玉溪煤礦瓦斯抽放設(shè)計(jì)初探

秦世通

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城 048214)

玉溪煤礦是由山西蘭花科創(chuàng)玉溪集團(tuán)開發(fā)建設(shè)的年產(chǎn)2.40 Mt的大型礦井，井田位于山西省南部晉城礦區(qū)樊莊普查區(qū)的東南部，井田面積為26.172 km2，批準(zhǔn)開采3#煤層。井田走向長(zhǎng)5.2 km，傾斜寬5.0 ～6.4 km，面積 29.79 km2?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)定 3#煤瓦斯原始?jí)毫?1.76 ～2.90 MPa;瓦斯含量 16.81 ～18.32 m3/t;煤層瓦斯壓力 1.20 ～1.40 MPa;瓦斯放散初速度△p為25.2～27.8 m/s;測(cè)試點(diǎn)煤的堅(jiān)固性系數(shù)f為0.45～1.09;上述參數(shù)符合《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》確定的指標(biāo)，故3#煤層定為突出煤層。根據(jù)臨近的胡底、寺河礦井西區(qū)3#煤層有突出危險(xiǎn)，故最終確定玉溪煤礦為煤與瓦斯突出礦井。結(jié)合鄰近成莊礦3#煤層測(cè)得鉆孔自然瓦斯涌出量0.0033～0.2575 m3/min·hm(平均 0.0754 m3/min·hm)，涌出衰減系數(shù)為0.0133 ～ 0.1573 d－1，煤層透氣性系數(shù)為0.1032 ～26.58 m2/MPa2·d，屬于容易抽放到可以抽放類型。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)回采工作面、采空區(qū)、井巷掘進(jìn)工作面、石門揭煤期間瓦斯抽放進(jìn)行了大量研究［1－7］，而對(duì)整個(gè)礦井瓦斯抽放設(shè)計(jì)的研究較少。本文根據(jù)玉溪礦瓦斯賦存特性和礦井建設(shè)特點(diǎn)，闡述了玉溪煤礦瓦斯抽放設(shè)計(jì)，可為類似新建高瓦斯礦井的瓦斯抽放設(shè)計(jì)提供參考。

1 瓦斯抽放方法選擇

按抽放瓦斯來(lái)源分類可分為開采層抽放、鄰近層抽放、采空區(qū)抽放和圍巖抽放4類。本礦井開采層瓦斯涌出量占瓦斯涌出總量的95.44%，故主要抽放方法為開采層抽放。開采層抽放可分為地面鉆孔抽放與井下抽放，地面鉆孔抽放方法抽放流量大、抽出效率高，但投資高、技術(shù)要求高。本區(qū)煤層氣資源豐富，由于中石油已取得井田內(nèi)煤層氣的采礦權(quán)，且目前已經(jīng)在地面打鉆進(jìn)行瓦斯抽采，故本設(shè)計(jì)只考慮井下瓦斯抽放。

玉溪煤礦3#煤層透氣性一般，屬于可以抽放～容易抽放煤層。根據(jù)《煤礦防治煤與瓦斯突出規(guī)定》，預(yù)抽煤層瓦斯可采用井下穿層鉆孔或順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯、穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯、順層鉆孔或穿層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯、穿層鉆孔預(yù)抽石門(含立、斜井等)揭煤區(qū)域煤層瓦斯、順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯等。根據(jù)本礦井回采及掘進(jìn)工作面瓦斯抽放量及瓦斯抽放率的預(yù)測(cè)結(jié)論，瓦斯抽放率較高，每個(gè)回采面可以保證1.5年左右的服務(wù)年限，為接替面的預(yù)抽提供了條件。結(jié)合本礦井3#煤層賦存條件、瓦斯來(lái)源和開拓布置，參考鄰近礦成熟的井下瓦斯抽放方式，設(shè)計(jì)采用順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯、順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯和穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯相結(jié)合的方式，通過預(yù)抽、邊采邊抽、邊掘邊抽的形式進(jìn)行瓦斯抽采。

2 瓦斯抽放工藝

2.1 回采工作面瓦斯抽放

玉溪礦井3#煤層為突出煤層，回采工作面開采前必須進(jìn)行消突設(shè)計(jì)，使得采前煤層瓦斯壓力低于0.74 MPa，煤層瓦斯含量≤8 m3/t?；夭晒ぷ髅嫒债a(chǎn)量7364 t，采前煤層可解析瓦斯含量應(yīng)≤5 m3/t。寺河西區(qū)采用千米鉆機(jī)模塊化抽采，時(shí)間需33個(gè)月，造成礦井投產(chǎn)時(shí)間長(zhǎng)，資金壓力大。經(jīng)綜合比較，對(duì)首采工作面采用在煤層底板中布置底抽巷道的方式，先對(duì)順槽掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行消突，再在順槽掘進(jìn)過程中打密集鉆孔進(jìn)行工作面消突及預(yù)抽。打密集鉆孔方式雖井巷及鉆孔工程量大，經(jīng)濟(jì)投資高，但可以彌補(bǔ)首采面預(yù)抽時(shí)間。對(duì)于準(zhǔn)備工作面，因首采面服務(wù)年限約1.5年，采用打密集鉆的方式在1.5年內(nèi)即可抽采達(dá)標(biāo)，故通過增加鉆孔方式縮短抽采時(shí)間，可滿足抽、采、掘銜接。

1)首采面及準(zhǔn)備面抽放設(shè)計(jì)。

根據(jù)本井田內(nèi)回采工作面瓦斯涌出特點(diǎn)、涌出量和臨近礦井瓦斯抽采經(jīng)驗(yàn)，為達(dá)到充分預(yù)抽，使礦井早日投產(chǎn)，設(shè)計(jì)采用采前消突預(yù)抽、邊采邊抽和采空區(qū)抽放相結(jié)合的綜合抽采方法來(lái)解決瓦斯問題。抽放鉆孔采用順層密集交叉布置，這種鉆孔布置方式能夠提高鉆孔間的導(dǎo)通性(隨著抽放進(jìn)行，煤層內(nèi)的瓦斯壓力降低，煤層應(yīng)力重新分布，產(chǎn)生新的裂隙，采用交叉鉆孔時(shí)，裂隙容易溝通相臨兩孔，便于提高抽放孔的抽放效果)?？紤]玉溪礦井煤層瓦斯含量高、設(shè)計(jì)工作面能力大等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)在首采面及準(zhǔn)備面的進(jìn)風(fēng)順槽中同時(shí)打交叉鉆孔，通過加大鉆孔密度、擴(kuò)大工作面抽放范圍的方式，提高工作面瓦斯抽出率，保證礦井的安全生產(chǎn)。

首采及準(zhǔn)備工作面長(zhǎng)200 m，平均采高5.71 m，鉆孔間距取2.0～2.5 m，鉆孔長(zhǎng)度取180～190 m，鉆孔的末端要求距離煤層頂板0.5 m左右，即靠近煤層頂板的位置為宜。實(shí)際生產(chǎn)中，應(yīng)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整鉆孔間距、鉆孔深度及鉆孔角度。1303及1304工作面抽采鉆孔布置示意圖見1。

圖1 首采面密集順層交叉鉆孔布置示意圖

2)千米鉆機(jī)模塊化預(yù)抽設(shè)計(jì)。

根據(jù)開拓布置每個(gè)回采工作面服務(wù)年限約1.5年，1303及1304工作面采用順層密集交叉鉆孔抽采后，為其它接替工作面的預(yù)抽贏得了充足時(shí)間和空間。可以充分利用回采面及準(zhǔn)備面的下順槽布置鉆場(chǎng)，對(duì)臨近的煤體進(jìn)行預(yù)抽。

采用千米鉆機(jī)順層鉆孔進(jìn)行模塊化超前抽采具有抽采效果好、操作方便、工程量小的優(yōu)點(diǎn)，也解決了普通順層鉆孔成孔難及定位不準(zhǔn)確的問題。通過千米鉆孔分支進(jìn)行探頂或探底，不僅能提前發(fā)現(xiàn)煤層地質(zhì)構(gòu)造情況，而且還能穿透煤層層理。故預(yù)抽煤體通過布置順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯，且鉆孔可通過千米鉆機(jī)模塊化布置。

隨著采煤工作面順槽的掘進(jìn)，在順槽后方具備條件時(shí)，采用千米鉆機(jī)施工順層鉆孔實(shí)施瓦斯預(yù)抽。千米鉆機(jī)鉆孔采用鉆場(chǎng)扇型施工，每個(gè)鉆場(chǎng)布孔數(shù)量一般為15個(gè)左右，鉆孔覆蓋范圍一般為400 m×290 m，每個(gè)鉆孔設(shè)計(jì)2～3個(gè)分支，主孔設(shè)計(jì)深度為290～480 m，終孔間距為10～15 m，單孔施工進(jìn)尺一般在1100～1800 m，鉆場(chǎng)總工程量約16000 m，鉆孔施工直徑為110 mm，鉆孔控制在距離下一個(gè)工作面最外側(cè)順槽30 m外。該鉆孔布置方式同時(shí)也解決了正常預(yù)抽工作面順槽的消突問題。千米鉆機(jī)順層鉆孔模塊化抽采布置方式見圖2。

圖2 千米鉆機(jī)順層鉆孔模塊化抽采布置示意圖

2.2 掘進(jìn)工作面瓦斯抽放

1)盤區(qū)巷道及首采面順槽預(yù)抽掘進(jìn)工作面瓦斯。

作為突出礦井，煤巷掘進(jìn)前需先對(duì)掘進(jìn)區(qū)域消突。設(shè)計(jì)充分利用已施工的巖石巷道布置鉆場(chǎng)，采用穿層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯，進(jìn)行盤區(qū)巷道及首采面順槽掘進(jìn)條帶區(qū)域消突。

首采面順槽掘進(jìn)前，先在順槽側(cè)下方底抽巷中每隔40 m左右施工一鉆場(chǎng)，每個(gè)鉆場(chǎng)覆蓋一定的煤巷掘進(jìn)范圍。掘進(jìn)運(yùn)輸順槽時(shí)，鉆場(chǎng)鉆孔一般為6～9排，每排布置15～20個(gè)鉆孔，鉆孔開孔間距0.5 m;掘進(jìn)回風(fēng)順槽時(shí)，鉆孔一般為8～12排，每排布置15～20個(gè)鉆孔，鉆孔開孔間距0.5 m。鉆孔終孔間距均在5～15 m，鉆孔終孔超過最遠(yuǎn)端設(shè)計(jì)煤巷外側(cè)15～30 m(水平投影距離)，鉆孔水平投影在煤層中不得有間隔，鉆孔全部穿透煤層;考慮大傾角鉆孔施工影響，鉆孔實(shí)際施工深度在30～120 m。

運(yùn)輸順槽掘進(jìn)區(qū)域消突時(shí)，單個(gè)鉆場(chǎng)穿層鉆孔長(zhǎng)度約4400 m，控制煤層范圍走向長(zhǎng)度55 m(15 m+25 m+15 m)，傾向?qū)挾?0 m，預(yù)抽時(shí)間210天，根據(jù)理論計(jì)算，屆時(shí)條帶區(qū)域煤層瓦斯含量降至7.59 m3/t?；仫L(fēng)順槽掘進(jìn)區(qū)域消突時(shí)，單個(gè)鉆場(chǎng)穿層鉆孔長(zhǎng)7300 m，控制煤層走向長(zhǎng)90 m，傾向?qū)?0 m，預(yù)抽時(shí)間210天，屆時(shí)條帶區(qū)域瓦斯含量約7.59 m3/t。

運(yùn)輸順槽掘進(jìn)條帶區(qū)域消突時(shí)鉆孔布置方式見圖3。

圖3 運(yùn)輸順槽掘進(jìn)時(shí)底抽巷穿層鉆孔布置示意圖

2)掘進(jìn)工作面邊抽邊掘。

采用模塊化抽采方式或穿層鉆孔方式對(duì)煤巷掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行消突后即可實(shí)現(xiàn)煤巷安全掘進(jìn)，在巷道掘進(jìn)后向巷道一側(cè)布置千米鉆機(jī)順層鉆孔抽采模塊，對(duì)下一個(gè)預(yù)抽單元的煤體進(jìn)行順層鉆孔區(qū)段預(yù)抽。但掘進(jìn)前應(yīng)對(duì)掘進(jìn)區(qū)域進(jìn)行措施效果檢驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)預(yù)抽防突效果無(wú)效，掘進(jìn)煤巷在掘進(jìn)前利用千米鉆機(jī)打長(zhǎng)度400～800 m的鉆孔向巷道前方及巷道周圍的煤體進(jìn)行瓦斯預(yù)抽，直至無(wú)突出危險(xiǎn)方可掘進(jìn)。

鉆場(chǎng)布置在掘進(jìn)工作面，共布置30～40個(gè)鉆孔，分上、下兩排，鉆孔間距6 m。掘進(jìn)面預(yù)抽3個(gè)月后，然后掘進(jìn)巷道至預(yù)定位置(留有20 m的超前距)，再施工下一循環(huán)的鉆孔進(jìn)行抽采。

根據(jù)采、掘、抽銜接需要，依照掘前預(yù)抽效果檢驗(yàn)，調(diào)整鉆孔間距及長(zhǎng)度。

掘進(jìn)工作面掘前強(qiáng)化抽采鉆孔布置見圖4。

圖4 掘進(jìn)工作面掘前強(qiáng)化抽采鉆孔布置示意圖

2.3 采空區(qū)瓦斯抽放

采空區(qū)瓦斯抽放分回采工作面采空區(qū)和已采采空區(qū)瓦斯抽放。采空區(qū)瓦斯抽放主要有鉆孔抽放法、埋管抽放法和頂煤巷抽放法。本次設(shè)計(jì)回采工作面已經(jīng)充分預(yù)抽，采用大采高開采的工作面采空區(qū)浮煤較少，采空區(qū)瓦斯涌出量約占工作面瓦斯涌出量的20%左右，為節(jié)省投資，采空區(qū)瓦斯抽放采用埋管抽放法。

在回風(fēng)巷內(nèi)敷設(shè)大直徑抽放管，管路在工作面的每個(gè)橫貫處串接一個(gè)具有組合閥門的三通管件，支管作為抽放采空區(qū)瓦斯的吸氣口。隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)工作面推過橫貫適當(dāng)距離后，管路上的吸氣口進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)最佳抽放位置時(shí)，吸氣口的組合閥門打開。依次類推，使吸氣口保持在最佳抽放位置，從而防止采空區(qū)瓦斯向工作面涌出。工作面采空區(qū)抽放布置示意圖見圖5。

圖5 工作面采空區(qū)埋管抽采方法示意圖

2.4 建井期間的瓦斯抽放

根據(jù)開拓部署，為解決建井期間的消突及瓦斯抽放問題，設(shè)計(jì)將3條大巷布置在3#煤層底板下20～25 m的巖石中，利用巖巷向3#煤層布置穿層鉆孔進(jìn)行消突及瓦斯抽采，預(yù)抽盤區(qū)巷道位置及兩側(cè)15 m范圍內(nèi)的瓦斯，將瓦斯含量降到8 m3/t以下。為加快首采面的投產(chǎn)，縮短建設(shè)工期，采用增加投資及井巷工程的方式提高抽采效率，在首采面順槽下方20 m內(nèi)的巖石中布置底板抽放巷，通過底抽巷布置鉆場(chǎng)向順槽兩側(cè)打穿層鉆孔對(duì)順槽進(jìn)行消突。底板抽放巷和中央大巷連接。根據(jù)臨近礦井經(jīng)驗(yàn)，盤區(qū)巷道及首采面順槽掘進(jìn)區(qū)域穿層鉆孔預(yù)抽時(shí)間不少于9個(gè)月。

綜上所述，本礦井采用穿層鉆孔抽放與本煤層預(yù)抽、掘前預(yù)抽與邊采邊抽、邊掘邊抽及采空區(qū)抽放相結(jié)合的綜合抽放方法。首采工作面布置順層交叉密集鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽、邊采邊抽從而縮短抽放時(shí)間;掘進(jìn)工作面采用穿層鉆孔預(yù)抽;采空區(qū)用埋管抽放法。

3 瓦斯抽放量預(yù)計(jì)

1)預(yù)抽單元瓦斯抽采量預(yù)計(jì)。

礦井正常生產(chǎn)時(shí)利用回采工作面及準(zhǔn)備面的順槽可布置2個(gè)千米鉆機(jī)模塊化預(yù)抽單元，通過順層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯。同時(shí)隨著順槽掘進(jìn)工作面的推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)邊掘邊對(duì)下一個(gè)區(qū)段進(jìn)行預(yù)抽(按0.5個(gè)預(yù)抽面計(jì)算)，則預(yù)抽單元抽放量為:64.24×2.5=160.60 m3/min。

2)準(zhǔn)備工作面及邊采邊抽工作面抽放量預(yù)計(jì)。

對(duì)準(zhǔn)備工作面，在具備開采前已進(jìn)行了消突預(yù)抽，瓦斯含量降至8 m3/t以下。為防止工作面局部區(qū)域消突不徹底，減少開采時(shí)的瓦斯涌出量，滿足《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》，回采前再進(jìn)行強(qiáng)化預(yù)抽?；夭晒ぷ髅骐S著回采的不斷推進(jìn)鉆孔數(shù)量在不斷減少，抽放量下降較快，其抽采量按準(zhǔn)備面的40%計(jì)算，則準(zhǔn)備工作面及邊采邊抽面瓦斯量為:12.63 ×1.4=17.68 m3/min。

3)掘進(jìn)工作面抽放量預(yù)計(jì)。

煤巷在掘進(jìn)前已通過各種方式消突，若消突達(dá)標(biāo)可直接掘進(jìn)，但若檢驗(yàn)預(yù)抽防突效果無(wú)效，仍需要對(duì)掘進(jìn)巷道進(jìn)行消突預(yù)抽。掘進(jìn)工作面抽放量為預(yù)抽防突效果無(wú)效后繼續(xù)對(duì)掘進(jìn)區(qū)域消突的抽采量。

順槽和盤區(qū)巷道總的預(yù)抽量為:7.09+11.80=18.89 m3/min。

4)穿層鉆孔抽采量預(yù)計(jì)。

按照玉溪煤礦穿層鉆孔布置參數(shù)，礦井正常銜接時(shí)在抽穿層鉆孔工程量約為10萬(wàn)m，臨近寺河礦根據(jù)穿層鉆孔長(zhǎng)度及抽采量計(jì)算的平均百米鉆孔抽采量為0.03 m3/min·hm，則玉溪煤礦穿層鉆孔抽采量為30 m3/min。

5)采空區(qū)瓦斯抽放量預(yù)計(jì)。

玉溪煤礦3#煤層采用大采高采煤方法，根據(jù)礦區(qū)臨近礦井采空區(qū)抽放經(jīng)驗(yàn)及礦井實(shí)際情況，回采工作面采空區(qū)和已采采空區(qū)瓦斯抽放量預(yù)計(jì)可達(dá)15 m3/min。

根據(jù)以上計(jì)算，則玉溪煤礦瓦斯抽采量為:

Q=160.60+17.68+18.89+30+15=242.17 m3/min，設(shè)計(jì)取 245 m3/min。

4 結(jié)論

根據(jù)玉溪礦瓦斯賦存特性和礦井建設(shè)特點(diǎn)，確定玉溪煤礦瓦斯抽放設(shè)計(jì)為:采用穿層鉆孔抽放與本煤層預(yù)抽、掘前預(yù)抽與邊采邊抽、邊掘邊抽及采空區(qū)抽放相結(jié)合的綜合抽放方法。首采工作面布置順層交叉密集鉆孔進(jìn)行采前預(yù)抽、邊采邊抽從而縮短抽放時(shí)間;掘進(jìn)工作面采用穿層鉆孔預(yù)抽;采空區(qū)用埋管抽放法;同時(shí)設(shè)計(jì)了建井期間礦井瓦斯抽放方案。并在此基礎(chǔ)上預(yù)測(cè)了礦井瓦斯抽放量，可為類似新建高瓦斯礦井的瓦斯抽放設(shè)計(jì)提供參考。

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