西銘礦48705工作面瓦斯抽采技術研究

王麗君

（西山煤電西銘礦通風科 ，山西 太原 030052）

0 引 言

隨著煤炭資源的開采，一些井下安全事故頻頻發生，尤其是高瓦斯礦井，瓦斯危險嚴重影響了煤炭的安全高效開采[1-3]。尤其是隨著工作面的開采，頂板變形斷裂形成許多裂隙，導致采空區瓦斯涌出含量急劇增加，嚴重影響了安全開采。因此，需要針對工作面進行瓦斯抽采技術進行研究。

目前許多研究學者針對礦井工作面瓦斯抽采技術進行了研究。雷照源[4]分析了深部高瓦斯礦井的具體涌入路徑，并針對性的采取了綜合立體抽采技術，實現了空間全方位抽采，降低了瓦斯濃度；畢慧杰[5]采用理論分析和數值模擬分析了工作面采動裂隙演化規律，采用定向鉆孔技術使工作面瓦斯濃度降到安全標準?，F針對西銘礦48705工作面瓦斯含量較高的局面，制定出合理的瓦斯抽采措施。。

1 工程概況

西銘礦8號煤層48705工作面井下位于北七采區左翼，東為48703掘進工作面，南為北七左翼回風巷，西為48707工作面采空區，北為隨老母斷層。該面上覆2#煤已回采，切眼附近2#煤為小窯所采，3#煤不可采，工作面中南部3#煤層內有廢棄巷道。2#煤與8#煤層間距87m左右，3#煤與8#煤層間距70m左右。工作面布置如圖1所示。

圖1 工作面布置圖

該面所采8#煤層節理發育，結構復雜。煤層上部夾石為0.80～3.50m，平均2.42m的泥巖或砂質泥巖。8號煤上分層厚度0.50～0.70m，平均0.63m；下分層厚度2.65～3.40m，平均2.95m，厚度變化不大，本次不考慮上分層開采，所采的下分層屬穩定的中厚煤層。

2 瓦斯涌出量分析

根據掘進期間瓦斯涌出量預測48705工作面回采期間瓦斯絕對涌出量為20m3/min，相對涌出量為5.5m3/t，自燃傾向性為Ⅱ級，屬自燃煤層，爆炸指數為17.88%。

3 上隅角埋管抽采瓦斯技術

根據西銘礦48705工作面具體條件，選用上隅角埋管抽采瓦斯法，此方法是最有效和最經濟的治理上隅角瓦斯方法之一。該方法就是通過向上隅角內部埋（插）入二（一）根抽采管，進行瓦斯抽采，進而降低瓦斯濃度。

3.1 上隅角埋管抽采采空區瓦斯流場的數值模型

為了提出切實可行的上隅角埋管方案，現采用FLUENT針對采空區瓦斯采用上隅角埋管抽采時的瓦斯分布規律進行研究，有關參數取值如下[6]：

1）采空區長度（沿傾向方向），取180m；

2）采空區寬度（沿走向方向），取180m；

3）裂隙帶高度取54m，冒落帶高度約為裂隙帶高度的三分之一，取18m；

4）進、回風巷、切眼的寬度、高度均取4m；

5）抽放口直徑取0.325m；

6）工作面推進速度取5m/d；

7）煤層厚度取3.0m；

8）遺煤厚度取0.1m；

9）煤的堆積密度取500kg/m3；

10）冒落帶、裂隙帶孔隙率分別取0.25和0.125，滲透率分別取 1.525×10-6m2、0.763×10-6m2；

11）煤的耗氧速度常數 U，m3/(kg·s)。

式中：U0為實驗室測得的煤粒的吸氧速度常數，m3/(kg·s)；z為指向采空區內部的坐標，為簡單計，這里取平均值z=L/2=90m；v∏為工作面推進速度，m/s；α為經驗常數，0.35；h∏為遺煤厚度，m；hB為煤厚，m。

12）遺煤放出瓦斯的速度常數f，m3/(kg·s)

式中：ψ 為經驗常數，1.5×10-6m2/kg；g0為初始瓦斯釋放速度，前蘇聯根據統計資料給出的計算式為：

式中：X為噸煤瓦斯含量，m3/t；Vdaf為揮發分，%；n為經驗常數，2.8×10-7s-1；z為指向采空區內部的坐標，為簡單計，這里取平均值z=L/s=90m；

13）工作面下、上隅角壓差取100Pa；

14）抽采口負壓取10kPa；

15）邊界條件取為固壁。

模擬結果見圖1、圖2。

由圖2（a）可見，抽采管出口附近壓力最低，采空區內壓力分布明顯不對稱（不抽采時上下反對稱）；由圖2（b）可見，最大流速出現在抽采口附近，為12m/s左右（需單獨顯示采空區內部部分）；由圖2（c）可見，上隅角附近瓦斯濃度在1%以下，說明采取上隅角埋管抽采措施的確可以有效防治上隅角瓦斯濃度超限。

圖2 采空區瓦斯三場二維模擬結果

3.2 上隅角埋管抽采采空區瓦斯技術方案

根據《GB50471-2008煤礦瓦斯抽采工程設計規范》，抽采設計的步驟一般包括涌出量預測、抽采方法選擇、設備選型計算、安全監測監控措施等。這里主要是針對回采工作面條件進行上隅角埋管抽采的設計，因此本處只涉及上隅角埋管抽采管管徑計算和抽采孔布置等內容，其余部分嚴格執行《GB50471-2008煤礦瓦斯抽采工程設計規范》即可。

3.2.1 抽采管設計

1）抽采管合理管徑計算。抽采管徑選型計算需要的主要參數主要包括最大設計瓦斯抽采量（純量，標態），m3/min；瓦斯濃度，%；泵站海拔，m；進氣段、出氣段長度，m等。

根據數值模擬結果，抽放瓦斯濃度取10%，參照類似礦井上隅角埋管抽采采空區瓦斯的實踐經驗，預計抽放泵流量取60m3/min可滿足要求；管徑按下式計算，

式中：d為管徑，m；Q為混合流量，m3/min；V為經濟流速，可取 5m/s～125m/s。

當取 Q=60m3/min，V=12m/s，代入上式，得 d=0.325m，因此管徑應大于或等于0.325mm。

2）抽采管選擇。

埋管或插管段宜采用鋼管，管徑0.4m，為方便運輸施工，單段長度取6m；鋼管前面3m上均勻打孔，孔距0.1m左右，孔徑0.01m左右，前端開口；為防止冒落的巖屑堵塞小孔，可用鐵紗網包袱。

埋管或插管段外的匯流管可采用鋼管或專門的高密度聚乙烯抽放管，每段長度也取6m，以便于拆裝。埋管或插管的高度與上隅角甲烷傳感器相同或更高，距煤壁的距離可取為管子半徑，即貼煤壁敷設安裝。

3.2.2 抽采管布設方案

1）埋管方案?？刹捎脠D3所示的技術方案，即2趟管上、下交錯布置，孔管后接1段6m的無孔管，2段12m為一組，其后用硬質膠管與主管前端的法蘭相聯。第二組孔管與第一組尾管相錯2m，抽放口在采空區內的深度范圍是2.5m～8.5m。

圖3 交替埋管實施方案

2）插管方案。參見圖4，采用插管方案時，只需一段長10m的管子，前面3m均勻打上孔，前端開口，為防堵塞，用鐵紗網包覆；外用膠管包?。ǚ乐巩a生碰撞火花等）；管子外端焊接一法蘭（用以向外托拽），然后用硬質膠管與主管法蘭相聯。隨工作面的移動及時將插管外移，但應保證進氣段在采空區內部的深度在9m左右，效果較好。

圖4 插管實施方案

插管方案可以保證進氣口距上隅角的距離始終保持在9m左右，效果較好；省材料、省人力、省時間，采用包覆技術后安全有保證，因此，建議優先選用插管法。

（收稿日期：2019-8-13）

4 現場應用

以上瓦斯抽采方案在西銘礦48705工作面得以應用后，在現場布置測點統計回風隅角瓦斯濃度，得到結果如圖5所示。

圖5 瓦斯濃度和工作面推進度變化曲線圖

通過圖5可知，工作面每天推進6m的情況下，通過采用上隅角瓦斯抽采措施，可以有效控制工作面上隅角瓦斯，現場實測瓦斯濃度最大約為0.54%。

5 結束語

針對西銘礦8號煤層48705工作面存在瓦斯涌出量較高等問題，理論分析得到了48705工作面工作面相對涌出量為5.5m3/t；根據工作面具體條件，選用了上隅角埋管抽采瓦斯法，并采用FLUENT軟件對上隅角埋管抽采瓦斯濃度場進行了數值模擬，得到采取上隅角埋管抽采措施的確可以有效防治上隅角瓦斯濃度超限，采用管徑為0.4m的鋼管，間隔0.1m均勻打孔，確定了相應的埋管方案和插管方案。