淺析采掘工作面瓦斯抽放系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉明明

(陽煤集團(tuán)壽陽景福煤業(yè)有限公司，山西 晉中 045400)

0 引言

陽泉某礦井井田面積是124.08 km2，因?yàn)殚_采面積大，按照礦井開拓和井筒布置方法，礦井通風(fēng)方式采取中央分列式，而主斜井、副立井與中央進(jìn)風(fēng)井進(jìn)風(fēng)，中央回風(fēng)井回風(fēng)，生產(chǎn)后期采取分區(qū)式通風(fēng)方式。礦井生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)為5.0 Mt/a，礦井總瓦斯儲(chǔ)量是24 359.84 m3，本礦井可采煤層瓦斯儲(chǔ)量為12 896.39 m3，可采煤層采動(dòng)范圍影響不可采附近煤層7 403.48 m3的瓦斯儲(chǔ)量，4 059.97 m3的圍巖瓦斯儲(chǔ)量，各煤層均屬可抽采煤層。

1 瓦斯?jié)舛却_定

根據(jù)附近礦井經(jīng)驗(yàn)和本礦井掘進(jìn)時(shí)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，設(shè)計(jì)確定瓦斯管路內(nèi)的本煤層瓦斯抽放濃度[1-3]。鄰近煤層瓦斯抽放濃度是50%，因封孔長(zhǎng)度、管路連接質(zhì)量、鉆孔瓦斯抽放管路濃度和抽采孔的封孔質(zhì)量等多種因素的影響，本煤層瓦斯抽放濃度是10%～20%。

2 預(yù)抽煤層的瓦斯鉆孔量

2.1 預(yù)抽煤層的瓦斯鉆孔量

運(yùn)行達(dá)到礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，移交生產(chǎn)時(shí)，回采工作面布置預(yù)抽瓦斯鉆孔共計(jì)1 700個(gè)，總長(zhǎng)度達(dá)204 000 m；掘進(jìn)工作面需要布置預(yù)抽瓦斯共鉆孔2 970個(gè)，總長(zhǎng)度237 600 m?；夭杉熬蜻M(jìn)工作面預(yù)抽瓦斯共布置鉆孔4 670個(gè)，總長(zhǎng)度441 600 m。

2.2 每噸煤炭的鉆孔量

工作面移交生產(chǎn)時(shí)的煤炭采出量A：采出量A的單位為t；煤的容重γ=1.42 t/m3；工作面推進(jìn)長(zhǎng)度L=2 000 m；工作面長(zhǎng)度B=220 m；工作面采高H=5.2 m；工作面采出率η=93%。經(jīng)過計(jì)算，A=γ×L×B×H×η=1.42×2000×220×5.2×0.93=3 021 533 t。

噸煤鉆孔量：預(yù)抽煤層的瓦斯鉆孔量204 000 m，煤炭采出量3 021 533 t煤，計(jì)算比較204 000/3 021 533=0.068 m/t>0.03 m/t(噸煤鉆孔量規(guī)范要求需要噸煤鉆孔量不小于0.03 m/t)，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 煤層抽采工藝

3.1 鉆孔工藝

鉆孔直徑：現(xiàn)實(shí)經(jīng)驗(yàn)得出小直徑鉆孔效果相比大直徑鉆孔瓦斯抽放效果較差[4]，斟酌本礦井的煤層與瓦斯現(xiàn)狀，選用鉆孔直徑為94 mm的鉆孔作為回采工作面和掘進(jìn)工作面鉆孔直徑。

鉆孔長(zhǎng)度與鉆孔間距：鉆孔長(zhǎng)度的缺點(diǎn)取決于工作面長(zhǎng)度與抽采方法，確定抽采方法取決于鉆孔間距和鉆孔長(zhǎng)度。鉆孔間距受有效抽采范圍的影響。煤層透氣性、煤層裂隙發(fā)育與煤層瓦斯壓力等因素影響鉆孔有效抽采范圍。實(shí)際生產(chǎn)中為確定合理的鉆孔間距，需要分別對(duì)不同鉆孔間距的抽采效果多次進(jìn)行測(cè)試和統(tǒng)計(jì)。

3.2 鉆機(jī)及附屬設(shè)備

鉆機(jī)的型號(hào)及臺(tái)數(shù)：每個(gè)回采工作面配備EH1400型鉆機(jī)(德國(guó))、履帶ZY-3200型液壓鉆機(jī)各2臺(tái)；每個(gè)掘進(jìn)工作面配備SGZL-ⅠD型液壓鉆機(jī)、SGZL-3B型液壓鉆機(jī)各1臺(tái)，共計(jì)16臺(tái)，并按照規(guī)范規(guī)定，備用ZY-3200型液壓鉆機(jī)4臺(tái)，SGZL-ⅠD型液壓鉆機(jī)及SGZL-3B型液壓鉆機(jī)各2臺(tái)。

鉆桿：鉆桿是將水引入孔底，并將鉆機(jī)的能力傳遞給巖芯管與鉆頭的設(shè)備。鉆桿要選用材質(zhì)較好的螺紋鉆桿，因?yàn)槠溥\(yùn)動(dòng)中受扭力與壓力的綜合作用，必須要堅(jiān)固耐用，規(guī)格分別選擇φ42、φ50、φ100 mm直徑的鉆桿。

鉆頭的選擇：按照煤巖層硬度和采取巖芯的不同選擇不同類型的鉆頭。平底形、階梯形2種取芯鉆頭；圓弧支柱形、階梯(錐型)形與內(nèi)凹三翼刮刀形等多種不取芯的鉆頭。用筒狀鉆頭開出的孔，孔形光滑、封孔平整。鉆頭直徑的規(guī)格是φ94 mm、φ125 mm。

巖芯管：巖芯管用于取巖芯并起導(dǎo)向作用，巖芯管一端采取正旋螺紋與鉆頭連接，一端用異徑接頭和鉆桿相連，一共兩端，發(fā)現(xiàn)磨損嚴(yán)重需要及時(shí)更換，螺紋連接處的巖芯管容易損傷，因此鉆頭直徑和異徑接頭外圓直徑要大于巖芯管1～2 mm，并隨時(shí)觀察磨損情況。

3.3 封孔

封孔方式：因?yàn)榉饪踪|(zhì)量影響著整個(gè)抽放系統(tǒng)的效果，進(jìn)而影響瓦斯抽放濃度、孔口負(fù)壓，所以封孔質(zhì)量必須達(dá)到密封性好、操作快、封孔迅速和價(jià)格低廉的要求。采用壓注藥液法封孔，選用FKG型壓注封孔裝置與利用BFK-12/2.4型封孔泵，可以有效提高本煤層封孔質(zhì)量達(dá)到較好的效果。

封孔材料：為達(dá)到較好封孔質(zhì)量，封孔材料選擇也非常重要，一般有2種可供選擇：新型的膨脹水泥添加輔助材料后，可以進(jìn)行封孔，優(yōu)點(diǎn)價(jià)格低廉，缺點(diǎn)是封孔質(zhì)量差。新型化學(xué)材料聚氨脂價(jià)格昂貴，但封孔質(zhì)量較好[5]。煤礦企業(yè)可在生產(chǎn)過程中比較2種材料優(yōu)劣，擇優(yōu)使用，暫定設(shè)計(jì)為聚氨脂封孔。根據(jù)《煤礦瓦斯抽放技術(shù)規(guī)范》煤層鉆孔封孔深度一般為8～10 m，確定掘進(jìn)鉆孔封孔時(shí)要對(duì)鉆孔有不小于9 m的封孔長(zhǎng)度。封孔管選用D40 mm抗靜電工程塑料管，長(zhǎng)度為9.5 m。利用封孔泵及壓注封孔裝置封孔工藝封孔，封孔效果好。

鄰近層封孔方式、材料及工藝：在瓦斯高抽巷靠近與盤區(qū)回風(fēng)巷處建議用料石與砂漿水泥建筑，中間用黃土填充并夯實(shí)厚度2～2.5 m的一道密閉墻。密閉墻中要加入支管且要與盤區(qū)內(nèi)回風(fēng)巷的干管相互連接，加設(shè)閘閥、孔板流量計(jì)、負(fù)壓自動(dòng)放水器等裝置可有效提高鄰近層瓦斯的抽放率與濃度。

3.4 鉆孔與瓦斯管路連接

用柔性鎧裝膠管連接封孔裝置和抽放管路，方便拆裝裝置。鉆孔和抽放瓦斯管互相連接時(shí)，要加設(shè)孔板流量計(jì)、壓力計(jì)、閥門、放水器與集氣裝置。

3.5 抽采工藝

將建設(shè)完成的抽采鉆孔連接抽采管路進(jìn)行抽采，在抽采中對(duì)鉆孔抽采參數(shù)適時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況對(duì)鉆孔抽采狀態(tài)調(diào)整?；夭晒ぷ髅婵卓诘某椴韶?fù)壓暫定為12 kPa，掘進(jìn)工作面孔口的抽采負(fù)壓暫定為12 kPa；瓦斯高抽巷抽采負(fù)壓暫定為9 kPa。

3.6 掘進(jìn)工作面瓦斯防治采取的方法

掘進(jìn)工作面瓦斯抽放方式有雙巷交替掘進(jìn)抽采、順層水平長(zhǎng)鉆孔抽采和巷道外掘鉆場(chǎng)抽采3種，優(yōu)劣比較見表1。

表1 掘進(jìn)工作面瓦斯抽放方法比較

本礦井工作面巷道采用雙巷掘進(jìn)，本煤層的設(shè)計(jì)是水平長(zhǎng)鉆孔抽采。在煤巷掘進(jìn)期間，采用在巷幫打邁步鉆場(chǎng)的打鉆方法，左右邊的幫鉆場(chǎng)間距是25 m，每個(gè)鉆場(chǎng)要用兩排鉆孔共計(jì)8個(gè)，水平傾角是0°～2°，鉆孔直徑是94 mm，孔深是80 m，50 m掘進(jìn)，預(yù)留30 m超前距，如圖1所示。

圖1 掘進(jìn)工作面鉆孔布置

每個(gè)鉆孔施工完畢，必須封孔加固，隨后接入抽采系統(tǒng)再進(jìn)行瓦斯抽采，用剛性塑料管做封孔管，用聚胺脂封孔，要大于9 m的封孔深度。每個(gè)鉆場(chǎng)都安裝一個(gè)集氣裝置在抽采系統(tǒng)，集氣裝置鉆孔數(shù)要高于或等于進(jìn)口數(shù)，采用埋線管或鋼線軟管連接鉆孔與抽采系統(tǒng)，掘進(jìn)超過鉆場(chǎng)10 m后連接煤頭鉆場(chǎng)鉆孔，拆掉前面一個(gè)鉆場(chǎng)鉆孔，堵嚴(yán)所有鉆孔，嚴(yán)防鉆孔瓦斯外泄。

倘若卸壓效果較差，將會(huì)影響礦井安全生產(chǎn)，可使用水力壓裂、深孔爆破、水力沖孔等有效措施卸壓。

根據(jù)煤礦企業(yè)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)，掘進(jìn)工作面每百米瓦斯量抽采為0.032～0.05 m3/min，平均單孔抽采瓦斯?jié)舛葹?0%～20%。

一般掘進(jìn)工作面抽出瓦斯方式分2種，一直接接入本煤層瓦斯抽放系統(tǒng)，二建立井下移動(dòng)式抽采泵站進(jìn)行抽采，所抽出瓦斯排入盤區(qū)回風(fēng)巷或者總回風(fēng)巷。

設(shè)計(jì)確定把掘進(jìn)工作面抽出的瓦斯接入礦井本煤層瓦斯抽放系統(tǒng)。在抽采過程中對(duì)鉆孔抽采參數(shù)適時(shí)監(jiān)測(cè)，按照監(jiān)測(cè)情況對(duì)鉆孔抽采狀態(tài)調(diào)整確保礦井通風(fēng)安全。

4 結(jié)語

把控制范圍內(nèi)煤層的瓦斯含量降低，煤層始突深度的瓦斯含量以下在15#煤層采掘作業(yè)前，或者把瓦斯壓力降到煤層始突深度煤層瓦斯壓力以下。若沒有測(cè)出始突深度的煤層瓦斯壓力和含量，要把煤層瓦斯壓力降到0.74 MPa的范圍，瓦斯含量必須在8 m3/t以下。瓦斯控制范圍是：煤巷掘進(jìn)工作面巷道輪廓線外8 m以上與工作面前方10 m以上，采煤工作面控制在前方20 m以上。

總之，設(shè)計(jì)決定的煤巷掘進(jìn)工作面瓦斯抽放鉆孔布置及抽放工藝，是礦井建井期間施工單位使用的瓦斯預(yù)抽工藝，施工過程中采用該項(xiàng)工藝后，礦井未發(fā)生煤和瓦斯突出事故，保障了煤礦施工生產(chǎn)安全。