賀西煤礦4 號煤瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張常勝

（山西霍州煤電集團(tuán)晉南煤業(yè)有限公司，山西 河津 043301）

為貫徹落實(shí)“先抽后采，以風(fēng)定產(chǎn)，監(jiān)測監(jiān)控”的安全生產(chǎn)方針，堅(jiān)持“應(yīng)抽盡抽、多措并舉、抽掘采平衡”的抽采原則[1-2]。根據(jù)煤礦安全規(guī)程、瓦斯抽采管理規(guī)范規(guī)定：當(dāng)通風(fēng)方法解決瓦斯問題不可能或不合理時，應(yīng)采用瓦斯抽采措施。嚴(yán)格貫徹執(zhí)行瓦斯抽采達(dá)標(biāo)評判實(shí)施辦法，全面提升瓦斯治理理念認(rèn)識、提高瓦斯治理標(biāo)準(zhǔn)、強(qiáng)化區(qū)域治理措施，需對各工作面進(jìn)行瓦斯抽采[3]。根據(jù)山西省煤炭工業(yè)廳關(guān)于賀西煤礦2017 年、2018 年、2019 年、2020 年、2021 年度瓦斯等級鑒定結(jié)果為煤與瓦斯突出礦井。2021 年瓦斯鑒定結(jié)果表明，全礦井瓦斯絕對涌出量為71.14 m3/min，相對瓦斯涌出量為18.63 m3/t。

1 礦井瓦斯抽采系統(tǒng)

1.1 礦井瓦斯抽采布置

賀西礦地面布置有2 個固定抽放泵站：薛家?guī)X瓦斯抽放泵站和獨(dú)胡峁瓦斯抽放泵站。2 個固定抽放泵站總額定抽采能力為2 620 m3/min，實(shí)現(xiàn)全礦井的分區(qū)、分源抽采。薛家?guī)X泵站采用2BEC-72 泵，負(fù)責(zé)礦井高濃度區(qū)域瓦斯抽采，同時服務(wù)礦井二采區(qū)及三采區(qū)低濃度瓦斯抽采；獨(dú)胡峁泵站2BEC-80 泵負(fù)責(zé)三采區(qū)及四采區(qū)低濃度瓦斯抽采。抽采管路：三采區(qū)、四采區(qū)采用Ф800 mm 的螺旋焊管作為瓦斯抽采主管路，共計(jì)11 546 m。采掘工作面、備用面均布置Φ300 mm不銹鋼加強(qiáng)筋螺旋焊管瓦斯抽采支管，共計(jì)15 990 m。各工作面鉆孔與支管采用波紋管總成對接進(jìn)行抽采。

1.2 抽采區(qū)域瓦斯儲量、可抽采量

工作面瓦斯來源分析：四采西翼底抽巷布置在距離4 號煤層下10 m 兩側(cè)巖層中，巷道長1 825 m，四采西翼底抽巷掘進(jìn)期間瓦斯涌出主要為巖層中賦存的少量瓦斯的涌出。4311 運(yùn)巷條帶瓦斯儲量為330.8 萬m3，四采西翼底抽巷上部預(yù)抽范圍內(nèi)4 號煤層瓦斯儲量為3 011.9 萬m3，四采西翼底抽巷上部預(yù)抽范圍內(nèi)4 號上煤層瓦斯儲量為1 335.95 萬m3。

1.3 工作面瓦斯抽采量

4311 運(yùn)巷條帶預(yù)抽范圍可抽采瓦斯量115.78 萬m3，四采西翼底抽巷上部預(yù)抽4 號煤層范圍可抽采瓦斯量903.57 萬m3，四采西翼底抽巷上部預(yù)抽4 號上煤層范圍可抽采瓦斯量為402.12 萬m3。

2 四采西翼底抽巷瓦斯抽采設(shè)計(jì)方案

2.1 四采西翼底抽巷瓦斯抽采設(shè)計(jì)方案

4311 運(yùn)巷條帶穿層鉆孔布置在四采西翼底抽巷掘進(jìn)方向左手幫，向上臨近層施工穿層鉆孔，鉆孔從距離底抽巷口100 m 處開始施工，每12 m 施工一組穿層鉆孔，每組施工10 個鉆孔，鉆孔覆蓋4311 運(yùn)巷及兩側(cè)輪廓線外各20 m 范圍。鉆孔開孔位置呈一條線布置，鉆孔由底抽巷頂板處開孔，鉆孔在4 上號煤層鉆孔終孔間距為3.6 m 左右；在3 號煤層內(nèi)終孔間距為5 m 左右，在施工過程中穿透4 號與4 上號煤層，繼續(xù)鉆進(jìn)穿透3 號煤層進(jìn)入煤層頂板0.5 m，詳見圖1。四采西翼底抽巷共施工4311 運(yùn)巷條帶預(yù)抽鉆孔146 組（1 460 個），總進(jìn)尺67 160 m。四采區(qū)4411運(yùn)巷布置位置與4311 運(yùn)巷處于上下重疊關(guān)系，4311運(yùn)巷穿層鉆孔已覆蓋預(yù)抽4411 運(yùn)巷右?guī)?0 m 范圍，故在西翼底抽巷內(nèi)向4411 運(yùn)巷條帶及左幫20 m 范圍煤層進(jìn)行抽采鉆孔施工作業(yè)。4411 運(yùn)巷左幫抽采鉆孔每組設(shè)計(jì)6 個，鉆孔終孔間距6.5 m，共計(jì)146 組（876 個鉆孔），總進(jìn)尺39 420 m，詳見表1。

圖1 四采西翼底抽巷穿層鉆孔布置示意圖

表1 四采西翼底抽巷穿層鉆孔預(yù)抽4 號煤層施工參數(shù)表

在四采西翼底抽巷施工3 號煤層穿層鉆孔時，根據(jù)鉆孔竣工情況，反算4 號煤層與4 上號煤層的層間距，并對層間距≤5 m 范圍內(nèi)的4 上號煤層制定補(bǔ)充預(yù)抽鉆孔設(shè)計(jì)并施工。

2.2 鉆孔施工工藝及封孔

2.2.1 鉆進(jìn)工藝

四采西翼底抽巷左幫穿層瓦斯抽采鉆孔施工設(shè)計(jì)采用CMSI-6000/55 型全液壓深孔鉆車，配備Φ73mm光面鉆桿；四采西翼底抽巷右?guī)豌@場預(yù)抽鉆孔施工采用ZYWL-13000DS 型定向鉆機(jī)，配備Φ89 mm 通纜鉆桿鉆桿，濕式打眼，水力排粉，無巖芯鉆進(jìn)工藝。

2.2.2 ZYWL-13000DS 鉆具鉆具組合

2.2.2.1 鉆桿

鉆具組合有兩種鉆桿：

第一種是89ZGDP3000 定向鉆桿，直徑為Φ89mm，有信號傳輸、向孔底傳輸動力介質(zhì)（10 MPa）、傳遞扭矩和起拔力的作用。

第二種是Φ89 mm 無磁通纜鉆桿，無磁鉆桿及相應(yīng)的無磁接頭采用無磁鋼材質(zhì)，絲扣經(jīng)過特殊噴丸處理，強(qiáng)度好，不會有黏扣現(xiàn)象。

2.2.2.2 單向閥

單向閥主要由中心電纜組件、單向閥殼體、支撐、閥片和閥座等幾部分組成。中心電纜組件主要由信號傳輸元件和密封絕緣零件組成。

2.2.2.3 鉆頭

在定向鉆進(jìn)的施工過程中，鉆頭在孔內(nèi)需不斷調(diào)整自身的方位，應(yīng)用傳統(tǒng)的三翼內(nèi)凹式PDC 鉆頭已不能適應(yīng)定向鉆進(jìn)的要求（不利于糾偏）而錐形鉆頭在煤層中鉆進(jìn)，會出現(xiàn)過度跑偏現(xiàn)象，給定向鉆進(jìn)的糾偏帶來了相當(dāng)大的難度。為此，采用平底型胎體式PDC 復(fù)合片鉆頭，直徑分別為Φ89 mm、Φ120 mm、Φ153 mm。

2.2.2.4 隨鉆測量系統(tǒng)

為近水平定向鉆孔施工過程中的隨鉆監(jiān)測，布置隨鉆測量系統(tǒng)，可隨鉆測量鉆孔傾角、方位、工具面等主要參數(shù)，同時可實(shí)現(xiàn)鉆孔參數(shù)、軌跡的即時孔口顯示，使鉆孔盡可能的按照設(shè)計(jì)的軌跡延伸。

2.2.3 鉆孔直徑

鉆孔的直徑應(yīng)根據(jù)打鉆技術(shù)、抽采瓦斯量和抽采半徑等因素綜合考慮，一般選用Φ65 mm～Φ113 mm，有條件時可用大直徑鉆孔。根據(jù)本礦的實(shí)際情況，本煤層采用鉆頭直徑Φ94 mm，區(qū)域預(yù)抽長鉆孔采用鉆頭直徑為Φ120 mm。

2.2.4 鉆孔孔深及間距

依據(jù)中國礦業(yè)大學(xué)編制的《賀西礦3、4 號煤層瓦斯抽采半徑測定》確定我礦3 號煤層的瓦斯抽采半徑為6.5 m，根據(jù)我礦實(shí)際條件，設(shè)置四采東翼底抽巷穿層鉆孔終孔間距為5 m，鉆場預(yù)抽鉆孔終孔間距為12 m。

2.3 鉆孔封孔方式、材料及工藝

四采西翼底抽巷瓦斯抽采鉆孔封孔方法的選擇應(yīng)根據(jù)抽采方法及孔口所處煤（巖）層位、巖性、構(gòu)造等因素綜合確定。封孔質(zhì)量影響瓦斯抽采的濃度、孔口負(fù)壓、甚至整個抽采系統(tǒng)的效果。四采西翼底抽巷穿層鉆孔采用FKJW-50/0.5 抽放瓦斯用囊袋注漿式封孔器封孔。抽放管直徑50 mm，鉆孔封孔管總長度為9 m，孔內(nèi)封孔段長度8 m。

2.4 單孔管路連接及放水器安設(shè)

2.4.1 單孔管路連接

四采西翼底抽巷穿層鉆孔與抽采支管路之間采用聚氯乙烯波紋管進(jìn)行對接，支管五通與單孔連接管路長度為1.5 m，每個五通最多可連接5 個單孔，每組穿層鉆孔安設(shè)2 個五通用于穿層鉆孔連接抽采。使用波紋管連接過程中各個接口處要擰緊，做到不漏氣。每個單孔在連接過程中要安設(shè)相應(yīng)的觀測嘴、閥門。

四采西翼底抽巷右?guī)豌@場內(nèi)長距離鉆孔首先使用Φ102 mm 鎧裝管路連接孔板流量計(jì)再連接至抽采水箱上，然后再使用Φ102 mm 鎧裝管路將水箱連接至瓦斯抽采支管，且在水箱與支管路中間加設(shè)自動計(jì)量裝置，管路在連接過程中各個接口處要安設(shè)密封圈，做到不漏氣。

2.4.2 管路布置

在四采西翼底抽巷左右兩幫各鋪設(shè)一趟瓦斯抽采管路，其中，左幫支管負(fù)責(zé)穿層鉆孔瓦斯抽采，右?guī)椭Ч茇?fù)責(zé)鉆場預(yù)抽鉆孔抽采。

2.5 抽采管道的選擇

2.5.1 四采西翼底抽巷瓦斯抽采管路管徑的選擇

利用公式（1）計(jì)算瓦斯管內(nèi)徑：

式中：D 為瓦斯管內(nèi)徑，mm；Q 為瓦斯管路中的瓦斯流量，取Q左=17.02 m3/min，Q右=41.14 m3/min；V 為瓦斯管路中的瓦斯平均流速，取V=12.5 m/s。則，D左=169 mm，D右=264 mm，四采西翼底抽巷左右?guī)椭Ч苈啡?nèi)徑300 mm 的瓦斯抽采管路，管路長度均為1 952 m，作為四采西翼底抽巷瓦斯抽采支管路。

2.5.2 四采4 號回風(fēng)巷瓦斯抽采管徑的選擇

四采4 號回風(fēng)巷瓦斯抽采管路直徑為800 mm的瓦斯抽采管路。

2.5.3 四采西翼底抽巷鉆孔抽采負(fù)壓計(jì)算

主管路的摩擦阻力計(jì)算公式見式（2）：

式中：H摩為管路的摩擦阻力，Pa；γ 為混合瓦斯對空氣的相對密度，取0.866（查表取值）；k 為系數(shù)，根據(jù)管徑由表查出；d 為管路直徑（內(nèi)徑），cm；L 為管路的總長度（線路最長），即從薛家?guī)X72 泵瓦斯抽采泵站至四采4 號回風(fēng)巷瓦斯抽采干管距離，m；Q 為某段管路混合瓦斯流量，m3/h；抽采主管路流量為3 164.4 m3/h。則：H干摩=9.81×3 564×0.866×99 232/（0.71×805）=1.28 kPa；H干局=20%×H干摩=0.2×1.28=0.256 kPa；H干總=H摩＋H干局=1.28+0.256=1.536 kPa；H干合=2×H干總=2×1.536=3.072 kPa。

2.5.4 抽采負(fù)壓計(jì)算

四采西翼底抽巷左右兩幫瓦斯抽采支管路均屬高濃瓦斯抽采系統(tǒng)泵站所擔(dān)負(fù)，根據(jù)賀西煤礦使用的2BEC-72 水環(huán)式真空泵，泵站正常工作抽采負(fù)壓穩(wěn)定在40 kPa 左右。四采西翼底抽巷鉆孔孔口孔抽采負(fù)壓為27.808 kPa

2.6 瓦斯抽采管路的鋪設(shè)

1）四采西翼底抽巷瓦斯抽采支管路敷設(shè)時從四采4 號回風(fēng)巷瓦斯抽采干管分別引出兩趟Φ300 mm的瓦斯抽采管路，經(jīng)回風(fēng)聯(lián)巷連接至四采西翼底抽巷工作面，管路分別鋪設(shè)在巷道前進(jìn)的左右兩幫，管路長度均為1 952 m，瓦斯抽采管路隨著工作面的掘進(jìn)逐步進(jìn)行延伸。

2）管路在鋪設(shè)過程中，在巷道口起120 m 范圍的管路上安裝Φ300 mm 蝶閥、孔板流量計(jì)、瓦斯抽采管路在線監(jiān)測裝置、ZYBRG8/2 型礦用防爆自動抑爆裝置。瓦斯抽采支管每根6 m，采用法蘭盤（Φ300 mm）連接，管路末端安裝負(fù)壓表。

3）瓦斯抽采支管路在敷設(shè)時，瓦斯抽采管路均采用法蘭盤（Φ300 mm）連接，左幫瓦斯抽采支管每兩根管連接2 個五通，右?guī)屯咚钩椴芍Ч苈枫@場口中間必須安設(shè)四個Φ300 mm 的同徑三通，并在鉆場口安設(shè)三通用于放水管的連接。

4）瓦斯抽采管路吊掛采用直徑不小于6 mm 的鋼絲繩穿過PE 管、一管兩吊的方式鋪設(shè)，且抽采管路吊掛在巷道專用頂錨桿上。

5）瓦斯抽采支管路在敷設(shè)時，每200 m 和巷道低洼處必須安設(shè)（Φ200 mm）的支管放水器，每500 m 安裝一個支管控制蝶閥。

6）四采西翼底抽巷瓦斯抽采管路布置在掘進(jìn)工作面前進(jìn)方向的左右兩幫，瓦斯抽采管路吊掛距底板高度不小于300 mm。

3 結(jié)論

通過現(xiàn)場試用4 號煤抽采效果進(jìn)行監(jiān)測，得出4 號煤瓦斯涌出量明顯降低，瓦斯抽采量大，通風(fēng)量得以緩減，有效實(shí)現(xiàn)瓦斯綜合治理，實(shí)現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)和碳中和、碳達(dá)峰的目標(biāo)。