礦井瓦斯抽采方法及抽采泵選型布置研究

王志榮

（陽泉煤業(yè)集團(tuán)和順新大地煤業(yè)有限公司， 山西 和順 032700）

引言

瓦斯是賦存在煤層中的遠(yuǎn)古時(shí)代植物遺體變質(zhì)成煤過程中產(chǎn)生的氣體，煤層中的瓦斯是由“生”“儲(chǔ)”“蓋”三個(gè)條件共同決的?！吧敝傅氖敲簩有纬蛇^程中伴隨瓦斯氣體的生產(chǎn)情況；“儲(chǔ)”指的是煤層儲(chǔ)存瓦斯的能力；“蓋”指的是煤層上方覆蓋很厚的巖層體與地表土體阻礙瓦斯從煤層由內(nèi)向外擴(kuò)散的作用[1]。如果煤層中富含有瓦斯，應(yīng)根據(jù)回采過程瓦斯涌出量預(yù)測(cè)建立抽采系統(tǒng)，保證回采過程不受瓦斯超限或突出等安全隱患影響。

1 瓦斯抽采技術(shù)及其發(fā)展概述

資料記錄最早的瓦斯抽采實(shí)踐發(fā)生在18世紀(jì)30年代的英國，當(dāng)井筒掘進(jìn)至深77 m的位置時(shí)，監(jiān)測(cè)到的瓦斯涌出量很大，工作人員采取向井筒內(nèi)敷設(shè)直徑50 mm的密封管把瓦斯從正在掘進(jìn)的井筒內(nèi)排出到地面。

目前，瓦斯抽采技術(shù)迅速發(fā)展并逐漸在全世界煤炭生產(chǎn)國家廣泛推廣應(yīng)用，大部分煤炭生產(chǎn)企業(yè)都非常重視發(fā)展瓦斯抽采技術(shù)，通過瓦斯抽采使采掘活動(dòng)不受瓦斯超限或突出等安全隱患影響，工業(yè)利用抽采出的瓦斯還可以實(shí)現(xiàn)額外的經(jīng)濟(jì)效益[2]。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，目前已有10個(gè)國家的瓦斯年抽采量達(dá)到了1億m3，各主要產(chǎn)煤國根據(jù)自身的煤層賦存特點(diǎn)和開采技術(shù)水平，研究與推廣應(yīng)用不同的瓦斯抽采方法，其中回采前預(yù)抽本煤層瓦斯、邊采邊抽和采空區(qū)抽采是目前實(shí)際工程中應(yīng)用較多的方法。為了達(dá)到較好的抽采效果，上述不同方法可能在同一礦井配合使用，在增加瓦斯抽采量的同時(shí)，確保采掘工作面的瓦斯涌出量符合《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的安全生產(chǎn)要求。

我國在回采開挖煤炭資源時(shí)抽采利用瓦斯的記錄較早，查閱大量文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，1537年我們的祖先就開始利用竹竿來排放開采礦洞內(nèi)積聚的瓦斯等有害氣體，這種方法類似于埋管抽放瓦斯。新中國成立以來，現(xiàn)代化的機(jī)械瓦斯抽采方法開始在我國各大礦井試驗(yàn)并推廣。1952年，撫順礦務(wù)局龍鳳礦第一次建立瓦斯抽放站并實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模抽采。目前，我國的煤炭回采技術(shù)和煤層瓦斯抽采方法已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)國家的行列，國產(chǎn)的抽放設(shè)備相當(dāng)完善，針對(duì)不同的煤層瓦斯賦存狀況可以建立相對(duì)應(yīng)的高效抽采體系。

我國國有煤炭企業(yè)始終堅(jiān)持“標(biāo)本兼治、重在治本”的瓦斯治理原則[3]，先后經(jīng)歷了“局部防突為主、先抽后采、抽采達(dá)標(biāo)、抽采達(dá)標(biāo)和區(qū)域防突先行”四個(gè)階段。為了從根本上避免瓦斯災(zāi)害，必須采取多種方法相結(jié)合的綜合瓦斯治理技術(shù)將采掘區(qū)域內(nèi)的瓦斯降低至允許的安全范圍之內(nèi)。本煤層瓦斯預(yù)抽和采空區(qū)瓦斯抽放技術(shù)是我國目前使用較多的煤層瓦斯抽放方式，始終堅(jiān)持“先抽后采”治理本煤層瓦斯。

2 瓦斯抽采方法研究

選擇抽采瓦斯方法的原則[4]與煤層賦存地質(zhì)、巷道布置及開采工藝設(shè)備等技術(shù)條件相適應(yīng)；發(fā)揮各抽采技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，建立綜合瓦斯抽放方法；瓦斯抽采與巷道布置相結(jié)合，減少巷道掘進(jìn)量與降低成本；結(jié)合采掘生產(chǎn)環(huán)節(jié)布置鉆場、鉆孔及抽采網(wǎng)路，增加抽采時(shí)間。

某礦為煤與瓦斯突出礦井，根據(jù)瓦斯預(yù)測(cè)結(jié)果，當(dāng)?shù)V井的生產(chǎn)能力為90萬t/a時(shí)，礦井的瓦斯涌出量為63.52 m3/min。礦井瓦斯涌出關(guān)系如下頁圖1所示。

2.1 掘進(jìn)區(qū)域瓦斯抽采

研究確定采用在底抽巷內(nèi)布置穿層鉆孔對(duì)回采巷道掘進(jìn)區(qū)域的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽采，即每隔6 m施工一組扇形布置的穿層鉆孔，每組包含14個(gè)鉆孔，并保證鉆孔的終孔間距不大于6 m，隨回風(fēng)巷道底抽巷掘進(jìn)施工穿層鉆孔，穿層鉆孔的角度為25°～155°，鉆孔的長度以穿透煤層全厚再施工3 m為準(zhǔn)。

圖1 礦井瓦斯涌出關(guān)系

根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)調(diào)整穿層鉆孔的角度，保證鉆孔的終孔位置間距不大于6 m，鉆孔的封孔段長度大于5 m；孔口的抽采負(fù)壓大于1.3 MPa，預(yù)抽鉆孔應(yīng)覆蓋回采工作面的所有巷道，且至少超過最外側(cè)巷道15 m，預(yù)抽時(shí)間大于180 d，如圖2所示。

圖2 底抽巷穿層鉆孔布置示意圖

2.2 回采工作面瓦斯抽采

該礦開采的3號(hào)煤層屬于可抽采煤層，因此，研究確定3號(hào)煤層的回采工作面區(qū)域抽采選用未卸壓（預(yù)抽）的抽采方法。在3號(hào)煤層回采工作面進(jìn)風(fēng)（或回風(fēng)）巷道內(nèi)布置單側(cè)順層抽采鉆孔預(yù)抽回采工作面區(qū)域內(nèi)的瓦斯?；夭蛇^程中利用短鉆孔邊采邊抽。抽采鉆孔布置在進(jìn)風(fēng)（或回風(fēng)）巷道內(nèi)，鉆孔直徑為Φ94 mm，鉆孔間距為3 m，鉆孔的開孔位置距巷道底板為1.5 m。該工作面寬度為120 m，護(hù)巷煤柱寬度為30 m。因此，研究確定抽采鉆孔的長度為170 m，鉆孔的封孔段長度大于8 m；孔口的抽采負(fù)壓大于1.3 MPa；設(shè)計(jì)采用長、短鉆孔間隔布置方式，長鉆孔長度為170 m，短鉆孔長度為110 m，預(yù)抽時(shí)間大于420 d。

為了保證3號(hào)煤層回采工作面的正常采掘銜接，可在回采工作面開切眼往外500 m范圍內(nèi)，采用千米定鉆機(jī)施工定向輔助預(yù)抽瓦斯鉆孔，提前預(yù)抽本煤層瓦斯，從而縮短回采工作面前部的預(yù)抽時(shí)間，保證工作面正常開采。

2.3 采空區(qū)瓦斯抽采

研究確定在專用瓦斯排放巷道內(nèi)布置瓦斯抽采管路抽采3號(hào)煤層工作面采空區(qū)的瓦斯，將工作面專用瓦斯排放巷道內(nèi)放瓦斯橫管（聯(lián)絡(luò)巷沿煤層頂板掘進(jìn)）以里的聯(lián)絡(luò)巷封閉并埋入瓦斯抽采管路進(jìn)行插管抽采。抽采過程中根據(jù)抽采情況通過閥門調(diào)節(jié)瓦斯?jié)舛?、流量及抽采?fù)壓等參數(shù)。

當(dāng)回采工作面回采完畢且砌筑密閉墻后，可以在密閉墻上插入瓦斯抽采管路抽采采空區(qū)內(nèi)從殘煤及圍巖內(nèi)涌出的瓦斯。通過密閉墻布置的采空區(qū)瓦斯抽采管路如圖3所示。

圖3 密閉墻內(nèi)瓦斯抽采管路布置示意圖

3 瓦斯抽采泵選型及布置研究

礦井瓦斯抽采泵布置方式的選擇原則是“技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理，安全可靠”[5-6]，本研究依據(jù)這種原則考慮并確定該礦選擇獨(dú)立并聯(lián)的井下瓦斯抽采泵布置方式。

綜合考慮該礦的煤層瓦斯儲(chǔ)存地質(zhì)條件及礦井建設(shè)發(fā)展規(guī)模，礦井瓦斯抽采系統(tǒng)選用水環(huán)式真空瓦斯泵，泵葉輪內(nèi)設(shè)有水環(huán)，從而無爆炸危險(xiǎn)性；結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行可靠；真空度高。

瓦斯抽采泵壓力是抽采管路全部阻力損失、抽采孔負(fù)壓與輸送管路正壓的三者之和。具體包括以下方面：瓦斯泵入口與井下最長管路之間的阻力損失；該管路中的局部阻力損失；鉆孔口負(fù)壓。根據(jù)該礦所開采3號(hào)煤層的透氣性、抽采鉆孔的層位與封孔質(zhì)量等因素確定該礦井3號(hào)煤層抽采鉆孔的負(fù)壓是13 000 Pa，采空區(qū)的負(fù)壓是6 700 Pa。

根據(jù)煤礦瓦斯抽采的要求，礦井瓦斯抽采泵站的裝機(jī)總能力與管網(wǎng)的輸送能力應(yīng)滿足抽采達(dá)標(biāo)時(shí)的要求；備用泵的抽采能力應(yīng)大于運(yùn)行泵中最大1臺(tái)的單泵抽采能力，運(yùn)行泵的裝機(jī)能力應(yīng)大于抽采達(dá)標(biāo)時(shí)工況流量的2倍，結(jié)合該礦的實(shí)際情況，研究確定該礦地面低負(fù)壓抽采系統(tǒng)選用2臺(tái)2BEC80型水環(huán)式真空泵，1臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用，其工況點(diǎn)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 2BEC80型瓦斯抽采泵工況點(diǎn)技術(shù)參數(shù)表

4 結(jié)語

確定該礦3號(hào)煤層的瓦斯基本參數(shù)時(shí)，由于缺乏確切的基礎(chǔ)資料，只能參照周邊鄰近礦井3號(hào)煤層煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性鑒定資料。雖然與周邊鄰近礦井處于同一煤系瓦斯地層，但該礦3號(hào)煤層工作面采長、走向長度、產(chǎn)量和鉆孔施工條件等與鄰近礦井3號(hào)煤層存在差異，使得鄰近礦井3號(hào)煤層資料參考價(jià)值有限，依然需要在抽采過程中不斷總結(jié)與積累經(jīng)驗(yàn)，最終得出適合該礦具體煤層瓦斯地質(zhì)條件的有益結(jié)論，以指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。