靖安煤礦瓦斯抽采設(shè)計

于先富 邱林彬

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司)

·實用技術(shù)·

靖安煤礦瓦斯抽采設(shè)計

于先富 邱林彬

(中煤科工集團重慶設(shè)計研究院有限公司)

高瓦斯礦井在建設(shè)和生產(chǎn)過程中瓦斯事故多發(fā)，給國家和人民的生命財產(chǎn)造成了嚴(yán)重損失。高瓦斯礦井在建設(shè)初期就應(yīng)該充分做好瓦斯治理工作。結(jié)合靖安煤礦瓦斯的賦存條件，在分析瓦斯主要來源的基礎(chǔ)上，針對不同瓦斯涌出來源提出相應(yīng)瓦斯抽采方法，經(jīng)預(yù)測能夠解決礦井高瓦斯的難題，使礦井在滿足瓦斯抽采利用的同時，也能夠有效保證礦井的安全生產(chǎn)。

高瓦斯礦井 瓦斯賦存條件 抽采方法

近年來，在能源需求持續(xù)緊張和國家政策的引導(dǎo)下，大批新建和改擴建煤炭礦井項目開始實施，由于過于強調(diào)產(chǎn)能的提高，而對安全無法做到足夠的重視，使得煤礦安全事故多發(fā)。其中，礦井瓦斯一直是威脅煤礦安全生產(chǎn)的重大隱患。根據(jù)國務(wù)院446號令，高瓦斯礦井和煤與瓦斯突出礦井必須建立瓦斯抽采系統(tǒng)。我國自1952年撫順龍鳳礦建立抽放系統(tǒng)以來，瓦斯抽放工作經(jīng)歷了半個多世紀(jì)。長時間的抽放經(jīng)驗發(fā)現(xiàn)，煤礦瓦斯抽放不僅是降低礦井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤與瓦斯突出災(zāi)害的重要措施，而且，抽放的高濃度瓦斯可作為清潔能源，變害為利[1]。

1 礦井概況

云南省靖安煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力為30萬t/a，為在建礦井，平硐+暗斜井開拓，礦井劃分為+2 050，+1 700 m 2個開采水平。礦井僅有C4煤層可采，平均厚1.47 m。根據(jù)地勘報告，礦井按高瓦斯礦井設(shè)計。井田內(nèi)的瓦斯儲量約8 906萬m3，可抽瓦斯量約1 919萬m3，瓦斯資源豐富。經(jīng)預(yù)測，礦井+2 050 m 水平絕對瓦斯涌出量為11.26 m3/min，相對瓦斯涌出量為16.65 m3/t，回采工作面絕對瓦斯涌出量為4.05 m3/min，相對瓦斯涌出量為6.34 m3/t。按《煤礦安全規(guī)程》第145條規(guī)定，必須建立瓦斯抽采系統(tǒng)[2]。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計規(guī)范》(GB50471—2008)第3.1.1條的要求，高瓦斯礦井必須建立瓦斯抽采系統(tǒng)[3]。

2 瓦斯涌出來源

根據(jù)本礦井地勘報告分析，在礦井瓦斯涌出來源構(gòu)成關(guān)系中，以回采工作面瓦斯涌出量為主，掘進面和采空區(qū)瓦斯涌出量為輔。在回采面瓦斯涌出來源構(gòu)成中，以本煤層瓦斯涌出量為主，鄰近層瓦斯涌出量為輔，其中本煤層瓦斯涌出量占90.4%，鄰近層瓦斯涌出量占9.6%。

3 瓦斯抽采方法

3.1 掘進工作面瓦斯抽采

本礦井為新建礦井，為了確保C4煤層煤巷掘進安全，防止掘進工作面瓦斯涌出量過高，預(yù)防瓦斯?jié)舛瘸?，根?jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第49條，順層鉆孔預(yù)抽煤巷條帶煤層瓦斯區(qū)域防突措施的鉆孔長度應(yīng)不小于60 m[4]。煤巷掘進中，在巷道每側(cè)隔40 m布置鉆場，向掘進方向打鉆孔抽采，先抽后掘。鉆孔布置見圖1。

圖1 掘進工作面抽采示意

3.2 回采工作面瓦斯抽采

本礦井為單一煤層開采，從回采工作面的瓦斯涌出量構(gòu)成來看，回采工作面的本煤層瓦斯涌出量占90.4%，上鄰近層占8.5%，下鄰近層占1.1%，設(shè)計提出了采空區(qū)埋管抽采法和順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域瓦斯法。

3.2.1 采空區(qū)埋管抽采

C4煤層開采時，回采工作面瓦斯涌出量較大，再加上回采工作面機械化程度高，產(chǎn)量較高，為確保通風(fēng)安全可靠，防止回采工作面瓦斯超限，設(shè)計考慮埋管抽采工作面采空區(qū)瓦斯。埋管抽采的具體方法：在工作面回風(fēng)順槽敷設(shè)瓦斯抽采管，抽采管每隔一定距離串接一個三通管件(帶組合閥門)作為瓦斯吸入口，隨工作面推進，吸氣口閥門依次打開，使其處于最佳抽采位置。為防抽采管被砸壞，可將瓦斯抽采管敷設(shè)在水泥導(dǎo)管內(nèi)，在水泥導(dǎo)管四周余留若干小孔。埋管布置見圖2。

圖2 采空區(qū)埋管布置

3.2.2 順層鉆孔預(yù)抽

C4煤層采用中厚煤層綜采，回采過程中本煤層瓦斯涌出量大，設(shè)計采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域煤層瓦斯的防突措施，抽采工作面煤體內(nèi)的瓦斯，在工作面回風(fēng)順槽和運輸順槽掘進過程中布置鉆孔，進行預(yù)抽。該礦采煤工作面長140 m，設(shè)計考慮在工作面回風(fēng)順槽和運輸順槽內(nèi)采用沿煤層雙向布孔方式，確保不留盲區(qū)，鉆孔重疊10 m。在工作面運輸順槽施工本工作面上向煤層順層鉆孔，鉆孔長100 m。在工作面回風(fēng)順槽施工本工作面下向煤層順層鉆孔，鉆孔長50 m。順層鉆孔布置見圖3。

圖3 C4煤層順層鉆孔預(yù)抽布置

3.2.3 抽采方法選擇

結(jié)合上述分析，采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域瓦斯法鉆孔工程量大，投資高，但抽采量大，抽采濃度高，能作為防止煤與突出的措施；采空區(qū)埋管抽采法主要優(yōu)點是節(jié)省鉆場、鉆孔工程量，抽采方法簡單有效，且抽采量大。

礦井一采區(qū)開采標(biāo)高為+2 375～+2 050 m，共布置4個區(qū)段開采；二采區(qū)開采標(biāo)高為+2 215～+2 050 m，共布置2個區(qū)段開采。根據(jù)地質(zhì)報告提供的瓦斯梯度為114.66 m/(mL/g)，本次抽采+2 050 m 標(biāo)高原煤瓦斯含量按9.04 m3/t設(shè)計。礦井在+2 200.446 m標(biāo)高煤層瓦斯含量約8 m3/t，在+2 200.446 m標(biāo)高以上煤層瓦斯含量小于8 m3/t，在+2 200.446 m標(biāo)高以下，煤層瓦斯含量大于8 m3/t。礦井一采區(qū)一、二區(qū)段在+2 215 m標(biāo)高以上，其煤層瓦斯含量小于8 m3/t，三、四區(qū)段在+2 215 m 標(biāo)高以下，其煤層瓦斯含量大于8 m3/t。二采區(qū)各區(qū)段位于+2 215 m標(biāo)高以下，其煤層瓦斯含量大于8 m3/t。根據(jù)地勘報告和煤與瓦斯突出災(zāi)害評估報告，+1 930 m標(biāo)高及以上C4煤層為非煤與瓦斯突出煤層。

礦井一采區(qū)一、二區(qū)段煤層瓦斯含量小于8 m3/t，故設(shè)計采用采空區(qū)埋管抽采法。

當(dāng)?shù)V井一采區(qū)三、四區(qū)段和二采區(qū)開采時，其煤層瓦斯含量大于8 m3/t，根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》和《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》(AQ 1026—2006)的有關(guān)規(guī)定，開采前煤層瓦斯含量必須降到8 m3/t以下，設(shè)計采用順層鉆孔預(yù)抽回采區(qū)域瓦斯法。

3.3 老采空區(qū)瓦斯抽采

礦井投產(chǎn)時，在一采區(qū)布置一個回采工作面，為防止老采空區(qū)向礦井、采區(qū)涌出大量瓦斯，設(shè)計考慮布置一個老采空區(qū)瓦斯抽采。采用打密閉墻，向采空區(qū)密閉墻內(nèi)插管，進行瓦斯抽采，見圖4。

圖4 老采空區(qū)抽采示意

3.3.1 密閉墻插管布置

密閉墻兩端用料石或普通建筑用磚砌成，里外圍墻，厚度不小于0.3 m，密閉墻總厚度不小于1 m，為保證密閉性，將巷道四周墻壁挖出約0.3 m深的槽溝，將料石鑲嵌進去，中間用土夯實，將瓦斯管放在密閉墻的上部。瓦斯管外口安設(shè)閥門，未抽采前將閥門關(guān)閉，以免向外泄漏瓦斯。

3.3.2 插管與主管的連接

由于采空區(qū)密封性較差，瓦斯?jié)舛炔粫?，并且波動很大，為確保整個抽采系統(tǒng)的瓦斯不低于安全濃度，插管與主管連接處必須設(shè)閥門、節(jié)流孔板和濃度檢測口，以便及時檢測抽出的瓦斯?jié)舛群土髁俊?/p>

3.4 石門揭煤區(qū)域預(yù)抽

新建礦井對煤層瓦斯含量超過8 m3/t的區(qū)域進行石門揭煤前，為預(yù)防石門揭煤發(fā)生突出危險，應(yīng)預(yù)抽揭煤區(qū)域瓦斯，當(dāng)降至8 m3/t以下，經(jīng)效果檢驗達標(biāo)后方可進行石門揭煤作業(yè)。根據(jù)《防治煤與瓦斯突出規(guī)定》第49條，在揭煤工作面距煤層的最小法向距離7 m以前實施穿層鉆孔預(yù)抽，鉆孔具體布置見圖5。

圖5 石門揭煤區(qū)域預(yù)抽鉆孔布置

4 瓦斯抽采效果預(yù)測

4.1 瓦斯抽采量

根據(jù)預(yù)抽期間平均瓦斯抽采量計算公式，分別計算掘進工作面、回采工作面、預(yù)抽工作面、老采空區(qū)和石門揭煤時瓦斯抽采量。

(1)

式中,q為預(yù)抽期間平均瓦斯抽采量，m3/min；K為鄰近層和圍巖瓦斯儲量系數(shù)，1.2；L1為預(yù)抽工作面斜長，m；L2為預(yù)抽工作面走向長度，m；M為煤層平均厚度，1.75 m；γ為煤的容重，1.41 t/m3；W0為煤層原始瓦斯含量，9.04 m3/t；η為煤層瓦斯預(yù)抽率，17%；t為預(yù)抽時間，d。

礦井一采區(qū)一、二區(qū)段開采時，煤層瓦斯含量小于8 m3/t，設(shè)計僅考慮采空區(qū)埋管抽采，未采取預(yù)抽措施。計算結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 礦井瓦斯抽采量統(tǒng)計

4.2 瓦斯抽采規(guī)模的確定

根據(jù)礦井瓦斯抽采量計算，本礦井+2 050 m水平一、二采區(qū)最大抽采量按9.68 m3/min(純量)設(shè)計。礦井本煤層順層鉆孔預(yù)抽、掘進煤巷順層鉆孔預(yù)抽和石門揭煤區(qū)域穿層鉆孔采用高負壓系統(tǒng)抽采，抽采量為7.68 m3/min(純量)，平均濃度按30%設(shè)計，故高負壓抽采系統(tǒng)規(guī)模按25.6 m3/min(混合量)設(shè)計。礦井采空區(qū)埋管和老采空區(qū)插管抽采采用低負壓系統(tǒng)抽采，抽采量按一采區(qū)一、二區(qū)段生產(chǎn)時的最大抽采量設(shè)計，低負壓系統(tǒng)抽采量為3.22 m3/min(純量)，平均濃度按10%設(shè)計，故低負壓抽采系統(tǒng)規(guī)模按32.2 m3/min(混合量)設(shè)計。

4.3 瓦斯抽采率

本礦井投產(chǎn)初期在南翼回風(fēng)平硐場地建地面固定式抽采泵站，建立瓦斯抽采系統(tǒng)。設(shè)計瓦斯抽采系統(tǒng)按照礦井瓦斯涌出量(純量)最大時期預(yù)測瓦斯抽采率，根據(jù)上述分析，礦井平均瓦斯抽采量取9.68 m3/min。+2 050 m水平絕對瓦斯涌出量為11.26 m3/min，抽采后預(yù)測絕對瓦斯涌出量降低至6.74 m3/min，即礦井風(fēng)排瓦斯涌出量。根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》，礦井瓦斯抽采率按下列公式計算：

(2)

式中，ηm為礦井瓦斯抽采率，%；Qmc為礦井平均瓦斯抽采量，9.68 m3/min；Qmf為礦井風(fēng)排瓦斯量，6.74 m3/min。

經(jīng)計算，礦井抽采率為59%，大于25%，礦井絕對瓦斯涌出量小于20 m3/min，設(shè)計的礦井抽采率完全滿足于《煤礦瓦斯抽采基本要求》和《煤礦瓦斯抽采達標(biāo)暫行規(guī)定》的要求。

5 結(jié) 論

(1)根據(jù)礦井實際情況及相關(guān)規(guī)程和規(guī)范的要求，靖安煤礦在建設(shè)過程中必須進行瓦斯抽采設(shè)計，建立礦井瓦斯抽采系統(tǒng)。

(2)在設(shè)計階段針對靖安煤礦建設(shè)和生產(chǎn)過程中的掘進工作面、回采工作面、老采空區(qū)和石門揭煤區(qū)域的瓦斯治理工作，提出了具有針對性的瓦斯抽采方法。

(3)通過對不同區(qū)域的瓦斯抽采量的計算，設(shè)計確定了瓦斯抽采規(guī)模，按此規(guī)模建立瓦斯抽采系統(tǒng)，預(yù)測礦井瓦斯抽采率為59%，滿足規(guī)程、規(guī)范的要求，本礦井瓦斯抽采設(shè)計合理、可行。

[1] 王鐵軍，趙傳龍，代華明，等.礦井瓦斯抽采技術(shù)的研究現(xiàn)狀及前景[J].山西焦煤科技，2012(6)：27-30.

[2] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局,國家煤礦安全監(jiān)察局.煤礦安全規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2011.

[3] 中煤國際工程集團重慶設(shè)計研究院.GB 50471—2008 煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2009.

[4] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，國家煤礦安全監(jiān)察局.防治煤與瓦斯突出規(guī)定[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.

2014-12-02)

于先富(1983—)，男，工程師，碩士，400016 重慶市渝中區(qū)大坪長江二路179號。