淺析采掘工作面瓦斯抽放系統設計

劉明明

(陽煤集團壽陽景福煤業有限公司，山西 晉中 045400)

0 引言

陽泉某礦井井田面積是124.08 km2，因為開采面積大，按照礦井開拓和井筒布置方法，礦井通風方式采取中央分列式，而主斜井、副立井與中央進風井進風，中央回風井回風，生產后期采取分區式通風方式。礦井生產能力設計為5.0 Mt/a，礦井總瓦斯儲量是24 359.84 m3，本礦井可采煤層瓦斯儲量為12 896.39 m3，可采煤層采動范圍影響不可采附近煤層7 403.48 m3的瓦斯儲量，4 059.97 m3的圍巖瓦斯儲量，各煤層均屬可抽采煤層。

1 瓦斯濃度確定

根據附近礦井經驗和本礦井掘進時數據實測，設計確定瓦斯管路內的本煤層瓦斯抽放濃度[1-3]。鄰近煤層瓦斯抽放濃度是50%，因封孔長度、管路連接質量、鉆孔瓦斯抽放管路濃度和抽采孔的封孔質量等多種因素的影響，本煤層瓦斯抽放濃度是10%～20%。

2 預抽煤層的瓦斯鉆孔量

2.1 預抽煤層的瓦斯鉆孔量

運行達到礦井設計生產能力，移交生產時，回采工作面布置預抽瓦斯鉆孔共計1 700個，總長度達204 000 m；掘進工作面需要布置預抽瓦斯共鉆孔2 970個，總長度237 600 m。回采及掘進工作面預抽瓦斯共布置鉆孔4 670個，總長度441 600 m。

2.2 每噸煤炭的鉆孔量

工作面移交生產時的煤炭采出量A：采出量A的單位為t；煤的容重γ=1.42 t/m3；工作面推進長度L=2 000 m；工作面長度B=220 m；工作面采高H=5.2 m；工作面采出率η=93%。經過計算，A=γ×L×B×H×η=1.42×2000×220×5.2×0.93=3 021 533 t。

噸煤鉆孔量：預抽煤層的瓦斯鉆孔量204 000 m，煤炭采出量3 021 533 t煤，計算比較204 000/3 021 533=0.068 m/t>0.03 m/t(噸煤鉆孔量規范要求需要噸煤鉆孔量不小于0.03 m/t)，滿足設計要求。

3 煤層抽采工藝

3.1 鉆孔工藝

鉆孔直徑：現實經驗得出小直徑鉆孔效果相比大直徑鉆孔瓦斯抽放效果較差[4]，斟酌本礦井的煤層與瓦斯現狀，選用鉆孔直徑為94 mm的鉆孔作為回采工作面和掘進工作面鉆孔直徑。

鉆孔長度與鉆孔間距：鉆孔長度的缺點取決于工作面長度與抽采方法，確定抽采方法取決于鉆孔間距和鉆孔長度。鉆孔間距受有效抽采范圍的影響。煤層透氣性、煤層裂隙發育與煤層瓦斯壓力等因素影響鉆孔有效抽采范圍。實際生產中為確定合理的鉆孔間距，需要分別對不同鉆孔間距的抽采效果多次進行測試和統計。

3.2 鉆機及附屬設備

鉆機的型號及臺數：每個回采工作面配備EH1400型鉆機(德國)、履帶ZY-3200型液壓鉆機各2臺；每個掘進工作面配備SGZL-ⅠD型液壓鉆機、SGZL-3B型液壓鉆機各1臺，共計16臺，并按照規范規定，備用ZY-3200型液壓鉆機4臺，SGZL-ⅠD型液壓鉆機及SGZL-3B型液壓鉆機各2臺。

鉆桿：鉆桿是將水引入孔底，并將鉆機的能力傳遞給巖芯管與鉆頭的設備。鉆桿要選用材質較好的螺紋鉆桿，因為其運動中受扭力與壓力的綜合作用，必須要堅固耐用，規格分別選擇φ42、φ50、φ100 mm直徑的鉆桿。

鉆頭的選擇：按照煤巖層硬度和采取巖芯的不同選擇不同類型的鉆頭。平底形、階梯形2種取芯鉆頭；圓弧支柱形、階梯(錐型)形與內凹三翼刮刀形等多種不取芯的鉆頭。用筒狀鉆頭開出的孔，孔形光滑、封孔平整。鉆頭直徑的規格是φ94 mm、φ125 mm。

巖芯管：巖芯管用于取巖芯并起導向作用，巖芯管一端采取正旋螺紋與鉆頭連接，一端用異徑接頭和鉆桿相連，一共兩端，發現磨損嚴重需要及時更換，螺紋連接處的巖芯管容易損傷，因此鉆頭直徑和異徑接頭外圓直徑要大于巖芯管1～2 mm，并隨時觀察磨損情況。

3.3 封孔

封孔方式：因為封孔質量影響著整個抽放系統的效果，進而影響瓦斯抽放濃度、孔口負壓，所以封孔質量必須達到密封性好、操作快、封孔迅速和價格低廉的要求。采用壓注藥液法封孔，選用FKG型壓注封孔裝置與利用BFK-12/2.4型封孔泵，可以有效提高本煤層封孔質量達到較好的效果。

封孔材料：為達到較好封孔質量，封孔材料選擇也非常重要，一般有2種可供選擇：新型的膨脹水泥添加輔助材料后，可以進行封孔，優點價格低廉，缺點是封孔質量差。新型化學材料聚氨脂價格昂貴，但封孔質量較好[5]。煤礦企業可在生產過程中比較2種材料優劣，擇優使用，暫定設計為聚氨脂封孔。根據《煤礦瓦斯抽放技術規范》煤層鉆孔封孔深度一般為8～10 m，確定掘進鉆孔封孔時要對鉆孔有不小于9 m的封孔長度。封孔管選用D40 mm抗靜電工程塑料管，長度為9.5 m。利用封孔泵及壓注封孔裝置封孔工藝封孔，封孔效果好。

鄰近層封孔方式、材料及工藝：在瓦斯高抽巷靠近與盤區回風巷處建議用料石與砂漿水泥建筑，中間用黃土填充并夯實厚度2～2.5 m的一道密閉墻。密閉墻中要加入支管且要與盤區內回風巷的干管相互連接，加設閘閥、孔板流量計、負壓自動放水器等裝置可有效提高鄰近層瓦斯的抽放率與濃度。

3.4 鉆孔與瓦斯管路連接

用柔性鎧裝膠管連接封孔裝置和抽放管路，方便拆裝裝置。鉆孔和抽放瓦斯管互相連接時，要加設孔板流量計、壓力計、閥門、放水器與集氣裝置。

3.5 抽采工藝

將建設完成的抽采鉆孔連接抽采管路進行抽采，在抽采中對鉆孔抽采參數適時監測，根據監測情況對鉆孔抽采狀態調整。回采工作面孔口的抽采負壓暫定為12 kPa，掘進工作面孔口的抽采負壓暫定為12 kPa；瓦斯高抽巷抽采負壓暫定為9 kPa。

3.6 掘進工作面瓦斯防治采取的方法

掘進工作面瓦斯抽放方式有雙巷交替掘進抽采、順層水平長鉆孔抽采和巷道外掘鉆場抽采3種，優劣比較見表1。

表1 掘進工作面瓦斯抽放方法比較

本礦井工作面巷道采用雙巷掘進，本煤層的設計是水平長鉆孔抽采。在煤巷掘進期間，采用在巷幫打邁步鉆場的打鉆方法，左右邊的幫鉆場間距是25 m，每個鉆場要用兩排鉆孔共計8個，水平傾角是0°～2°，鉆孔直徑是94 mm，孔深是80 m，50 m掘進，預留30 m超前距，如圖1所示。

圖1 掘進工作面鉆孔布置

每個鉆孔施工完畢，必須封孔加固，隨后接入抽采系統再進行瓦斯抽采，用剛性塑料管做封孔管，用聚胺脂封孔，要大于9 m的封孔深度。每個鉆場都安裝一個集氣裝置在抽采系統，集氣裝置鉆孔數要高于或等于進口數，采用埋線管或鋼線軟管連接鉆孔與抽采系統，掘進超過鉆場10 m后連接煤頭鉆場鉆孔，拆掉前面一個鉆場鉆孔，堵嚴所有鉆孔，嚴防鉆孔瓦斯外泄。

倘若卸壓效果較差，將會影響礦井安全生產，可使用水力壓裂、深孔爆破、水力沖孔等有效措施卸壓。

根據煤礦企業實際測量數據，掘進工作面每百米瓦斯量抽采為0.032～0.05 m3/min，平均單孔抽采瓦斯濃度為10%～20%。

一般掘進工作面抽出瓦斯方式分2種，一直接接入本煤層瓦斯抽放系統，二建立井下移動式抽采泵站進行抽采，所抽出瓦斯排入盤區回風巷或者總回風巷。

設計確定把掘進工作面抽出的瓦斯接入礦井本煤層瓦斯抽放系統。在抽采過程中對鉆孔抽采參數適時監測，按照監測情況對鉆孔抽采狀態調整確保礦井通風安全。

4 結語

把控制范圍內煤層的瓦斯含量降低，煤層始突深度的瓦斯含量以下在15#煤層采掘作業前，或者把瓦斯壓力降到煤層始突深度煤層瓦斯壓力以下。若沒有測出始突深度的煤層瓦斯壓力和含量，要把煤層瓦斯壓力降到0.74 MPa的范圍，瓦斯含量必須在8 m3/t以下。瓦斯控制范圍是：煤巷掘進工作面巷道輪廓線外8 m以上與工作面前方10 m以上，采煤工作面控制在前方20 m以上。

總之，設計決定的煤巷掘進工作面瓦斯抽放鉆孔布置及抽放工藝，是礦井建井期間施工單位使用的瓦斯預抽工藝，施工過程中采用該項工藝后，礦井未發生煤和瓦斯突出事故，保障了煤礦施工生產安全。