伯方煤礦綜采工作面瓦斯綜合抽采技術

郭四龍

（山西蘭花科技創業股份有限公司伯方煤礦分公司，山西 高平 048400）

1 工作面地質概況

伯方煤礦3205綜放工作面位于二盤運輸巷左翼，北部與3207工作面相鄰，南與3203工作面相鄰，東側與二盤區運輸、軌道和回風巷相接，走向長度為1384m，傾斜長度157m。開采煤層3#煤層，煤層厚度5.31m，煤層傾角6～2°，平均為4°。工作面老頂為中粒砂巖，厚度為4.5m，直接頂為灰黑色粉砂巖，厚度為5.51m，直接底為黑灰色細砂巖，厚度為1.6m，老底為灰黑色薄層砂質泥巖，厚度為4.32m。工作面最大絕對涌出量為7.78m3/min，掘進工作面最大絕對涌出量為0.4m3/min。3號煤層百米鉆孔初始瓦斯流量0.0441L/min·hm，流量衰減系數在0.0173～0.0192d-1之間，百米鉆孔極限瓦斯涌出量在11.97～124.27m3/hm之間，透氣性系數在0.26～0.30m2/MPa2·d 之間。

2 綜合抽放方法設計

2.1 本煤層順層鉆孔抽放

為降低回采時本煤層的絕對瓦斯涌出量，使工作面煤層殘余瓦斯指標達到《煤礦瓦斯抽采達標暫行規定》，根據3205工作面的實際情況，選擇在3205工作面回風順槽前進方向右幫打順層鉆孔。鉆孔示意圖如圖1所示。在3205切眼向外15m回風順槽內每5m施工本煤層鉆孔，在千米鉆機定向鉆孔未覆蓋區域及煤層瓦斯含量較高區域每3m布置一個本煤層鉆孔，設計鉆孔深度為141.5m（工作面中對中161.5m），鉆孔的具體施工參數見表1。每5個鉆孔連接為1組，與抽放管路聯接。本煤層鉆孔采用ZDY1900L液壓鉆機，采用Φ94mm的鉆頭按設計參數施工。本煤層鉆孔封孔完畢后，封孔管上連接DN50閥門。閥門接DN50固定彎頭，通過固定彎頭采用鋼絲膠管向下將封好的孔與三通連接至匯流管上，通過匯流管用鋼絲膠管向上接到抽采系統支管上。

圖1 本煤層順層鉆孔示意圖

表1 順層鉆孔參數

2.2 采空區高位抽放鉆孔抽放

為防治回采時工作面上隅角瓦斯濃度超限，施工高位抽放鉆孔對采空區瓦斯進行抽放。沿工作面回風順槽每隔400m布置一個鉆場，根據現場具體條 件， 在 125～137m、533～545m、963～975m 分 別施工3×12m鉆場（如圖2所示），在煤層回風順槽內頂板向采空區方向施工3個平行定向高位鉆孔，鉆孔終孔位置位于采空區上方頂板裂隙帶內（具體參數見下表2），這種布置形式實質上是在工作面及上部垮落頂板處通過裂隙與鉆孔溝通，形成通道，在瓦斯抽采泵負壓作用下，通道內形成很高的負壓，大量高濃度卸壓瓦斯將被抽出。高位鉆孔采用ZDY12000LD液壓鉆機，采用Φ120mm的鉆頭按設計參數施工。高位鉆孔連孔工藝與本煤層相似，高位施工完畢后排水時間不小于24h，后連管抽放，每個鉆場內三個鉆孔并聯后向下連接匯流器，通過匯流器再向上用鋼絲膠管連入支管。

2.3 上隅角插管抽放

伯方煤礦于2013年9月建立抽放系統，上隅角抽放采用預埋管抽放。運行4年以來上隅角抽放方式存在如下問題：①安裝勞動強度大；②材料投入大；③抽放效果不佳；④上隅角立管需用木柱保護。鑒于上述情況，將上隅角改為插管式抽放。

圖2 高位抽放鉆孔示意圖

表2 高位鉆孔參數

（1）插管式抽放設計

靠近采面上隅角段管路采用1.5m長的不銹鋼管與支抽放管路相連接，利用抽采軟管替換現有預埋件，將軟管（聚乙烯材料，Φ160mm）一端插入上隅角，為保證軟管吸入口能處于上隅角的上部（上部瓦斯濃度較高）可將抽放軟管用鋼絲繩固定到一定高度，其深度不得超過切頂線0.5m。在抽采管道末端利用快速接頭或法蘭盤連接連孔器，連孔器與3根抽采軟管相連接，軟管利用軟繩固定在巷道外幫斜上角，同時深入采空區，便于抽采采空區隅角瓦斯。

隨著工作面的推進，逐節回收支抽放管路，移動軟管的連接，直至回采結束。抽放軟管伸入上隅角的長度及位置應根據實際抽放效果不斷調整，得到合理的參數。為確保抽放點的合適位置，在主抽放管路末端可設置一個分流器，分支出幾個支管，插入上隅角的不同位置進行抽放。

（2）上隅角預埋管道抽放方案改進

為了避免上隅角預埋件制作及管道埋設造成的人力和資源浪費，節約材料成本，同時保證上隅角瓦斯穩定抽采的需要，提出幾項預埋管抽采改進措施：

在現有抽放管道鋪設的基礎上，將超前30m范圍內管道置換成管徑一致的1m短管，抽放管路采用快速接頭或法蘭盤連接，末端連接現有預埋件，采煤過程中，隨著工作面向前推進，利用液壓工具拖動預埋件向前移動，每推進兩個循環拖動一次，使預埋件始終位于端頭架以后3～5m位置，隨著管道前移拆裝短管（如圖3）。

圖3 上隅角預埋管件方案示意圖

（3）插管式抽放效果

①抽采負壓

上隅角“T”型立管抽放負壓為15.23kPa；插管式抽放負壓25.56kPa，負壓明顯增大。

②抽采范圍

原來的“T”型立管抽采半徑一般為1.5～2m范圍，且立管靠幫位置抽放不到，無法保證上隅角全部斷面抽放，上隅角局部極易報警；插管式由于采用軟管，可以自由調整軟管抽采范圍，如遇局部瓦斯增大可及時增加軟管長度達到增加抽放范圍的目的，相對T”型立管插管抽放更加靈活且抽采范圍更大。

③抽采流量、抽采濃度、瓦斯純量

上隅角“T”型立管抽放流量為139m3/min；抽采濃度為0.6%，瓦斯抽采純量為0.83m3/min；插管式抽放流量為125m3/min；抽采濃度為1.08%，瓦斯抽采純量為1.35m3/min；相對“T”型立管插管抽放在流量變化不大的情況下抽采濃度及抽采純量變換明顯，上隅角瓦斯濃度由原來的0.6～0.8%降為0.4～0.5%。

3 抽采效果分析

（1）瓦斯抽采后煤的殘余瓦斯含量計算

瓦斯抽采后煤的殘余瓦斯含量：

WCy=(W0G-Q)/G

式中：

WCy-煤的殘余瓦斯含量，m3/t；

W0-煤的原始瓦斯含量，m3/t；

Q-評價單元鉆孔預抽排放瓦斯總量，m3；

G-評價單元參與計算煤量，t。

評價單元參與計算煤炭儲量：

式中：

L-評價單元煤層走向長度，m；

l-評價單元抽采鉆孔控制范圍內煤層平均傾向長度，m；

H1、H2-分別為評價單元走向方向兩端巷道瓦斯預排等值寬度，m，如果無巷道為0；

h1、h2-分別為評價單元傾向方向兩側巷道瓦斯預排等值寬度，m，如果無巷道則為0；

R-抽采鉆孔的有效影響半徑，m；

m-評價單元平均煤層厚度，m；

γ-評價單元煤的密度，t/m3。

由于3205工作面為傾斜長臂采煤，評價單元走向長度為L=1180m，工作面鉆孔控制范圍內煤層平均傾向長度為l=161.5m，通過巷道預排瓦斯等值寬度表可知：H1為11m，H2為0m，h1、h2均為12m，評價單元平均煤層厚度為5.3m，煤的密度為1.45t/m3。則評價單元參與計算煤炭儲量G為126.87萬t；煤的原始瓦斯含量W0=6.35m3/t；評價單元鉆孔抽放瓦斯總量Q=28.65萬m3。綜上可計算出煤的殘余瓦斯含量WCy=6.12m3/t。

（2）可解析瓦斯量的計算

煤的可解析瓦斯含量：

式中：

Wcc-煤在標準大氣壓力下的殘存瓦斯含量，m3/t；

經計算：Wj=3.86m3/t。由于3205工作面日產量在2500t，可解析瓦斯量為3.86m3/t，符合工作面日產量2501～4000/t采煤工作面回采前煤的可解吸瓦斯量應≤6的指標要求。

綜上所述，通過計算可得出結論：3205回采工作面評價單元內煤的可解吸瓦斯量為3.86m3/t≤6m3/t， 所以3205工作面評價單元內瓦斯抽采效果滿足抽采達標要求，可以進行采掘活動，抽采效果較好。

4 結論

（1）上隅角抽放采用插管式抽放，采用插管式抽放流量為125m3，抽采濃度為1.08%，瓦斯抽采純量為1.35m3，上隅角瓦斯濃度由原來的0.6～0.8%降為0.4～0.5%，瓦斯抽采濃度及抽采純量明顯提升。

（2）通過對工作面采取綜合抽放措施后的抽放效果可知：3205回采工作面評價單元內煤的可解吸瓦斯量為3.86m3/t≤6m3/t， 所以3205工作面評價單元內瓦斯抽采效果滿足抽采達標要求，保證了工作面的安全生產。