瓦斯抽放技術研究與實踐

王宏峰

1 概 況

1.1 煤層瓦斯地質條件

中峪礦井所處區域主要以褶曲構造為主,從構造形跡的性質來看,區內大型褶曲是燕山運動初期強烈的東西向擠壓作用所致,小型褶曲則是燕山運動后期因區塊的左旋扭動而造成的壓扭性變形;壓扭和擠壓特性為主的褶曲構造、較大的埋藏深度、致密完整的煤層頂底板和相對高變質程度的煤質,使得井田煤層具有良好的瓦斯“生”、“儲”、“蓋”條件,煤層瓦斯難以逸散。

1.2 煤層瓦斯分布規律

中峪井田范圍內的煤層絕大部分位于甲烷帶,且煤層甲烷成分均大于 80%。無論是同一煤層還是不同的煤層,盡管相關程度不是非常顯著,但瓦斯含量具有隨煤層埋藏深度的增大而增大的趨勢。

2 礦井瓦斯抽放方案

2.1 瓦斯抽放方法的選取

2.1.1 回采工作面開采煤層瓦斯預抽

鉆場平面扇形鉆孔、底板巖巷穿層鉆孔、正向平行鉆孔、迎面斜交平行鉆孔和交叉鉆孔是開采層瓦斯預抽最常見的五種方法[1]。結合中峪礦井煤層賦存特征、開采方案、采掘巷道設計和煤層的透氣性,并充分考慮預抽鉆孔的邊采邊抽效應,密集迎面平行鉆孔方式對開采煤層瓦斯進行強化預抽見圖 1。

圖 1 回采工作面開采層瓦斯預抽方式及鉆孔布置示意圖

回采工作面開采層瓦斯預抽鉆孔布置參數如下：鉆孔長度：110～115 m;鉆孔直徑：開孔 d89 mm,終孔 d63 mm;鉆孔與順槽夾角：84°～86°;鉆孔傾角：與煤層傾角相同;鉆孔間距：2 m;封孔深度：5～6 m;封孔方式：聚胺酯封孔。

2.1.2 鄰近層瓦斯抽放

采用頂板走向高抽巷,見圖 2。抽放 2#煤層回采工作面的鄰近層瓦斯,即：內錯回采工作面軌道順槽15～20 m,沿 1#煤層布置一條斷面積 4～5 m2的走向高抽巷,通過密閉高抽巷來抽放鄰近層瓦斯。

圖 2 走向高抽巷鄰近層瓦斯抽放方式示意圖

2.2 瓦斯管網系統選擇與管網阻力計算

2.2.1 瓦斯抽放管網系統

為便于抽放管理和瓦斯綜合利用,將地面永久瓦斯抽放站布置在距離回風立井附近的適當地點,回采工作面抽出的瓦斯通過工作面支管、大巷干管經由回風立井總管輸送到地面瓦斯抽放站。

2.2.2 瓦斯抽放管管徑計算及管材選擇

瓦斯抽放管管徑按下式計算：

式中：

D—瓦斯抽放管內徑,mm;

Q—抽放管內混合瓦斯流量,m3/min;

V—抽放管內瓦斯平均流速,m/s,取 10。

設定：1)回風立井和地面瓦斯抽放管為總管。2)兩翼大巷瓦斯抽放管為干管。3)鄰近層瓦斯抽放管為支管 1。4)回采工作面開采層瓦斯預抽管為支管2。

據各瓦斯抽放管內預計的瓦斯流量,按式 (1)計算選擇的瓦斯抽放管管徑,見表 1。

表 1 瓦斯抽放管管徑計算選擇結果表

2.2.3 管網阻力計算

2.2.3.1 摩擦阻力(Hm)

式中：

Hm—管路摩擦阻力,Pa;

L—管路長度,m;

Q—抽放管內混合瓦斯流量,m3/h;

γ—混合瓦斯對空氣的密度比;

K—與管徑有關的系數;

D—抽放管內徑,cm。

2.2.3.2 局部阻力(Hj)

按摩檫阻力 15%計算,即：

式中：

Hj—管路局部阻力,Pa;

Hm—管路摩擦阻力,Pa。

為了保證選用的瓦斯抽放泵能滿足抽放系統最困難時期所需抽放負壓,應根據礦井 2#煤層生產期間瓦斯抽放系統中管路最長、流量最大、阻力最高的抽放管線來計算礦井抽放系統總阻力。此時的瓦斯抽放系統最困難管線見表 2。

表 2 生產前期瓦斯抽放系統最困難管網阻力計算結果表

2.3 瓦斯抽放泵選型計算

瓦斯抽放泵的選型原則有兩個[2,3]：1)泵的流量應滿足抽放系統服務期限可能達到的最大瓦斯抽放量。2)泵的壓力能克服最困難路線的管網阻力,使抽放鉆孔達到足夠的負壓,并滿足抽放泵出口正壓需求。

2.3.1 瓦斯抽放泵流量計算方法

式中：

Q—瓦斯抽放泵所需額定流量,m3/m in;

Qz—礦井抽放系統最大瓦斯抽放純量,m3/m in;

X—礦井抽放瓦斯濃度,%;

K—備用系數,取 1.20;

η—抽放泵機械效率,取 0.80。

2.3.2 瓦斯泵壓力計算方法

式中：

H—瓦斯抽放泵所需壓力,Pa;

K—壓力備用系數,取 1.20;

Hzk—抽放鉆孔所需負壓,Pa;

Hm—井下管網的最大摩擦阻力,Pa;

Hj—井下管網的最大局部阻力,Pa;

Hc—瓦斯泵出口正壓,Pa。

2.4 瓦斯抽放效果預測

2.4.1 回采工作面開采層預抽量預計

中峪礦井 1#、2#煤層屬于較難抽放煤層,當采取密集迎面平行鉆孔強化預抽措施后 (工作面雙側布孔、單孔長度 110 m、孔間距 2 m),預計瓦斯抽放率可以達到 30%。按預抽 180天、瓦斯預抽率 30%計算,工作面在預抽期內平均抽放瓦斯量計算公式為：

式中：

Q—預抽期內工作面平均瓦斯預抽量,m3/min;

L1—工作面平均走向長度,m,1#煤和 2#煤取2 200;

L2—工作面傾斜長度,m,按設計取 230;

M—煤層平均厚度,m,1#煤取 1.01,2#煤取2.48;

γ—煤平均容重,t/m3,1#煤取 1.40,2#煤取1.38;

η—瓦斯預抽率,采用密集鉆孔強化預抽措施后,可以達到 30%;

X—煤層平均瓦斯含量,m3/t,1#煤和 2#煤平均原始瓦斯含量取14,1#煤層回采后,2#煤層的平均殘存瓦斯含量取 9。

把各個參數帶入式 (6)得預抽瓦斯總量將達到58.66 m3/min。

2.4.2 鄰近層瓦斯抽放量預計

鄰近層瓦斯抽放量計算公式為：

式中：

Q2—鄰近層瓦斯抽放量,m3/min;

ηl—鄰近層瓦斯抽放率,%,根據淮南、陽泉礦區的抽放經驗,走向頂板(底板)抽放巷或者分段走向高位鉆孔抽放鄰近層瓦斯,瓦斯抽放率可以達到 75% ～85%,取80%;

Q0—回采工作面鄰近層瓦斯涌出量,m3/min。

把各個參數帶入式(7)得鄰近層瓦斯抽放總量可達 31.97 ～64.43 m3/min。

3 結 論

1)中峪礦井煤層具有良好的瓦斯“生”、“儲”、“蓋”條件,井田范圍內的煤層絕大部分位于甲烷帶,無論是同一煤層還是不同的煤層,瓦斯含量均有隨煤層埋藏深度的增大而增大的趨勢。

2)采用分源預測法對中峪礦井一水平礦井瓦斯涌出量進行了預測,無論前期、中期還是后期,礦井都屬于高瓦斯礦井。

[1] 王佑安.礦井瓦斯防治[M].北京：煤炭工業出版社,1997：379-381.

[2] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業大學出版社,1992：163-165.

[3] 王兆豐.礦井瓦斯涌出量分源預測法及應用[J].煤礦安全,1991(1)：56-57.