瓦斯抽放技术研究与实践

王宏峰

1 概 况

1.1 煤层瓦斯地质条件

中峪矿井所处区域主要以褶曲构造为主,从构造形迹的性质来看,区内大型褶曲是燕山运动初期强烈的东西向挤压作用所致,小型褶曲则是燕山运动后期因区块的左旋扭动而造成的压扭性变形;压扭和挤压特性为主的褶曲构造、较大的埋藏深度、致密完整的煤层顶底板和相对高变质程度的煤质,使得井田煤层具有良好的瓦斯“生”、“储”、“盖”条件,煤层瓦斯难以逸散。

1.2 煤层瓦斯分布规律

中峪井田范围内的煤层绝大部分位于甲烷带,且煤层甲烷成分均大于 80%。无论是同一煤层还是不同的煤层,尽管相关程度不是非常显著,但瓦斯含量具有随煤层埋藏深度的增大而增大的趋势。

2 矿井瓦斯抽放方案

2.1 瓦斯抽放方法的选取

2.1.1 回采工作面开采煤层瓦斯预抽

钻场平面扇形钻孔、底板岩巷穿层钻孔、正向平行钻孔、迎面斜交平行钻孔和交叉钻孔是开采层瓦斯预抽最常见的五种方法[1]。结合中峪矿井煤层赋存特征、开采方案、采掘巷道设计和煤层的透气性,并充分考虑预抽钻孔的边采边抽效应,密集迎面平行钻孔方式对开采煤层瓦斯进行强化预抽见图 1。

图 1 回采工作面开采层瓦斯预抽方式及钻孔布置示意图

回采工作面开采层瓦斯预抽钻孔布置参数如下：钻孔长度：110～115 m;钻孔直径：开孔 d89 mm,终孔 d63 mm;钻孔与顺槽夹角：84°～86°;钻孔倾角：与煤层倾角相同;钻孔间距：2 m;封孔深度：5～6 m;封孔方式：聚胺酯封孔。

2.1.2 邻近层瓦斯抽放

采用顶板走向高抽巷,见图 2。抽放 2#煤层回采工作面的邻近层瓦斯,即：内错回采工作面轨道顺槽15～20 m,沿 1#煤层布置一条断面积 4～5 m2的走向高抽巷,通过密闭高抽巷来抽放邻近层瓦斯。

图 2 走向高抽巷邻近层瓦斯抽放方式示意图

2.2 瓦斯管网系统选择与管网阻力计算

2.2.1 瓦斯抽放管网系统

为便于抽放管理和瓦斯综合利用,将地面永久瓦斯抽放站布置在距离回风立井附近的适当地点,回采工作面抽出的瓦斯通过工作面支管、大巷干管经由回风立井总管输送到地面瓦斯抽放站。

2.2.2 瓦斯抽放管管径计算及管材选择

瓦斯抽放管管径按下式计算：

式中：

D—瓦斯抽放管内径,mm;

Q—抽放管内混合瓦斯流量,m3/min;

V—抽放管内瓦斯平均流速,m/s,取 10。

设定：1)回风立井和地面瓦斯抽放管为总管。2)两翼大巷瓦斯抽放管为干管。3)邻近层瓦斯抽放管为支管 1。4)回采工作面开采层瓦斯预抽管为支管2。

据各瓦斯抽放管内预计的瓦斯流量,按式 (1)计算选择的瓦斯抽放管管径,见表 1。

表 1 瓦斯抽放管管径计算选择结果表

2.2.3 管网阻力计算

2.2.3.1 摩擦阻力(Hm)

式中：

Hm—管路摩擦阻力,Pa;

L—管路长度,m;

Q—抽放管内混合瓦斯流量,m3/h;

γ—混合瓦斯对空气的密度比;

K—与管径有关的系数;

D—抽放管内径,cm。

2.2.3.2 局部阻力(Hj)

按摩檫阻力 15%计算,即：

式中：

Hj—管路局部阻力,Pa;

Hm—管路摩擦阻力,Pa。

为了保证选用的瓦斯抽放泵能满足抽放系统最困难时期所需抽放负压,应根据矿井 2#煤层生产期间瓦斯抽放系统中管路最长、流量最大、阻力最高的抽放管线来计算矿井抽放系统总阻力。此时的瓦斯抽放系统最困难管线见表 2。

表 2 生产前期瓦斯抽放系统最困难管网阻力计算结果表

2.3 瓦斯抽放泵选型计算

瓦斯抽放泵的选型原则有两个[2,3]：1)泵的流量应满足抽放系统服务期限可能达到的最大瓦斯抽放量。2)泵的压力能克服最困难路线的管网阻力,使抽放钻孔达到足够的负压,并满足抽放泵出口正压需求。

2.3.1 瓦斯抽放泵流量计算方法

式中：

Q—瓦斯抽放泵所需额定流量,m3/m in;

Qz—矿井抽放系统最大瓦斯抽放纯量,m3/m in;

X—矿井抽放瓦斯浓度,%;

K—备用系数,取 1.20;

η—抽放泵机械效率,取 0.80。

2.3.2 瓦斯泵压力计算方法

式中：

H—瓦斯抽放泵所需压力,Pa;

K—压力备用系数,取 1.20;

Hzk—抽放钻孔所需负压,Pa;

Hm—井下管网的最大摩擦阻力,Pa;

Hj—井下管网的最大局部阻力,Pa;

Hc—瓦斯泵出口正压,Pa。

2.4 瓦斯抽放效果预测

2.4.1 回采工作面开采层预抽量预计

中峪矿井 1#、2#煤层属于较难抽放煤层,当采取密集迎面平行钻孔强化预抽措施后 (工作面双侧布孔、单孔长度 110 m、孔间距 2 m),预计瓦斯抽放率可以达到 30%。按预抽 180天、瓦斯预抽率 30%计算,工作面在预抽期内平均抽放瓦斯量计算公式为：

式中：

Q—预抽期内工作面平均瓦斯预抽量,m3/min;

L1—工作面平均走向长度,m,1#煤和 2#煤取2 200;

L2—工作面倾斜长度,m,按设计取 230;

M—煤层平均厚度,m,1#煤取 1.01,2#煤取2.48;

γ—煤平均容重,t/m3,1#煤取 1.40,2#煤取1.38;

η—瓦斯预抽率,采用密集钻孔强化预抽措施后,可以达到 30%;

X—煤层平均瓦斯含量,m3/t,1#煤和 2#煤平均原始瓦斯含量取14,1#煤层回采后,2#煤层的平均残存瓦斯含量取 9。

把各个参数带入式 (6)得预抽瓦斯总量将达到58.66 m3/min。

2.4.2 邻近层瓦斯抽放量预计

邻近层瓦斯抽放量计算公式为：

式中：

Q2—邻近层瓦斯抽放量,m3/min;

ηl—邻近层瓦斯抽放率,%,根据淮南、阳泉矿区的抽放经验,走向顶板(底板)抽放巷或者分段走向高位钻孔抽放邻近层瓦斯,瓦斯抽放率可以达到 75% ～85%,取80%;

Q0—回采工作面邻近层瓦斯涌出量,m3/min。

把各个参数带入式(7)得邻近层瓦斯抽放总量可达 31.97 ～64.43 m3/min。

3 结 论

1)中峪矿井煤层具有良好的瓦斯“生”、“储”、“盖”条件,井田范围内的煤层绝大部分位于甲烷带,无论是同一煤层还是不同的煤层,瓦斯含量均有随煤层埋藏深度的增大而增大的趋势。

2)采用分源预测法对中峪矿井一水平矿井瓦斯涌出量进行了预测,无论前期、中期还是后期,矿井都属于高瓦斯矿井。

[1] 王佑安.矿井瓦斯防治[M].北京：煤炭工业出版社,1997：379-381.

[2] 俞启香.矿井瓦斯防治[M].徐州：中国矿业大学出版社,1992：163-165.

[3] 王兆丰.矿井瓦斯涌出量分源预测法及应用[J].煤矿安全,1991(1)：56-57.