瓦斯抽放技術(shù)研究與實(shí)踐

王宏峰

1 概 況

1.1 煤層瓦斯地質(zhì)條件

中峪礦井所處區(qū)域主要以褶曲構(gòu)造為主,從構(gòu)造形跡的性質(zhì)來看,區(qū)內(nèi)大型褶曲是燕山運(yùn)動初期強(qiáng)烈的東西向擠壓作用所致,小型褶曲則是燕山運(yùn)動后期因區(qū)塊的左旋扭動而造成的壓扭性變形;壓扭和擠壓特性為主的褶曲構(gòu)造、較大的埋藏深度、致密完整的煤層頂?shù)装搴拖鄬Ω咦冑|(zhì)程度的煤質(zhì),使得井田煤層具有良好的瓦斯“生”、“儲”、“蓋”條件,煤層瓦斯難以逸散。

1.2 煤層瓦斯分布規(guī)律

中峪井田范圍內(nèi)的煤層絕大部分位于甲烷帶,且煤層甲烷成分均大于 80%。無論是同一煤層還是不同的煤層,盡管相關(guān)程度不是非常顯著,但瓦斯含量具有隨煤層埋藏深度的增大而增大的趨勢。

2 礦井瓦斯抽放方案

2.1 瓦斯抽放方法的選取

2.1.1 回采工作面開采煤層瓦斯預(yù)抽

鉆場平面扇形鉆孔、底板巖巷穿層鉆孔、正向平行鉆孔、迎面斜交平行鉆孔和交叉鉆孔是開采層瓦斯預(yù)抽最常見的五種方法[1]。結(jié)合中峪礦井煤層賦存特征、開采方案、采掘巷道設(shè)計(jì)和煤層的透氣性,并充分考慮預(yù)抽鉆孔的邊采邊抽效應(yīng),密集迎面平行鉆孔方式對開采煤層瓦斯進(jìn)行強(qiáng)化預(yù)抽見圖 1。

圖 1 回采工作面開采層瓦斯預(yù)抽方式及鉆孔布置示意圖

回采工作面開采層瓦斯預(yù)抽鉆孔布置參數(shù)如下：鉆孔長度：110～115 m;鉆孔直徑：開孔 d89 mm,終孔 d63 mm;鉆孔與順槽夾角：84°～86°;鉆孔傾角：與煤層傾角相同;鉆孔間距：2 m;封孔深度：5～6 m;封孔方式：聚胺酯封孔。

2.1.2 鄰近層瓦斯抽放

采用頂板走向高抽巷,見圖 2。抽放 2#煤層回采工作面的鄰近層瓦斯,即：內(nèi)錯回采工作面軌道順槽15～20 m,沿 1#煤層布置一條斷面積 4～5 m2的走向高抽巷,通過密閉高抽巷來抽放鄰近層瓦斯。

圖 2 走向高抽巷鄰近層瓦斯抽放方式示意圖

2.2 瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)選擇與管網(wǎng)阻力計(jì)算

2.2.1 瓦斯抽放管網(wǎng)系統(tǒng)

為便于抽放管理和瓦斯綜合利用,將地面永久瓦斯抽放站布置在距離回風(fēng)立井附近的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn),回采工作面抽出的瓦斯通過工作面支管、大巷干管經(jīng)由回風(fēng)立井總管輸送到地面瓦斯抽放站。

2.2.2 瓦斯抽放管管徑計(jì)算及管材選擇

瓦斯抽放管管徑按下式計(jì)算：

式中：

D—瓦斯抽放管內(nèi)徑,mm;

Q—抽放管內(nèi)混合瓦斯流量,m3/min;

V—抽放管內(nèi)瓦斯平均流速,m/s,取 10。

設(shè)定：1)回風(fēng)立井和地面瓦斯抽放管為總管。2)兩翼大巷瓦斯抽放管為干管。3)鄰近層瓦斯抽放管為支管 1。4)回采工作面開采層瓦斯預(yù)抽管為支管2。

據(jù)各瓦斯抽放管內(nèi)預(yù)計(jì)的瓦斯流量,按式 (1)計(jì)算選擇的瓦斯抽放管管徑,見表 1。

表 1 瓦斯抽放管管徑計(jì)算選擇結(jié)果表

2.2.3 管網(wǎng)阻力計(jì)算

2.2.3.1 摩擦阻力(Hm)

式中：

Hm—管路摩擦阻力,Pa;

L—管路長度,m;

Q—抽放管內(nèi)混合瓦斯流量,m3/h;

γ—混合瓦斯對空氣的密度比;

K—與管徑有關(guān)的系數(shù);

D—抽放管內(nèi)徑,cm。

2.2.3.2 局部阻力(Hj)

按摩檫阻力 15%計(jì)算,即：

式中：

Hj—管路局部阻力,Pa;

Hm—管路摩擦阻力,Pa。

為了保證選用的瓦斯抽放泵能滿足抽放系統(tǒng)最困難時期所需抽放負(fù)壓,應(yīng)根據(jù)礦井 2#煤層生產(chǎn)期間瓦斯抽放系統(tǒng)中管路最長、流量最大、阻力最高的抽放管線來計(jì)算礦井抽放系統(tǒng)總阻力。此時的瓦斯抽放系統(tǒng)最困難管線見表 2。

表 2 生產(chǎn)前期瓦斯抽放系統(tǒng)最困難管網(wǎng)阻力計(jì)算結(jié)果表

2.3 瓦斯抽放泵選型計(jì)算

瓦斯抽放泵的選型原則有兩個[2,3]：1)泵的流量應(yīng)滿足抽放系統(tǒng)服務(wù)期限可能達(dá)到的最大瓦斯抽放量。2)泵的壓力能克服最困難路線的管網(wǎng)阻力,使抽放鉆孔達(dá)到足夠的負(fù)壓,并滿足抽放泵出口正壓需求。

2.3.1 瓦斯抽放泵流量計(jì)算方法

式中：

Q—瓦斯抽放泵所需額定流量,m3/m in;

Qz—礦井抽放系統(tǒng)最大瓦斯抽放純量,m3/m in;

X—礦井抽放瓦斯?jié)舛?%;

K—備用系數(shù),取 1.20;

η—抽放泵機(jī)械效率,取 0.80。

2.3.2 瓦斯泵壓力計(jì)算方法

式中：

H—瓦斯抽放泵所需壓力,Pa;

K—壓力備用系數(shù),取 1.20;

Hzk—抽放鉆孔所需負(fù)壓,Pa;

Hm—井下管網(wǎng)的最大摩擦阻力,Pa;

Hj—井下管網(wǎng)的最大局部阻力,Pa;

Hc—瓦斯泵出口正壓,Pa。

2.4 瓦斯抽放效果預(yù)測

2.4.1 回采工作面開采層預(yù)抽量預(yù)計(jì)

中峪礦井 1#、2#煤層屬于較難抽放煤層,當(dāng)采取密集迎面平行鉆孔強(qiáng)化預(yù)抽措施后 (工作面雙側(cè)布孔、單孔長度 110 m、孔間距 2 m),預(yù)計(jì)瓦斯抽放率可以達(dá)到 30%。按預(yù)抽 180天、瓦斯預(yù)抽率 30%計(jì)算,工作面在預(yù)抽期內(nèi)平均抽放瓦斯量計(jì)算公式為：

式中：

Q—預(yù)抽期內(nèi)工作面平均瓦斯預(yù)抽量,m3/min;

L1—工作面平均走向長度,m,1#煤和 2#煤取2 200;

L2—工作面傾斜長度,m,按設(shè)計(jì)取 230;

M—煤層平均厚度,m,1#煤取 1.01,2#煤取2.48;

γ—煤平均容重,t/m3,1#煤取 1.40,2#煤取1.38;

η—瓦斯預(yù)抽率,采用密集鉆孔強(qiáng)化預(yù)抽措施后,可以達(dá)到 30%;

X—煤層平均瓦斯含量,m3/t,1#煤和 2#煤平均原始瓦斯含量取14,1#煤層回采后,2#煤層的平均殘存瓦斯含量取 9。

把各個參數(shù)帶入式 (6)得預(yù)抽瓦斯總量將達(dá)到58.66 m3/min。

2.4.2 鄰近層瓦斯抽放量預(yù)計(jì)

鄰近層瓦斯抽放量計(jì)算公式為：

式中：

Q2—鄰近層瓦斯抽放量,m3/min;

ηl—鄰近層瓦斯抽放率,%,根據(jù)淮南、陽泉礦區(qū)的抽放經(jīng)驗(yàn),走向頂板(底板)抽放巷或者分段走向高位鉆孔抽放鄰近層瓦斯,瓦斯抽放率可以達(dá)到 75% ～85%,取80%;

Q0—回采工作面鄰近層瓦斯涌出量,m3/min。

把各個參數(shù)帶入式(7)得鄰近層瓦斯抽放總量可達(dá) 31.97 ～64.43 m3/min。

3 結(jié) 論

1)中峪礦井煤層具有良好的瓦斯“生”、“儲”、“蓋”條件,井田范圍內(nèi)的煤層絕大部分位于甲烷帶,無論是同一煤層還是不同的煤層,瓦斯含量均有隨煤層埋藏深度的增大而增大的趨勢。

2)采用分源預(yù)測法對中峪礦井一水平礦井瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測,無論前期、中期還是后期,礦井都屬于高瓦斯礦井。

[1] 王佑安.礦井瓦斯防治[M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1997：379-381.

[2] 俞啟香.礦井瓦斯防治[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1992：163-165.

[3] 王兆豐.礦井瓦斯涌出量分源預(yù)測法及應(yīng)用[J].煤礦安全,1991(1)：56-57.