采煤工作面瓦斯測控抽放技術(shù)研究

天地（常州）自動化股份有限公司 鄧 榮

采煤工作面瓦斯測控抽放技術(shù)研究

天地（常州）自動化股份有限公司 鄧 榮

在采煤過程中經(jīng)常會出現(xiàn)工作面瓦斯?jié)舛群芨?，使用通風(fēng)無法解決的情況。因此這里就必須借助工作面瓦斯抽放技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，為此我們以某煤業(yè)集團(tuán)一個采供工作面作為案例分析了瓦斯?jié)舛容^高采取瓦斯抽放的過程，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了工作面瓦斯抽放系統(tǒng)，并對系統(tǒng)中線路鋪設(shè)、瓦斯抽放泵施工以及各項參數(shù)的設(shè)計等進(jìn)行了介紹，探索采煤工作面瓦斯抽放技術(shù)。

采煤工作面；瓦斯抽放系統(tǒng)；技術(shù)；設(shè)計

瓦斯爆炸是煤礦事故中最為嚴(yán)重也是最為常見的事故之一，不僅會造成非常大的人員傷亡，還會對井下設(shè)備和設(shè)施造成相當(dāng)大的破壞，給企業(yè)造成重大的經(jīng)濟(jì)效益損失。因此良好的瓦斯預(yù)測和控制技術(shù)成為煤礦企業(yè)安全生產(chǎn)的重要保障，近幾年隨著我國對企業(yè)安全的重視，煤礦企業(yè)的瓦斯控制也越來越成熟，其中采煤工作面瓦斯抽放就是應(yīng)用較為廣泛的一種。采煤工作面瓦斯抽放系統(tǒng)能夠有效的解決工作面瓦斯?jié)舛却蟮膯栴}，該系統(tǒng)主要包含了線路設(shè)計、管徑鋪設(shè)、管路阻力等多方面的技術(shù)，是采煤工作面瓦斯抽放技術(shù)的重要組成部分。

1 工作面簡況

我們以某煤業(yè)集團(tuán)的某采煤工作面（編號32101）作為研究對象，該工作面設(shè)計走向長度為900.1m，工作面的傾斜角為6.12°，傾斜走向長度為189米，工作面面積約為98693m2，工業(yè)儲量約為80.56萬t。該采煤工作面經(jīng)過地質(zhì)檢測和勘探后發(fā)現(xiàn)，煤層賦存狀態(tài)極其不穩(wěn)定，煤層的平均傾角高達(dá)15°，且走向也較為復(fù)雜。整體結(jié)構(gòu)較為簡單。

經(jīng)估算，該煤層瓦斯的涌出量約為1.9～3.4m3 /min，檢測到的最大涌出量高達(dá)4.0m3/min，回采工作面最大涌出量4.0m3/min，相對涌出量4.1m3/min。

2 瓦斯抽放系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

由于工作面瓦斯涌出量較大，而且濃度無法通過通風(fēng)等方式清除，因此必須采取必要的瓦斯抽放降低瓦斯?jié)舛取?/p>

2.1 管道和線路鋪設(shè)

抽放泵站選擇安裝在33采區(qū)井下，在33回風(fēng)下車以及32101車場和上輔巷位置放置抽放管道。抽放線路設(shè)置為，從工作面位置，以此經(jīng)過32101上副巷、33回風(fēng)下山、33采取瓦斯抽放泵房最終達(dá)到33號風(fēng)井。

2.2 瓦斯儲量估算

瓦斯儲量估算是系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，需要估算煤層以及圍巖全部的瓦斯儲量。計算公式為：

其中：W（104m3）為瓦斯總儲量；C=1.05，是圍巖瓦斯儲量系數(shù)；X（m3/t）代表煤層瓦斯含量。

經(jīng)計算，該煤層的相對瓦斯涌出量為4.1m3/min，X約為3.2x104m3.

2.3 實(shí)際抽放量計算

計算公式如下：

2.4 泵站、管網(wǎng)選型設(shè)計

2．4．1 設(shè)計原則

設(shè)計過程要求結(jié)合煤礦的工作面掘進(jìn)以及測得的最大瓦斯涌出量等情況完成，并根據(jù)計算結(jié)果選擇合適的瓦斯抽放泵的功率。

2．4．2 管徑計算

計算公式見下：

其中，d為所求的管徑；Q1瓦斯抽放管內(nèi)實(shí)際的瓦斯流量；V代表瓦斯在管道內(nèi)的速度；X1為瓦斯的濃度。所有參數(shù)的單位均去國際單位。

經(jīng)過計算可得d約為0.29m，結(jié)合井下的工作環(huán)境這里選取DN300型的復(fù)合材料管道。

2．4．3 抽放管的敷設(shè)方法

敷設(shè)方法主要注意以下幾點(diǎn)：（1）抽放管路要盡可能的保持平直，與管道所在的線路坡度保持一致，并盡可能減少拐角、氣門等附件的使用，避免急轉(zhuǎn)彎；（2）在巷道底部位置敷設(shè)管道的時候必須進(jìn)行一定的保護(hù)措施，例如可以使用支墊等防止底部隆起導(dǎo)致管道漏氣；（3）如果必須經(jīng)過運(yùn)輸巷道的時候，必須將抽放管路選管道專用的支架上架空，且保持高度不低于1.8m，管道的邊緣距離巷道壁不得低于0.1m，減少運(yùn)輸障礙；（4）在敷設(shè)傾斜的管路時，為了避免管路下滑每隔一段距離必須設(shè)置必要的防滑裝置。

2.5 瓦斯抽放泵選型估算

2．5．1 抽放泵流量計算

2．5．2 瓦斯抽放泵的壓力計算

壓力計算需要綜合考慮管道摩擦阻力、管路局部阻力、管網(wǎng)阻力、瓦斯抽放泵的真空度等，下面分別計算各個參數(shù)的大小。

管道摩擦阻力：

其中，h1為所求的管道摩擦阻力。L為負(fù)壓部分的管道長度，為了安全性這里取最大值；Q為管道內(nèi)部混合瓦斯的總量，r為抽放泵內(nèi)部空氣和瓦斯的混合比，K1為管徑有關(guān)的系數(shù)。

管道局部阻力：

管道局部阻力通常是摩擦阻力的10%左右，這里為了安全性和穩(wěn)定性選擇為15%，通過抽放設(shè)備計算出來的風(fēng)側(cè)管路系統(tǒng)的局部阻力。

管網(wǎng)阻力：

通過上一步計算出的管道局部阻力以及抽放設(shè)備出風(fēng)測管道系統(tǒng)的阻力值，計算管網(wǎng)阻力，管網(wǎng)阻力為管道摩擦阻力、管道局部阻力、抽放設(shè)備出風(fēng)測管道阻力的和。

瓦斯抽放泵的真空系數(shù)：

綜合考慮以上各個參數(shù)和信息，合理的選擇抽放泵的型號。這里選擇使用兩臺2BEA-303-0型真空泵，該泵能夠適應(yīng)井下的工作環(huán)境。為了安全性另一臺備用，該型號真空泵的基本參數(shù)為：最大抽氣量高達(dá)60m3/min，防爆功率為110kw，工作電壓為380v，轉(zhuǎn)速最高為1200r/min。能夠滿足該瓦斯抽放系統(tǒng)的要求。需要注意的是抽放設(shè)備是在高濃度的瓦斯環(huán)境中運(yùn)行的，因此均全部使用礦用防爆型。

表1 鉆孔參數(shù)

2.6 抽放孔布置和參數(shù)選擇

抽放孔的設(shè)置包括了孔徑大小、開口位置、坡度選擇以及孔深等多個方面，我們結(jié)合現(xiàn)場情況分析了該工作面的詳細(xì)情況，選擇在33號礦井的上副巷2號和3號鉆場內(nèi)放置2排共10個鉆孔，開口位置設(shè)置在鉆場底部1.2m處，上下兩排各布置5個鉆孔。其中上排鉆孔位置距離煤層頂板往上18m，下排則為24m。鉆孔的詳細(xì)參數(shù)見表1：

確定角度和位置后，使用150鉆機(jī)打孔，頂板部位的高位鉆孔全部使用113mm的鉆頭，并將108mm鋼管深入到其中。各個鉆孔的放置位置示意圖見下：

3 安全施工措施

由于該系統(tǒng)的很多施工過程需要在井下且在煤層工作面進(jìn)行，所以必須采取必要的安全防護(hù)措施。首先是在施工鉆孔前要檢查周圍的支護(hù)的安全和穩(wěn)定，如果出現(xiàn)了空幫、里層的現(xiàn)象應(yīng)該立即結(jié)束工作。鉆機(jī)的安裝和使用必須注意牢固性，安裝鉆桿的時候必須檢查每一跟鉆桿是否合格。在打鉆的過程中也要注意設(shè)置專門的安全人員，檢查打鉆地點(diǎn)、瓦斯記錄等檢查，并將記錄結(jié)果顯示到瓦斯記錄牌上。在施工到煤層的時候，要注重對現(xiàn)場瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行測量，對于當(dāng)鉆孔距離煤壁0.2的時候瓦斯?jié)舛龋?%，距離0.6m以上的時候≤1%。一旦出現(xiàn)噴鉆、夾鉆等現(xiàn)象立即停止施工，然后檢測瓦斯?jié)舛龋鹊桨踩笤龠M(jìn)行施工。

4 結(jié)語

在煤礦開采中經(jīng)常會遇到瓦斯?jié)舛容^大且無法通過通風(fēng)等手段消除的情況，因此必須采取必要的瓦斯抽取設(shè)備和技術(shù)，我們對采煤工作面瓦斯抽放系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的分析，該系統(tǒng)對煤礦安全生產(chǎn)有著極其重要的意義和作用。

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