河坪煤礦瓦斯抽放方法與工藝的選擇

摘 要：隨著礦井深度逐漸加深，瓦斯災(zāi)害已成為制約煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的最重要因素。文章根據(jù)河坪煤礦開拓開采技術(shù)條件、通風(fēng)能力，瓦斯涌出來源構(gòu)成、煤層賦存條件，確定了河坪煤礦瓦斯抽采方法，對實現(xiàn)煤礦安全生產(chǎn)意義重大。

關(guān)鍵詞：抽放方法；工藝設(shè)計；瓦斯；系統(tǒng)

中圖分類號：TD712 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2012）17-0168-03

隨著礦井深度逐漸加深，瓦斯災(zāi)害已成為制約煤炭企業(yè)安全生產(chǎn)的最重要因素。我國工業(yè)抽放瓦斯始于1938年的撫順龍鳳礦，系統(tǒng)連續(xù)的抽放瓦斯是1952年在龍鳳礦建立抽放瓦斯泵站開始的。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，無論瓦斯抽放方法，還是抽放瓦斯裝備等均具有較先進的水平。瓦斯抽采技術(shù)受到煤層瓦斯含量、壓力、透氣性、煤層賦存狀況、圍巖性質(zhì)、采動影響程度以及地質(zhì)構(gòu)造等多種因素的影響，合理選擇抽采方法是提高抽采效果的關(guān)鍵。為了實現(xiàn)高產(chǎn)高效工作面的安全生產(chǎn)，本文根據(jù)河坪煤礦瓦斯涌出來源構(gòu)成、地質(zhì)條件，確定了河坪煤礦瓦斯抽采方法，對實現(xiàn)煤礦安全、高效生產(chǎn)意義重大。

1 工程概況

滎經(jīng)縣凰儀鄉(xiāng)河坪煤礦位于滎經(jīng)縣凰儀鄉(xiāng)，礦井平均走向長710 m，平均傾斜寬1 170 m，開采面積0.8 323 km2，礦井法定開采雙龍、上下連煤層。礦井為斜井開拓方式，布置四個井筒。雙龍煤層掘進工作面瓦斯?jié)舛?.06%～0.15%，上下連煤層掘進工作面瓦斯?jié)舛?.2%～0.5%；雙龍煤層采煤工作面絕對瓦斯涌出量0.4～0.5 m3/min，上下連煤層采煤工作面瓦斯涌出在2.0 m3/min左右。礦井未進行過煤層瓦斯基本參數(shù)的測定工作，參照鄰近花溪煤礦（煤層瓦斯含量12.6～20.9 m3/t）資料及根據(jù)礦井采掘生產(chǎn)中的實際經(jīng)驗，推定礦井雙龍、上下連煤層瓦斯含量分別為14.5 m3/t、20.9 m3/t。根據(jù)近年來的現(xiàn)場收集資料及年度瓦斯等級鑒定報告，正常生產(chǎn)時礦井絕對瓦斯涌出量7.21 m3/min，相對瓦斯涌出量54.93 m3/t，屬高瓦斯礦井根據(jù)《四川省煤礦瓦斯抽采技術(shù)暫行規(guī)定》的要求，突出礦井或高瓦斯礦井屬符合抽放條件的礦井，必須建立地面固定瓦斯抽采系統(tǒng)。因此本礦井必須建立礦井瓦斯抽采系統(tǒng)，真正從源頭上起到防治瓦斯災(zāi)害的目的。

2 抽采方法與工藝設(shè)計

2.1 瓦斯來源分析

通過該礦提供的瓦斯資料分析，由于該礦所采上下連煤層瓦斯含量較高，礦井瓦斯主要來源于上下連本煤層瓦斯。雙龍煤層瓦斯含量相對于上下連煤層較低，據(jù)礦井提供資料得出，雙龍煤層采煤工作面一般瓦斯涌出量0.4～0.5 m3/min，上下連煤層采煤工作面瓦斯涌出在2.0m3/min，兩層法定開采煤層層間距平均28 m，但雙龍煤層開采后，采用局部充填法管理采空區(qū)頂板，對上下連煤層的卸壓作用有限，造成上下連煤層開采時瓦斯涌出量較大，因此上下連煤層瓦斯涌出是本礦井瓦斯的主要來源。雙龍煤層采面瓦斯涌出量是礦井瓦斯的次要來源。據(jù)礦井提供資料，掘進瓦斯涌出量占礦井瓦斯涌出量的17.19%，其中雙龍僅占3.3%，上下連煤層占13.89%，采煤工作面瓦斯涌出量占礦井瓦斯涌出量的39.1%，其它巷瓦斯涌出量占5%，已采封閉區(qū)瓦斯占全礦井瓦斯涌出量的38.7%，因此，上下連煤層為本礦井瓦斯的主要來源，已采空區(qū)瓦斯涌出及上下連采空區(qū)為礦井瓦斯的重要來源，雙龍采區(qū)瓦斯涌出是該礦瓦斯次要來源。

2.2 瓦斯抽采方法選擇

本礦井瓦斯抽采的目的主要是防止采掘工作面瓦斯超限，根據(jù)河坪煤廠的瓦斯涌出來源的實際情況，礦井瓦斯抽采方法確定為：石門揭煤時采用穿層鉆孔網(wǎng)格預(yù)抽被揭煤層瓦斯；上下連煤層回采工作面預(yù)抽和隨采隨抽；上下連煤層掘進工作面順層預(yù)抽和邊掘邊抽方法；雙龍、上下連開采層的采空區(qū)高位頂板孔和采空區(qū)抽采。

2.2.1 穿層鉆孔抽采方法

為了有效消除煤層采掘工作面生產(chǎn)過程中瓦斯超限，設(shè)計考慮在煤層底板或頂板布置巖石巷，向工作面區(qū)域施工網(wǎng)格穿層鉆孔預(yù)抽掘進條帶瓦斯或非掘進條帶區(qū)域內(nèi)瓦斯。

①底板穿層抽采鉆孔的布置。底板穿導(dǎo)抽放鉆孔的抽放半徑應(yīng)根據(jù)煤層的透氣強弱來確定，根據(jù)鄰近抽放礦井的實際經(jīng)驗，可選擇抽放半徑為3～7.5 m（其中順層抽采半徑1.5～3 m，底板穿層抽采鉆孔半徑3～7.5 m）。當(dāng)?shù)装暹\輸巷內(nèi)直接施工抽放鉆孔可能影響運輸時，必須施工抽放鉆場，鉆場規(guī)格：長×寬×高=2×2×2.3 m。上下幫鉆場交替施工，兩鉆孔之間15～20 m左右。非掘進條帶區(qū)域的鉆孔終孔間距按10～15 m布置鉆孔。掘進條帶內(nèi)鉆孔終孔點間距按5～8 m布置鉆孔，掘進條帶有效控制范圍：掘進巷道輪廓線外不小于10 m。

②頂板巖石穿層鉆孔的布置。當(dāng)采用頂板巖石巷時，穿層孔必須有效控制掘進煤層巷道輪廓線外不小于8 m范圍，抽放半徑按1.5～2.5 m，當(dāng)頂板巖石運輸巷道較寬，施工鉆孔后不影響運輸時，則可不布置抽放鉆場，否則必須施工抽放鉆場，抽放鉆場規(guī)格：2×2×2 m。

2.2.2 掘進工作面抽放方法

①掘進工作面順層鉆孔預(yù)抽。據(jù)礦井瓦斯來源分析，上部雙龍煤層采掘工作面瓦斯涌出量相對較小，主要來源于上下連煤層瓦斯涌出，因此確定對上下連煤層運輸巷及其回風(fēng)巷掘進工作面，實施順層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯，雙龍煤層暫不進行抽采，但在掘進過程中，出現(xiàn)瓦斯涌出增大，采用通風(fēng)方式解決瓦斯超限不經(jīng)濟、不合理時，必須采取抽采措施?？紤]采用掘進面抽放與掘進交替施工，在掘進工作面直接施工鉆孔，不再作專用抽放鉆場，設(shè)計鉆孔長度為60～65 m，鉆孔方位沿巷道掘進方向布置及控制巷道兩幫輪廓線以外8 m，終孔間距2.5～4 m；施工單排孔共計9個鉆孔，鉆孔工程量411 m。在煤層傾向方向掘進時，礦方根據(jù)施工地點的煤層傾角及巷道掘進方位等調(diào)整鉆孔的相應(yīng)參數(shù)，本設(shè)計不確定具體掘進工作面。

②掘進巷道邊掘邊抽方法。鉆場布置：在煤巷掘進工作面掛口5m后的巷道兩側(cè)交替施工一個鉆場。鉆場的規(guī)格應(yīng)根據(jù)巷幫瓦斯抽采鉆孔布置的要求、選用鉆機的外型尺寸及鉆桿長度而定。根據(jù)該礦的具體情況，每組鉆場在煤巷兩側(cè)錯開5～10 m布置，其規(guī)格為：長×高×深﹦3 m×掘進巷道高度×3 m，采用木棚支護。相鄰兩組鉆場之間的間距為50 m(或長鉆孔長度減10 m)。鉆孔布置：沿走向方向布置8個邊掘邊抽鉆孔，即在各鉆場內(nèi)各4個孔，孔深60 m左右。鉆孔編號為1#～8#。左邊鉆場1#、2#、3#、4#鉆孔終孔位置在工作面前方煤層中，距巷道輪廓線的距離分別為2 m、4 m、6 m、8 m，開孔位置距巷道中線的距離在2 m以上。右邊鉆場5#、6#、7#、8#鉆孔終孔位置、開孔位置與左邊的要求一樣。設(shè)計的鉆孔布置參數(shù)應(yīng)在抽采效果考察后進行適當(dāng)調(diào)整。以上鉆孔傾角原則上須保證鉆孔在煤層內(nèi)，鉆孔傾角與巷道底板平行或根據(jù)煤層的厚度略有上、下傾角，方位角指與巷道中線的夾角，當(dāng)掘進工作面抽采鉆孔數(shù)較多時，為擴大抽采區(qū)域面積，提高抽采效果，抽采鉆孔應(yīng)以巷道中線為基準(zhǔn)，向周圍煤體呈放散狀排列，鉆孔、鉆場布置見圖1。

2.2.3 回采面抽采方法

開采層回采面抽采主要為傾向順層鉆孔抽采和走向順層鉆孔抽采兩種布置。方式。走向順層鉆孔方位與煤層走向一致，略有上傾（一般為2～4°），主要布置在煤層聯(lián)絡(luò)上山或采面中間上山中，一般情況下單翼布孔，鉆孔控制范圍不足時，也可雙翼布孔，本方法僅適用于所布置鉆孔區(qū)域有足夠的時間預(yù)抽煤層瓦斯，能在回采前所布置鉆孔控制區(qū)域抽采率能達到抽采指標(biāo)要求時或使用傾斜長壁采煤工作面使用。傾向順層鉆孔方位沿煤傾斜方向布置，與工作面傾斜方向基本一致。鉆孔間距應(yīng)按鉆孔抽采半徑合理確定，一般為1.5～3 m；鉆孔終孔點與采面周圈巷道間距不得小于10～15 m，鉆孔應(yīng)盡量增大見煤長度。

該礦現(xiàn)有311－A1－1和311－A1－2回采工作面因斷層影響已快結(jié)束，故不再施工抽采鉆孔，現(xiàn)正在布置的311-A2-1工作面，可在311回風(fēng)上山中施工抽采鉆孔，鉆孔間距6m，鉆孔深度60m，鉆孔其它參數(shù)，見“瓦斯抽采系統(tǒng)管路布置平面圖”。雙龍煤層的采煤工作面瓦斯涌出較小，暫不施工抽采鉆孔，但在掘進過程中，出現(xiàn)瓦斯涌出量增大時，采取抽采措施，加強抽采，確保抽采達到要求后方可進行采掘作業(yè)。

2.2.4 采空區(qū)瓦斯抽采方法

本礦井煤層傾角較小，雙龍煤層采掘工作面瓦斯涌出量較小，且因雙龍煤層和上下連煤層均采用局部充填法管理頂板，使雙龍煤層開采后下部的上下連煤層瓦斯未大量釋放，造成開采上下連煤層時瓦斯涌出量大，已回采的上下連煤層采空區(qū)瓦斯涌出量也較大。另外311A1工作面因斷層影響(隅角瓦斯不超限)已快結(jié)束，結(jié)束后，故該礦初期采用雙龍煤層已采空區(qū)抽采考慮311A1及其它已采空區(qū)密閉處理質(zhì)量后瓦斯較高的區(qū)域的采空區(qū)抽采，因此，對高位頂板鉆孔抽采本設(shè)計僅作原則規(guī)定，不確定具體回采工作面。

回采工作面初次放頂后，即進入正常生產(chǎn)，隨著工作面向前推進，直接頂逐漸冒落，上覆巖層因懸空而形成采動裂隙。當(dāng)工作面推進到一定距離后，采空區(qū)中部的采動裂隙基本被壓實，而在采空區(qū)四周連通的離層裂隙發(fā)育區(qū)還明顯存在，其形狀與老頂巖板斷裂的“O－X”形相似，稱之為采動裂隙“O”形圈。根據(jù)“O”形圈理論可以推斷出：在“O”形圈中，冒落巖石基本上處于自由堆積狀態(tài)到較小承壓狀態(tài)之間，因而冒落巖石間的孔隙較大，容易漏風(fēng)。在“O”形圈中心區(qū)域，冒落巖石處于承壓狀態(tài)，基本上被壓實，冒落巖石間的孔隙率很小，不易漏風(fēng)。這一連通的環(huán)形離層裂隙發(fā)育區(qū)相當(dāng)于一個瓦斯包，為采空區(qū)卸壓瓦斯以及上覆巖層裂隙帶的瓦斯流動和貯存提供了通道和空間。因此，若能利用采動裂隙——“O”形圈這一巖層移動特征，必然能大面積、長時間、高效率地抽采這一地區(qū)的卸壓瓦斯。

鑒于此，可在K1上下連煤回采工作面回風(fēng)巷中，在退后工作面30m位置，向工作面采空區(qū)頂板施工3～5個穿層鉆孔進入開采層采后頂板裂隙帶，抽采沿采面隅角瓦斯、圍巖瓦斯和本煤層采空區(qū)的瓦斯，以解決采面隅角瓦斯及回風(fēng)流瓦斯超限。本礦高位鉆孔的施工參數(shù)、鉆孔終孔點距開采煤層垂距等，應(yīng)由日常的礦壓觀測資料來確定，一般冒落高度為6～15倍采厚。本礦高位鉆孔僅作原則性設(shè)計要求，具體參數(shù)根據(jù)日常的礦壓觀測準(zhǔn)確數(shù)據(jù)進行確定。

3 抽采系統(tǒng)確定及設(shè)備選擇

3.1 瓦斯抽采設(shè)計參數(shù)

根據(jù)礦井可抽瓦斯量、礦井服務(wù)年限、礦井瓦斯涌出現(xiàn)狀、抽采瓦斯目的及抽采瓦斯不均衡系數(shù)等綜合因素，設(shè)計時考慮該礦對2個回采工作面（含采空區(qū)）、1個回采備用工作面和2個煤巷掘進面進行瓦斯抽采，估計單一回采工作面抽采量為1.6 m3/min，單一回采備用工作面抽采量1.2 m3/min，單一掘進抽采量0.2 m3/min，確定礦井抽出的最大純瓦斯量之和為4.8 m3/min。根據(jù)本礦井的現(xiàn)狀，預(yù)計本次抽采純瓦斯量之和為1.5～2.0 m3/min。

3.2 抽采系統(tǒng)的確定

礦井抽采系統(tǒng)分井下移動抽采系統(tǒng)和地面固定集中抽采系統(tǒng)兩種。井下移動抽采系統(tǒng)是將抽放泵布置在井下靠近抽放地點的進風(fēng)流中，這樣可以減少抽放管路的長度，并隨時根據(jù)抽放地點的需要改變抽放泵的位置，節(jié)省管路投資、節(jié)省防爆裝置和避雷裝置，其必要條件是抽放管路的瓦斯排放到采區(qū)回風(fēng)巷或總回風(fēng)巷后，在較小范圍內(nèi)經(jīng)稀釋達到風(fēng)流瓦斯?jié)舛炔怀?。地面固定集中抽采系統(tǒng)是在地面設(shè)置抽放泵房，由抽放泵房到井下，敷設(shè)主管、干管、分管（或支管）至鉆場鉆孔，并設(shè)置相應(yīng)附屬設(shè)施所組成的專用管道系統(tǒng)，將采、掘工作面、采空區(qū)等地的瓦斯抽排至地面。其特點是能較有效地抽出部分或大部分煤層解吸瓦斯，減輕礦井通風(fēng)負(fù)擔(dān)，是解決井下風(fēng)流中瓦斯?jié)舛雀叩挠行Т胧?。?dāng)?shù)V井瓦斯涌出量大，采用井下移動抽放方式不能有效解決瓦斯超限問題，則應(yīng)建立礦井地面集中抽放系統(tǒng)。

綜上所述，河坪煤礦受地質(zhì)構(gòu)造帶影響的局部地段瓦斯?jié)舛容^高，本礦屬于高瓦斯礦井，加之該礦技術(shù)力量和管理水平相對較低，不適宜建立井下移動抽采系統(tǒng)，同時考慮四川省對抽放的要求，確定該礦建立地面固定集中抽采系統(tǒng)，抽放泵站設(shè)主井口西側(cè)，距主井口距離約150 m的位置。

4 結(jié) 語

本文通過對河坪煤礦回采、掘進工作面瓦斯涌出量的預(yù)測以及瓦斯來源和涌出的分析，結(jié)合其開拓開采技術(shù)條件、通風(fēng)能力，確定了適合本礦的瓦斯抽放方法。但是由于一些參數(shù)的缺乏，相關(guān)部門應(yīng)盡快開展瓦斯壓力、瓦斯含量、煤層透氣性系數(shù)等瓦斯基本參數(shù)和鉆孔抽采半徑、鉆孔布置方式等抽采參數(shù)實測考察工作。同時，為了保證有足夠的抽采時間，達到預(yù)抽效果，瓦斯抽采設(shè)計應(yīng)與礦井開采設(shè)計緊密結(jié)合，使掘進、抽采、回采三者間的銜接達到合理。

參考文獻：

[1] 俞啟香.礦并瓦斯防治[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1992.

[2] 林柏泉，張建國.礦井瓦斯抽放理論與技術(shù)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1996.