屯蘭礦18403工作面瓦斯抽采技術(shù)與實(shí)踐

王永

摘 要：針對(duì)屯蘭礦煤層開采過(guò)程中遇到的瓦斯治理難題，以18403工作面為例，詳細(xì)闡述了頂板走向長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng)瓦斯抽采的鉆孔布置、參數(shù)、封孔工藝，在抽采管路選型的基礎(chǔ)上，抽采管路阻力及孔口負(fù)壓計(jì)算，進(jìn)而確定了抽采管路敷設(shè)路線，論述了抽采管路安裝設(shè)計(jì)及要求，并就工程施工成本和抽采效果，與高抽鉆場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)對(duì)比。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐檢驗(yàn)表明，頂板走向長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng)抽采性價(jià)比優(yōu)于高抽鉆場(chǎng)，抽采效果良好，滿足工作面安全回采要求，可推廣應(yīng)用至其他條件類似的工作面。

關(guān)鍵詞：瓦斯抽采方式;工藝參數(shù);走向長(zhǎng)鉆孔;負(fù)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(jù)瓦斯來(lái)源的分源理論，可以將回采工作面瓦斯主要來(lái)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(lái)源又可分為煤壁瓦斯、落煤瓦斯和采空區(qū)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(zāi)害事故嚴(yán)重妨礙了礦井正常生產(chǎn)，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(shù)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(wěn)定性煤層，煤層厚度2.8～3.33m，平均3.2m，含炭質(zhì)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(qū)，工作面傾斜235m、走向長(zhǎng)2000m，工作面地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，沒(méi)有大的斷層構(gòu)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(shù)為3.6329m2/（MPa2.d），采取Y型通風(fēng)方式，在距工作面初切眼1155位置處，設(shè)置有一個(gè)二切眼。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆孔取樣分析，上鄰近煤層及K2、L4灰?guī)r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?guī)r中瓦斯，鉆孔布置如圖1所示，但效果不盡理想，回采過(guò)程中，工作面瓦斯超限現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，針對(duì)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(jīng)礦方研究分析，擬改為頂板走向長(zhǎng)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(zhǎng)鉆孔瓦斯抽采鉆孔布置

在二切眼距18403回風(fēng)順槽60m處施工了一個(gè)長(zhǎng)4.5m×深4m的鉆場(chǎng)，在18403工作面回風(fēng)順槽，采用ZDY-12000LD型號(hào)鉆機(jī)、選用直徑為89mm的鉆桿進(jìn)行鉆場(chǎng)布置，鉆桿孔直徑選用120mm，鉆孔長(zhǎng)度設(shè)定為600m，鉆進(jìn)層位是7#煤，距8#煤頂板20.5m，鉆場(chǎng)距回風(fēng)順槽垂直高度為15m，鉆場(chǎng)寬度控制60m范圍內(nèi)，鉆孔布置如圖2所示。

鉆孔直徑大，鉆孔抽采量相應(yīng)增大，根據(jù)鉆機(jī)性能、施工速度與技術(shù)水平等因素，對(duì)成孔進(jìn)行兩次擴(kuò)孔處理，最終成孔直徑為Φ193mm。同時(shí)，施工過(guò)程中，考慮長(zhǎng)鉆孔導(dǎo)致的鉆桿自重引發(fā)的下沉量，鉆孔施工過(guò)程中采取一定的仰角來(lái)彌補(bǔ)鉆孔的彎曲下沉，根據(jù)理論計(jì)算及經(jīng)驗(yàn)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(zhǎng)度均為12m，封孔管外露鉆孔長(zhǎng)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(shè)計(jì)位置各1m處，封聚胺脂（加麻袋片）將封孔器推入孔內(nèi)，在卷纏麻袋片和聚胺脂藥液的同時(shí)將一根注漿管和一根導(dǎo)氣管一并封入孔內(nèi)，導(dǎo)氣管、注漿管的外露鉆孔長(zhǎng)度均為100mm，且導(dǎo)氣管位于鉆孔壁的上側(cè)，注漿管位于鉆孔壁的下側(cè)。在鉆孔孔口100mm段，人工封入水泥砂漿將封孔管、導(dǎo)氣管、注漿管固定好。待水泥砂漿凝固結(jié)實(shí)后，利用注漿泵和注漿管向鉆孔內(nèi)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(shí)并固定好。

4 抽采管路選型及負(fù)壓計(jì)算

4.1 管路選型

在18403工作面回風(fēng)順槽布置一趟抽采管路，瓦斯抽采管路直徑D根據(jù)絕對(duì)瓦斯涌出量、預(yù)計(jì)的瓦斯抽出量及瓦斯抽采率，采用公式（1）進(jìn)行計(jì)算：

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

4.2.2 局部阻力損失計(jì)算

管路局部阻力損失按直管阻力損失的20%計(jì)算。

H局=H直×20%=270Pa

4.2.3 總阻力損失計(jì)算

H總=H直+H局=1619Pa

4.2.4 鉆孔抽采負(fù)壓計(jì)算

H孔=H泵-H正-H總=23881Pa

式中：H孔-抽采鉆孔孔口負(fù)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(tǒng)

結(jié)合礦井下已有的巷道布置，設(shè)計(jì)18403工作面瓦斯抽采路線如下：回風(fēng)順槽（D426不銹鋼管）→18405回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷（D426不銹鋼管）→南翼下組煤回風(fēng)巷（D711不銹鋼管）南二回風(fēng)巷（D711不銹鋼管）→地面抽采泵站。

4.4 抽采管路安裝設(shè)計(jì)及要求

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

回風(fēng)措施巷左幫（煤柱側(cè)）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(shè)置兩個(gè)吊掛點(diǎn)，每隔100m安設(shè)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(gè)蝶閥和在線監(jiān)測(cè)裝置、孔板流量裝置以及自動(dòng)噴粉抑爆裝置，兩個(gè)噴粉罐之間的距離為50m?；鹧?zhèn)鞲衅鲬?yīng)安設(shè)在自動(dòng)噴粉抑爆裝置與抽采進(jìn)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(shè)做到平、穩(wěn)、直、密。離地不小于1.8m;抽采管路通過(guò)的巷道曲線段少、距離短，轉(zhuǎn)彎時(shí)角度不大于50°;管路需進(jìn)行漏氣試驗(yàn)，千米漏氣率不得大于3m3/min。

5 抽采效果分析

對(duì)18403工作面開采初期高抽鉆場(chǎng)和后期頂板走向長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng)兩種抽采工藝的工程費(fèi)用進(jìn)行了初步計(jì)劃，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1。

此外，在頂板走向長(zhǎng)鉆孔抽采和高抽鉆場(chǎng)抽采兩種情形下，對(duì)瓦斯抽采流量隨工作面推進(jìn)距離的變化情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖3所示。從圖中可明顯看出，高抽鉆場(chǎng)需在工作面回采0-35m處瓦斯抽采流量很小，之后快速增長(zhǎng)，但抽采流量不穩(wěn)定，且低于頂板走向長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng);而采取頂板走向長(zhǎng)鉆孔鉆場(chǎng)，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?guī)r中瓦斯逸散而造成的工作面瓦斯?jié)舛瘸?，確保了工作的安全回采。

6 結(jié)語(yǔ)

頂板走向長(zhǎng)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(tǒng)精簡(jiǎn)、安全性好等的優(yōu)點(diǎn)，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?jié)舛瘸?，確保了工作的安全回采，抽采出的高濃度瓦斯更易于進(jìn)行發(fā)電，既綠色環(huán)保，又創(chuàng)造二次經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]尹燦偉.提高瓦斯抽采濃度的技術(shù)探索.[J]煤炭技術(shù)，2014， 33（07）：40-42.

[2]李翠華.煤礦瓦斯抽采方式的探討[J].煤炭技術(shù)，2015， 34（06）：186-188.

[3]李樹剛，林海飛，趙鵬翔等.采動(dòng)裂隙橢拋帶動(dòng)態(tài)演化及煤與甲烷共采[J].煤炭學(xué)報(bào)，2014，39（8）：1455-1463.

[4]趙會(huì)波.頂板走向高位鉆孔在綜放面上隅角瓦斯治理中應(yīng)用[J].煤炭工程，2018，50（12）：69-72.

[5]劉秀保，逄錦倫，范彥陽(yáng)，等.頂板走向高位長(zhǎng)鉆孔分源抽采采空區(qū)瓦斯技術(shù)研究與應(yīng)用[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2019，46（5）：70-74.