双柳煤矿33410综采工作面瓦斯抽采设计

2013-12-31王升荣

山西建筑 2013年20期

王升荣

(山西汾西矿业集团双柳煤矿通风区，山西柳林 033300)

0 引言

煤矿综合机械化采煤技术(综采技术)具有生产效率高、搬家次数少、地质条件适应性强、易于实现单机单面高产、材料投入少、生产成本低等优点［1］。综采技术在双柳矿井下原煤生产中大力推广使用，实现了矿井的高产高效，提高了企业经济效益。本文将详细地介绍33410综采工作面瓦斯抽采设计的一些经验，希望为相同条件的矿井工作面瓦斯抽采设计提供借鉴经验。

1 工作面概况

33410工作面位于三采区前进方向的北翼，西侧工作面尚未采掘，东侧33408工作面为备用回采面。工作面设计走向长度1 923.5 m，可采长度1 733.5 m，倾斜长度为192 m。

1)煤层赋存条件。33410工作面所采的(3+4)号合并层属二叠系山西组下段顶部煤层，煤层总厚3.00 m～3.88 m，平均厚度3.6 m;区内煤层稳定，结构复杂，含两层左右黑色泥岩夹矸层，夹矸层厚0.15 m ～0.4 m，煤层倾角0°～14°，平均6°。33410工作面直接顶为砂质泥岩，厚度约4.6 m;老顶以泥岩为主，厚度为9.34 m。直接底以泥岩、砂质泥岩为主，厚度11.68 m;老底岩性为K3，厚度9.2 m。

2)掘进方式、采煤方法。33410工作面掘进期间采用综合机械化掘进。工作面开采方法采用走向长壁式开采，采煤方法为一次采全高综合机械化，全部垮落法管理顶板。

3)通风方式。33410工作面采用“U”形通风方式。33410材巷进风，33410运巷回风。

4)瓦斯地质。33410综采工作面预计在正常生产过程中绝对瓦斯涌出量为25 m3/min，相对瓦斯涌出量为5.55 m3/t。33410工作面煤炭可采储量154.4万t，其瓦斯总储量预计为856.92万m3。其中40%来源于本煤层瓦斯涌出，60%来源于围岩瓦斯涌出。预计33410运、专用抽采巷掘进期间瓦斯涌出量可达5 m3/min。33410工作面所采(3+4)号煤层有爆炸性，爆炸指数30.8%～40.9%，自燃倾向性等级为三类，不易自燃。

2 工作面瓦斯抽放的必要性和可行性

1)瓦斯抽放的必要性。

根据产量及风量的关系，33410综采工作面预计在正常生产过程中绝对瓦斯涌出量为25 m3/min，相对瓦斯涌出量为5.55 m3/t。

工作面所需风量:

其中，Q采为回采工作面实际需要的供风量，m3/min;Q沼气为回采工作面瓦斯绝对涌出量，预计为25 m3/min;KCH4为瓦斯涌出不均衡系数，1.3～1.6，实际数据为1.5。

故:Q采=100×25×1.5=3750 m3/min。

根据矿井风量分配，回采期间采面配风量按2 400 m3/min计算，回风流中瓦斯体积分数为25/2 400=1.04%，该工作面按高瓦斯区域管理。根据风速验算，采面用通风方法解决不了瓦斯问题，因此必须对采面进行瓦斯抽放。

2)瓦斯抽放的可行性。

双柳煤矿实测瓦斯可抽性指标:

百米钻孔瓦斯流量衰减系数:a=0.014 2 d-1;

煤层透气性系数:λ=0.804 3m2/(MPa2·d);

百米钻孔极限自然瓦斯流量:Q=4 007.37 m3。

双柳矿所开采的(3+4)号合并层从钻孔瓦斯流量衰减系数和煤层透气性系数来判断属于可抽煤层，从百米钻孔极限自然瓦斯流量判断又属于较难抽采煤层，根据矿井生产过程中的实际情况和回采工作面、掘进工作面瓦斯涌出量预测结果判定，双柳煤矿所开采的(3+4)号合并层属于可以抽采煤层，具有本煤层抽采的条件。

根据相邻的33406工作面抽采情况，33410工作面掘进期间瓦斯抽采率预计可达到30%以上，回采期间瓦斯抽采率预计可达到45%以上，能够保证工作面的抽采达标生产。33410工作面预计布置1 000个本煤层钻孔，预计工作面预抽时间可达9个月以上，按照单孔抽放纯瓦斯量0.03 m3/min计算，预计可以抽放瓦斯518.4 万 m3。

通过瓦斯抽放可以降低采面瓦斯涌出量，消除采面瓦斯超限，改善采面工作环境，因此，瓦斯抽放技术是综合治理瓦斯的一条合理有效的途径［2］。

3 工作面瓦斯抽采设计

根据《矿井瓦斯抽放管理规范》中“多打孔、严封闭、综合抽”的瓦斯抽放工作方向［3，4］，结合33410工作面的特点，制定33410工作面瓦斯抽采方案如下。

3.1 33410运巷掘进期间抽采设计

33410运巷掘进期间利用千米钻机施工超前预抽钻孔，预抽前方煤体中的瓦斯。在33408抽采巷600 m处左帮施工第一个煤体钻场，1 200 m处左帮施工第二个煤体钻场，1 800 m处施工第三个钻场。钻场规格:深×宽×高=4 m×9 m×3m，钻场采用锚杆锚索加金属网综合支护，采用扩散通风。每个钻场计划施工10个超前预抽钻孔，孔间距1.2 m。抽采瓦斯管路布置在33410运巷前进右帮，管路吊挂锚杆上，吊挂高度保持在1.2 m之间。

3.2 33410专用抽采巷掘进期间瓦斯抽采设计

33410专用抽采巷采用边掘边抽的方法进行瓦斯抽采。抽采钻孔布置在33410专用抽采巷前进方向左帮，钻孔从工作面开口30 m处依次往里(沿煤层倾向)布置，钻孔间距为6 m，孔深100 m。抽采瓦斯管路布置在33410专用抽采巷前进方向左帮，吊挂在锚杆上，瓦斯管路高度为1.3m。

3.3 33410工作面回采期间抽采设计

1)33410材巷本煤层抽采钻孔设计。

33410材巷本煤层钻孔布置在33410材巷前进方向的左帮，从33410材巷停采线依次往里(沿煤层倾向)布置。本煤层钻孔孔深100 m，其中至切割巷300 m范围内的钻孔间距设计为3m，其余的均为6 m。33410材巷钻孔总数 320个，工程量为32 000 m。

2)采空区抽放钻孔设计。

在33410专用抽采巷内向工作面上隅角施工本煤层钻孔，抽放采空区瓦斯。每12 m布置一个钻孔，钻孔深度29.4 m，钻孔孔径115 mm，钻孔总数144个。

3)裂隙带抽采钻孔设计。

利用在专用抽采巷交错施工高、低位顶板钻孔对工作面裂隙带瓦斯进行抽采。裂隙带钻孔布置在专用抽采巷前进方向的左帮，钻孔从停采线依次往工作面布置，每隔6 m布置一个钻孔。钻孔终孔高低位控制在20 m～23 m，高位孔控制在29 m～32 m。钻孔深入工作面煤壁20 m，孔高1.7 m。

4)运巷上隅角埋管抽放设计。

为了解决运巷上隅角瓦斯积聚，采用铺设一趟φ300 mm钢骨架复合管用于上隅角埋管抽放，管路沿巷道前进方向右侧铺设。从停采线以里每12 m接一个三通(φ300 mm变为φ200 mm)，方向垂直向上。

5)33410运巷采用钻场平台顶板长钻孔抽采上隅角瓦斯方法。

在33410运巷从切眼起，每隔60 m施工一个钻场，共施工27个钻场。钻场在33410运巷前进方向的右帮，沿煤层顶板掘进。钻场规格:深×宽×高=5 m×6 m×3m，钻场采用锚杆锚索加金属网综合支护，采用扩散通风。每个钻场布置上下两排各4个钻孔，孔间距600 mm，第一钻场钻孔垂直距离伸入工作面10 m，第二钻场钻孔垂直距离伸入前一钻场20 m。1号～6号孔水平距离控制在工作面切割巷10 m～42 m的范围内，1号～4号钻孔终孔高度控制在6 m～12 m内，4号～8号终孔高度控制在8 m～16 m内。

4 抽放管路设计及抽放泵选型

4.1 抽放管路设计

4.1.1 抽放管路敷设

33410专用抽采巷抽采管路敷设为:地面抽采泵→抽排钻孔→钻孔下口→三采回风巷→33410回风联巷→33410专用抽采巷。

33410运巷抽采管路敷设为:地面抽采泵→抽排钻孔→钻孔下口→三采回风巷→33410回风联巷→33410运巷。

33410材巷抽采管路敷设为:地面抽采泵→抽排钻孔→钻孔下口→三采回风巷→33410材联巷→33410材巷。

掘进期间33410运、专用抽采巷管路与三采回风巷内φ800 mm的主瓦斯抽采管路连接利用高浓度抽采系统进行掘进工作面的瓦斯抽采工作。

回采期间33410运、材、专用抽采巷的本煤层孔抽采管路及运巷上隅角抽采管路与三采回风巷内φ700 mm的瓦斯抽采管路连接，利用低浓度抽采系统进行工作面的瓦斯抽采工作，33410专用抽采巷的顶板孔、运巷钻场顶板长钻孔、采空区抽放孔的抽采管路与三采回风巷内φ800 mm的瓦斯抽采管路连接利用高浓度抽采系统进行采空区的瓦斯抽采工作。

4.1.2 抽采负压计算

管路摩擦阻力计算公式如下:

其中，H摩为管路的摩擦阻力，Pa;Δ为混合瓦斯对空气的密度比，Δ=1-0.446C=0.822，C为管路内瓦斯浓度值，取40%;K为系数，根据管径由表查出，取0.71;d为管路直径(内径)，取80;L为管路的总长度;Q为某段管路混合瓦斯流量。

依据管路摩擦阻力计算公式对33410综采工作面各类抽采钻孔进行了管路摩阻和抽采负压计算，计算结果如表1所示。

表1 33410综采工作面抽采钻孔抽采负压计算结果

4.2 抽采设备选型

抽采设备使用2BEC72-1BG3型水环式真空泵，最大抽气量365 m3/min，安装四台;电机型号YB系列，功率400 kW;抽采干管选用φ800 mm，φ700 mm钢骨架复合管，33410专用抽采巷和33410运巷掘进工作面抽采支管路选择φ300 mm钢骨架复合管6 600 m，且要求管路随着工作面的向前推进逐步延接。33410材巷抽采管路选择φ300 mm钢骨架复合管4 400 m。