貴州煤礦瓦斯抽采模型研究

【摘要】作者對(duì)貴州煤礦設(shè)計(jì)研究院的瓦斯抽采設(shè)計(jì)97份報(bào)告書(shū)和中國(guó)期刊網(wǎng)上關(guān)于瓦斯抽采的近400篇論文總結(jié)歸納，從掘進(jìn)面，本煤層、采空區(qū)，鄰近層，圍巖等五個(gè)方面篩選出技術(shù)成熟、效果最佳的技術(shù)組成一個(gè)針對(duì)貴州省大部分煤礦瓦斯抽采的模型，該模型具有適用性廣，效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，可以給礦井新建和改建瓦斯抽采系統(tǒng)提供一定的參考。

【關(guān)鍵詞】貴州；瓦斯抽采；模型

前言

貴州省煤層賦存條件復(fù)雜，單層煤厚度不大，煤層間距小，且多屬高瓦斯低透氣性煤層。高瓦斯、煤與瓦斯突出礦井占85%，瓦斯含量一般在10～20m3/t之間，最高達(dá)38m3/t。原始煤層受到采動(dòng)卸壓影響后，工作面開(kāi)采時(shí)游離瓦斯和解析瓦斯很快釋放到采掘工作空間里，瓦斯?jié)撃苎杆籴尫懦鰜?lái)，并且鄰近層瓦斯占50%以上，這些瓦斯通過(guò)采空區(qū)涌入采煤工作面，是造成采煤工作面瓦斯超限的最主要原因。

瓦斯抽采能夠有效遏制突出礦井發(fā)生傷亡事故，是從根本上杜絕煤礦瓦斯重大事故的重要措施[1]。煤礦瓦斯抽采是指利用安設(shè)在地面的瓦斯泵或其它抽放設(shè)備抽取煤層中高體積分?jǐn)?shù)的瓦斯，并通過(guò)與井下巷道隔離的專用瓦斯管網(wǎng)把抽出的高體積分?jǐn)?shù)瓦斯排至地面或礦井總回風(fēng)巷中。通過(guò)有效的瓦斯抽采，做到瓦斯抽采達(dá)標(biāo)，可降低煤層中的瓦斯壓力和瓦斯含量，能夠防治煤與瓦斯突出，從而減少礦井瓦斯事故以及其它重大惡性事故的發(fā)生。

通過(guò)對(duì)貴州瓦斯抽采技術(shù)的使用和效果分析，總結(jié)出適應(yīng)性最廣、效果良好的瓦斯抽采技術(shù)，試圖建立一個(gè)適合大部分礦井的瓦斯抽采方法模型，可以給礦井新建和改建瓦斯抽采系統(tǒng)提供一定的參考。

1、模型建立的依據(jù)

貴州煤礦設(shè)計(jì)研究院貴州省煤礦設(shè)計(jì)研究院始建于1964年，是一個(gè)持有工程勘察、設(shè)計(jì)、監(jiān)理、咨詢、安全評(píng)價(jià)等多個(gè)甲級(jí)資質(zhì)和工程造價(jià)咨詢、環(huán)境影響評(píng)價(jià)、招標(biāo)代理等多個(gè)乙級(jí)資質(zhì)證書(shū)的勘察設(shè)計(jì)單位。作者借去該院實(shí)習(xí)的機(jī)會(huì)，收集并分析了該院設(shè)計(jì)97份瓦斯抽采設(shè)計(jì)報(bào)告，通過(guò)對(duì)個(gè)抽采位置的分類總結(jié)，為模型建立的主要依據(jù)。

中國(guó)期刊網(wǎng)是我國(guó)最大的全文現(xiàn)刊數(shù)據(jù)庫(kù)是目前世界上最大的連續(xù)動(dòng)態(tài)更新的中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫(kù)，中國(guó)國(guó)內(nèi)7486種綜合期刊與專業(yè)特色期刊的全文。作者收集查閱了有關(guān)瓦斯抽采（放）的論文近400篇，這是建立模型分析的另一主要依據(jù)。

2、模型主要抽采方法闡述

2.1煤巷掘進(jìn)超前鉆孔抽采瓦斯方法

2.1.1鉆場(chǎng)及鉆孔布置。在煤層掘進(jìn)工作面的巷道（平巷）兩幫設(shè)置瓦斯抽采鉆場(chǎng)。鉆場(chǎng)大小應(yīng)根據(jù)巷幫瓦斯抽放鉆孔的布置位置和要求，以及使用的專用鉆機(jī)外形尺寸及鉆桿的長(zhǎng)度而確定。結(jié)合各煤礦井下實(shí)際情況，每組鉆場(chǎng)在煤層巷道的兩側(cè)交替布置，同側(cè)相鄰兩個(gè)鉆場(chǎng)之間的距離大約為40m。煤巷掘進(jìn)抽放鉆場(chǎng)和鉆孔布置見(jiàn)圖1。

2.1.2鉆孔參數(shù)。在煤巷（平巷）掘進(jìn)工作面向掘進(jìn)條帶施工本煤層順層鉆孔抽放，在每一個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)，沿走向方向布置3個(gè)瓦斯抽放鉆孔，即在左、右瓦斯抽放鉆場(chǎng)各布置3個(gè)，鉆孔深度為50m。鉆孔編號(hào)為1#～6#，其中左邊鉆場(chǎng)為1#、2#、3#鉆孔，終孔位置在工作面前方煤層中部，距巷道掘進(jìn)中心線的距離分別為2m、7m、12m，開(kāi)孔位置距巷道中心線距離為3.2m；右邊鉆場(chǎng)為4#、5#、6#鉆孔，終孔位置和開(kāi)孔位置同左邊鉆場(chǎng)的要求一樣。該鉆孔布置參數(shù)在礦井抽放過(guò)程中對(duì)抽放量、抽放濃度、防突效果等考察后，可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。抽放鉆孔直徑75mm，鉆孔其它參數(shù)見(jiàn)表2

2.1.3主要優(yōu)缺點(diǎn)。利用煤巷掘進(jìn)動(dòng)壓邊掘邊抽，基本可解決掘進(jìn)瓦斯問(wèn)題，尤其適用于本煤層掘進(jìn)工作面瓦斯涌出量較大、用通風(fēng)方法難以解決瓦斯超限問(wèn)題的煤層，也可用于掘進(jìn)工作面前方有斷層及裂隙溶洞瓦斯，可利用鉆孔探明構(gòu)造及抽放瓦斯[2]。

2.2順層密集長(zhǎng)鉆孔抽采本煤層瓦斯

2.2.1鉆場(chǎng)及鉆孔布置。鉆孔的抽放瓦斯量隨著鉆孔長(zhǎng)度（揭露煤的長(zhǎng)度）的增大而增加，因此應(yīng)盡可能打長(zhǎng)鉆孔，以提高抽放瓦斯效果，沿層鉆孔的長(zhǎng)度一般為工作面長(zhǎng)度的70～90%?？紤]到施工長(zhǎng)鉆孔困難較大，因此設(shè)計(jì)在工作面的進(jìn)、回風(fēng)順槽雙向布置鉆孔，以加大工作面的瓦斯抽放量[3]，該抽放方法見(jiàn)圖2。

2.2.2鉆孔參數(shù)。采用本煤層抽放，直接在采煤工作面已施工好的運(yùn)輸巷道和回風(fēng)順巷道內(nèi)開(kāi)孔，鉆孔直徑75mm，孔間距為2—10m，鉆孔與巷道中線方位夾角為90°，鉆孔長(zhǎng)為工作面的70%—90%。

2.2.3主要優(yōu)缺點(diǎn)。利用已施工好的采煤工作面運(yùn)輸巷道及回風(fēng)巷道向采面未采煤層內(nèi)施工本煤層順層瓦斯抽放鉆孔，該方法鉆孔揭露和穿透煤層的面積大，在煤層中施工鉆孔通常速度較快、且成本低。如采用未卸壓抽放法抽放薄及中厚煤層內(nèi)的瓦斯時(shí)，可優(yōu)先選擇該方法[4]。但在開(kāi)切眼內(nèi)沿工作面煤壁往走向方向施工的順層鉆孔，只能在采面作為備采工作面時(shí)和開(kāi)始回采之前預(yù)抽一段時(shí)間，當(dāng)采煤工作面開(kāi)始回采時(shí)，抽放瓦斯即需停止；受鉆孔深度和抽放時(shí)間的限制，難以控制整個(gè)采煤工作面。

2.3向冒落拱上方打鉆抽采

2.3.1鉆場(chǎng)及鉆孔布置。此方法為利用大直徑鉆機(jī)，在回采工作面回風(fēng)順槽內(nèi)，向采空區(qū)初始冒落拱的上方打孔插管抽放，以捕集處于冒落破壞帶中積聚的高濃度瓦斯和上部卸壓層及未開(kāi)采的煤分層或下部卸壓層涌向采空區(qū)的瓦斯[5]。鉆孔布置詳見(jiàn)圖3

2.3.2鉆孔參數(shù)。該方法是在回風(fēng)順槽下幫每隔30m沿煤層施工一個(gè)本煤層鉆場(chǎng)，鉆4孔，孔深80-100m（鉆孔參數(shù)見(jiàn)表2）。由煤層開(kāi)孔進(jìn)入頂板巖層中，終孔位于上覆巖層裂隙帶內(nèi)。為防止靠近煤層處軟巖偽頂塌孔，鉆孔內(nèi)均下鐵套管。套管用絲扣連接，表面鉆有若干小孔，以增加抽放量。

2.3.3主要優(yōu)缺點(diǎn)。采用這樣的方式，有的可以抽出較高濃度的瓦斯，鉆孔的單孔流量可達(dá)2—4m3，同時(shí)可以使采空區(qū)瓦斯涌出量降低20%—35%，同時(shí)具有費(fèi)用低，管理簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。

2.4采空區(qū)埋管抽放

2.4.1鉆場(chǎng)及鉆孔布置。此方法為沿采煤工作面回風(fēng)順槽的上幫敷設(shè)一條瓦斯抽放管路，隨著工作面的不斷推進(jìn)，瓦斯抽放管的末端方向逐漸埋入采空區(qū)內(nèi)，具體詳見(jiàn)圖2-3-8。當(dāng)?shù)谝欢温窆苓M(jìn)入采空區(qū)距離達(dá)30m時(shí)，準(zhǔn)備預(yù)埋第二條管路，利用第一條管路在60m處的位置用三通和閘閥與第二條管路連接，此時(shí)的第二條瓦斯抽放管路處于關(guān)閉狀態(tài)；隨著工作面的推進(jìn)，當(dāng)工作面推過(guò)第一段管路管口30m時(shí)，打開(kāi)第二條管路的閘閥并投入抽放，以此方法類推。

2.4.2鉆孔參數(shù)。在回風(fēng)巷抽放負(fù)壓管路的末端設(shè)一彎管接頭，使抽放管口抬高至距巷道頂部約200mm處，再在管口延接1～3根預(yù)先加工好的鐵皮焊管，然后連接一根2m長(zhǎng)的篩孔管作為預(yù)埋管吸氣口，并設(shè)木垛或掩體對(duì)埋管吸氣口進(jìn)行保護(hù)，以此形成埋管口。在回風(fēng)巷后面已經(jīng)安設(shè)的抽放負(fù)壓管路上，每隔30m安裝一個(gè)三通管，作為下一個(gè)預(yù)埋管口的接口。隨著工作面推進(jìn)過(guò)程，將埋管口逐個(gè)保留在采空區(qū)內(nèi)，再通過(guò)移動(dòng)式瓦斯抽放泵或地面永久瓦斯抽放泵形成的真空負(fù)壓在埋管口形成一個(gè)高負(fù)壓區(qū)，抽出并改變回風(fēng)隅角及采空區(qū)內(nèi)瓦斯流向，從而防止上隅角瓦斯超限發(fā)生。

從工作面回風(fēng)巷至上隅角埋管，每隔約30m的距離在回風(fēng)巷抽放管上預(yù)留一個(gè)三通接口。當(dāng)回采工作面推進(jìn)到三通接口前一個(gè)班時(shí)（放頂前），采用膠管通過(guò)三通連接抽瓦斯埋管，埋管直徑可選用100mm的橡膠管，前端為分別割有20×30mm的小縫隙篩管。埋管應(yīng)盡量插入采空區(qū)，且篩管應(yīng)抬高距采空區(qū)底板有一定的高度，以防止淤泥、積水，雜質(zhì)堵塞篩管裂縫。

2.4.3主要優(yōu)缺點(diǎn)。采用采空區(qū)預(yù)埋瓦斯抽放管法抽排工作面上隅角瓦斯，可以改變工作面上隅角風(fēng)流的渦流狀況以及采空區(qū)瓦斯流動(dòng)方向，有效地控制了采空區(qū)瓦斯向工作面的涌出，使得上隅角瓦斯體積分?jǐn)?shù)控制在0.28%～0.7%之間，給生產(chǎn)安全提供了有效保障。采空區(qū)埋管法治理上隅角瓦斯技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，較留設(shè)尾巷處理上隅角瓦斯的投入，噸煤成本可降低0.32元/t。

但鑒于采空區(qū)埋管法治理上隅角瓦斯量有限性，且不能降低工作面的配風(fēng)量。隨著回采工作的推進(jìn)抽放管路和閥門均無(wú)法回收，投入成本高。遇工作面采空區(qū)涌水量比較大時(shí)，也會(huì)導(dǎo)致抽放管路內(nèi)積水比較多，從而影響瓦斯抽放效果，需不斷投入人工進(jìn)行放水工作。如采用下行通風(fēng)的工作面、出現(xiàn)地質(zhì)構(gòu)造帶瓦斯涌出異常等情況時(shí)，采空區(qū)埋管抽放瓦斯就不能解決工作面其他地點(diǎn)瓦斯涌出等異常問(wèn)題。

2.5底板瓦斯抽采巷抽采上鄰近層瓦斯

2.5.1鉆場(chǎng)及鉆孔布置。底板專用瓦斯抽放巷及鉆場(chǎng)的斷面形狀、大小及支護(hù)方式，鉆場(chǎng)布置在底板專用瓦斯抽放巷的兩側(cè)，鉆場(chǎng)設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，規(guī)格為長(zhǎng)3m×3m×2.8m，掘進(jìn)斷面為8.2m2，凈斷面為7.43m2，鉆場(chǎng)間距為45m。鉆場(chǎng)斷面見(jiàn)圖5。

2.5.2鉆孔參數(shù)。底板專用瓦斯抽放巷（巖巷），設(shè)計(jì)采用錨網(wǎng)噴支護(hù)，掘進(jìn)斷面6.3m2、凈斷面5.6m2。鉆孔呈三花眼布置，終孔間距設(shè)計(jì)一般定為10m，鉆孔直徑設(shè)計(jì)為φ75mm，鉆孔方位、傾角、長(zhǎng)度根據(jù)礦自身情況而定。

2.5.3主要優(yōu)缺點(diǎn)。瓦斯抽放鉆孔服務(wù)時(shí)間較長(zhǎng)，除了抽放和卸壓瓦斯外.還可用于預(yù)抽和采空區(qū)的瓦斯抽放，不會(huì)因回采工作面回采的時(shí)間限制。鉆場(chǎng)—般布置于主要巖石巷道中，抽放設(shè)施的施工與維護(hù)較為方便，巷道維修工程量相對(duì)較少，打鉆及封孔等施工簡(jiǎn)便，抽放系統(tǒng)安全、高效、可靠，抽出的瓦斯?jié)舛雀摺?/p>

3、結(jié)論

（1）通過(guò)對(duì)貴州煤礦設(shè)計(jì)研究院和期刊網(wǎng)上的資料收集，基本可以代表貴州省煤礦瓦斯抽采的普遍情況，所篩選出來(lái)的方法能夠適應(yīng)貴州煤礦的地域特點(diǎn)。

（2）在貴州典型煤礦的瓦斯治理時(shí)，掘進(jìn)期間優(yōu)先使用煤巷掘進(jìn)超前鉆孔抽采瓦斯方法，備采期間主要使用順層密集長(zhǎng)鉆孔抽采本煤層瓦斯，回采時(shí)采空區(qū)的瓦斯治理主要依靠采空區(qū)預(yù)埋瓦斯管抽放、并采取向冒落拱上方打鉆孔抽放，在不具備保護(hù)層開(kāi)采條件的礦井首先采用底板瓦斯抽采巷抽采上鄰近層瓦斯，待消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性后再組織掘進(jìn)。

（3）模型涉及礦井瓦斯抽采的各個(gè)區(qū)域，能夠?qū)π陆ɑ蚋慕ㄍ咚钩椴上到y(tǒng)提供一定的指導(dǎo)。

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作者簡(jiǎn)介

王成慶（出生年月1979-08），男，貴州省遵義市人，大專，貴州省遵義縣安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局（駐礦安監(jiān)員）。研究方向：煤礦開(kāi)采與瓦斯防治。