长壁工作面瓦斯抽采技术优化研究

何惠君

(四川师范大学工学院，四川省成都市，610101)



长壁工作面瓦斯抽采技术优化研究

何惠君

(四川师范大学工学院，四川省成都市，610101)

以胜利煤矿为试验矿井，对1306采煤工作面的瓦斯抽采技术进行研究，提出了瓦斯抽采钻孔优化方案，运用回归分析手段对优化后采集的瓦斯数据进行统计和分析，并评价系统优化后瓦斯抽采效果。现场工程实践表明，通过在开采煤层中布置顶板和底板高(低)位钻孔同时抽采本煤层和上下邻近层卸压瓦斯后，1306采煤工作面瓦斯抽采率达到了37.6%～80.7%，瓦斯浓度降为0.36%～0.38%，满足了矿井安全生产要求。

长壁开采 顶板高位钻孔 采空区插管 瓦斯抽采量 抽采钻场数量 距开切眼距离 技术优化 回归分析

煤矿事故中瓦斯事故是所有事故中最重要也是最具破坏力的一种，近年来虽然煤矿瓦斯事故的发生起数有所减少，但是瓦斯事故的发生总量仍较多，重大瓦斯事故时有发生。随着高瓦斯矿井的逐年增多，煤矿瓦斯事故防治的形势依旧严峻。

本文以胜利煤矿瓦斯抽采技术为研究对象展开课题研究，结合胜利煤矿自身的特点，通过对1306工作面进回风巷的抽采钻场和钻孔参数进行系统优化设计，显著提高了瓦斯抽采率，保证了矿井的安全生产。该方法对类似条件的难抽采、极薄煤层矿井开采有一定的借鉴意义和参考价值。

1 工程概况

经鉴定2014年胜利煤矿瓦斯绝对涌出量为20.14 m3/min，相对瓦斯涌出量为101.39 m3/t，属高瓦斯矿井。其中，采煤区绝对瓦斯涌出量占矿井总瓦斯涌出量的27.72%；掘进区绝对瓦斯涌出量占矿井总瓦斯涌出量的10.44%；采空区绝对瓦斯涌量占矿井瓦斯涌出量的61.84%。在采空区绝对瓦斯涌量中，新采空区绝对瓦斯涌出量占总采空区绝对瓦斯涌出量的比例达到83.78%；老采空区绝对瓦斯涌出量占总采空区绝对瓦斯涌出量的比值为16.22%。所以，胜利煤矿瓦斯涌出主要来自采空区，尤其是新采空区。

1306采煤工作面为胜利煤矿中一个高瓦斯工作面，采区上部为已开采的1308采区，其1308巷保留下来作为1306工作面回风巷道，1306巷作为工作面的进风巷进行回采。

2 瓦斯抽采技术优化设计

工作面开采后，来自顶底板的卸压瓦斯涌入开采空间，在漏风情况之下，瓦斯可能运移到通风风流之中，也可能在密闭条件良好的情况下留在采空区，会对下一步的矿井开采造成安全隐患。

2.1 矿井原有瓦斯抽采技术

胜利煤矿原有的瓦斯抽采方案主要有两种，分别为工作面顶板高位钻孔抽采瓦斯、采空区插管抽采瓦斯，已完成回采的1103工作面和1206工作面分别采用上述两种瓦斯抽采方法。

2.1.1 顶板高位钻孔抽采瓦斯

图1所示为1103采煤工作面布置以及钻场布置示意图，在1103工作面回风巷，沿煤层走向，自开切眼30 m处设首个钻场，此后每相距30 m设一个。每个钻场向工作面后方区域钻3个顶板穿层钻孔，保证终孔点处于后方空隙中，采用接管的方式抽采采空区的瓦斯。

图1 工作面顶板高位钻孔瓦斯抽采示意图

2.1.2 采空区插管抽采瓦斯方法

图2为1206采煤工作面采空区插管抽采瓦斯示意图，在1208巷瓦斯管道的尾部布设一弯管，保证管口伸入回风巷顶部区域，并采取相应的保护措施。用长10 m以上的管道作为接替管，并在回采面的后方瓦斯管上方每相邻40 m处设置1组埋管口组件、控制阀门及三通，在回采面推进后，保留采空区内的埋管口，保证瓦斯抽采工作的正常进行。当回采面再次推进40 m后，埋管口3～5 m的部分已经被埋在采空区内，此时，关闭上一埋管段的阀门，并将下一段埋管口阀门打开，源源不断地抽放采空区瓦斯。

图2 采空区插管抽采瓦斯示意图

2.1.3 存在问题

由于以上两个工作面为对拉工作面，当采煤工作面由走向长壁对拉工作面变为走向长壁工作面后，原设计瓦斯抽采方法会产生以下问题。

(1)顶板高位抽采钻场中，一个钻场的3个钻孔中距离回风巷上帮2.7 m钻孔的混合瓦斯流量几乎为0，距离回风巷上帮17 m钻孔混合瓦斯流量较小为0～0.5 L/min，且抽采瓦斯浓度仅为6%～19%。

(2)工作面上隅角、回风巷瓦斯超限严重。

(3)钻孔未到达瓦斯流量大、浓度高区域，采煤工作面开采后上下近距离不可采煤层卸压瓦斯未被有效抽采，钻孔混合瓦斯流量忽大忽小，有时甚至为0。

(4)矿井瓦斯抽采量、矿井瓦斯抽采率远远达不到矿井设计瓦斯抽采量和抽采率要求。

说明原设计瓦斯抽采方法或参数存在问题，需要进行改进和优化。

2.2 瓦斯抽采技术优化设计

1306采煤工作面所在采区为下山走向长壁两翼式布置开采，采区巷道均布置在所开采煤层中，1306巷为工作面运输巷兼进风巷，1308巷为回风巷。

1306采煤工作面设计采用顶底板钻孔同时抽采上、下邻近层的卸压瓦斯的方式抽采瓦斯，钻场布置如图3所示(此时1308巷1#钻场已废弃)。

图3 1306采煤工作面进回风巷钻场布置示意图

(1)对于1306进风巷而言，每个钻场之间相距18 m，1306巷从开切眼工作面推进至12 m时，施工第一个钻场，推进至30 m时施工第二个钻场，以此类推，1306巷主要抽采采煤工作面后方卸压瓦斯，在采煤工作面推进过程中，工作面后方的钻场瓦斯抽采一直沿用，当瓦斯抽采效果不理想时弃用。1306巷每个钻场布置1#、2#、3#、4#、5#、6#共6个钻孔，其中2#、4#、6#为上帮钻孔，1#、3#、5#为下帮钻孔。1306巷1#钻场布置情况如图4所示，钻孔参数详见表1。

图4 1306巷1#钻场钻场布置示意图

(2)在1308回风巷开切眼前方18 m布置第一个钻场，前方36 m布置第二个钻场预先抽采邻近层瓦斯，以此类推，并始终保持前方有两个钻场投入使用，继续推进后，在采煤工作面后方只保留两个钻场抽采瓦斯。每个钻场布置1#、2#、3#、4#共4个钻孔，其中1#、3#为顶板孔，2#、4#为底板孔。1308巷5#钻场钻孔布置情况如图5所示，钻孔参数详见表2。

表1 1306巷钻孔参数表

图5 1308巷5#钻场钻孔布置示意图

钻孔直径/mm与1308巷夹角/(°)坡度/(°)孔深/m距顶(底)板距离/m1#654029301752#7530-26401433#656021401964#7560-2840135

3 瓦斯抽采效果分析

3.1 瓦斯参数

现场使用XY-LG型孔板流量计和G1.6型家用膜式煤气表测量钻孔瓦斯混合流量，使用高浓度光学瓦检仪测量钻孔瓦斯浓度。采用瓦斯的标况纯流量作为衡量瓦斯抽采效果参数，瓦斯标况纯流量通过式(1)～(3)计算得到。

(1)工况混合流量计算式：

(1)

式中：Q工混——工况混合流量，m3/min；

k——孔板系数，胜利煤矿取值0.3001；

b——瓦斯浓度校正值。

(2)标况混合量计算式：

(2)

式中：Q标混—标况混合流量，m3/min；

P0——压差，Pa。

(3)标况纯流量计算式：

Q标纯=Q标混×C

(3)

式中：Q标纯——标况纯流量，m3/min；

C——浓度，%。

3.2 瓦斯抽采效果分析

3.2.1 1306进风巷瓦斯抽采效果分析

通过现场测得的瓦斯浓度以及瓦斯流量值结合公式(1)～(3)计算得到1306巷2-5月份标况瓦斯纯量回归分析，如图6所示。由图6可以看出，2月份测得的瓦斯标况纯流量范围0.21～0.59 m3/min，标况纯流量平均值为0.36 m3/min，瓦斯纯量随着抽采时间的增加呈先降后升的趋势；3月份瓦斯标况纯流量范围0.49～1.28 m3/min，平均值0.73 m3/min，瓦斯纯量随着抽采时间的增加呈缓慢上升的趋势，和2月份相比较标况纯流量平均值有所增加；4月份瓦斯标况纯流量范围0.78～3.1 m3/min，平均达到2.30 m3/min，较前两个月有较大幅度增加，曲线呈先上升后降低的趋势，分析其主要原因在于4月份开采进度较快，钻孔数量有限导致瓦斯抽采能力有限；5月份标况纯流量取值2.52～3.4 m3/min，标况纯流量平均2.93 m3/min，变化曲线呈先增加后降低，最后上升的趋势，瓦斯抽采量整体趋势为不断增加。

图6 1306巷2-5月份标况瓦斯纯量回归分析

3.2.2 1308回风巷瓦斯抽采效果分析

1308巷2-5月份标况瓦斯纯量回归分析如图7所示。由图可以得到2-5月瓦斯标况纯流量范围分别为0.07～0.20 m3/min、0.10～0.78 m3/min、0.71～1.64 m3/min和0.24～1.20 m3/min，和1306进风巷相比整体瓦斯流量有所降低，但整体抽采量也是在不断增加。

钻孔和钻场参数优化后，经过现场实测，1306巷瓦斯抽采平均浓度值为34.96%～64.84%，1308巷瓦斯抽采平均浓度为16.37%～36.16%；上隅角及工作面瓦斯浓度无超限问题，1308回风风流瓦斯浓度为0.36%～0.38%，回风与回风流瓦斯浓度保持稳定状态。

4 瓦斯抽采量影响因素分析

通过为期4个月对1306采煤工作面进风巷、回风巷进行现场数据实测，并对数据进行回归处理，得出了1306巷和1308巷瓦斯抽采纯量与距开切眼距离和钻场数量之间的关系。

4.1 瓦斯抽采量与距开切眼距离之间的关系

瓦斯抽采纯量与距开切眼距离之间的关系如图8所示。由图8可以看出，1306进风巷瓦斯抽采量大于1308回风巷瓦斯抽采量，主要原因在于1308回风巷采煤工作面推进过程中，最多只抽采4个钻场，工作面前方2个，工作面后方2个；而1306巷在工作面推进过程中，位于采空区后方的钻场持续抽采，在钻孔瓦斯抽采达标时才关闭。

图7 1308巷2-5月份标况瓦斯纯量回归分析图

图8 瓦斯抽采纯量与工作面推进距离关系

由图8(a)曲线中可以看出，从12 m开始，瓦斯抽采量迅速增加，当1306采煤工作面推进至80 m以后，瓦斯抽采量总体趋于平稳；由图8(b)可得，工作面推进至80 m之前，瓦斯抽采量增速很快，超过80 m后抽采量快速降低然后略有回升。

4.2 瓦斯抽采量与抽采钻场数量关系

瓦斯抽采纯量与抽采专场数量之间关系如图9所示。

由图9可知，瓦斯纯量随着瓦斯抽采钻场数量的增加，呈“缓慢升高-迅速升高-缓慢变化”的增长模式，其中3～5个钻场投入抽采为第一阶段，期间瓦斯抽采纯量随工作面推进呈缓慢上升的态势；5～8个钻场投入抽采为第二阶段，期间瓦斯抽采纯量随工作面的推进增长明显，抽采纯量由0.72 m3/min迅速增长至1.95 m3/min；9～13个钻场投入抽采为第三阶段，期间瓦斯抽采纯量随工作面的推进增长态势放缓，有起伏情况，但总体随着抽采钻场的增加瓦斯抽采纯量值不断增大。

图9 瓦斯抽采纯量与抽采专场数量之间关系

5 结论

(1)运用回归分析的方法，分析方案优化后1306采煤工作面2～5月份瓦斯抽采效果，得到了瓦斯抽采量整体不断增加的趋势。

(2)分析了瓦斯抽采纯量与工作面推进距离以及钻场数量之间的关系，发现随着工作面不断推进和钻

场数量不断增加，瓦斯整体抽采纯量呈增大趋势。

(3)经过判定，瓦斯抽采方案优化后，1306采煤工作面瓦斯抽采量不断提高，达到了37.6%～80.7%，回风风流中瓦斯浓度0.36%～0.38%，认定1306采煤工作面瓦斯抽采符合安全标准规定，证明上述瓦斯抽采技术优化方案有效。

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(责任编辑 张艳华)

十省(区)涉煤优势产业列入中西部地区外商投资优势产业目录

近日，国家发改委和商务部发布《中西部地区外商投资优势产业目录(2017年修订)》，自2017年3月20日起施行。属于本目录的外商投资项目，享受鼓励类外商投资项目优惠政策。符合本目录规定的外商投资在建项目，可按照本目录的有关政策执行。

其中，十省(区)涉煤优势产业列入本目录。具体为：山西省的矿区生态系统恢复与重建工程，煤层气和煤炭伴生资源综合开发利用，大型煤矿综采设备和防爆机电产品生产等；内蒙古自治区的煤层气和煤炭伴生资源综合开发利用，天然气压缩机(含煤层气压缩机)制造，洗中煤、焦炉煤气余热发电、供热等综合利用；吉林省的褐煤蜡萃取；安徽省的高岭土、煤层气(瓦斯)、矿井水及天然焦等煤炭伴生资源综合利用(勘探、开采除外)，煤焦油深加工，500万t/a及以上矿井、薄煤层综合采掘设备，1000万t/a及以上大型露天矿关键装备；河南省的煤层气(煤矿瓦斯)抽采和利用技术产品开发与生产，500万t/a及以上矿井、薄煤层综合采掘设备等；四川省的天然气压缩机(含煤层气压缩机)制造；贵州省的采用先进技术建设30万t/a及以上煤制合成氨及配套尿素项目；陕西省的高炉煤气能量回收透平装置设计制造；宁夏回族自治区的500万t/a及以上矿井、薄煤层综合采掘设备，1000万t/a及以上大型露天矿关键装备；新疆维吾尔自治区(含新疆生产建设兵团)的煤炭加工应用技术开发。

Research on longwall work face gas drainage technology optimization

He Huijun

(College of Engineering, Sichuan Normal University, Chengdu, Sichuan 610101, China)

Taking Shengli Mine as experimental mine, studied gas drainage technology of 1306 work face, proposed gas drainage borehole optimization plan, analyzed optimized gas data by regression analysis method and evaluated gas drainage effect after systematic optimization. Field project practice showed that drainage rate of 1306 work face, which realized mine production safety requirement, was 37.6% to 80.7% and gas concentration was decreased to 0.36% to 0.38% after drilling high (low) position boreholes at roof and floor of mining coal seam and extracting pressure-released gas of mining coal seam and nearby rock seams.

longwall mining, roof high position borehole, gob intubation, gas drainage amount, drainage drilling field amount, distance from open-off cut, technical optimization, regression analysis

何惠君. 长壁工作面瓦斯抽采技术优化研究[J].中国煤炭，2017，43(3)：134-139. He Huijun. Research on longwall work face gas drainage technology optimization[J].China Coal, 2017，43(3)：134-139.

TD712.62

A

何惠君(1995-)，女，四川宜宾市人，在读硕士研究生，研究方向：矿山安全。