屯蘭礦18403工作面瓦斯抽采技術與實踐

王永

摘 要：針對屯蘭礦煤層開采過程中遇到的瓦斯治理難題，以18403工作面為例，詳細闡述了頂板走向長鉆孔鉆場瓦斯抽采的鉆孔布置、參數、封孔工藝，在抽采管路選型的基礎上，抽采管路阻力及孔口負壓計算，進而確定了抽采管路敷設路線，論述了抽采管路安裝設計及要求，并就工程施工成本和抽采效果，與高抽鉆場進行了統計對比。經現場實踐檢驗表明，頂板走向長鉆孔鉆場抽采性價比優于高抽鉆場，抽采效果良好，滿足工作面安全回采要求，可推廣應用至其他條件類似的工作面。

關鍵詞：瓦斯抽采方式;工藝參數;走向長鉆孔;負壓;抽采效果

回采工作面的瓦斯涌出是礦井瓦斯事故的主要誘因，根據瓦斯來源的分源理論，可以將回采工作面瓦斯主要來源于鄰近層瓦斯涌出和開采層瓦斯涌出，開采層瓦斯涌出來源又可分為煤壁瓦斯、落煤瓦斯和采空區瓦斯，其中，鄰近層瓦斯涌出是回采工作面涌出量的重要組成部分。瓦斯災害事故嚴重妨礙了礦井正常生產，但如果將瓦斯抽采之后加以利用，瓦斯又是高效的綠色能源。因此，本文以屯蘭礦18403工作面為工程背景，開展工作面瓦斯抽采技術研究。

1 工作面概況

18403工作面所采的（8#）煤層位于山西組下部，屬于穩定性煤層，煤層厚度2.8～3.33m，平均3.2m，含炭質泥巖和泥巖夾石0～5層，厚0～1.25m，一般1～2層，厚度0.10～0.30m，最厚為0.90m。工作面位于東翼一盤區，工作面傾斜235m、走向長2000m，工作面地質條件簡單，沒有大的斷層構造存在，煤層傾角在3°～5°，煤體瓦斯含量為10.93～15.14m3/t，煤的孔隙率為12.5%，煤層透氣性系數為3.6329m2/（MPa2.d），采取Y型通風方式，在距工作面初切眼1155位置處，設置有一個二切眼。根據現場鉆孔取樣分析，上鄰近煤層及K2、L4灰巖中瓦斯涌出約占8#煤層工作面瓦斯涌出量的20%左右，回采初期，采取高位裂隙帶鉆孔抽采上鄰近煤層及K2、L4灰巖中瓦斯，鉆孔布置如圖1所示，但效果不盡理想，回采過程中，工作面瓦斯超限現象時有發生，針對這一不利局面，為了防止回采期間因鄰近層瓦斯涌向18403上工作面隅角造成瓦斯超限事故，經礦方研究分析，擬改為頂板走向長鉆孔瓦斯抽采工藝，以期取得更好的抽采效果。

2 頂板走向長鉆孔瓦斯抽采鉆孔布置

在二切眼距18403回風順槽60m處施工了一個長4.5m×深4m的鉆場，在18403工作面回風順槽，采用ZDY-12000LD型號鉆機、選用直徑為89mm的鉆桿進行鉆場布置，鉆桿孔直徑選用120mm，鉆孔長度設定為600m，鉆進層位是7#煤，距8#煤頂板20.5m，鉆場距回風順槽垂直高度為15m，鉆場寬度控制60m范圍內，鉆孔布置如圖2所示。

鉆孔直徑大，鉆孔抽采量相應增大，根據鉆機性能、施工速度與技術水平等因素，對成孔進行兩次擴孔處理，最終成孔直徑為Φ193mm。同時，施工過程中，考慮長鉆孔導致的鉆桿自重引發的下沉量，鉆孔施工過程中采取一定的仰角來彌補鉆孔的彎曲下沉，根據理論計算及經驗確定仰角為10°。

3 封孔工藝

采用兩堵一注聚胺脂+注漿聚胺脂+聚胺脂封孔的封孔方式，封孔長度均為12m，封孔管外露鉆孔長度均為200mm，封孔管均采用聚乙烯管，前兩種鉆孔選用2寸封孔管，第三種鉆孔選用4寸封孔管。

在封孔管首、末兩端距離設計位置各1m處，封聚胺脂（加麻袋片）將封孔器推入孔內，在卷纏麻袋片和聚胺脂藥液的同時將一根注漿管和一根導氣管一并封入孔內，導氣管、注漿管的外露鉆孔長度均為100mm，且導氣管位于鉆孔壁的上側，注漿管位于鉆孔壁的下側。在鉆孔孔口100mm段，人工封入水泥砂漿將封孔管、導氣管、注漿管固定好。待水泥砂漿凝固結實后，利用注漿泵和注漿管向鉆孔內注入聚胺脂藥液即可。人工用水泥砂漿將抽采管末端剩余空間封實并固定好。

4 抽采管路選型及負壓計算

4.1 管路選型

在18403工作面回風順槽布置一趟抽采管路，瓦斯抽采管路直徑D根據絕對瓦斯涌出量、預計的瓦斯抽出量及瓦斯抽采率，采用公式（1）進行計算：

式中：H-某段管路的摩擦阻力，（Pa）;△-混合瓦斯對空氣的相對密度，△=1-0.446C/100;C-管路內瓦斯濃度，（%）;Q-某段管路的混合瓦斯流量，（m3/h）;K-系數，取0.71;D-管道內徑（cm）;L-管路的等值總長度，包括局部阻力的等值長度即L=L1+∑L2;L1-管路的直線長度，（m）;L2-某局部阻力的等值總長度，（m）。按上式計算的抽采管道直管阻力損失為1349Pa。

4.2.2 局部阻力損失計算

管路局部阻力損失按直管阻力損失的20%計算。

H局=H直×20%=270Pa

4.2.3 總阻力損失計算

H總=H直+H局=1619Pa

4.2.4 鉆孔抽采負壓計算

H孔=H泵-H正-H總=23881Pa

式中：H孔-抽采鉆孔孔口負壓，Pa;H泵-瓦斯泵的壓力，30000Pa;H正-瓦斯泵出口正壓，4500Pa;H總-抽采管路總阻力損失，1619Pa。

4.3 抽采系統

結合礦井下已有的巷道布置，設計18403工作面瓦斯抽采路線如下：回風順槽（D426不銹鋼管）→18405回風聯絡巷（D426不銹鋼管）→南翼下組煤回風巷（D711不銹鋼管）南二回風巷（D711不銹鋼管）→地面抽采泵站。

4.4 抽采管路安裝設計及要求

本煤層抽采管路沿巷道頂板吊設，距左幫（煤體側）大于100mm，距頂板不大于300mm。每根管路設兩個吊掛點，在管路出口處安裝一個蝶閥和在線監測裝置以及孔板流量裝置。

回風措施巷左幫（煤柱側）吊掛距幫200mm，距頂300mm。管路采用鋼絲繩（φ9.3mm）和管卡吊掛固定，中間加絕緣皮帶，每根管路設置兩個吊掛點，每隔100m安設一組接地極，接地極阻值不大于2歐姆。在管路出口處安裝一個蝶閥和在線監測裝置、孔板流量裝置以及自動噴粉抑爆裝置，兩個噴粉罐之間的距離為50m。火焰傳感器應安設在自動噴粉抑爆裝置與抽采進氣口之間，距離抑爆裝置的距離（沿管道軸向）大于50m。所有抽采管路敷設做到平、穩、直、密。離地不小于1.8m;抽采管路通過的巷道曲線段少、距離短，轉彎時角度不大于50°;管路需進行漏氣試驗，千米漏氣率不得大于3m3/min。

5 抽采效果分析

對18403工作面開采初期高抽鉆場和后期頂板走向長鉆孔鉆場兩種抽采工藝的工程費用進行了初步計劃，統計結果如表1。

此外，在頂板走向長鉆孔抽采和高抽鉆場抽采兩種情形下，對瓦斯抽采流量隨工作面推進距離的變化情況進行統計，如圖3所示。從圖中可明顯看出，高抽鉆場需在工作面回采0-35m處瓦斯抽采流量很小，之后快速增長，但抽采流量不穩定，且低于頂板走向長鉆孔鉆場;而采取頂板走向長鉆孔鉆場，自工作面開始回采，瓦斯抽采流量迅速上升，并保持在較高值，抽采效果好，能有效降低臨近煤層、K2、L4灰巖中瓦斯逸散而造成的工作面瓦斯濃度超限，確保了工作的安全回采。

6 結語

頂板走向長鉆孔方式可以有效代替高位裂隙帶鉆孔方式，具有成本低、抽采流量大、系統精簡、安全性好等的優點，可有效降低鄰近煤層、巖石夾層中瓦斯逸散而造成的工作面瓦斯濃度超限，確保了工作的安全回采，抽采出的高濃度瓦斯更易于進行發電，既綠色環保，又創造二次經濟價值。

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