屯兰矿18403工作面瓦斯抽采技术与实践

王永

摘 要：针对屯兰矿煤层开采过程中遇到的瓦斯治理难题，以18403工作面为例，详细阐述了顶板走向长钻孔钻场瓦斯抽采的钻孔布置、参数、封孔工艺，在抽采管路选型的基础上，抽采管路阻力及孔口负压计算，进而确定了抽采管路敷设路线，论述了抽采管路安装设计及要求，并就工程施工成本和抽采效果，与高抽钻场进行了统计对比。经现场实践检验表明，顶板走向长钻孔钻场抽采性价比优于高抽钻场，抽采效果良好，满足工作面安全回采要求，可推广应用至其他条件类似的工作面。

关键词：瓦斯抽采方式;工艺参数;走向长钻孔;负压;抽采效果

回采工作面的瓦斯涌出是矿井瓦斯事故的主要诱因，根据瓦斯来源的分源理论，可以将回采工作面瓦斯主要来源于邻近层瓦斯涌出和开采层瓦斯涌出，开采层瓦斯涌出来源又可分为煤壁瓦斯、落煤瓦斯和采空区瓦斯，其中，鄰近层瓦斯涌出是回采工作面涌出量的重要组成部分。瓦斯灾害事故严重妨碍了矿井正常生产，但如果将瓦斯抽采之后加以利用，瓦斯又是高效的绿色能源。因此，本文以屯兰矿18403工作面为工程背景，开展工作面瓦斯抽采技术研究。

1 工作面概况

18403工作面所采的（8#）煤层位于山西组下部，属于稳定性煤层，煤层厚度2.8～3.33m，平均3.2m，含炭质泥岩和泥岩夹石0～5层，厚0～1.25m，一般1～2层，厚度0.10～0.30m，最厚为0.90m。工作面位于东翼一盘区，工作面倾斜235m、走向长2000m，工作面地质条件简单，没有大的断层构造存在，煤层倾角在3°～5°，煤体瓦斯含量为10.93～15.14m3/t，煤的孔隙率为12.5%，煤层透气性系数为3.6329m2/（MPa2.d），采取Y型通风方式，在距工作面初切眼1155位置处，设置有一个二切眼。根据现场钻孔取样分析，上邻近煤层及K2、L4灰岩中瓦斯涌出约占8#煤层工作面瓦斯涌出量的20%左右，回采初期，采取高位裂隙带钻孔抽采上邻近煤层及K2、L4灰岩中瓦斯，钻孔布置如图1所示，但效果不尽理想，回采过程中，工作面瓦斯超限现象时有发生，针对这一不利局面，为了防止回采期间因邻近层瓦斯涌向18403上工作面隅角造成瓦斯超限事故，经矿方研究分析，拟改为顶板走向长钻孔瓦斯抽采工艺，以期取得更好的抽采效果。

2 顶板走向长钻孔瓦斯抽采钻孔布置

在二切眼距18403回风顺槽60m处施工了一个长4.5m×深4m的钻场，在18403工作面回风顺槽，采用ZDY-12000LD型号钻机、选用直径为89mm的钻杆进行钻场布置，钻杆孔直径选用120mm，钻孔长度设定为600m，钻进层位是7#煤，距8#煤顶板20.5m，钻场距回风顺槽垂直高度为15m，钻场宽度控制60m范围内，钻孔布置如图2所示。

钻孔直径大，钻孔抽采量相应增大，根据钻机性能、施工速度与技术水平等因素，对成孔进行两次扩孔处理，最终成孔直径为Φ193mm。同时，施工过程中，考虑长钻孔导致的钻杆自重引发的下沉量，钻孔施工过程中采取一定的仰角来弥补钻孔的弯曲下沉，根据理论计算及经验确定仰角为10°。

3 封孔工艺

采用两堵一注聚胺脂+注浆聚胺脂+聚胺脂封孔的封孔方式，封孔长度均为12m，封孔管外露钻孔长度均为200mm，封孔管均采用聚乙烯管，前两种钻孔选用2寸封孔管，第三种钻孔选用4寸封孔管。

在封孔管首、末两端距离设计位置各1m处，封聚胺脂（加麻袋片）将封孔器推入孔内，在卷缠麻袋片和聚胺脂药液的同时将一根注浆管和一根导气管一并封入孔内，导气管、注浆管的外露钻孔长度均为100mm，且导气管位于钻孔壁的上侧，注浆管位于钻孔壁的下侧。在钻孔孔口100mm段，人工封入水泥砂浆将封孔管、导气管、注浆管固定好。待水泥砂浆凝固结实后，利用注浆泵和注浆管向钻孔内注入聚胺脂药液即可。人工用水泥砂浆将抽采管末端剩余空间封实并固定好。

4 抽采管路选型及负压计算

4.1 管路选型

在18403工作面回风顺槽布置一趟抽采管路，瓦斯抽采管路直径D根据绝对瓦斯涌出量、预计的瓦斯抽出量及瓦斯抽采率，采用公式（1）进行计算：

式中：H-某段管路的摩擦阻力，（Pa）;△-混合瓦斯对空气的相对密度，△=1-0.446C/100;C-管路内瓦斯浓度，（%）;Q-某段管路的混合瓦斯流量，（m3/h）;K-系数，取0.71;D-管道内径（cm）;L-管路的等值总长度，包括局部阻力的等值长度即L=L1+∑L2;L1-管路的直线长度，（m）;L2-某局部阻力的等值总长度，（m）。按上式计算的抽采管道直管阻力损失为1349Pa。

4.2.2 局部阻力损失计算

管路局部阻力损失按直管阻力损失的20%计算。

H局=H直×20%=270Pa

4.2.3 总阻力损失计算

H总=H直+H局=1619Pa

4.2.4 钻孔抽采负压计算

H孔=H泵-H正-H总=23881Pa

式中：H孔-抽采钻孔孔口负压，Pa;H泵-瓦斯泵的压力，30000Pa;H正-瓦斯泵出口正压，4500Pa;H总-抽采管路总阻力损失，1619Pa。

4.3 抽采系统

结合矿井下已有的巷道布置，设计18403工作面瓦斯抽采路线如下：回风顺槽（D426不锈钢管）→18405回风联络巷（D426不锈钢管）→南翼下组煤回风巷（D711不锈钢管）南二回风巷（D711不锈钢管）→地面抽采泵站。

4.4 抽采管路安装设计及要求

本煤层抽采管路沿巷道顶板吊设，距左帮（煤体侧）大于100mm，距顶板不大于300mm。每根管路设两个吊挂点，在管路出口处安装一个蝶阀和在线监测装置以及孔板流量装置。

回风措施巷左帮（煤柱侧）吊挂距帮200mm，距顶300mm。管路采用钢丝绳（φ9.3mm）和管卡吊挂固定，中间加绝缘皮带，每根管路设置两个吊挂点，每隔100m安设一组接地极，接地极阻值不大于2欧姆。在管路出口处安装一个蝶阀和在线监测装置、孔板流量装置以及自动喷粉抑爆装置，两个喷粉罐之间的距离为50m。火焰传感器应安设在自动喷粉抑爆装置與抽采进气口之间，距离抑爆装置的距离（沿管道轴向）大于50m。所有抽采管路敷设做到平、稳、直、密。离地不小于1.8m;抽采管路通过的巷道曲线段少、距离短，转弯时角度不大于50°;管路需进行漏气试验，千米漏气率不得大于3m3/min。

5 抽采效果分析

对18403工作面开采初期高抽钻场和后期顶板走向长钻孔钻场两种抽采工艺的工程费用进行了初步计划，统计结果如表1。

此外，在顶板走向长钻孔抽采和高抽钻场抽采两种情形下，对瓦斯抽采流量随工作面推进距离的变化情况进行统计，如图3所示。从图中可明显看出，高抽钻场需在工作面回采0-35m处瓦斯抽采流量很小，之后快速增长，但抽采流量不稳定，且低于顶板走向长钻孔钻场;而采取顶板走向长钻孔钻场，自工作面开始回采，瓦斯抽采流量迅速上升，并保持在较高值，抽采效果好，能有效降低临近煤层、K2、L4灰岩中瓦斯逸散而造成的工作面瓦斯浓度超限，确保了工作的安全回采。

6 结语

顶板走向长钻孔方式可以有效代替高位裂隙带钻孔方式，具有成本低、抽采流量大、系统精简、安全性好等的优点，可有效降低邻近煤层、岩石夹层中瓦斯逸散而造成的工作面瓦斯浓度超限，确保了工作的安全回采，抽采出的高浓度瓦斯更易于进行发电，既绿色环保，又创造二次经济价值。

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