关于井下综采工作面上隅角瓦斯治理的设计研究

2021-03-27李明

山西冶金 2021年1期

李明

（山西天成元矿山安全技术咨询有限公司，山西太原 030000）

1 矿井综采面基本概况

沁源梗阳6104综采面暂未开始回采，其上面为6103工作面采空区，下面为未采区，设计回采顺槽长度为2 200 m，工作面长度为135 m，采高2.8 m，通风方式为U型通风。该工作面地质条件复杂，正、逆断层共计31条，揭露陷落柱1个，虽无水文异常，但岩层比较破碎，对采面正常生产有一定影响。从上可以看出，沁源梗阳6104回采工作面地质构造多，在实际开采掘进过程中，瓦斯涌出量有明显异常。

2 瓦斯抽采方法确定

根据瓦斯抽采的必要性分析可知，沁源梗阳煤业6104回采工作面设计风量可以满足回采风排瓦斯要求。但其主要瓦斯问题为回采工作面上隅角在遇到构造时瓦斯容易存在超限现象。因此，本次设计只考虑回采工作面上隅角瓦斯抽采。

沁源梗阳煤业6104回采工作面主要瓦斯问题为工作面上隅角瓦斯超限，本次设计采用邻近层抽放瓦斯与采空区抽采瓦斯的综合抽采措施。即在6104综采面回风顺槽布置高位瓦斯抽放钻孔进行邻近层抽采；在6104回风顺槽采空区设置埋管、插管，抽采采空区内的瓦斯。抽釆过程中应根据实测抽釆数据不断调整抽釆参数，提高抽采效果。

3 抽采瓦斯参数设计

3.1 高位钻孔抽采

根据沁源梗阳煤业6104综采工作面初次来压距离及沁源地区其它矿井生产经验，裂隙带高度约为工作面采高的6~10倍左右，考虑到6104综采工作面上邻近层瓦斯涌出量及该工作面煤层倾角，设计在6104回风顺槽顶板每30 m施工一组高位钻孔进行邻近层瓦斯抽采。

3.1.1 抽采方式

打眼高位钻孔抽采邻近层瓦斯。

3.1.2 钻孔布置

在回风顺槽顶板每30 m施工一组高位钻孔，每组6个钻孔，孔间距0.5 m，钻孔呈扇形布置，见图1，钻孔详细参数如表1。

图1 高位钻孔平面布置示意图

3.1.3 封孔工艺

为保证抽放钻孔的抽采利用率，封孔采用“两堵一注”封孔方法进行封孔。

表1 高位钻孔技术参数表

3.2 采空区上隅角埋管抽采

在6104综采面回风顺槽上隅角采空区切顶线处进行埋管，瓦斯排放管道上面设有立管，随工作面回采不断前移。每隔30 m设一组立管，立管上面设有过滤金属网，防止垮落的煤块矸石等小碎颗粒进入管道中，影响抽采效果。管道布置方式见图2。

图2 6104综采面采空区埋管抽采俯视与剖面示意图

3.3 工作面上隅角插管抽采

在上隅角抽釆管路末端安设若干可弯曲的胶管管路，胶管进入上隅角后延伸至采空区内呈发散状态，胶管末端设置喇叭状呈扩扇形的塑料制扩散器，扩散器内有过滤网，扩散器末端深入上隅角的长度和位置应根据现场实际情况，不断调整，达到理想的参数。为达到抽采效果，上隅角处条件允许的情况下可以适当的挡设风帘，详见图3。

图3 上隅角分支插管布置平面和切面示意图

6104回采工作面初放及末釆时均应采用高、低位钻孔布置方式。

4 抽采施工设备、检测仪表

涉及到主要的仪器、仪表有光学瓦斯检定器，高低负压取样器、孔板流量计及水柱计等。

5 瓦斯抽采管路系统及抽采泵选型

5.1 瓦斯抽采管径选择

抽采管径一般采用下式计算：

式中：D管为瓦斯抽采管的内径，m；Q管为瓦斯抽采管内的混合气体流量，m3/min；V管为瓦斯抽采管中混合气体的平均流速，一般取值为5～12 m/s。

沁源梗阳煤业瓦斯抽采管路管径选择，见表2。

表2 抽采系统抽采瓦斯管径选择结果

5.2 瓦斯管的连接方式

回风顺槽及移动泵站内抽采管路选用焊缝钢管，采用法兰连接。

5.3 抽采泵流量计算

式中：Q抽为瓦斯抽采泵的额定流量，m3/min；Q总为矿井瓦斯抽采总量，m3/min；x为矿井瓦斯抽采浓度，%；K为备用系数，取2；η为瓦斯抽采泵的抽采效率。

所需抽采总量QZ=2.09 m3/min，x=4%，K=2.0，抽采效率η=0.8，经计算为131 m3/min。

表3 低负压系统抽采泵流量计算表

5.4 瓦斯抽采泵压力计算

计算抽采瓦斯泵的总阻力：

式中：H泵为瓦斯抽采压力，Pa；H总为抽采系统管网总阻力，Pa；H孔为井下抽采钻场形成的负压值，采空区瓦斯抽采取6 700 Pa；H正为瓦斯泵出口处正压值，取5 000 Pa；K为压力备用系数，一般取值为1.2～1.8。

摩擦阻力计算表见表4。

表4 摩擦阻力计算表

系统负压段阻力计算表见下页表5。

表5 系统负压段阻力计算表

系统正压段阻力计算表见表6。

表6 系统正压阻力计算表

系统抽采系统总压力计算表见表7。

表7 系统抽采系统总压力计算表

5.5 瓦斯泵的真空度计算

5.5.1 抽采泵真空度计算（见表8）

式中：I为抽采泵真空度，%；H为抽采系统压力，Pa；Pd为抽采泵站的大气压力，Pa，取88 725 Pa。

表8 抽采泵真空度计算表

5.5.2 抽采泵工况压力计算（见表9）抽采泵工况压力可按下式计算：

式中：Pg为抽采泵工况压力，Pa；Pd为抽采泵站的大气压力，Pa，取88 725 Pa。

5.6 抽采泵选型

按上述计算结果：抽采系统所需Q泵=131 m3/min，H泵=65 kPa，真空度I=27%。由于厂家给出的出厂性能曲线是非标准状态的，需要转换成算成绝对压力下的流量。用下式换算：

表9 抽采泵工况压力计算表

式中：Q标为标准状态下的瓦斯抽采量，m3/min；Q测为测得的瓦斯抽采量，m3／min；P为测定时管道内气体绝对压力，kPa；T为测定时管道内气体绝对温度，K（T=t+273，t为测定时管道内气体摄氏温度，取25℃）；P标为标准绝对压力，101.325 kPa；T标为标准绝对温度，（25+273）K。

由上述公式计算见表10。