長壁工作面瓦斯抽采技術優化研究

何惠君

(四川師范大學工學院，四川省成都市，610101)

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長壁工作面瓦斯抽采技術優化研究

何惠君

(四川師范大學工學院，四川省成都市，610101)

以勝利煤礦為試驗礦井，對1306采煤工作面的瓦斯抽采技術進行研究，提出了瓦斯抽采鉆孔優化方案，運用回歸分析手段對優化后采集的瓦斯數據進行統計和分析，并評價系統優化后瓦斯抽采效果。現場工程實踐表明，通過在開采煤層中布置頂板和底板高(低)位鉆孔同時抽采本煤層和上下鄰近層卸壓瓦斯后，1306采煤工作面瓦斯抽采率達到了37.6%～80.7%，瓦斯濃度降為0.36%～0.38%，滿足了礦井安全生產要求。

長壁開采 頂板高位鉆孔 采空區插管 瓦斯抽采量 抽采鉆場數量 距開切眼距離 技術優化 回歸分析

煤礦事故中瓦斯事故是所有事故中最重要也是最具破壞力的一種，近年來雖然煤礦瓦斯事故的發生起數有所減少，但是瓦斯事故的發生總量仍較多，重大瓦斯事故時有發生。隨著高瓦斯礦井的逐年增多，煤礦瓦斯事故防治的形勢依舊嚴峻。

本文以勝利煤礦瓦斯抽采技術為研究對象展開課題研究，結合勝利煤礦自身的特點，通過對1306工作面進回風巷的抽采鉆場和鉆孔參數進行系統優化設計，顯著提高了瓦斯抽采率，保證了礦井的安全生產。該方法對類似條件的難抽采、極薄煤層礦井開采有一定的借鑒意義和參考價值。

1 工程概況

經鑒定2014年勝利煤礦瓦斯絕對涌出量為20.14 m3/min，相對瓦斯涌出量為101.39 m3/t，屬高瓦斯礦井。其中，采煤區絕對瓦斯涌出量占礦井總瓦斯涌出量的27.72%；掘進區絕對瓦斯涌出量占礦井總瓦斯涌出量的10.44%；采空區絕對瓦斯涌量占礦井瓦斯涌出量的61.84%。在采空區絕對瓦斯涌量中，新采空區絕對瓦斯涌出量占總采空區絕對瓦斯涌出量的比例達到83.78%；老采空區絕對瓦斯涌出量占總采空區絕對瓦斯涌出量的比值為16.22%。所以，勝利煤礦瓦斯涌出主要來自采空區，尤其是新采空區。

1306采煤工作面為勝利煤礦中一個高瓦斯工作面，采區上部為已開采的1308采區，其1308巷保留下來作為1306工作面回風巷道，1306巷作為工作面的進風巷進行回采。

2 瓦斯抽采技術優化設計

工作面開采后，來自頂底板的卸壓瓦斯涌入開采空間，在漏風情況之下，瓦斯可能運移到通風風流之中，也可能在密閉條件良好的情況下留在采空區，會對下一步的礦井開采造成安全隱患。

2.1 礦井原有瓦斯抽采技術

勝利煤礦原有的瓦斯抽采方案主要有兩種，分別為工作面頂板高位鉆孔抽采瓦斯、采空區插管抽采瓦斯，已完成回采的1103工作面和1206工作面分別采用上述兩種瓦斯抽采方法。

2.1.1 頂板高位鉆孔抽采瓦斯

圖1所示為1103采煤工作面布置以及鉆場布置示意圖，在1103工作面回風巷，沿煤層走向，自開切眼30 m處設首個鉆場，此后每相距30 m設一個。每個鉆場向工作面后方區域鉆3個頂板穿層鉆孔，保證終孔點處于后方空隙中，采用接管的方式抽采采空區的瓦斯。

圖1 工作面頂板高位鉆孔瓦斯抽采示意圖

2.1.2 采空區插管抽采瓦斯方法

圖2為1206采煤工作面采空區插管抽采瓦斯示意圖，在1208巷瓦斯管道的尾部布設一彎管，保證管口伸入回風巷頂部區域，并采取相應的保護措施。用長10 m以上的管道作為接替管，并在回采面的后方瓦斯管上方每相鄰40 m處設置1組埋管口組件、控制閥門及三通，在回采面推進后，保留采空區內的埋管口，保證瓦斯抽采工作的正常進行。當回采面再次推進40 m后，埋管口3～5 m的部分已經被埋在采空區內，此時，關閉上一埋管段的閥門，并將下一段埋管口閥門打開，源源不斷地抽放采空區瓦斯。

圖2 采空區插管抽采瓦斯示意圖

2.1.3 存在問題

由于以上兩個工作面為對拉工作面，當采煤工作面由走向長壁對拉工作面變為走向長壁工作面后，原設計瓦斯抽采方法會產生以下問題。

(1)頂板高位抽采鉆場中，一個鉆場的3個鉆孔中距離回風巷上幫2.7 m鉆孔的混合瓦斯流量幾乎為0，距離回風巷上幫17 m鉆孔混合瓦斯流量較小為0～0.5 L/min，且抽采瓦斯濃度僅為6%～19%。

(2)工作面上隅角、回風巷瓦斯超限嚴重。

(3)鉆孔未到達瓦斯流量大、濃度高區域，采煤工作面開采后上下近距離不可采煤層卸壓瓦斯未被有效抽采，鉆孔混合瓦斯流量忽大忽小，有時甚至為0。

(4)礦井瓦斯抽采量、礦井瓦斯抽采率遠遠達不到礦井設計瓦斯抽采量和抽采率要求。

說明原設計瓦斯抽采方法或參數存在問題，需要進行改進和優化。

2.2 瓦斯抽采技術優化設計

1306采煤工作面所在采區為下山走向長壁兩翼式布置開采，采區巷道均布置在所開采煤層中，1306巷為工作面運輸巷兼進風巷，1308巷為回風巷。

1306采煤工作面設計采用頂底板鉆孔同時抽采上、下鄰近層的卸壓瓦斯的方式抽采瓦斯，鉆場布置如圖3所示(此時1308巷1#鉆場已廢棄)。

圖3 1306采煤工作面進回風巷鉆場布置示意圖

(1)對于1306進風巷而言，每個鉆場之間相距18 m，1306巷從開切眼工作面推進至12 m時，施工第一個鉆場，推進至30 m時施工第二個鉆場，以此類推，1306巷主要抽采采煤工作面后方卸壓瓦斯，在采煤工作面推進過程中，工作面后方的鉆場瓦斯抽采一直沿用，當瓦斯抽采效果不理想時棄用。1306巷每個鉆場布置1#、2#、3#、4#、5#、6#共6個鉆孔，其中2#、4#、6#為上幫鉆孔，1#、3#、5#為下幫鉆孔。1306巷1#鉆場布置情況如圖4所示，鉆孔參數詳見表1。

圖4 1306巷1#鉆場鉆場布置示意圖

(2)在1308回風巷開切眼前方18 m布置第一個鉆場，前方36 m布置第二個鉆場預先抽采鄰近層瓦斯，以此類推，并始終保持前方有兩個鉆場投入使用，繼續推進后，在采煤工作面后方只保留兩個鉆場抽采瓦斯。每個鉆場布置1#、2#、3#、4#共4個鉆孔，其中1#、3#為頂板孔，2#、4#為底板孔。1308巷5#鉆場鉆孔布置情況如圖5所示，鉆孔參數詳見表2。

表1 1306巷鉆孔參數表

圖5 1308巷5#鉆場鉆孔布置示意圖

鉆孔直徑/mm與1308巷夾角/(°)坡度/(°)孔深/m距頂(底)板距離/m1#654029301752#7530-26401433#656021401964#7560-2840135

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 瓦斯參數

現場使用XY-LG型孔板流量計和G1.6型家用膜式煤氣表測量鉆孔瓦斯混合流量，使用高濃度光學瓦檢儀測量鉆孔瓦斯濃度。采用瓦斯的標況純流量作為衡量瓦斯抽采效果參數，瓦斯標況純流量通過式(1)～(3)計算得到。

(1)工況混合流量計算式：

(1)

式中：Q工混——工況混合流量，m3/min；

k——孔板系數，勝利煤礦取值0.3001；

b——瓦斯濃度校正值。

(2)標況混合量計算式：

(2)

式中：Q標混—標況混合流量，m3/min；

P0——壓差，Pa。

(3)標況純流量計算式：

Q標純=Q標混×C

(3)

式中：Q標純——標況純流量，m3/min；

C——濃度，%。

3.2 瓦斯抽采效果分析

3.2.1 1306進風巷瓦斯抽采效果分析

通過現場測得的瓦斯濃度以及瓦斯流量值結合公式(1)～(3)計算得到1306巷2-5月份標況瓦斯純量回歸分析，如圖6所示。由圖6可以看出，2月份測得的瓦斯標況純流量范圍0.21～0.59 m3/min，標況純流量平均值為0.36 m3/min，瓦斯純量隨著抽采時間的增加呈先降后升的趨勢；3月份瓦斯標況純流量范圍0.49～1.28 m3/min，平均值0.73 m3/min，瓦斯純量隨著抽采時間的增加呈緩慢上升的趨勢，和2月份相比較標況純流量平均值有所增加；4月份瓦斯標況純流量范圍0.78～3.1 m3/min，平均達到2.30 m3/min，較前兩個月有較大幅度增加，曲線呈先上升后降低的趨勢，分析其主要原因在于4月份開采進度較快，鉆孔數量有限導致瓦斯抽采能力有限；5月份標況純流量取值2.52～3.4 m3/min，標況純流量平均2.93 m3/min，變化曲線呈先增加后降低，最后上升的趨勢，瓦斯抽采量整體趨勢為不斷增加。

圖6 1306巷2-5月份標況瓦斯純量回歸分析

3.2.2 1308回風巷瓦斯抽采效果分析

1308巷2-5月份標況瓦斯純量回歸分析如圖7所示。由圖可以得到2-5月瓦斯標況純流量范圍分別為0.07～0.20 m3/min、0.10～0.78 m3/min、0.71～1.64 m3/min和0.24～1.20 m3/min，和1306進風巷相比整體瓦斯流量有所降低，但整體抽采量也是在不斷增加。

鉆孔和鉆場參數優化后，經過現場實測，1306巷瓦斯抽采平均濃度值為34.96%～64.84%，1308巷瓦斯抽采平均濃度為16.37%～36.16%；上隅角及工作面瓦斯濃度無超限問題，1308回風風流瓦斯濃度為0.36%～0.38%，回風與回風流瓦斯濃度保持穩定狀態。

4 瓦斯抽采量影響因素分析

通過為期4個月對1306采煤工作面進風巷、回風巷進行現場數據實測，并對數據進行回歸處理，得出了1306巷和1308巷瓦斯抽采純量與距開切眼距離和鉆場數量之間的關系。

4.1 瓦斯抽采量與距開切眼距離之間的關系

瓦斯抽采純量與距開切眼距離之間的關系如圖8所示。由圖8可以看出，1306進風巷瓦斯抽采量大于1308回風巷瓦斯抽采量，主要原因在于1308回風巷采煤工作面推進過程中，最多只抽采4個鉆場，工作面前方2個，工作面后方2個；而1306巷在工作面推進過程中，位于采空區后方的鉆場持續抽采，在鉆孔瓦斯抽采達標時才關閉。

圖7 1308巷2-5月份標況瓦斯純量回歸分析圖

圖8 瓦斯抽采純量與工作面推進距離關系

由圖8(a)曲線中可以看出，從12 m開始，瓦斯抽采量迅速增加，當1306采煤工作面推進至80 m以后，瓦斯抽采量總體趨于平穩；由圖8(b)可得，工作面推進至80 m之前，瓦斯抽采量增速很快，超過80 m后抽采量快速降低然后略有回升。

4.2 瓦斯抽采量與抽采鉆場數量關系

瓦斯抽采純量與抽采專場數量之間關系如圖9所示。

由圖9可知，瓦斯純量隨著瓦斯抽采鉆場數量的增加，呈“緩慢升高-迅速升高-緩慢變化”的增長模式，其中3～5個鉆場投入抽采為第一階段，期間瓦斯抽采純量隨工作面推進呈緩慢上升的態勢；5～8個鉆場投入抽采為第二階段，期間瓦斯抽采純量隨工作面的推進增長明顯，抽采純量由0.72 m3/min迅速增長至1.95 m3/min；9～13個鉆場投入抽采為第三階段，期間瓦斯抽采純量隨工作面的推進增長態勢放緩，有起伏情況，但總體隨著抽采鉆場的增加瓦斯抽采純量值不斷增大。

圖9 瓦斯抽采純量與抽采專場數量之間關系

5 結論

(1)運用回歸分析的方法，分析方案優化后1306采煤工作面2～5月份瓦斯抽采效果，得到了瓦斯抽采量整體不斷增加的趨勢。

(2)分析了瓦斯抽采純量與工作面推進距離以及鉆場數量之間的關系，發現隨著工作面不斷推進和鉆

場數量不斷增加，瓦斯整體抽采純量呈增大趨勢。

(3)經過判定，瓦斯抽采方案優化后，1306采煤工作面瓦斯抽采量不斷提高，達到了37.6%～80.7%，回風風流中瓦斯濃度0.36%～0.38%，認定1306采煤工作面瓦斯抽采符合安全標準規定，證明上述瓦斯抽采技術優化方案有效。

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(責任編輯 張艷華)

十省(區)涉煤優勢產業列入中西部地區外商投資優勢產業目錄

近日，國家發改委和商務部發布《中西部地區外商投資優勢產業目錄(2017年修訂)》，自2017年3月20日起施行。屬于本目錄的外商投資項目，享受鼓勵類外商投資項目優惠政策。符合本目錄規定的外商投資在建項目，可按照本目錄的有關政策執行。

其中，十省(區)涉煤優勢產業列入本目錄。具體為：山西省的礦區生態系統恢復與重建工程，煤層氣和煤炭伴生資源綜合開發利用，大型煤礦綜采設備和防爆機電產品生產等；內蒙古自治區的煤層氣和煤炭伴生資源綜合開發利用，天然氣壓縮機(含煤層氣壓縮機)制造，洗中煤、焦爐煤氣余熱發電、供熱等綜合利用；吉林省的褐煤蠟萃取；安徽省的高嶺土、煤層氣(瓦斯)、礦井水及天然焦等煤炭伴生資源綜合利用(勘探、開采除外)，煤焦油深加工，500萬t/a及以上礦井、薄煤層綜合采掘設備，1000萬t/a及以上大型露天礦關鍵裝備；河南省的煤層氣(煤礦瓦斯)抽采和利用技術產品開發與生產，500萬t/a及以上礦井、薄煤層綜合采掘設備等；四川省的天然氣壓縮機(含煤層氣壓縮機)制造；貴州省的采用先進技術建設30萬t/a及以上煤制合成氨及配套尿素項目；陜西省的高爐煤氣能量回收透平裝置設計制造；寧夏回族自治區的500萬t/a及以上礦井、薄煤層綜合采掘設備，1000萬t/a及以上大型露天礦關鍵裝備；新疆維吾爾自治區(含新疆生產建設兵團)的煤炭加工應用技術開發。

Research on longwall work face gas drainage technology optimization

He Huijun

(College of Engineering, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610101, China)

Taking Shengli Mine as experimental mine, studied gas drainage technology of 1306 work face, proposed gas drainage borehole optimization plan, analyzed optimized gas data by regression analysis method and evaluated gas drainage effect after systematic optimization. Field project practice showed that drainage rate of 1306 work face, which realized mine production safety requirement, was 37.6% to 80.7% and gas concentration was decreased to 0.36% to 0.38% after drilling high (low) position boreholes at roof and floor of mining coal seam and extracting pressure-released gas of mining coal seam and nearby rock seams.

longwall mining, roof high position borehole, gob intubation, gas drainage amount, drainage drilling field amount, distance from open-off cut, technical optimization, regression analysis

何惠君. 長壁工作面瓦斯抽采技術優化研究[J].中國煤炭，2017，43(3)：134-139. He Huijun. Research on longwall work face gas drainage technology optimization[J].China Coal, 2017，43(3)：134-139.

TD712.62

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何惠君(1995-)，女，四川宜賓市人，在讀碩士研究生，研究方向：礦山安全。