事故之一，不僅會造成非常大的人員傷亡，還會對井下設備和設施造成相當大的破壞，給企業造成重大的經濟效益損失。因此良好的瓦斯預測和控制技術成為煤礦企業安全生產的重要保障，近幾年隨著我國對企業安全的重視，煤礦企業的瓦斯控制也越來越成熟，其中采煤工作面瓦斯抽放就是應用較為廣泛的一種。采煤工作面瓦斯抽放系統能夠有效的解決工作面瓦斯濃度大的問題，該系統主要包含了線路設計、管徑鋪設、管路阻力等多方面的技術，是采煤工作面瓦斯抽放技術的重要組成部分。

1 工作面簡況

我們以某煤業集團的某采煤工作面（編號32101）作為研究對象，該工作面設計走向長度為900.1m，工作面的傾斜角為6.12°，傾斜走向長度為189米，工作面面積約為98693m2，工業儲量約為80.56萬t。該采煤工作面經過地質檢測和勘探后發現，煤層賦存狀態極其不穩定，煤層的平均傾角高達15°，且走向也較為復雜。整體結構較為簡單。

經估算，該煤層瓦斯的涌出量約為1.9～3.4m3 /min，檢測到的最大涌出量高達4.0m3/min，回采工作面最大涌出量4.0m3/min，相對涌出量4.1m3/min。

2 瓦斯抽放系統設計和實現

由于工作面瓦斯涌出量較大，而且濃度無法通過通風等方式清除，因此必須采取必要的瓦斯抽放降低瓦斯濃度。

2.1 管道和線路鋪設

抽放泵站選擇安裝在33采區井下，在33回風下車以及32101車場和上輔巷位置放置抽放管道。抽放線路設置為，從工作面位置，以此經過32101上副巷、33回風下山、33采取瓦斯抽放泵房最終達到33號風井。

2.2 瓦斯儲量估算

瓦斯儲量估算是系統設計的重要環節，需要估算煤層以及圍巖全部的瓦斯儲量。計算公式為：

其中：W（104m3）為瓦斯總儲量；C=1.05，是圍巖瓦斯儲量系數；X（m3/t）代表煤層瓦斯含量。

經計算，該煤層的相對瓦斯涌出量為4.1m3/min，X約為3.2x104m3.

2.3 實際抽放量計算

計算公式如下：

2.4 泵站、管網選型設計

2．4．1 設計原則

設計過程要求結合煤礦的工作面掘進以及測得的最大瓦斯涌出量等情況完成，并根據計算結果選擇合適的瓦斯抽放泵的功率。

2．4．2 管徑計算

計算公式見下：

其中，d為所求的管徑；Q1瓦斯抽放管內實際的瓦斯流量；V代表瓦斯在管道內的速度；X1為瓦斯的濃度。所有參數的單位均去國際單位。

經過計算可得d約為0.29m，結合井下的工作環境這里選取DN300型的復合材料管道。

2．4．3 抽放管的敷設方法

敷設方法主要注意以下幾點：（1）抽放管路要盡可能的保持平直，與管道所在的線路坡度保持一致，并盡可能減少拐角、氣門等附件的使用，避免急轉彎；（2）在巷道底部位置敷設管道的時候必須進行一定的保護措施，例如可以使用支墊等防止底部隆起導致管道漏氣；（3）如果必須經過運輸巷道的時候，必須將抽放管路選管道專用的支架上架空，且保持高度不低于1.8m，管道的邊緣距離巷道壁不得低于0.1m，減少運輸障礙；（4）在敷設傾斜的管路時，為了避免管路下滑每隔一段距離必須設置必要的防滑裝置。

2.5 瓦斯抽放泵選型估算

2．5．1 抽放泵流量計算

2．5．2 瓦斯抽放泵的壓力計算

壓力計算需要綜合考慮管道摩擦阻力、管路局部阻力、管網阻力、瓦斯抽放泵的真空度等，下面分別計算各個參數的大小。

管道摩擦阻力：

其中，h1為所求的管道摩擦阻力。L為負壓部分的管道長度，為了安全性這里取最大值；Q為管道內部混合瓦斯的總量，r為抽放泵內部空氣和瓦斯的混合比，K1為管徑有關的系數。

管道局部阻力：

管道局部阻力通常是摩擦阻力的10%左右，這里為了安全性和穩定性選擇為15%，通過抽放設備計算出來的風側管路系統的局部阻力。

管網阻力：

通過上一步計算出的管道局部阻力以及抽放設備出風測管道系統的阻力值，計算管網阻力，管網阻力為管道摩擦阻力、管道局部阻力、抽放設備出風測管道阻力的和。

瓦斯抽放泵的真空系數：

綜合考慮以上各個參數和信息，合理的選擇抽放泵的型號。這里選擇使用兩臺2BEA-303-0型真空泵，該泵能夠適應井下的工作環境。為了安全性另一臺備用，該型號真空泵的基本參數為：最大抽氣量高達60m3/min，防爆功率為110kw，工作電壓為380v，轉速最高為1200r/min。能夠滿足該瓦斯抽放系統的要求。需要注意的是抽放設備是在高濃度的瓦斯環境中運行的，因此均全部使用礦用防爆型。

表1 鉆孔參數

2.6 抽放孔布置和參數選擇

抽放孔的設置包括了孔徑大小、開口位置、坡度選擇以及孔深等多個方面，我們結合現場情況分析了該工作面的詳細情況，選擇在33號礦井的上副巷2號和3號鉆場內放置2排共10個鉆孔，開口位置設置在鉆場底部1.2m處，上下兩排各布置5個鉆孔。其中上排鉆孔位置距離煤層頂板往上18m，下排則為24m。鉆孔的詳細參數見表1：

確定角度和位置后，使用150鉆機打孔，頂板部位的高位鉆孔全部使用113mm的鉆頭，并將108mm鋼管深入到其中。各個鉆孔的放置位置示意圖見下：

3 安全施工措施

由于該系統的很多施工過程需要在井下且在煤層工作面進行，所以必須采取必要的安全防護措施。首先是在施工鉆孔前要檢查周圍的支護的安全和穩定，如果出現了空幫、里層的現象應該立即結束工作。鉆機的安裝和使用必須注意牢固性，安裝鉆桿的時候必須檢查每一跟鉆桿是否合格。在打鉆的過程中也要注意設置專門的安全人員，檢查打鉆地點、瓦斯記錄等檢查，并將記錄結果顯示到瓦斯記錄牌上。在施工到煤層的時候，要注重對現場瓦斯濃度進行測量，對于當鉆孔距離煤壁0.2的時候瓦斯濃度＜2%，距離0.6m以上的時候≤1%。一旦出現噴鉆、夾鉆等現象立即停止施工，然后檢測瓦斯濃度，等到安全后再進行施工。

4 結語

在煤礦開采中經常會遇到瓦斯濃度較大且無法通過通風等手段消除的情況，因此必須采取必要的瓦斯抽取設備和技術，我們對采煤工作面瓦斯抽放系統的設計與實現進行了詳細的分析，該系統對煤礦安全生產有著極其重要的意義和作用。

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