礦井瓦斯抽采方法及抽采泵選型布置研究

王志榮

（陽泉煤業集團和順新大地煤業有限公司， 山西 和順 032700）

引言

瓦斯是賦存在煤層中的遠古時代植物遺體變質成煤過程中產生的氣體，煤層中的瓦斯是由“生”“儲”“蓋”三個條件共同決的?！吧敝傅氖敲簩有纬蛇^程中伴隨瓦斯氣體的生產情況；“儲”指的是煤層儲存瓦斯的能力；“蓋”指的是煤層上方覆蓋很厚的巖層體與地表土體阻礙瓦斯從煤層由內向外擴散的作用[1]。如果煤層中富含有瓦斯，應根據回采過程瓦斯涌出量預測建立抽采系統，保證回采過程不受瓦斯超限或突出等安全隱患影響。

1 瓦斯抽采技術及其發展概述

資料記錄最早的瓦斯抽采實踐發生在18世紀30年代的英國，當井筒掘進至深77 m的位置時，監測到的瓦斯涌出量很大，工作人員采取向井筒內敷設直徑50 mm的密封管把瓦斯從正在掘進的井筒內排出到地面。

目前，瓦斯抽采技術迅速發展并逐漸在全世界煤炭生產國家廣泛推廣應用，大部分煤炭生產企業都非常重視發展瓦斯抽采技術，通過瓦斯抽采使采掘活動不受瓦斯超限或突出等安全隱患影響，工業利用抽采出的瓦斯還可以實現額外的經濟效益[2]。據有關資料統計，目前已有10個國家的瓦斯年抽采量達到了1億m3，各主要產煤國根據自身的煤層賦存特點和開采技術水平，研究與推廣應用不同的瓦斯抽采方法，其中回采前預抽本煤層瓦斯、邊采邊抽和采空區抽采是目前實際工程中應用較多的方法。為了達到較好的抽采效果，上述不同方法可能在同一礦井配合使用，在增加瓦斯抽采量的同時，確保采掘工作面的瓦斯涌出量符合《煤礦安全規程》規定的安全生產要求。

我國在回采開挖煤炭資源時抽采利用瓦斯的記錄較早，查閱大量文獻發現，1537年我們的祖先就開始利用竹竿來排放開采礦洞內積聚的瓦斯等有害氣體，這種方法類似于埋管抽放瓦斯。新中國成立以來，現代化的機械瓦斯抽采方法開始在我國各大礦井試驗并推廣。1952年，撫順礦務局龍鳳礦第一次建立瓦斯抽放站并實現了大規模抽采。目前，我國的煤炭回采技術和煤層瓦斯抽采方法已經達到了世界先進國家的行列，國產的抽放設備相當完善，針對不同的煤層瓦斯賦存狀況可以建立相對應的高效抽采體系。

我國國有煤炭企業始終堅持“標本兼治、重在治本”的瓦斯治理原則[3]，先后經歷了“局部防突為主、先抽后采、抽采達標、抽采達標和區域防突先行”四個階段。為了從根本上避免瓦斯災害，必須采取多種方法相結合的綜合瓦斯治理技術將采掘區域內的瓦斯降低至允許的安全范圍之內。本煤層瓦斯預抽和采空區瓦斯抽放技術是我國目前使用較多的煤層瓦斯抽放方式，始終堅持“先抽后采”治理本煤層瓦斯。

2 瓦斯抽采方法研究

選擇抽采瓦斯方法的原則[4]與煤層賦存地質、巷道布置及開采工藝設備等技術條件相適應；發揮各抽采技術的優點，建立綜合瓦斯抽放方法；瓦斯抽采與巷道布置相結合，減少巷道掘進量與降低成本；結合采掘生產環節布置鉆場、鉆孔及抽采網路，增加抽采時間。

某礦為煤與瓦斯突出礦井，根據瓦斯預測結果，當礦井的生產能力為90萬t/a時，礦井的瓦斯涌出量為63.52 m3/min。礦井瓦斯涌出關系如下頁圖1所示。

2.1 掘進區域瓦斯抽采

研究確定采用在底抽巷內布置穿層鉆孔對回采巷道掘進區域的瓦斯進行預抽采，即每隔6 m施工一組扇形布置的穿層鉆孔，每組包含14個鉆孔，并保證鉆孔的終孔間距不大于6 m，隨回風巷道底抽巷掘進施工穿層鉆孔，穿層鉆孔的角度為25°～155°，鉆孔的長度以穿透煤層全厚再施工3 m為準。

圖1 礦井瓦斯涌出關系

根據實際情況隨時調整穿層鉆孔的角度，保證鉆孔的終孔位置間距不大于6 m，鉆孔的封孔段長度大于5 m；孔口的抽采負壓大于1.3 MPa，預抽鉆孔應覆蓋回采工作面的所有巷道，且至少超過最外側巷道15 m，預抽時間大于180 d，如圖2所示。

圖2 底抽巷穿層鉆孔布置示意圖

2.2 回采工作面瓦斯抽采

該礦開采的3號煤層屬于可抽采煤層，因此，研究確定3號煤層的回采工作面區域抽采選用未卸壓（預抽）的抽采方法。在3號煤層回采工作面進風（或回風）巷道內布置單側順層抽采鉆孔預抽回采工作面區域內的瓦斯?；夭蛇^程中利用短鉆孔邊采邊抽。抽采鉆孔布置在進風（或回風）巷道內，鉆孔直徑為Φ94 mm，鉆孔間距為3 m，鉆孔的開孔位置距巷道底板為1.5 m。該工作面寬度為120 m，護巷煤柱寬度為30 m。因此，研究確定抽采鉆孔的長度為170 m，鉆孔的封孔段長度大于8 m；孔口的抽采負壓大于1.3 MPa；設計采用長、短鉆孔間隔布置方式，長鉆孔長度為170 m，短鉆孔長度為110 m，預抽時間大于420 d。

為了保證3號煤層回采工作面的正常采掘銜接，可在回采工作面開切眼往外500 m范圍內，采用千米定鉆機施工定向輔助預抽瓦斯鉆孔，提前預抽本煤層瓦斯，從而縮短回采工作面前部的預抽時間，保證工作面正常開采。

2.3 采空區瓦斯抽采

研究確定在專用瓦斯排放巷道內布置瓦斯抽采管路抽采3號煤層工作面采空區的瓦斯，將工作面專用瓦斯排放巷道內放瓦斯橫管（聯絡巷沿煤層頂板掘進）以里的聯絡巷封閉并埋入瓦斯抽采管路進行插管抽采。抽采過程中根據抽采情況通過閥門調節瓦斯濃度、流量及抽采負壓等參數。

當回采工作面回采完畢且砌筑密閉墻后，可以在密閉墻上插入瓦斯抽采管路抽采采空區內從殘煤及圍巖內涌出的瓦斯。通過密閉墻布置的采空區瓦斯抽采管路如圖3所示。

圖3 密閉墻內瓦斯抽采管路布置示意圖

3 瓦斯抽采泵選型及布置研究

礦井瓦斯抽采泵布置方式的選擇原則是“技術可行，經濟合理，安全可靠”[5-6]，本研究依據這種原則考慮并確定該礦選擇獨立并聯的井下瓦斯抽采泵布置方式。

綜合考慮該礦的煤層瓦斯儲存地質條件及礦井建設發展規模，礦井瓦斯抽采系統選用水環式真空瓦斯泵，泵葉輪內設有水環，從而無爆炸危險性；結構簡單，運行可靠；真空度高。

瓦斯抽采泵壓力是抽采管路全部阻力損失、抽采孔負壓與輸送管路正壓的三者之和。具體包括以下方面：瓦斯泵入口與井下最長管路之間的阻力損失；該管路中的局部阻力損失；鉆孔口負壓。根據該礦所開采3號煤層的透氣性、抽采鉆孔的層位與封孔質量等因素確定該礦井3號煤層抽采鉆孔的負壓是13 000 Pa，采空區的負壓是6 700 Pa。

根據煤礦瓦斯抽采的要求，礦井瓦斯抽采泵站的裝機總能力與管網的輸送能力應滿足抽采達標時的要求；備用泵的抽采能力應大于運行泵中最大1臺的單泵抽采能力，運行泵的裝機能力應大于抽采達標時工況流量的2倍，結合該礦的實際情況，研究確定該礦地面低負壓抽采系統選用2臺2BEC80型水環式真空泵，1臺運行，1臺備用，其工況點技術參數如表1所示。

表1 2BEC80型瓦斯抽采泵工況點技術參數表

4 結語

確定該礦3號煤層的瓦斯基本參數時，由于缺乏確切的基礎資料，只能參照周邊鄰近礦井3號煤層煤與瓦斯突出危險性鑒定資料。雖然與周邊鄰近礦井處于同一煤系瓦斯地層，但該礦3號煤層工作面采長、走向長度、產量和鉆孔施工條件等與鄰近礦井3號煤層存在差異，使得鄰近礦井3號煤層資料參考價值有限，依然需要在抽采過程中不斷總結與積累經驗，最終得出適合該礦具體煤層瓦斯地質條件的有益結論，以指導生產實踐。