高瓦斯礦井煤層瓦斯抽采設(shè)計(jì)

楊海鵬

（山西壽陽潞陽祥升煤業(yè)有限公司，山西 壽陽 045400）

1 基本概況

山西祥升煤礦為高瓦斯礦井，6#煤層厚約2.1 m。頂板為砂質(zhì)泥巖或泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖，屬穩(wěn)定煤層。6#煤層進(jìn)行了瓦斯基礎(chǔ)參數(shù)測定，6#煤層瓦斯含量為7.84～9.43 m3/t，煤的瓦斯吸附常數(shù)a為31.251～33.095，煤的瓦斯吸附常數(shù)b為1.360～1.492，煤的孔隙率為7.1%～8.3%，鉆孔自然瓦斯流量衰減系數(shù)為0.0089～0.0201（d-1），煤層瓦斯壓力為0.13～0.28 MPa，煤層透氣性系數(shù)為0.163～0.297 m2/（MPa2?d），瓦斯放散初速度17.17～20.08，煤的堅(jiān)固性系數(shù)為0.48～0.60，煤的破壞類型為Ⅱ～Ⅲ類。采用分源預(yù)測法對礦井生產(chǎn)時期的礦井瓦斯涌出量進(jìn)行了預(yù)測[1]，針對瓦斯涌出，瓦斯抽采是降低煤（巖）瓦斯含量的根本方法，是瓦斯治理的根本措施。因此，對6#煤層瓦斯抽采進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2 礦井瓦斯綜合抽采方法

2.1 開采層瓦斯抽采

礦井開采6#煤層時，本煤層回采工作面瓦斯抽采采用預(yù)抽及邊采邊抽方法，在回采工作面回風(fēng)巷施工平行順層鉆孔預(yù)抽瓦斯[2-4]，鉆孔與巷道夾角90°，鉆孔與水平面夾角與煤層傾角相同，鉆孔長度130 m，鉆孔直徑94 mm，開孔高度1.3 m，鉆孔間距3.0 m。

結(jié)合上組煤開拓開采規(guī)劃，移交生產(chǎn)時，在上組煤一采區(qū)6#煤層布置1個綜采工作面，對應(yīng)的一采區(qū)3#煤層為老采空區(qū)積水區(qū)域，考慮老采空區(qū)積水的探放對瓦斯抽采工程的影響，在回采工作面回風(fēng)巷施工的平行順層鉆孔間距調(diào)整為3.0 m，鉆孔長度為140 m，鉆孔直徑為94 mm。設(shè)計(jì)取預(yù)抽時間為8個月。

2.2 鄰近層瓦斯抽采

（1）6#煤層上鄰近層瓦斯抽采

礦井開采6#煤層時，上部的3#煤層（層間距為11.22 m）已開采完畢，但上部還有1層不可采煤層，即4#煤層，層間距平均為7.36 m，因而6#煤層回采工作面上鄰近層瓦斯主要來自上部不可采煤層和3#煤層采空區(qū)。本次設(shè)計(jì)6#煤層回采工作面采用高位鉆孔對上部不可采煤層卸壓瓦斯和采空區(qū)瓦斯進(jìn)行抽采，以頂板裂隙作為通道抽采上部鄰近層卸壓瓦斯及采空區(qū)涌出的瓦斯。設(shè)計(jì)鉆孔終孔位于3#煤層采空區(qū)內(nèi)，增強(qiáng)高位鉆孔瓦斯抽采效果。

高位鉆孔參數(shù)如下：在6#煤層回采工作面回風(fēng)巷中每隔3 m迎著工作面推進(jìn)方向向頂板上方打1個與煤層斜交的高位鉆孔，孔徑為94 mm，終孔位置至3#煤層采空區(qū)，鉆孔與回風(fēng)巷之間的夾角為35°，鉆孔傾角為19°，開孔高度為1.8 m，終孔位置與回風(fēng)巷之間的水平凈距為20 m，則高位鉆孔長度為35 m。實(shí)際生產(chǎn)中可根據(jù)抽采情況進(jìn)行調(diào)整。6#煤高位鉆孔抽采上鄰近層平面示意圖見圖1。

圖1 高位鉆孔抽采上鄰近層平面示意圖

（2）6#煤層下鄰近層瓦斯抽采

根據(jù)礦井瓦斯涌出量預(yù)測報告可知，開采6#煤層時，下鄰近層瓦斯涌出量來源于8#、9#煤層。本次設(shè)計(jì)下鄰近層瓦斯抽采采用回采工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷內(nèi)布置的下向斜交穿層鉆孔對下鄰近層的卸壓瓦斯進(jìn)行抽采。結(jié)合6#煤層與下鄰近層各煤層的層間距和卸壓范圍，鉆孔的具體參數(shù)如下：在回采工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷中每隔15 m迎著工作面推進(jìn)方向向下方施工1組與下鄰近層斜交的穿層鉆孔，每組鉆孔數(shù)量為3個，鉆孔長度為80～115 m，鉆孔直徑為94 mm，鉆孔終孔位置應(yīng)在穿過9#煤層底板0.5 m處。鉆孔呈扇形布置，隨著6#煤層回采工作面采動卸壓，對下鄰近層瓦斯進(jìn)行抽采。6#煤層下向斜交穿層鉆孔布置剖面示意圖見圖2。

圖2 煤層下向斜交穿層鉆孔布置剖面示意圖

2.3 采空區(qū)瓦斯抽采

（1）全封閉抽采老采空區(qū)瓦斯

礦井開采6#煤層時，進(jìn)行老采空區(qū)全封閉瓦斯抽采以生產(chǎn)采區(qū)瓦斯涌出為主，已采采區(qū)瓦斯涌出為輔，其中已采采區(qū)瓦斯涌出占20.00%，可以看出祥升煤礦老采空區(qū)瓦斯涌出量較大，是礦井重要的瓦斯來源之一，為防止老采空區(qū)向礦井、采區(qū)涌出瓦斯，打密閉墻時，向老采空區(qū)密閉墻內(nèi)插管，進(jìn)行老采空區(qū)全封閉瓦斯抽采。老采空區(qū)全封閉抽采方法見圖3。

圖3 全封閉抽采老采空區(qū)瓦斯示意圖

（2）現(xiàn)采空區(qū)瓦斯抽采

開采6#煤層時，即使經(jīng)過上述抽采方法，下鄰近層的瓦斯和上鄰近層也有部分瓦斯會涌入6#煤層工作面后方的采空區(qū)，使采空區(qū)瓦斯涌出量大，為了確?；夭蛇^程中安全生產(chǎn)和上隅角瓦斯不超限，設(shè)計(jì)推薦采取采空區(qū)邁步埋管抽采，采空區(qū)埋管抽采方法布置見圖4。

圖4 采空區(qū)瓦斯抽采示意圖

2.4 掘進(jìn)工作面瓦斯抽采

（1）邊掘邊抽瓦斯抽采方法

掘進(jìn)工作面兩側(cè)交替布置邁步鉆場，鉆孔長度120 m，鉆孔直徑94 mm，開孔高度1.5/3.0 m，鉆孔間距0.5 m。

（2）迎頭鉆孔預(yù)抽瓦斯抽采方法

掘進(jìn)工作面邊掘邊抽抽采效果不佳時，則在掘進(jìn)工作面迎頭布置抽采鉆孔，共計(jì)12個鉆孔（共布置3層，每層布置4個鉆孔），鉆孔朝向巷道前進(jìn)方向，鉆孔長度120 m，孔徑94 mm。鉆孔技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 迎頭鉆孔技術(shù)參數(shù)表

掘進(jìn)工作面抽采達(dá)標(biāo)后開始掘進(jìn)，若煤層瓦斯參數(shù)不達(dá)標(biāo)則繼續(xù)抽采。

3 瓦斯抽采系統(tǒng)及效果

下組煤高、低負(fù)壓瓦斯抽采管網(wǎng)通過2個瓦斯管道鉆孔（分別布置高、低負(fù)壓抽采管路）接入地面瓦斯抽采泵站。本次設(shè)計(jì)上組煤井下高、低負(fù)壓瓦斯抽采管網(wǎng)通過瓦斯管道鉆孔在上組煤水平留設(shè)的接口分別與礦井現(xiàn)有的抽采系統(tǒng)對接。

3.1 瓦斯抽放量預(yù)計(jì)

上組煤瓦斯儲量為761.58 Mm3，其中，可采煤層瓦斯儲量為490.55 Mm3，不可采煤層瓦斯儲量為171.69 Mm3，圍巖瓦斯儲量為99.34 Mm3。

結(jié)合礦井現(xiàn)有生產(chǎn)的實(shí)際情況，礦井瓦斯抽采率取K=50%，則礦井瓦斯可抽量為380.79 Mm3。

（1）開采層瓦斯抽采量：合計(jì)10.96 m3/min，其中回采工作面預(yù)抽量為6.64 m3/min，回采工作面邊采邊抽量為3.32 m3/min，掘進(jìn)面抽采量（取最大值）為1.00 m3/min。

（2）鄰近層抽采量為15.74 m3/min，其中上鄰近層抽采量為7.26 m3/min，下鄰近層抽采量為8.48m3/min。

（3）采空區(qū)瓦斯抽采量為8.68 m3/min，其中現(xiàn)采空區(qū)抽采量為5.86 m3/min，老采空區(qū)抽采量為2.82 m3/min。

如上所述，礦井開采6#煤層時，瓦斯抽采總量為：10.96+15.74+8.68=35.38 m3/min。

3.2 瓦斯抽采效果

地面瓦斯泵站安裝4臺2BEC-80型抽放泵，電機(jī)功率630 kW，使用Φ720 mm主管路；低負(fù)壓泵

低負(fù)壓分源抽采，高負(fù)壓泵最大抽氣量710m3/min，電機(jī)功率1120 kW，使用Φ864 mm主管路。目前，高負(fù)壓抽采混合量為267m3/min，管道濃度9.8%，純瓦斯量26 m3/min；低負(fù)壓抽采混合量為250 m3/min，管道濃度2.4%，純瓦斯量5m3/min，礦井瓦斯抽采量為31m3/min，礦井抽采率為65.6%。

4 結(jié)語

（1）6#煤層瓦斯抽采，在回采工作面回風(fēng)順槽布置單側(cè)順層平行工作面鉆孔進(jìn)行本煤層預(yù)抽，邊采邊抽。

（2）鄰近層瓦斯抽采，在6#煤層回采工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷中每隔15 m迎著工作面推進(jìn)方向向下方施工1組與下鄰近層斜交的穿層鉆孔抽采下鄰近層瓦斯。

（3）采空區(qū)抽采，現(xiàn)采空區(qū)采用邁步埋管抽采瓦斯，老采空區(qū)采用全封閉插管抽采瓦斯。

（4）掘進(jìn)工作面瓦斯抽采，掘進(jìn)工作面兩側(cè)布置邁步鉆場順層鉆孔及迎頭順層鉆孔抽采掘進(jìn)面瓦斯。

（5）開采6#煤層時，礦井瓦斯抽采量為31m3/min，礦井抽采率為65.6%，保證了礦井的安全開采。