河津腾晖煤业2-105综放工作面瓦斯综合抽采技术

高新平

(霍州煤电集团晋南煤业有限公司)

新版《煤矿安全规程》施行后，不再允许设置专用排瓦斯巷(内错或外错尾巷)[1-2]。河津腾晖煤业作为高瓦斯矿井，由于采用放顶煤回采工艺，工作面生产强度大，煤层瓦斯含量高，在瓦斯抽采方面单独采用U型通风方式，导致回采过程中上隅角瓦斯治理困难。对此，本研究以该矿2-105综放工作面为例，通过综合采用本煤层瓦斯预抽、高位裂隙孔抽采以及“以孔代巷”瓦斯抽采技术方法[3-6]，解决工作面以往采用U+L通风方式时所面临的横贯启封、密闭等技术与操作难题，以便大幅度降低工作面采空区瓦斯在上隅角积聚。

1 矿井概况

河津腾晖煤业为生产矿井，位于山西省临汾市乡宁县枣岭乡店沟村西，井田面积为6.527 5 km2，可采煤层为2#、10#煤层。其中，2#煤层地质储量3 127万t、可采储量1 243万t；10#煤层地质储量3 312万t、可采储量1 627万t。该矿井设计生产能力为120万t/a，服务年限17.1 a。矿井瓦斯最大绝对涌出量为38.86 m3/min，CO2最大绝对涌出量为5.82 m3/min，为高瓦斯矿井。目前，矿井含有主斜井、副立井、回风立井及管道立井4个井筒，井下全部实行机械化操作，主运输系统采取胶带运输，辅助运输为无极绳绞车运输。矿井通风方式为混合式，通风方法为机械抽出式，通风系统为“三进一回”，主斜井、副立井、管线井进风，回风立井回风。矿井安装了2台FBCDZ-8-№27/2×450型对旋轴流式风机，1用1备，担负矿井回风任务。目前，矿井总进风量为9 463 m3/min，总回风量为9 566 m3/min，其中，主斜井进风量1 897 m3/min，副立井进风量6 716 m3/min，管线井进风量850 m3/min，有效风量9 322 m3/min，有效风量率约98.5%，矿井负压为2 020 kPa。

矿井地面瓦斯抽放系统于2012年1月19日投入运行，为地面固定瓦斯抽采系统，安装了4台2BEC-72型水环真空泵，单机功率为560 kW，泵绝对压力为60 kPa，泵额定抽气量为460 m3/min。抽采主管路采用φ630 mm无缝钢管分高、低压2趟敷设，从地面通过2个管道井入井，共敷设管路长达3 700 m，实现高、低负压分源抽采。支管路104工作面本煤层抽采、104上隅角埋管抽放、一采区回风巷预抽、2-105本煤层预抽、二采区区域预抽均铺设φ325 mm 螺纹钢管，共计1 260 m。

矿井2#煤层原煤平均瓦斯含量为9.15 m3/t，10#煤层原煤平均瓦斯含量为7.69 m3/t，2#、10#煤层残存瓦斯含量均为1.37 m3/t，2#煤层百米钻孔瓦斯流量衰减系数约0.005 2 d-1，为可抽采煤层。该煤层煤质为贫瘦煤，挥发分为18.24%，为Ⅱ类自燃发火煤层，同时具有爆炸危险性。2-105综放工作面煤层瓦斯含量为5.7～12.67 m3/t，平均8.91 m3/t，可解吸瓦斯量为7.866 m3/t，不可解吸量为 2.18 m3/t。煤层透气性系数为7.00 m2/(MPa·d)，钻孔瓦斯流量衰减系数为0.005 2 d-1，属于可抽放煤层，工作面圈定范围内煤层瓦斯总储量为533.2万m3。2-105综放工作面采用走向长壁采煤法生产，开采工艺采用综采放顶煤，顶板管理采用全部垮落法。综采设备采用1部双滚筒采煤机，采煤高度为3.2 m，放顶煤高度为2.2 m。工作面设计采用U型通风方式。

该矿井作为高瓦斯矿井，近年来，先后采用了U+U、U+L型等通风方式，均不同程度上需要施工专用排瓦斯巷，矿井成本加大，安全风险较大。且新版《煤矿安全规程》施行后，不再允许设置专用排瓦斯巷(内错或外错尾巷)，加之该矿2-105综放工作面位于采区边界，相邻工作面回采基本完毕，采空区瓦斯较高，矿井采掘衔接紧张，瓦斯预抽时间较短。为此，本研究通过综合采用本煤层瓦斯预抽、高位裂隙孔抽采以及“以孔代巷”抽采技术对该工作面瓦斯进行抽采。

2 工作面瓦斯综合抽采方案

通过分析2-105综放工作面的瓦斯来源，本研究设计了综合抽采方法，即：回采工作面开采层采用本煤层钻孔抽采；上邻近层瓦斯采用高位裂隙孔抽采；采空区及相邻采空区施工直径为550 mm的大直径钻孔进行滞后抽采，替代以往用的尾巷横贯联通方式实现风排采空区瓦斯的抽采方法。由于采空区与2-105综放工作面通风网络相连通，在通风压差作用下采空区瓦斯涌入工作面并经由回风流排出，当采空区积存和涌出的瓦斯量较大时，可能使得工作面上隅角或回风流瓦斯处于超限状态，特别是当顶板冒落时引起采空区瓦斯突然大量涌出，对生产构成很大威胁。为确保回采过程中安全生产和上隅角瓦斯不超限，本研究采用高位裂隙钻孔法以及大直径钻孔抽采工作面采空区瓦斯。

本研究瓦斯抽采系统在大巷采用φ630 mm×10 mm无缝钢管，在回风顺槽内本煤层钻孔抽采支管一趟采用φ325 mm×2 mm螺纹钢管，实现高负压抽采；在措施巷内高低位裂隙钻孔抽采支管路一趟采用φ325 mm×2 mm螺纹钢管，实现高负压抽采；在措施巷内再采用一趟φ325 mm×2 mm螺纹钢管抽采大直径钻孔，实现低负压抽采。抽采系统选用2BEC72型水环式真空泵4台(2运2备)，抽采泵的相关技术参数见表1。

表1 2BEC72型水环式真空泵性能参数

3 方案实施

3.1 大直径钻机施工参数

大直径钻孔施工地点为2-1053巷，向2-1052巷施工大直径钻孔，每隔25 m布置1组钻孔，每组2个钻孔，根据巷道长度，共施工了12个钻孔，钻孔参数见表2。具体开孔高度及仰角可以根据现场实际环境进行调节，在2-1053巷施工时，仰角可设计为-5°。大直径钻孔施工要求如图1所示。

表2 大直径钻孔施工参数

图1 大直径钻孔布置示意

3.2 钻孔护管参数及施工方法

护管采用螺旋焊缝钢管，具体参数见表3。护管加工装配方式见图2。

表3 护管参数

图2 护管加工示意

钻孔施工到位后，退钻，卸下钻头后利用钻机推力将护管顶入钻孔内，具体操作方法为[7]：①将护管运至2-1053巷道大直径钻孔钻透地点，退钻后将首节护管安装护管尖头(图3)，利用钻机吊装设备将首节护管水平吊运至钻孔内，贴近钻杆位置并调整护管平整度；②无关人员退至安全距离后，安装第1根护管，利用钻机推力将护管顶入钻孔，待护管推入指定位置后(切勿将护管连接头推入钻孔)，退钻，连接下一根护管，依次循环，直至护管安装完毕(护管连接为插接式，利用螺栓固定)，护管安装完毕后，将护管尖头卸下，进行封孔，最后将护管与抽放管路进行连接，护管安装如图4所示。

图3 尖头加工示意

图4 护管安装示意

3.3 抽采管路连接

2-1503巷道内安装有2趟φ325 mm抽放管路及抽放阀门，利用变径与φ426 mm护管(中间连接可根据现场实际情况加工不同长度的钢管短截(φ325 mm)、软管进行连接)进行连接，并入抽放系统，根据现场实际情况在2-1503巷增加弯头及短节，距离顶板约1.5 m。具体连接方式见图5。

图5 护管连接方式

4 抽采效果

工作面瓦斯抽采率是指工作面瓦斯抽采量占工作面瓦斯总涌出量的百分比[8-10]，计算公式为

ηm=100qmc/(qmc+qmf) ，

式中，ηm为工作面瓦斯抽采率，%；qmc为工作面瓦斯抽采量，m3/min；qmf为工作面风排瓦斯量，m3/min。

回采工作面瓦斯抽采量(qmc)为回采工作面预抽瓦斯量、边采边抽瓦斯量与目前工作面采空区瓦斯抽采量、邻近层瓦斯抽采量之和。计算可得，ηm=66%，工作面瓦斯抽采率均符合《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ1026—2006)要求。抽采量预计见表4。

表4 瓦斯抽采量预计结果 m3/min

该矿2-105回采工作面最大风排瓦斯量为24 m3/min。需风排瓦斯量为10.44 m3/min，因此，瓦斯抽采后，回采工作面的通风能力能够满足风排瓦斯要求[11-12]。

5 结 语

高效抽采是瓦斯灾害治理的根本措施。河津腾晖煤业2-105工作面由于布置于采区边界上，相邻2-104工作面回采即将结束，采空区瓦斯含量较高，通过进行瓦斯综合抽采方案设计，使得2-105工作面与瓦斯抽采巷实现空间隔绝，通过不设置横贯，采用大孔径钻孔代替横贯埋管抽采，实现了真正意义上的U型通风，减少了巷道施工横贯的掘进量，在降低费用的同时避免了巷道独头掘进的危险。此外，“以孔代巷”抽采技术的应用，可对开采工作面采空区进行低负压、大流量抽采，改变工作面采空区的瓦斯流场，大幅度降低工作面采空区瓦斯在上隅角积聚，并形成适合矿井开采条件的大直径抽采采空区瓦斯治理技术体系，有效解决回采工作面采空区瓦斯涌出量大、上隅角瓦斯超限等问题，为矿井安全生产提供技术保障。