關于井下綜采工作面上隅角瓦斯治理的設計研究

李 明

（山西天成元礦山安全技術咨詢有限公司，山西 太原 030000）

1 礦井綜采面基本概況

沁源梗陽6104綜采面暫未開始回采，其上面為6103工作面采空區，下面為未采區，設計回采順槽長度為2 200 m，工作面長度為135 m，采高2.8 m，通風方式為U型通風。該工作面地質條件復雜，正、逆斷層共計31條，揭露陷落柱1個，雖無水文異常，但巖層比較破碎，對采面正常生產有一定影響。從上可以看出，沁源梗陽6104回采工作面地質構造多，在實際開采掘進過程中，瓦斯涌出量有明顯異常。

2 瓦斯抽采方法確定

根據瓦斯抽采的必要性分析可知，沁源梗陽煤業6104回采工作面設計風量可以滿足回采風排瓦斯要求。但其主要瓦斯問題為回采工作面上隅角在遇到構造時瓦斯容易存在超限現象。因此，本次設計只考慮回采工作面上隅角瓦斯抽采。

沁源梗陽煤業6104回采工作面主要瓦斯問題為工作面上隅角瓦斯超限，本次設計采用鄰近層抽放瓦斯與采空區抽采瓦斯的綜合抽采措施。即在6104綜采面回風順槽布置高位瓦斯抽放鉆孔進行鄰近層抽采；在6104回風順槽采空區設置埋管、插管，抽采采空區內的瓦斯。抽釆過程中應根據實測抽釆數據不斷調整抽釆參數，提高抽采效果。

3 抽采瓦斯參數設計

3.1 高位鉆孔抽采

根據沁源梗陽煤業6104綜采工作面初次來壓距離及沁源地區其它礦井生產經驗，裂隙帶高度約為工作面采高的6~10倍左右，考慮到6104綜采工作面上鄰近層瓦斯涌出量及該工作面煤層傾角，設計在6104回風順槽頂板每30 m施工一組高位鉆孔進行鄰近層瓦斯抽采。

3.1.1 抽采方式

打眼高位鉆孔抽采鄰近層瓦斯。

3.1.2 鉆孔布置

在回風順槽頂板每30 m施工一組高位鉆孔，每組6個鉆孔，孔間距0.5 m，鉆孔呈扇形布置，見圖1，鉆孔詳細參數如表1。

圖1 高位鉆孔平面布置示意圖

3.1.3 封孔工藝

為保證抽放鉆孔的抽采利用率，封孔采用“兩堵一注”封孔方法進行封孔。

表1 高位鉆孔技術參數表

3.2 采空區上隅角埋管抽采

在6104綜采面回風順槽上隅角采空區切頂線處進行埋管，瓦斯排放管道上面設有立管，隨工作面回采不斷前移。每隔30 m設一組立管，立管上面設有過濾金屬網，防止垮落的煤塊矸石等小碎顆粒進入管道中，影響抽采效果。管道布置方式見圖2。

圖2 6104綜采面采空區埋管抽采俯視與剖面示意圖

3.3 工作面上隅角插管抽采

在上隅角抽釆管路末端安設若干可彎曲的膠管管路，膠管進入上隅角后延伸至采空區內呈發散狀態，膠管末端設置喇叭狀呈擴扇形的塑料制擴散器，擴散器內有過濾網，擴散器末端深入上隅角的長度和位置應根據現場實際情況，不斷調整，達到理想的參數。為達到抽采效果，上隅角處條件允許的情況下可以適當的擋設風簾，詳見圖3。

圖3 上隅角分支插管布置平面和切面示意圖

6104回采工作面初放及末釆時均應采用高、低位鉆孔布置方式。

4 抽采施工設備、檢測儀表

涉及到主要的儀器、儀表有光學瓦斯檢定器，高低負壓取樣器、孔板流量計及水柱計等。

5 瓦斯抽采管路系統及抽采泵選型

5.1 瓦斯抽采管徑選擇

抽采管徑一般采用下式計算：

式中：D管為瓦斯抽采管的內徑，m；Q管為瓦斯抽采管內的混合氣體流量，m3/min；V管為瓦斯抽采管中混合氣體的平均流速，一般取值為5～12 m/s。

沁源梗陽煤業瓦斯抽采管路管徑選擇，見表2。

表2 抽采系統抽采瓦斯管徑選擇結果

5.2 瓦斯管的連接方式

回風順槽及移動泵站內抽采管路選用焊縫鋼管，采用法蘭連接。

5.3 抽采泵流量計算

式中：Q抽為瓦斯抽采泵的額定流量，m3/min；Q總為礦井瓦斯抽采總量，m3/min；x為礦井瓦斯抽采濃度，%；K為備用系數，取2；η為瓦斯抽采泵的抽采效率。

所需抽采總量QZ=2.09 m3/min，x=4%，K=2.0，抽采效率η=0.8，經計算為131 m3/min。

表3 低負壓系統抽采泵流量計算表

5.4 瓦斯抽采泵壓力計算

計算抽采瓦斯泵的總阻力：

式中：H泵為瓦斯抽采壓力，Pa；H總為抽采系統管網總阻力，Pa；H孔為井下抽采鉆場形成的負壓值，采空區瓦斯抽采取6 700 Pa；H正為瓦斯泵出口處正壓值，取5 000 Pa；K為壓力備用系數，一般取值為1.2～1.8。

摩擦阻力計算表見表4。

表4 摩擦阻力計算表

系統負壓段阻力計算表見下頁表5。

表5 系統負壓段阻力計算表

系統正壓段阻力計算表見表6。

表6 系統正壓阻力計算表

系統抽采系統總壓力計算表見表7。

表7 系統抽采系統總壓力計算表

5.5 瓦斯泵的真空度計算

5.5.1 抽采泵真空度計算（見表8）

式中：I為抽采泵真空度，%；H為抽采系統壓力，Pa；Pd為抽采泵站的大氣壓力，Pa，取88 725 Pa。

表8 抽采泵真空度計算表

5.5.2 抽采泵工況壓力計算（見表9）抽采泵工況壓力可按下式計算：

式中：Pg為抽采泵工況壓力，Pa；Pd為抽采泵站的大氣壓力，Pa，取88 725 Pa。

5.6 抽采泵選型

按上述計算結果：抽采系統所需Q泵=131 m3/min，H泵=65 kPa，真空度I=27%。由于廠家給出的出廠性能曲線是非標準狀態的，需要轉換成算成絕對壓力下的流量。用下式換算：

表9 抽采泵工況壓力計算表

式中：Q標為標準狀態下的瓦斯抽采量，m3/min；Q測為測得的瓦斯抽采量，m3／min；P為測定時管道內氣體絕對壓力，kPa；T為測定時管道內氣體絕對溫度，K（T=t+273，t為測定時管道內氣體攝氏溫度，取25℃）；P標為標準絕對壓力，101.325 kPa；T標為標準絕對溫度，（25+273）K。

由上述公式計算見表10。

表10 抽采泵工況狀態下的瓦斯抽采量計算表

抽采泵可選擇抽氣量大于208 m3/min的抽采泵。

因礦井目前有2臺ZWY110/132-G，額定抽采量110 m3/min。當這2臺泵在并聯工作時，理論上總抽氣量應等于單臺抽氣量的兩倍，但由于2臺泵的實際抽氣量有差別，相互之間有輕微的干涉，管線、彎頭等對抽氣量也有影響，實際總抽氣量比理論值最大減少5%。

110×2×（1-5%）=209＞208。因此2臺ZWY110/132-G真空泵并聯使用時符合要求。

6 分析及評價

沁源梗陽煤業井下采用瓦斯抽采措施后，能夠較好的有效解決工作面上隅角瓦斯積聚及超限問題，確保工作面安全高效生產。