劉洪明

（晉能控股煤業(yè)集團趙莊煤業(yè)公司，山西 長治 046000）

0 引言

綜采工作面上隅角瓦斯問題一直是煤礦生產中最難以解決的問題之一[1-2]。為有效避免工作面瓦斯超限，我國較多礦井均采用了采空區(qū)埋管、頂板巷、頂板走向鉆孔、頂板鉆場等瓦斯治理措施來對生產過程中因采動擾動影響而涌出的大量鄰近層及圍巖瓦斯涌出，但如若開采的煤層屬于松軟破碎煤層，且瓦斯含量高且難以抽采，在采取以上措施后仍會存在難以在短時間內解決大量瓦斯向上隅角運移的難題[3-5]。在上隅角位置鋪設一趟抽采管路對上隅角進行定向抽采用以減緩瓦斯超限壓力，是亟需在綜采面生產要解決的重點問題。

1 礦井概況

趙莊礦位于沁水煤田南部的高平礦區(qū)，現開采煤層為3#煤，平均厚度為4.69 m。3#煤層共劃分8 個盤區(qū)，后期全井田通過調整后共劃分為5 個盤區(qū)，其中生產盤區(qū)3 個，分別為一盤區(qū)、三盤區(qū)、五盤區(qū)；準備盤區(qū)為2 個，分別為二盤區(qū)和四盤區(qū)。盤區(qū)內工作面布置采用前進式開采，工作面采用后退式回采。綜采工作面采用大采高綜合機械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。礦井采用機械抽出式通風方法，采用中央分區(qū)式通風方式，現有4 個進風井筒，2 個回風井筒，總進風量為48 658 m3/min，總回風量為49 457 m3/min。

該礦為高瓦斯礦井,礦井絕對瓦斯涌出量為為98.94 m3/min，相對瓦斯涌出量為9.82 m3/t。一、三、五盤區(qū)中瓦斯含量從高到低分布，一盤區(qū)瓦斯含量最高，瓦斯含量達到8～15 m3/t，三盤區(qū)瓦斯含量在4～8 m3/t，五盤區(qū)瓦斯含量最低，瓦斯含量在4 m3/t 以下。目前正在回采的一盤區(qū)、三盤區(qū)和五盤區(qū)瓦斯瓦斯參數見表1 所示。

表1 3 號煤瓦斯基本參數

2 井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)設計

2.1 綜采工作面瓦斯問題分析

由于趙莊礦煤層松軟破碎，開采的煤層屬厚煤層，綜采工作面采用一次采全高開采工藝，在前期已開采的幾個工作面中均存在上隅角瓦斯超限問題。針對綜采工作面瓦斯問題，主要存在如下問題：

1）鉆孔抽采效率低。順層鉆孔的鉆機鉆進能力達到100～150 m，但塌孔嚴重，鉆進軌跡偏移距離大，見矸不合格率達50%以上。在采空區(qū)瓦斯治理方面，定向高位鉆孔受地質構造、鉆機司機素質等因素影響，多數鉆孔達不到設計深度，且鉆孔均為98 mm 小孔徑鉆孔，遠不能滿足采空區(qū)抽采需要。

2）鉆孔工程量大。長平礦順層鉆孔百米流量平均為0.006 8 m3/min，抽采效果差，抽采1 年降低瓦斯含量約3 m3/t，穿層鉆孔較好，穿層鉆孔百米流量平均為0.025 m3/min，抽采1 年降低瓦斯含量約8 m3/t，順層鉆孔和穿層鉆孔抽采不均衡（抽采效率1∶2.7），順層預抽制約達標，同時，順槽掘進受底抽巷條帶預抽制約，工作面順層鉆孔施工滯后較長。

3）瓦斯抽采不達標。目前，趙莊礦主要依靠底板巖巷穿層鉆孔超前抽采以保證順槽巷道掘進，但由于巖巷掘進效率低，月進尺僅100 m 左右，難以滿足煤巷的生產掘進需要。

2.2 回采工作面采空區(qū)抽采分析

趙莊礦一、三盤區(qū)回采工作面通風方式采用“U”型通風后，采空區(qū)抽采瓦斯方式是將原尾部通風橫川封閉，在封閉尾部回風巷和上隅角分別埋/插抽采管，通過抽采負壓的作用使回采工作面上隅角風流向采空區(qū)內部流動，在采空區(qū)深部埋入的帶負壓的抽采系統(tǒng)會吸出含瓦斯的混合風流。針對綜采工作面采空區(qū)瓦斯一直采用的采空區(qū)后部埋管抽采的方法，采空區(qū)深部的管路口所產生的負壓渦流難以影響到工作面切眼一側上部的上隅角。采空區(qū)埋管雖可以對采空區(qū)深部的瓦斯起到攔截效果，但仍有部分瓦斯從插管前段繞流至上隅角。同時，采掘空間附近煤層因應力釋放、鄰近層圍巖裂隙增大會釋放出大量瓦斯亦會向上隅角渦流處流動，造成上隅角瓦斯?jié)舛容^巷道正常通風處高。在采空區(qū)埋管抽采的基礎上，在上隅角處搭設一個定點抽放的瓦斯流動通道，將抽出的上隅角瓦斯引排至安全釋放地點，既解決了上隅角通風側瓦斯積聚問題，也是對現有采空區(qū)瓦斯抽采技術方法的有益補充。因此，上隅角定向抽排系統(tǒng)是可行的。回采工作面采空區(qū)抽采瓦斯具有抽采量大、來源穩(wěn)定等特點，趙莊礦回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量較大，采用回采工作面采空區(qū)插管和埋插管的抽采方法來抽采回采工作面采空區(qū)瓦斯是合適的。

此種方法的施工方法，即在現有的綜采面采空區(qū)已推過回風橫川進入采空區(qū)的位置，在該位置構筑密閉墻進行封閉時，在密閉墻上插入一趟或兩趟DN500的聚乙烯材質抽放管，該抽放管一端深入采空區(qū)內500～1 000 mm，一端與采面回風巷內搭設的匯流管相連通，連接處安設可開關及可調節(jié)負壓大小的蝶閥，埋設的管路與地面抽采系統(tǒng)相連通時間負壓抽采。在工作面切眼一側的通風巷道內，由上隅角處搭設一趟DN400 的皮質阻燃風筒，該風筒始端由位于新鮮風流中設置的抽采泵站中引出，末端搭設在上隅角位置并插入上隅角上部支架端頭內部300～500 mm，該風筒懸掛在巷道頂板并從新開通的一個回風橫川引出，與設置的新鮮風流抽采泵站相連通。隨著工作面的回采，工作面后部的采空區(qū)埋管相繼向回采方向移動，在關閉現有埋管的同時，打開下一個進入采空區(qū)已埋設好的采空區(qū)管路；同時，上隅角及抽采泵之間搭設的皮質阻燃風筒亦逐步向回采方向移動，使之一直處于運行狀態(tài)。上隅角及采空區(qū)埋管的管路布置，如圖1所示。

圖1 上隅角定向瓦斯抽采管路布置圖

2.3 上隅角抽采參數確定

2.3.1 上隅角抽采方法

采面上隅角埋管抽排的主要原理是在采面上隅角形成一個負壓旋渦擾動區(qū)，使該區(qū)域的瓦斯被皮質風筒抽走，這樣可以避免采面上隅角局部地點空氣流通不暢（或微風）造成的瓦斯超限，也可以解決因漏風而從采面上隅角涌出的瓦斯超限風險[6-8]。為便于操作，可利用負壓風筒將采掘工作面上隅附近的管線與主采掘管線相連。將負壓風筒插入采掘工作面的上角。為保證吸風口在上隅角的上部（上部瓦斯?jié)舛雀撸描F絲掛在支架上。為提高抽采濃度，可在上隅角頂板的支柱位置搭設臨時封閉的風障或采用黃泥沙袋對上隅角進行臨時封堵。上隅角埋管抽采工藝如圖2 所示。

圖2 上隅角埋管抽采瓦斯示意圖

通過對趙莊礦回采工作面瓦斯涌出量數據的統(tǒng)計可知，該礦綜采工作面的絕對瓦斯涌出量一般在30～60 m3/min 之間，抽采量一般占據30～40 m3/min，風排量一般為10～20 m3/min。在將先前采用的尾部橫川取消后，采用的U 型通風方法需要多解決工作面原來依靠風排才能解決掉的15 m3/min 瓦斯。依據先前工作面的生產經驗，上隅角瓦斯涌出量一般占到工作面瓦斯涌出總量的25%～30%左右。因此，可以預計得到上隅角瓦斯涌出約為4～5 m3/min。在生產過程中，由于采動影響、上下鄰近煤層涌出的影響會存在不確定性，將上隅角瓦斯涌出量不均衡系數確定為1.2 后計算，得到上隅角需要定向抽采解決掉5～6 m3/min 的瓦斯。

2.3.2 上隅角抽采參數確定

2.3.2.1 抽采管路直徑

抽氣管道管徑選擇合理，對抽氣系統(tǒng)建設投資和抽氣系統(tǒng)效果有很大影響。如果直徑太大，投資成本會增加；如果直徑太細，管道阻力損失將很大，抽采效率低，抽采工作也就是失去了解決瓦斯問題的意義。依據《煤礦瓦斯抽采工程設計規(guī)范》中6.2.1 中的瓦斯抽采管徑計算方法，計算得到了趙莊礦回采工作面采空區(qū)抽采瓦斯管路管徑選擇，如表1 所示。

表1 抽采系統(tǒng)瓦斯管徑選擇結果

抽采管路主管和干管均選用符合山西省能源局規(guī)定的不銹鋼螺旋卷焊鋼管，管徑以表1 中計算的管徑為依據進行選擇。最終確定各管路的具體規(guī)格如下：敷設于回采工作面回風巷尾部橫川密閉墻插管段的抽采瓦斯管路的規(guī)格為D355 非金屬管路（兩趟）；上隅角的埋管段抽采瓦斯管路的規(guī)格均為D400 負壓風筒；敷設于回風巷插管和上隅角埋管管口到抽采泵站段和抽采泵站到三盤區(qū)回風巷段的抽采瓦斯管路規(guī)格均為D610×2.5 mm 的不銹鋼螺旋咬縫鋼管，管路間采用法蘭進行連接。

2.3.2.2 抽采管路阻力

瓦斯抽采系統(tǒng)與管路的管徑及管路長短有直接關系，直接計算方法是管路的摩擦阻力與局部阻力之和。其中計算管網阻力時的一個基本原則是，考慮其最長的線路或抽采系統(tǒng)處于最低抽采量時的管網系統(tǒng)進行取值。根據趙莊礦一盤區(qū)和三盤區(qū)的巷道布置情況，當井下臨時抽采瓦斯泵站抽采最困難時的抽采瓦斯管路負壓段管路長約50 m，負壓段管路長約2 550 m，正壓段管長約300 m。依據《煤礦瓦斯抽采工程設計規(guī)范》中6.3.2 節(jié)中的相關公式，回采工作面采空區(qū)埋管/插管段摩擦阻力為65 Pa（負壓段），埋管/插管到井下臨時抽采瓦斯泵站段管路的摩擦阻力為3 909 Pa（負壓段），從井下臨時抽采瓦斯泵站到三盤區(qū)回風巷段的摩擦阻力為407 Pa（正壓段）。一般來說，在計算出摩擦阻力后，局部阻力一般占到摩擦阻力的20%左右，計算得出的負壓段的局部摩擦阻力為795 Pa，正壓斷的局部摩擦阻力為81 Pa。依據抽采系統(tǒng)總阻力為摩擦阻力和局部阻力之和，故抽采瓦斯管網系統(tǒng)的負壓段總阻力為4 769 Pa，正壓段的總阻力為488 Pa。因此，得出井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)管路的最大阻力約為5.257 kPa。

2.3.2.3 真空泵的選擇

依據《煤礦瓦斯抽采工程設計規(guī)范》中6.6.4 節(jié)中的計算公式，計算得出的低負壓抽采系統(tǒng)設計抽采量為5.76 m3/min，抽采濃度按4%計算，則標準狀態(tài)下瓦斯抽采泵所需額定流量Q 為270.00 m3/min。

抽采瓦斯真空泵壓力必須能克服抽采管網系統(tǒng)總阻力損失和保證管口有足夠的負壓，以及能滿足抽采瓦斯真空泵出口正壓之需求。抽采瓦斯真空泵壓力按《煤礦瓦斯抽采工程設計規(guī)范》中6.6.5 公式，抽采瓦斯管路系統(tǒng)的阻力損失為5 257 Pa，采空區(qū)埋管負壓取7 000 Pa，正壓段抽采管路出口正壓5 000 Pa（直接排放至盤區(qū)回風巷），則低負壓抽采瓦斯真空泵的壓力為22 435 Pa。趙莊礦當地井下大氣壓為95 000 Pa，泵的真空度用i 表示。低負壓抽采瓦斯系統(tǒng)：i=100H泵/101 325=100×22 435/101 325=22.14%，泵的絕對壓力為95 000-22 435=72 565 Pa，實際取泵入口的絕對壓力為72 kPa。依據《煤礦瓦斯抽采工程設計規(guī)范》公式可得出抽采真空泵的工況流量為377.01 m3/min。

根據《煤礦瓦斯抽采達標暫行規(guī)定》第二十三條：瓦斯抽采泵和管網的能力要留有足夠的富余系數，備用泵能力應不小于運行泵中最大一臺單泵的能力。運行泵的裝機能力應不小于瓦斯抽采達標時應抽采瓦斯量對應工況流量的2 倍。因此，低負壓瓦斯抽采系統(tǒng)瓦斯抽采泵裝機能力（即瓦斯抽采達標時抽采瓦斯量對應工況流量的2 倍）可計算得出，要在滿足瓦斯抽采泵核定裝機能力為402.14 m3/min?；夭晒ぷ髅娌煽諈^(qū)低負壓抽采系統(tǒng)抽采瓦斯真空泵吸氣量為402.14 m3/min，吸氣壓力為72 kPa。

根據抽采瓦斯真空泵的性能曲線，最終確定低負壓系統(tǒng)工況參數為：吸氣壓力72 kPa，吸氣量420 m3/min＞402.14 m3/min，因此泵的運行工況參數可以滿足要求。選用的ZJW500 煤礦用濕式羅茨真空泵的性能曲線，如圖3 所示。

圖3 ZJW500 煤礦用濕式羅茨真空泵性能曲線

3 應用效果

采用井下移動瓦斯抽采泵對一盤區(qū)的1309 采面進行了現場試驗，該工作面在未設置井下移動泵站進行上隅角瓦斯抽采之前，上隅角瓦斯?jié)舛龋ㄍ咚贵w積分數，全文相同）始終處于0.7%～0.8%的臨界報警狀態(tài)，只能在減緩生產節(jié)湊、提高后部采空區(qū)埋管及適當加大工作面風量的基礎上來降低上隅角超限風險。但在工作面已回采420 m 以后，搭建的井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)由1309 工作面相鄰的一采區(qū)進風大巷的臨時硐室內引入負壓側管路敷設至上隅角，正壓測由抽采泵排出至一采區(qū)回風大巷，井下移動泵站運行后，上隅角瓦斯?jié)舛蕊@著降低至0.5%左右，工作面通風、生產壓力顯著降低。

5 總結

依據《煤礦瓦斯抽采工程設計規(guī)范》的相關計算方法，對井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)的管徑、抽采管的阻力及抽采泵的選型等進行了合理計算，保證了瓦斯抽采泵運行的穩(wěn)定與安全。

由于趙莊礦開采煤層屬松軟破碎煤層，綜采工作面存在鉆孔抽采效率低、鉆孔工程量大及瓦斯抽采不達標等問題，導致在綜采工作面生產時，高強度生產會導致瓦斯大量涌出，上隅角瓦斯難以控制到1%以下，綜采面上隅角瓦斯超限壓力巨大。