趙凱玉

（山西焦煤集團(tuán)西山煤電屯蘭煤礦，山西 太原 030052）

1 工作面概況

屯蘭礦位于山西太原古交市，礦井生產(chǎn)能力4.50 Mt/a，是一座裝備有各種大型先進(jìn)煤礦機電設(shè)備的現(xiàn)代化礦井。根據(jù)2011年重慶煤科院提供的相關(guān)報告，屯蘭礦鑒定為煤與瓦斯突出礦井，2019年的絕對和相對瓦斯涌出量分別達(dá)到262.37 m3/min和46.36 m3/t。

18403工作面位于井下南翼下組煤盤區(qū)的右翼，開采8#煤層。工作面傾向長235 m，走向長2 096 m，平均采高2.75 m。為提高煤炭回收率，同時改善井下通風(fēng)狀況，屯蘭礦目前普遍實施了沿空留巷施工作業(yè)，由此構(gòu)成了圖1中的兩順槽進(jìn)風(fēng)，污風(fēng)從專用回風(fēng)巷排出；另外，在下部的9#煤層中開拓底抽巷，加強鄰近層瓦斯抽放。

圖1 18403工作面巷道組成

2 基于涌出量預(yù)測的瓦斯抽采分析

2.1 瓦斯來源

由18403工作面頂?shù)装宓刭|(zhì)探測情況可知，8#煤層的上鄰近層為7#煤層，下鄰近層為9#煤層。因此，工作面回采時，一部分瓦斯來源于本煤層，所占比例較大；另一部分則來源于上下兩鄰近層，占比較小，但必須加以控制。另外，也需關(guān)注和治理采空區(qū)的瓦斯涌出。

2.2 瓦斯涌出量預(yù)測計算

（1）對于當(dāng)前所開采8#煤層的相對瓦斯涌出量q1，經(jīng)驗計算見式（1）：

式中：K1為工作面上部巖層影響系數(shù)，其取值與回采后采空區(qū)頂板的處理方法相關(guān)，由于該工作面采用全部垮落法，因此上部巖層對本煤層瓦斯影響明顯，取K1=1.3；K2為遺煤影響系數(shù)，由于遺煤量與回采率η是負(fù)相關(guān)的，因此假設(shè)η=0.95，則K1=1.05；K3為采準(zhǔn)巷所實施的預(yù)抽瓦斯措施對當(dāng)前瓦斯的影響系數(shù)，取K3=0.88；m為煤層厚度，8#煤平均厚度2.75 m（其中煤層有益厚度2.41 m，局部夾矸平均厚度0.34 m）；M 為平均采高，18403工作面取M=2.75 m；W0為當(dāng)前煤層的最大瓦斯含量，已知W0=13.413 5 m3/t；WC為運出礦井后煤的殘存瓦斯含量，WC=3.4 m3/t[4-6]。

代入式（1）計算可得，8#煤的相對瓦斯涌出量q1=10 m3/t，以該工作面日產(chǎn)4 700 t原煤計算，本煤層的絕對瓦斯涌出量Q1=33 m3/min。

（2）對于上鄰近7#煤層及下鄰近9#煤層的瓦斯涌出量q2的計算，見式（2）：

式中：i為鄰近層編號，上部7#煤i=1，下部9#煤i=2；WOi為編號i鄰近層的初始瓦斯含量，取WO1=5.7 m3/t，WO2=11.312 3 m3/t；Wci為編號i鄰近層內(nèi)的剩余瓦斯含量，取Wc1=1.345 5 m3/t，Wc2=1.459 2 m3/t；mi為相應(yīng)編號的鄰近層的煤厚，7#煤m1=0.99 m，9#煤m2=1.69 m；ηi為編號i鄰近層的預(yù)計瓦斯排放比，ηi的大小與煤層間距負(fù)相關(guān)，取η1=80%，η2=50%。

上鄰近7#煤層與下鄰近9#煤層的參數(shù)分別代入式2，計算可知，相對瓦斯涌出量分別為Q2上=1.25 m3/t、Q2下=3 m3/t，以工作面平均日產(chǎn)4 700 t原煤計算，相應(yīng)位置的絕對瓦斯涌出量分別為Q2上=4 m3/min、Q2下=10 m3/min。

（3）工作面瓦斯涌出總量計算

式（1）、式（2）中計算所得的各部分?jǐn)?shù)值相加，即為18403工作面的絕對瓦斯涌出量預(yù)測計算值Q=Q1+Q2上+Q2下=47 m3/min。

2.3 瓦斯抽采的必要性與可行性

在以上瓦斯預(yù)測計算數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步作出以下科學(xué)判斷：

（1）必要性：測定所得8#煤層的瓦斯約為13.413 5 m3/t，為保障回采期間的安全性，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》規(guī)定，必須將該項指標(biāo)降至小于8 m3/t，因此，該工作面必須實施瓦斯抽采。此外，由于工作面的絕對瓦斯涌出量Q介于40 m3/min和70 m3/min之間，對照《煤礦安全規(guī)程》要求，18403工作面的抽采率還必須大于50%。

（2）可行性：根據(jù)前期鑒定報告，8#煤的透氣性系數(shù)指標(biāo)為3.632 9 m2/MPa2.d，百米鉆孔瓦斯衰減系數(shù)為0.003 1 d-1，參照“煤層瓦斯抽采難易程度表”中規(guī)定，8#煤層屬于可抽采煤層。

3 18403工作面瓦斯抽采方案的設(shè)計

3.1 瓦斯抽采方法選擇

綜合分析相鄰已回采工作面瓦斯抽采情況及本工作面瓦斯涌出預(yù)測數(shù)據(jù)，決定對18403工作面采用“本煤層抽采+上、下鄰近層抽采+采空區(qū)瓦斯抽采”的綜合瓦斯治理措施，以確保工作面安全生產(chǎn)。18403工作面所處8#煤層的設(shè)計規(guī)劃抽采時間為12個月，須在抽采6個月后鉆孔檢測剩余瓦斯含量是否滿足8 m3/t以下要求。若不滿足要求，應(yīng)采取相應(yīng)措施，確保在回采前使煤層瓦斯含量在《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的8 m3/t以下的要求。

3.2 瓦斯抽采鉆孔參數(shù)及封孔工藝方案

（1）本煤層鉆孔布置參數(shù)及封孔工藝

為保證抽采效果及抽、掘、采銜接緊湊，將本煤層鉆孔布置在工作面軌道巷，鉆孔布置參數(shù)為：規(guī)格Ф113 mm，鉆孔進(jìn)深220 m，與巷道壁垂直夾角4°，水平夾角90°，相鄰孔間隔5 m。預(yù)計鉆孔總數(shù)375處，總長82 500 m。

鉆孔后，為保證抽采效果，需對孔口的抽采管道進(jìn)行良好的密封。結(jié)合現(xiàn)場抽采經(jīng)驗，決定利用2寸的PVC管進(jìn)行封孔。本煤層封孔所用管長為12 000 mm，見圖2。在兩端管口各800 mm長度內(nèi)，將麻袋繞在管上，聚氨酯填充間隙，以此保障兩端具有合格的密封和強度；然后中間段6800范圍直接使用聚氨酯進(jìn)行壓注填充，并用導(dǎo)氣管導(dǎo)出內(nèi)部氣體。管口需伸出煤壁300 mm，與外部管路相連。

圖2 本煤層抽采鉆孔封孔

（2）上、下鄰近層鉆孔布置參數(shù)及封孔工藝

為抑制上鄰近7#煤層瓦斯對當(dāng)前工作面的影響，在18403軌道巷實體煤壁上布置高、低位鄰近層抽采鉆孔，基本參數(shù)為：①低位鉆孔：規(guī)格Ф113 mm，鉆孔進(jìn)深100 m，與巷道壁垂直夾角15°，水平夾角45°，孔垂高26 m，伸入工作面69 m，相鄰孔間隔10 m；②高位鉆孔：孔徑規(guī)格和間距與低位鉆孔相同，鉆孔進(jìn)深110 m，與巷道壁垂直夾角25°，水平夾角55°，孔垂高46 m，伸入工作面82 m。共計370處鉆孔，鉆進(jìn)37 000 m。

為抑制下鄰近9#煤層瓦斯對當(dāng)前工作面的影響，在18403底抽巷內(nèi)布置順層預(yù)抽鉆孔，基本鉆孔參數(shù)為：規(guī)格Ф113 mm，鉆孔進(jìn)深220 m，與巷道壁垂直夾角-2°，水平夾角90°，相鄰孔間隔8～12 m，共計鉆孔198處，合計43 560 m。

鄰近層鉆孔的孔口密封方式與本煤層基本相同，見圖2。PVC管道總長縮短至8 000 mm，中間段密封填充尺寸縮短為2 800 mm，管口伸出煤壁200 mm。

3.3 瓦斯抽采量預(yù)測計算

（1）本煤層鉆孔抽采量預(yù)測

根據(jù)前期抽采經(jīng)驗，8#煤層中每個孔的平均瓦斯抽采量約為0.05 m3/min，18403工作面本煤層共布置375個鉆孔，考慮瓦斯抽采不均衡性，取不均衡系數(shù)為0.8，則本煤層鉆孔抽采量預(yù)計為15 m3/min。

（2）軌道巷內(nèi)7#煤層瓦斯抽采量預(yù)測

上鄰近7#煤層高、低位孔共施工8組，預(yù)計每組孔的平均抽采量為1.4 m3/min，假設(shè)各孔不均衡系數(shù)為0.8，則上鄰近7#煤層的預(yù)測抽采量可達(dá)9 m3/min。

（3）底抽巷內(nèi)9#煤層鉆孔抽采量預(yù)測

假設(shè)9#煤層的單孔平均瓦斯抽采量同樣為0.05 m3/min，考慮各孔不均衡系數(shù)0.8，按施工198孔計算，則下鄰近9#煤層的瓦斯抽采量預(yù)測為8 m3/min。

（4）低濃度瓦斯抽放系統(tǒng)抽采量預(yù)測

為有效消除回風(fēng)隅角的瓦斯超限問題，需在18403軌道巷內(nèi)，沿頂板鋪設(shè)一條管路，然后利用井下低濃度抽采系統(tǒng)對回風(fēng)隅角及采空區(qū)內(nèi)的低濃度瓦斯進(jìn)行抽采。根據(jù)以往生產(chǎn)經(jīng)驗，該位置預(yù)計抽采量為3 m3/min。

（5）抽采率計算

對以上各預(yù)測結(jié)果進(jìn)行相加，則總共可抽采瓦斯量為35 m3/min，相應(yīng)瓦斯抽采率θ=35÷47=74%，大于50%規(guī)定，滿足要求。

4 瓦斯抽采管路設(shè)計

4.1 管路布置

根據(jù)鉆孔布置情況，在軌道巷右?guī)桶惭b一趟直徑D1的總抽采管路，用于對軌道巷內(nèi)本煤層及上鄰近層抽出的瓦斯進(jìn)行輸送；同時，在軌道巷左幫安裝一條直徑D2的管路，用于輸送采空區(qū)內(nèi)抽出的低濃度瓦斯。另外，在底抽巷內(nèi)設(shè)置直徑D3的抽采管路，對底抽巷內(nèi)下鄰近9#煤層抽出的瓦斯進(jìn)行輸送。

4.2 抽采管路選型計算

各瓦斯輸送管路的管徑規(guī)格D見式（3）。

式中：Q為管路中的氣體總流量，m3/min；V為管內(nèi)氣體流速，取V=10-15 m/s。

預(yù)測本煤層的抽采量15 m3/min，7#煤層9 m3/min，假設(shè)管道內(nèi)的瓦斯?jié)舛葹?0%，則管道內(nèi)的混合氣體總流量為48 m3/min。另外，若氣體流速為12 m/s，則直徑D1=0.145 7×（48/12）1/2=291 mm。

低濃度系統(tǒng)抽采量3 m3/min，按管路中瓦斯?jié)舛?%計算，則管道中的總氣體流量為100 m3/min，假設(shè)氣體流速13 m/s，則直徑D2=0.145 7×（100/13）1/2=404 mm

因此，應(yīng)在軌道巷右?guī)秃妥髱头謩e布置相近直徑為325 mm、426 mm的不銹鋼抽采管路，對相應(yīng)區(qū)域的瓦斯進(jìn)行抽采。

另外，下鄰近9#煤層抽采量8 m3/min，按瓦斯?jié)舛?0%計算，管內(nèi)混合氣體流量為20 m3/min，假設(shè)氣體流速10 m/s，則直徑D3=0.145 7×（20/10）1/2=206 mm

因此，應(yīng)在底抽巷內(nèi)安裝相近直徑325 mm的不銹鋼管路。

5 結(jié)語

1）經(jīng)預(yù)測計算，18403工作面的絕對瓦斯涌出量為47 m3/min，按相關(guān)規(guī)定，必須對各來源瓦斯進(jìn)行抽采，且抽采率須超過50%，煤體自身的透氣性能也具備抽采的可行性。

2）分析可知，18403工作面應(yīng)實施“本煤層抽采+上、下鄰近層抽采+采空區(qū)瓦斯抽采”的綜合治理措施，并采用相應(yīng)封孔工藝保證密封性能，經(jīng)預(yù)測計算，瓦斯抽采率可達(dá)74%，滿足相關(guān)要求。

3）根據(jù)鉆孔布置情況，應(yīng)在軌道巷左、右兩幫、底抽巷內(nèi)分別安裝直徑426 mm、325 mm、325 mm的瓦斯抽采管路，以保證瓦斯安全高效地就近輸送。