長(zhǎng)壁工作面瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化研究

何惠君

(四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川省成都市，610101)

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長(zhǎng)壁工作面瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化研究

何惠君

(四川師范大學(xué)工學(xué)院，四川省成都市，610101)

以勝利煤礦為試驗(yàn)礦井，對(duì)1306采煤工作面的瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行研究，提出了瓦斯抽采鉆孔優(yōu)化方案，運(yùn)用回歸分析手段對(duì)優(yōu)化后采集的瓦斯數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并評(píng)價(jià)系統(tǒng)優(yōu)化后瓦斯抽采效果?，F(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)踐表明，通過(guò)在開(kāi)采煤層中布置頂板和底板高(低)位鉆孔同時(shí)抽采本煤層和上下鄰近層卸壓瓦斯后，1306采煤工作面瓦斯抽采率達(dá)到了37.6%～80.7%，瓦斯?jié)舛冉禐?.36%～0.38%，滿足了礦井安全生產(chǎn)要求。

長(zhǎng)壁開(kāi)采 頂板高位鉆孔 采空區(qū)插管 瓦斯抽采量 抽采鉆場(chǎng)數(shù)量 距開(kāi)切眼距離 技術(shù)優(yōu)化 回歸分析

煤礦事故中瓦斯事故是所有事故中最重要也是最具破壞力的一種，近年來(lái)雖然煤礦瓦斯事故的發(fā)生起數(shù)有所減少，但是瓦斯事故的發(fā)生總量仍較多，重大瓦斯事故時(shí)有發(fā)生。隨著高瓦斯礦井的逐年增多，煤礦瓦斯事故防治的形勢(shì)依舊嚴(yán)峻。

本文以勝利煤礦瓦斯抽采技術(shù)為研究對(duì)象展開(kāi)課題研究，結(jié)合勝利煤礦自身的特點(diǎn)，通過(guò)對(duì)1306工作面進(jìn)回風(fēng)巷的抽采鉆場(chǎng)和鉆孔參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著提高了瓦斯抽采率，保證了礦井的安全生產(chǎn)。該方法對(duì)類似條件的難抽采、極薄煤層礦井開(kāi)采有一定的借鑒意義和參考價(jià)值。

1 工程概況

經(jīng)鑒定2014年勝利煤礦瓦斯絕對(duì)涌出量為20.14 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為101.39 m3/t，屬高瓦斯礦井。其中，采煤區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量占礦井總瓦斯涌出量的27.72%；掘進(jìn)區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量占礦井總瓦斯涌出量的10.44%；采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌量占礦井瓦斯涌出量的61.84%。在采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌量中，新采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量占總采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量的比例達(dá)到83.78%；老采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量占總采空區(qū)絕對(duì)瓦斯涌出量的比值為16.22%。所以，勝利煤礦瓦斯涌出主要來(lái)自采空區(qū)，尤其是新采空區(qū)。

1306采煤工作面為勝利煤礦中一個(gè)高瓦斯工作面，采區(qū)上部為已開(kāi)采的1308采區(qū)，其1308巷保留下來(lái)作為1306工作面回風(fēng)巷道，1306巷作為工作面的進(jìn)風(fēng)巷進(jìn)行回采。

2 瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

工作面開(kāi)采后，來(lái)自頂?shù)装宓男秹和咚褂咳腴_(kāi)采空間，在漏風(fēng)情況之下，瓦斯可能運(yùn)移到通風(fēng)風(fēng)流之中，也可能在密閉條件良好的情況下留在采空區(qū)，會(huì)對(duì)下一步的礦井開(kāi)采造成安全隱患。

2.1 礦井原有瓦斯抽采技術(shù)

勝利煤礦原有的瓦斯抽采方案主要有兩種，分別為工作面頂板高位鉆孔抽采瓦斯、采空區(qū)插管抽采瓦斯，已完成回采的1103工作面和1206工作面分別采用上述兩種瓦斯抽采方法。

2.1.1 頂板高位鉆孔抽采瓦斯

圖1所示為1103采煤工作面布置以及鉆場(chǎng)布置示意圖，在1103工作面回風(fēng)巷，沿煤層走向，自開(kāi)切眼30 m處設(shè)首個(gè)鉆場(chǎng)，此后每相距30 m設(shè)一個(gè)。每個(gè)鉆場(chǎng)向工作面后方區(qū)域鉆3個(gè)頂板穿層鉆孔，保證終孔點(diǎn)處于后方空隙中，采用接管的方式抽采采空區(qū)的瓦斯。

圖1 工作面頂板高位鉆孔瓦斯抽采示意圖

2.1.2 采空區(qū)插管抽采瓦斯方法

圖2為1206采煤工作面采空區(qū)插管抽采瓦斯示意圖，在1208巷瓦斯管道的尾部布設(shè)一彎管，保證管口伸入回風(fēng)巷頂部區(qū)域，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施。用長(zhǎng)10 m以上的管道作為接替管，并在回采面的后方瓦斯管上方每相鄰40 m處設(shè)置1組埋管口組件、控制閥門及三通，在回采面推進(jìn)后，保留采空區(qū)內(nèi)的埋管口，保證瓦斯抽采工作的正常進(jìn)行。當(dāng)回采面再次推進(jìn)40 m后，埋管口3～5 m的部分已經(jīng)被埋在采空區(qū)內(nèi)，此時(shí)，關(guān)閉上一埋管段的閥門，并將下一段埋管口閥門打開(kāi)，源源不斷地抽放采空區(qū)瓦斯。

圖2 采空區(qū)插管抽采瓦斯示意圖

2.1.3 存在問(wèn)題

由于以上兩個(gè)工作面為對(duì)拉工作面，當(dāng)采煤工作面由走向長(zhǎng)壁對(duì)拉工作面變?yōu)樽呦蜷L(zhǎng)壁工作面后，原設(shè)計(jì)瓦斯抽采方法會(huì)產(chǎn)生以下問(wèn)題。

(1)頂板高位抽采鉆場(chǎng)中，一個(gè)鉆場(chǎng)的3個(gè)鉆孔中距離回風(fēng)巷上幫2.7 m鉆孔的混合瓦斯流量幾乎為0，距離回風(fēng)巷上幫17 m鉆孔混合瓦斯流量較小為0～0.5 L/min，且抽采瓦斯?jié)舛葍H為6%～19%。

(2)工作面上隅角、回風(fēng)巷瓦斯超限嚴(yán)重。

(3)鉆孔未到達(dá)瓦斯流量大、濃度高區(qū)域，采煤工作面開(kāi)采后上下近距離不可采煤層卸壓瓦斯未被有效抽采，鉆孔混合瓦斯流量忽大忽小，有時(shí)甚至為0。

(4)礦井瓦斯抽采量、礦井瓦斯抽采率遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到礦井設(shè)計(jì)瓦斯抽采量和抽采率要求。

說(shuō)明原設(shè)計(jì)瓦斯抽采方法或參數(shù)存在問(wèn)題，需要進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

2.2 瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

1306采煤工作面所在采區(qū)為下山走向長(zhǎng)壁兩翼式布置開(kāi)采，采區(qū)巷道均布置在所開(kāi)采煤層中，1306巷為工作面運(yùn)輸巷兼進(jìn)風(fēng)巷，1308巷為回風(fēng)巷。

1306采煤工作面設(shè)計(jì)采用頂?shù)装邈@孔同時(shí)抽采上、下鄰近層的卸壓瓦斯的方式抽采瓦斯，鉆場(chǎng)布置如圖3所示(此時(shí)1308巷1#鉆場(chǎng)已廢棄)。

圖3 1306采煤工作面進(jìn)回風(fēng)巷鉆場(chǎng)布置示意圖

(1)對(duì)于1306進(jìn)風(fēng)巷而言，每個(gè)鉆場(chǎng)之間相距18 m，1306巷從開(kāi)切眼工作面推進(jìn)至12 m時(shí)，施工第一個(gè)鉆場(chǎng)，推進(jìn)至30 m時(shí)施工第二個(gè)鉆場(chǎng)，以此類推，1306巷主要抽采采煤工作面后方卸壓瓦斯，在采煤工作面推進(jìn)過(guò)程中，工作面后方的鉆場(chǎng)瓦斯抽采一直沿用，當(dāng)瓦斯抽采效果不理想時(shí)棄用。1306巷每個(gè)鉆場(chǎng)布置1#、2#、3#、4#、5#、6#共6個(gè)鉆孔，其中2#、4#、6#為上幫鉆孔，1#、3#、5#為下幫鉆孔。1306巷1#鉆場(chǎng)布置情況如圖4所示，鉆孔參數(shù)詳見(jiàn)表1。

圖4 1306巷1#鉆場(chǎng)鉆場(chǎng)布置示意圖

(2)在1308回風(fēng)巷開(kāi)切眼前方18 m布置第一個(gè)鉆場(chǎng)，前方36 m布置第二個(gè)鉆場(chǎng)預(yù)先抽采鄰近層瓦斯，以此類推，并始終保持前方有兩個(gè)鉆場(chǎng)投入使用，繼續(xù)推進(jìn)后，在采煤工作面后方只保留兩個(gè)鉆場(chǎng)抽采瓦斯。每個(gè)鉆場(chǎng)布置1#、2#、3#、4#共4個(gè)鉆孔，其中1#、3#為頂板孔，2#、4#為底板孔。1308巷5#鉆場(chǎng)鉆孔布置情況如圖5所示，鉆孔參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表1 1306巷鉆孔參數(shù)表

圖5 1308巷5#鉆場(chǎng)鉆孔布置示意圖

鉆孔直徑/mm與1308巷夾角/(°)坡度/(°)孔深/m距頂(底)板距離/m1#654029301752#7530-26401433#656021401964#7560-2840135

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 瓦斯參數(shù)

現(xiàn)場(chǎng)使用XY-LG型孔板流量計(jì)和G1.6型家用膜式煤氣表測(cè)量鉆孔瓦斯混合流量，使用高濃度光學(xué)瓦檢儀測(cè)量鉆孔瓦斯?jié)舛?。采用瓦斯的?biāo)況純流量作為衡量瓦斯抽采效果參數(shù)，瓦斯標(biāo)況純流量通過(guò)式(1)～(3)計(jì)算得到。

(1)工況混合流量計(jì)算式：

(1)

式中：Q工混——工況混合流量，m3/min；

k——孔板系數(shù)，勝利煤礦取值0.3001；

b——瓦斯?jié)舛刃Ｕ怠?/p>

(2)標(biāo)況混合量計(jì)算式：

(2)

式中：Q標(biāo)混—標(biāo)況混合流量，m3/min；

P0——壓差，Pa。

(3)標(biāo)況純流量計(jì)算式：

Q標(biāo)純=Q標(biāo)混×C

(3)

式中：Q標(biāo)純——標(biāo)況純流量，m3/min；

C——濃度，%。

3.2 瓦斯抽采效果分析

3.2.1 1306進(jìn)風(fēng)巷瓦斯抽采效果分析

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的瓦斯?jié)舛纫约巴咚沽髁恐到Y(jié)合公式(1)～(3)計(jì)算得到1306巷2-5月份標(biāo)況瓦斯純量回歸分析，如圖6所示。由圖6可以看出，2月份測(cè)得的瓦斯標(biāo)況純流量范圍0.21～0.59 m3/min，標(biāo)況純流量平均值為0.36 m3/min，瓦斯純量隨著抽采時(shí)間的增加呈先降后升的趨勢(shì)；3月份瓦斯標(biāo)況純流量范圍0.49～1.28 m3/min，平均值0.73 m3/min，瓦斯純量隨著抽采時(shí)間的增加呈緩慢上升的趨勢(shì)，和2月份相比較標(biāo)況純流量平均值有所增加；4月份瓦斯標(biāo)況純流量范圍0.78～3.1 m3/min，平均達(dá)到2.30 m3/min，較前兩個(gè)月有較大幅度增加，曲線呈先上升后降低的趨勢(shì)，分析其主要原因在于4月份開(kāi)采進(jìn)度較快，鉆孔數(shù)量有限導(dǎo)致瓦斯抽采能力有限；5月份標(biāo)況純流量取值2.52～3.4 m3/min，標(biāo)況純流量平均2.93 m3/min，變化曲線呈先增加后降低，最后上升的趨勢(shì)，瓦斯抽采量整體趨勢(shì)為不斷增加。

圖6 1306巷2-5月份標(biāo)況瓦斯純量回歸分析

3.2.2 1308回風(fēng)巷瓦斯抽采效果分析

1308巷2-5月份標(biāo)況瓦斯純量回歸分析如圖7所示。由圖可以得到2-5月瓦斯標(biāo)況純流量范圍分別為0.07～0.20 m3/min、0.10～0.78 m3/min、0.71～1.64 m3/min和0.24～1.20 m3/min，和1306進(jìn)風(fēng)巷相比整體瓦斯流量有所降低，但整體抽采量也是在不斷增加。

鉆孔和鉆場(chǎng)參數(shù)優(yōu)化后，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，1306巷瓦斯抽采平均濃度值為34.96%～64.84%，1308巷瓦斯抽采平均濃度為16.37%～36.16%；上隅角及工作面瓦斯?jié)舛葻o(wú)超限問(wèn)題，1308回風(fēng)風(fēng)流瓦斯?jié)舛葹?.36%～0.38%，回風(fēng)與回風(fēng)流瓦斯?jié)舛缺３址€(wěn)定狀態(tài)。

4 瓦斯抽采量影響因素分析

通過(guò)為期4個(gè)月對(duì)1306采煤工作面進(jìn)風(fēng)巷、回風(fēng)巷進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)測(cè)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸處理，得出了1306巷和1308巷瓦斯抽采純量與距開(kāi)切眼距離和鉆場(chǎng)數(shù)量之間的關(guān)系。

4.1 瓦斯抽采量與距開(kāi)切眼距離之間的關(guān)系

瓦斯抽采純量與距開(kāi)切眼距離之間的關(guān)系如圖8所示。由圖8可以看出，1306進(jìn)風(fēng)巷瓦斯抽采量大于1308回風(fēng)巷瓦斯抽采量，主要原因在于1308回風(fēng)巷采煤工作面推進(jìn)過(guò)程中，最多只抽采4個(gè)鉆場(chǎng)，工作面前方2個(gè)，工作面后方2個(gè)；而1306巷在工作面推進(jìn)過(guò)程中，位于采空區(qū)后方的鉆場(chǎng)持續(xù)抽采，在鉆孔瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)才關(guān)閉。

圖7 1308巷2-5月份標(biāo)況瓦斯純量回歸分析圖

圖8 瓦斯抽采純量與工作面推進(jìn)距離關(guān)系

由圖8(a)曲線中可以看出，從12 m開(kāi)始，瓦斯抽采量迅速增加，當(dāng)1306采煤工作面推進(jìn)至80 m以后，瓦斯抽采量總體趨于平穩(wěn)；由圖8(b)可得，工作面推進(jìn)至80 m之前，瓦斯抽采量增速很快，超過(guò)80 m后抽采量快速降低然后略有回升。

4.2 瓦斯抽采量與抽采鉆場(chǎng)數(shù)量關(guān)系

瓦斯抽采純量與抽采專場(chǎng)數(shù)量之間關(guān)系如圖9所示。

由圖9可知，瓦斯純量隨著瓦斯抽采鉆場(chǎng)數(shù)量的增加，呈“緩慢升高-迅速升高-緩慢變化”的增長(zhǎng)模式，其中3～5個(gè)鉆場(chǎng)投入抽采為第一階段，期間瓦斯抽采純量隨工作面推進(jìn)呈緩慢上升的態(tài)勢(shì)；5～8個(gè)鉆場(chǎng)投入抽采為第二階段，期間瓦斯抽采純量隨工作面的推進(jìn)增長(zhǎng)明顯，抽采純量由0.72 m3/min迅速增長(zhǎng)至1.95 m3/min；9～13個(gè)鉆場(chǎng)投入抽采為第三階段，期間瓦斯抽采純量隨工作面的推進(jìn)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)放緩，有起伏情況，但總體隨著抽采鉆場(chǎng)的增加瓦斯抽采純量值不斷增大。

圖9 瓦斯抽采純量與抽采專場(chǎng)數(shù)量之間關(guān)系

5 結(jié)論

(1)運(yùn)用回歸分析的方法，分析方案優(yōu)化后1306采煤工作面2～5月份瓦斯抽采效果，得到了瓦斯抽采量整體不斷增加的趨勢(shì)。

(2)分析了瓦斯抽采純量與工作面推進(jìn)距離以及鉆場(chǎng)數(shù)量之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)隨著工作面不斷推進(jìn)和鉆

場(chǎng)數(shù)量不斷增加，瓦斯整體抽采純量呈增大趨勢(shì)。

(3)經(jīng)過(guò)判定，瓦斯抽采方案優(yōu)化后，1306采煤工作面瓦斯抽采量不斷提高，達(dá)到了37.6%～80.7%，回風(fēng)風(fēng)流中瓦斯?jié)舛?.36%～0.38%，認(rèn)定1306采煤工作面瓦斯抽采符合安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，證明上述瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化方案有效。

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[8] 李超.勝利煤礦瓦斯抽采技術(shù)研究[D].成都：四川師范大學(xué)，2016

(責(zé)任編輯 張艷華)

十省(區(qū))涉煤優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)列入中西部地區(qū)外商投資優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)目錄

近日，國(guó)家發(fā)改委和商務(wù)部發(fā)布《中西部地區(qū)外商投資優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)目錄(2017年修訂)》，自2017年3月20日起施行。屬于本目錄的外商投資項(xiàng)目，享受鼓勵(lì)類外商投資項(xiàng)目?jī)?yōu)惠政策。符合本目錄規(guī)定的外商投資在建項(xiàng)目，可按照本目錄的有關(guān)政策執(zhí)行。

其中，十省(區(qū))涉煤優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)列入本目錄。具體為：山西省的礦區(qū)生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建工程，煤層氣和煤炭伴生資源綜合開(kāi)發(fā)利用，大型煤礦綜采設(shè)備和防爆機(jī)電產(chǎn)品生產(chǎn)等；內(nèi)蒙古自治區(qū)的煤層氣和煤炭伴生資源綜合開(kāi)發(fā)利用，天然氣壓縮機(jī)(含煤層氣壓縮機(jī))制造，洗中煤、焦?fàn)t煤氣余熱發(fā)電、供熱等綜合利用；吉林省的褐煤蠟萃?。话不帐〉母邘X土、煤層氣(瓦斯)、礦井水及天然焦等煤炭伴生資源綜合利用(勘探、開(kāi)采除外)，煤焦油深加工，500萬(wàn)t/a及以上礦井、薄煤層綜合采掘設(shè)備，1000萬(wàn)t/a及以上大型露天礦關(guān)鍵裝備；河南省的煤層氣(煤礦瓦斯)抽采和利用技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)，500萬(wàn)t/a及以上礦井、薄煤層綜合采掘設(shè)備等；四川省的天然氣壓縮機(jī)(含煤層氣壓縮機(jī))制造；貴州省的采用先進(jìn)技術(shù)建設(shè)30萬(wàn)t/a及以上煤制合成氨及配套尿素項(xiàng)目；陜西省的高爐煤氣能量回收透平裝置設(shè)計(jì)制造；寧夏回族自治區(qū)的500萬(wàn)t/a及以上礦井、薄煤層綜合采掘設(shè)備，1000萬(wàn)t/a及以上大型露天礦關(guān)鍵裝備；新疆維吾爾自治區(qū)(含新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán))的煤炭加工應(yīng)用技術(shù)開(kāi)發(fā)。

Research on longwall work face gas drainage technology optimization

He Huijun

(College of Engineering, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610101, China)

Taking Shengli Mine as experimental mine, studied gas drainage technology of 1306 work face, proposed gas drainage borehole optimization plan, analyzed optimized gas data by regression analysis method and evaluated gas drainage effect after systematic optimization. Field project practice showed that drainage rate of 1306 work face, which realized mine production safety requirement, was 37.6% to 80.7% and gas concentration was decreased to 0.36% to 0.38% after drilling high (low) position boreholes at roof and floor of mining coal seam and extracting pressure-released gas of mining coal seam and nearby rock seams.

longwall mining, roof high position borehole, gob intubation, gas drainage amount, drainage drilling field amount, distance from open-off cut, technical optimization, regression analysis

何惠君. 長(zhǎng)壁工作面瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化研究[J].中國(guó)煤炭，2017，43(3)：134-139. He Huijun. Research on longwall work face gas drainage technology optimization[J].China Coal, 2017，43(3)：134-139.

TD712.62

A

何惠君(1995-)，女，四川宜賓市人，在讀碩士研究生，研究方向：礦山安全。