王建偉，杜朝陽(yáng)

(1.國(guó)投煤炭鄭州能源開發(fā)有限公司，河南 登封 452470;2.河南理工大學(xué)能源學(xué)院，河南 焦作 454003)

三水平32采區(qū)為新登煤業(yè)新開拓采區(qū)，采掘生產(chǎn)期間的實(shí)際瓦斯涌出量沒(méi)有可參照的歷史數(shù)據(jù);同時(shí)，根據(jù)開拓、掘進(jìn)期間實(shí)際揭露資料，32采區(qū)與鄰近的南翼31采區(qū)瓦斯涌出特征具有非常明顯的差異，不能依據(jù)31采區(qū)的通風(fēng)、瓦斯數(shù)據(jù)，應(yīng)用礦山統(tǒng)計(jì)法對(duì)32采區(qū)的瓦斯涌出量進(jìn)行預(yù)測(cè)。因此，依據(jù)國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》(AQ1018-2006)規(guī)定的分源預(yù)測(cè)法對(duì)32采區(qū)瓦斯涌出進(jìn)行預(yù)測(cè)。

1 計(jì)算32采區(qū)瓦斯涌出源的瓦斯涌出量值

1.1 掘進(jìn)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(jìn)煤巷煤壁瓦斯涌出量。

式中:

Q1-1—掘進(jìn)煤巷煤壁瓦斯涌出量，m3/min;

D—巷道斷面內(nèi)暴露煤面的周邊長(zhǎng)度，m;

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

V—巷道平均掘進(jìn)速度，m/min，普掘工作面計(jì)劃月進(jìn)尺為116 m時(shí)，取0.0028;

L—巷道長(zhǎng)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(shù)，取 0.026;

X—煤層原始瓦斯含量，m3/t，取 13.93;

Vdaf—煤的揮發(fā)分含量，%，根據(jù)地勘資料，取 12.47。

2)掘進(jìn)煤巷落煤瓦斯涌出量［1］。

式中:

Q1-2—掘進(jìn)煤巷落煤瓦斯涌出量，m3/min;

S—掘進(jìn)煤巷斷面積，m2，參照32061副巷作業(yè)規(guī)程，取 8.87;

V—巷道平均掘進(jìn)速度，m/min;

p—煤的密度，t/m3，取 1.35;

Xc—運(yùn)出礦井后原煤的殘存瓦斯含量，m3/t，根據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)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(jù)地勘資料，取10.19;

W—煤中水分含量，%，根據(jù)地勘資料，取1.92。

由此計(jì)算原煤運(yùn)出礦井后的殘存瓦斯含量為:

則，掘進(jìn)落煤瓦斯涌出量:

由此得出:每個(gè)煤巷掘進(jìn)工作面的絕對(duì)瓦斯涌出總量為:

32采區(qū)正常生產(chǎn)期間布置2個(gè)煤巷掘進(jìn)工作面，由此計(jì)算掘進(jìn)工作面瓦斯涌出總量為:

1.2 回采工作面瓦斯涌出量

每個(gè)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?jī)刹糠纸M成，即:

式中:

q采—回采工作面相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t;

q1—開采層相對(duì)瓦斯涌出量，m3/t;

q2—鄰近層相對(duì)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(shí)，開采煤層回采工作面瓦斯涌出量按下式計(jì)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(shù)，與圍巖巖性、圍巖瓦斯含量及頂板管理方法有關(guān)，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(shù)，K2=1/刀，刀—工作面回采率，%，取 93，計(jì)算得，K2=1.08;

K3—采區(qū)內(nèi)已掘進(jìn)(準(zhǔn)備)巷道預(yù)排瓦斯對(duì)開采層煤體瓦斯涌出的影響系數(shù)。采用走向長(zhǎng)壁后退式回采方法時(shí)，K3按下式確定:

式中:

L—回采工作面傾斜長(zhǎng)度，m，取150;

h—已掘進(jìn)巷道預(yù)排瓦斯帶寬度，m，與巷道煤壁暴露時(shí)間d有關(guān)，依據(jù)《礦井瓦斯涌出量預(yù)測(cè)方法》(AQ1018-2006)中表 D.1 取 10.5，計(jì)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(yù)測(cè)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(jì)算結(jié)果，綜采工作面相對(duì)瓦斯涌出量為:

結(jié)合鄰近31采區(qū)31071綜采工作面日產(chǎn)量1540 t/d的生產(chǎn)規(guī)模計(jì)算，32采區(qū)綜采工作面絕對(duì)瓦斯涌出量為20.75 m3/min。

1.3 生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出量

生產(chǎn)采區(qū)所有回采工作面、(煤巷)掘進(jìn)工作面和采空區(qū)瓦斯涌出量之和，按下式計(jì)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(jì)算出每個(gè)綜采工作面本煤層瓦斯涌出量為:

式中:

q'—生產(chǎn)采區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量，m3/min;

K'—采空區(qū)瓦斯涌出系數(shù)，取1.30;

q2i—第i個(gè)回采工作面的瓦斯涌出量，m3/t;

Ai—第i個(gè)回采工作面的平均日產(chǎn)量，t/d;

Q1i—第i個(gè)掘進(jìn)工作面(煤巷)的瓦斯涌出量，m3/min。

據(jù)此計(jì)算得到32采區(qū)正常生產(chǎn)及通風(fēng)最困難時(shí)期最大瓦斯涌出量為:

2 瓦斯抽采的必要性

根據(jù)國(guó)家《煤礦安全規(guī)程》(2010)和《煤礦瓦斯抽放規(guī)范》(2006)的規(guī)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(tǒng)或井下移動(dòng)泵站瓦斯抽放系統(tǒng)。

1)一個(gè)采煤工作面絕對(duì)瓦斯涌出量大于5 m3/min或一個(gè)掘進(jìn)工作面絕對(duì)瓦斯出量大于3 m3/min，用通風(fēng)方法解決瓦斯問(wèn)題不合理的。

2)礦井絕對(duì)瓦斯涌出量q達(dá)到以下條件的:

年產(chǎn)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(xiǎn)煤層。

國(guó)投新登鄭州煤業(yè)有限公司屬登封市地方國(guó)有企業(yè)。2006年經(jīng)河南省煤炭工業(yè)局核定礦井生產(chǎn)能力為84萬(wàn)t/a，當(dāng)前實(shí)際生產(chǎn)能力為84萬(wàn)t/a。根據(jù)以上規(guī)定和計(jì)算結(jié)果該礦32采區(qū)有必要進(jìn)行瓦斯抽采。

3 瓦斯抽采方案設(shè)計(jì)

3.1 選擇瓦斯抽采方法的原則

抽采瓦斯的類型按空間對(duì)象分有開采層、鄰近層、采空區(qū)和圍巖抽采;按地應(yīng)力對(duì)比來(lái)分，有未卸壓和卸壓抽采;按時(shí)間對(duì)比分，有采(掘)前預(yù)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(yīng)根據(jù)礦井煤層賦存條件、瓦斯基本參數(shù)、瓦斯來(lái)源、巷道布置、抽采瓦斯的目的及瓦斯利用等因素來(lái)確定，并應(yīng)遵守以下原則:

1)抽采方法應(yīng)適合煤層賦存狀況、巷道布置、地質(zhì)條件和開采技術(shù)條件。

2)應(yīng)根據(jù)礦井瓦斯涌出來(lái)源及涌出量構(gòu)成分析，有針對(duì)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(yīng)盡可能地利用生產(chǎn)巷道，以減少抽采工程量。

4)選擇的抽采方法應(yīng)有利于抽采巷道的布置和維護(hù)。

5)選擇的抽采方法應(yīng)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(yīng)有利于鉆場(chǎng)、鉆孔的施工和抽采系統(tǒng)管網(wǎng)的布置，有利于增加鉆孔的抽采時(shí)間。

3.2 瓦斯抽采方法的確定

鑒于新登煤業(yè)目前仍為低瓦斯礦井，但32采區(qū)存在局部的高瓦斯區(qū)域，甚至發(fā)生瓦斯動(dòng)力現(xiàn)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(fēng)能合理解決的水平或減輕礦井通風(fēng)負(fù)擔(dān);同時(shí)，輔以消除或緩解局部地帶可能存在瓦斯突出(或瓦斯動(dòng)力現(xiàn)象)傾向性特征。據(jù)此確定32采區(qū)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(jìn)工作面)和采空區(qū)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(yù)抽掘進(jìn)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(qū)卸壓瓦斯。

4)采用埋管方式抽采回采工作面采空區(qū)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(yù)抽本煤層瓦斯可以有效降低回采時(shí)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(chǎn)系統(tǒng)的瓦斯?jié)舛?。該瓦斯抽采方法的鉆孔布置方式見(jiàn)圖1。本煤層預(yù)抽鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)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(yù)抽鉆孔布置參數(shù)表

3.2.2 掘進(jìn)工作面瓦斯抽放

掘進(jìn)工作面抽采瓦斯的方法有邊掘邊抽和先抽后掘兩種方式?？紤]到新登煤業(yè)在31采區(qū)掘進(jìn)工作面瓦斯涌出相對(duì)較小，但在32采區(qū)存在局部高瓦斯區(qū)域，建議采用邊掘邊抽方式，可以根據(jù)不同的瓦斯賦存特征，重點(diǎn)針對(duì)高瓦斯區(qū)域采用順層條帶預(yù)抽掘進(jìn)工作面前方煤體的瓦斯，從而降低掘進(jìn)作業(yè)時(shí)的瓦斯涌出量。在煤巷掘進(jìn)工作面采用順煤層條帶預(yù)抽瓦斯的鉆孔布置方式見(jiàn)圖2。推薦的鉆孔布置參數(shù)見(jiàn)表2。

圖2 掘進(jìn)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(shù)表

在煤巷掘進(jìn)工作面后5 m處的巷道兩幫各施工一個(gè)鉆場(chǎng)。鉆場(chǎng)的規(guī)格應(yīng)根據(jù)巷幫瓦斯抽放鉆孔布置的要求，選用鉆機(jī)的外形尺寸及鉆桿長(zhǎng)度而定。根據(jù)該礦的具體情況，每組鉆場(chǎng)在煤巷兩側(cè)錯(cuò)開布置，其規(guī)格為:4 m×4 m×2 m，采用木棚支護(hù)。相鄰兩組鉆場(chǎng)之間的間距為40～50 m。

在每一鉆場(chǎng)內(nèi)，沿走向布置3～5個(gè)順煤層抽采鉆孔，孔深60 m左右;同一側(cè)鄰近鉆場(chǎng)施工的鉆孔要保證有5～10 m的交叉范圍。

掘進(jìn)工作面先抽后掘就是在煤巷掘進(jìn)工作面向前方煤層施工扇形鉆孔，每個(gè)循環(huán)9～11個(gè)鉆孔，鉆孔深度50～60 m;每個(gè)循環(huán)間距40～50 m;預(yù)計(jì)抽放時(shí)間為20 d左右。鉆孔終孔點(diǎn)分別控制到煤巷兩幫距離巷道中心線兩側(cè)各15 m范圍。

鉆孔布置的原則是保證將鉆孔布置在煤層內(nèi)，鉆孔傾角與巷道底板平行或根據(jù)煤層的厚度向上或下傾斜。當(dāng)掘進(jìn)工作面抽放鉆孔數(shù)量較多時(shí)，為擴(kuò)大鉆孔覆蓋范圍，抽放鉆孔應(yīng)以巷道中線為基準(zhǔn)，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(fēng)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(qū)中的瓦斯通過(guò)鉆孔和瓦斯抽采管道排放到地表或采區(qū)回風(fēng)巷(回風(fēng)井)中?，F(xiàn)場(chǎng)在施工高位鉆孔時(shí)還應(yīng)當(dāng)充分考慮以下方面:

1)根據(jù)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(fēng)巷口以下20 m。

2)根據(jù)相關(guān)科研成果及經(jīng)驗(yàn)，煤層頂板的3～5倍采高范圍內(nèi)為受采動(dòng)影響后巖層破碎、充分卸壓，因而在采面和采空區(qū)上部形成了一個(gè)彼此相通的、具有很高透氣性的區(qū)域，非常有利于瓦斯抽采;結(jié)合新登煤業(yè)當(dāng)前的回采方法和工藝及作業(yè)規(guī)程及其鄰近礦井的實(shí)際情況，該部分區(qū)域的高度為20 m左右。所以，高位抽采鉆孔的終孔位置應(yīng)該在煤層頂板以上15～20 m范圍之內(nèi)。

3)應(yīng)該通過(guò)補(bǔ)充測(cè)定二1煤層瓦斯抽采半徑、實(shí)際考察回采工作面頂板裂隙帶高度等指標(biāo)對(duì)抽采鉆孔的布置進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到最佳的抽采效果。

4)適當(dāng)增加封孔深度及鉆孔中套管長(zhǎng)度可以有效提高抽采瓦斯的濃度。

綜上所述，初步設(shè)計(jì)32采區(qū)回采工作面回風(fēng)巷高位鉆孔布置方式見(jiàn)圖3。

圖3 回風(fēng)巷高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯示意圖

3.2.4 采空區(qū)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(qū)內(nèi)進(jìn)行抽采，見(jiàn)圖4。根據(jù)二1煤層頂板的巖性特征和回采工藝，從實(shí)用和經(jīng)濟(jì)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(qū)內(nèi)一端2～3 m的管子的管壁穿有小孔并用紗網(wǎng)包好，防止抽采過(guò)程中發(fā)生堵塞現(xiàn)象。該管應(yīng)盡量靠近煤層頂部，處于瓦斯?jié)舛容^高的地點(diǎn)。這種瓦斯抽采方法抽出的瓦斯?jié)舛纫话悴桓?，通常只?0% ～25%，故而抽采效率較低。但簡(jiǎn)單易行，而且成本低。

圖4 利用采空區(qū)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(qū)的長(zhǎng)度在20～30 m。另外，雖然根據(jù)地勘報(bào)告及相關(guān)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(xiàn)過(guò)局部煤自燃的狀況，所以抽采初期首先要作好對(duì)采空區(qū)遺煤自燃(即氣體濃度)的監(jiān)測(cè)和預(yù)防(預(yù)置采空區(qū)注漿管)工作;并在此基礎(chǔ)上通過(guò)不斷試探，尋找一個(gè)比較理想的插管長(zhǎng)度，以盡量提高瓦斯抽采效率。

3.3 瓦斯抽采效果預(yù)測(cè)

3.3.1 預(yù)計(jì)抽采瓦斯量

根據(jù)前面分析，在開采32采區(qū)深部采、掘工作面瓦斯涌出量最大時(shí)需要抽采的總瓦斯量為26.29 m3/min。結(jié)合新登煤業(yè)及其鄰近的鄭煤集團(tuán)搞成、白坪煤礦當(dāng)前的瓦斯抽采實(shí)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(chǎn)進(jìn)程的邊采邊抽，所以抽采年限與采區(qū)服務(wù)年限相同，應(yīng)該在11年以上。

3.3.2 預(yù)計(jì)采區(qū)瓦斯抽采率

礦井(或采區(qū))抽采率是指礦井(或采區(qū))的抽出瓦斯量占其風(fēng)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(fēng)排瓦斯量，m3/min;QKY—礦井抽采瓦斯量，m3/min。

綜合前面分析數(shù)據(jù)，計(jì)算得到新登煤業(yè)32采區(qū)瓦斯抽采率為71.33%。

4 結(jié)論

我國(guó)煤礦主要是井下開采，生產(chǎn)環(huán)境條件復(fù)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(xiǎn)也不斷增加，高瓦斯突出礦井?dāng)?shù)量也在增加，致使煤炭企業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中經(jīng)常發(fā)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(shù)是瓦斯災(zāi)害防治的主要技術(shù)措施，本文通過(guò)計(jì)算采區(qū)瓦斯涌出量以及根據(jù)地質(zhì)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(fā)生，確保了礦井安全生產(chǎn)。

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

［2］愈啟香.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1992:69-70.

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

［4］杜 通.趙各莊礦瓦斯抽放工藝參數(shù)優(yōu)化研究［D］.唐山:河北理工大學(xué)，2009.