新登煤矿32采区井下瓦斯抽采方案研究

王建伟，杜朝阳

(1.国投煤炭郑州能源开发有限公司，河南 登封 452470;2.河南理工大学能源学院，河南 焦作 454003)

三水平32采区为新登煤业新开拓采区，采掘生产期间的实际瓦斯涌出量没有可参照的历史数据;同时，根据开拓、掘进期间实际揭露资料，32采区与邻近的南翼31采区瓦斯涌出特征具有非常明显的差异，不能依据31采区的通风、瓦斯数据，应用矿山统计法对32采区的瓦斯涌出量进行预测。因此，依据国家安全生产监督管理总局《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018-2006)规定的分源预测法对32采区瓦斯涌出进行预测。

1 计算32采区瓦斯涌出源的瓦斯涌出量值

1.1 掘进工作面瓦斯涌出量

综掘工作面瓦斯涌出量由以下两部分组成:

1)掘进煤巷煤壁瓦斯涌出量。

式中:

Q1-1—掘进煤巷煤壁瓦斯涌出量，m3/min;

D—巷道断面内暴露煤面的周边长度，m;

D=2(h+b)=2 × (2.65+4.5)=14.3 m，h、b分别为掘进巷道的高度、宽度;

V—巷道平均掘进速度，m/min，普掘工作面计划月进尺为116 m时，取0.0028;

L—巷道长度，m，取800;

q0—暴露煤壁初始瓦斯涌出速度，m3/(m2·min)。

式中:

a—常数，取 0.026;

X—煤层原始瓦斯含量，m3/t，取 13.93;

Vdaf—煤的挥发分含量，%，根据地勘资料，取 12.47。

2)掘进煤巷落煤瓦斯涌出量［1］。

式中:

Q1-2—掘进煤巷落煤瓦斯涌出量，m3/min;

S—掘进煤巷断面积，m2，参照32061副巷作业规程，取 8.87;

V—巷道平均掘进速度，m/min;

p—煤的密度，t/m3，取 1.35;

Xc—运出矿井后原煤的残存瓦斯含量，m3/t，根据《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018-2006)中表 C.1，取可燃基残存量 X’c=3.5 m3/t·r。

式中:

X’c—煤的可燃基瓦斯残存量，m3/t·r;

A—煤中灰分含量，%，根据地勘资料，取10.19;

W—煤中水分含量，%，根据地勘资料，取1.92。

由此计算原煤运出矿井后的残存瓦斯含量为:

则，掘进落煤瓦斯涌出量:

由此得出:每个煤巷掘进工作面的绝对瓦斯涌出总量为:

32采区正常生产期间布置2个煤巷掘进工作面，由此计算掘进工作面瓦斯涌出总量为:

1.2 回采工作面瓦斯涌出量

每个综采工作面的瓦斯涌出量主要由开采煤层及其邻近层瓦斯涌出量两部分组成，即:

式中:

q采—回采工作面相对瓦斯涌出量，m3/t;

q1—开采层相对瓦斯涌出量，m3/t;

q2—邻近层相对瓦斯涌出量，m3/t。

1)开采层瓦斯涌出量。

薄及中厚煤层不分层开采时，开采煤层回采工作面瓦斯涌出量按下式计算:

式中:

q1—开采煤层(包括围岩)的瓦斯涌出量，m3/t;

K1—围岩瓦斯涌出系数，与围岩岩性、围岩瓦斯含量及顶板管理方法有关，一般按顶板管理方法取值，取1.2(全部陷落法);

K2—工作面丢煤瓦斯涌出系数，K2=1/刀，刀—工作面回采率，%，取 93，计算得，K2=1.08;

K3—采区内已掘进(准备)巷道预排瓦斯对开采层煤体瓦斯涌出的影响系数。采用走向长壁后退式回采方法时，K3按下式确定:

式中:

L—回采工作面倾斜长度，m，取150;

h—已掘进巷道预排瓦斯带宽度，m，与巷道煤壁暴露时间d有关，依据《矿井瓦斯涌出量预测方法》(AQ1018-2006)中表 D.1 取 10.5，计算得，K3=0.86;

2)邻近层瓦斯涌出量。

邻近层瓦斯涌出量本次预测不予考虑，前文已作分析。

综合开采层与其邻近层瓦斯涌出量分析、计算结果，综采工作面相对瓦斯涌出量为:

结合邻近31采区31071综采工作面日产量1540 t/d的生产规模计算，32采区综采工作面绝对瓦斯涌出量为20.75 m3/min。

1.3 生产采区瓦斯涌出量

生产采区所有回采工作面、(煤巷)掘进工作面和采空区瓦斯涌出量之和，按下式计算［2］。

m—开采煤层平均厚度，m，取3.54;

M—回采工作面采高，m，取2.2。

由此计算出每个综采工作面本煤层瓦斯涌出量为:

式中:

q'—生产采区绝对瓦斯涌出量，m3/min;

K'—采空区瓦斯涌出系数，取1.30;

q2i—第i个回采工作面的瓦斯涌出量，m3/t;

Ai—第i个回采工作面的平均日产量，t/d;

Q1i—第i个掘进工作面(煤巷)的瓦斯涌出量，m3/min。

据此计算得到32采区正常生产及通风最困难时期最大瓦斯涌出量为:

2 瓦斯抽采的必要性

根据国家《煤矿安全规程》(2010)和《煤矿瓦斯抽放规范》(2006)的规定，凡符合下列情况之一的矿井，必须建立地面永久瓦斯抽放系统或井下移动泵站瓦斯抽放系统。

1)一个采煤工作面绝对瓦斯涌出量大于5 m3/min或一个掘进工作面绝对瓦斯出量大于3 m3/min，用通风方法解决瓦斯问题不合理的。

2)矿井绝对瓦斯涌出量q达到以下条件的:

年产量等于或小于 0.4 Mt的矿井，q＞15 m3/min。

3)开采具有煤与瓦斯突出危险煤层。

国投新登郑州煤业有限公司属登封市地方国有企业。2006年经河南省煤炭工业局核定矿井生产能力为84万t/a，当前实际生产能力为84万t/a。根据以上规定和计算结果该矿32采区有必要进行瓦斯抽采。

3 瓦斯抽采方案设计

3.1 选择瓦斯抽采方法的原则

抽采瓦斯的类型按空间对象分有开采层、邻近层、采空区和围岩抽采;按地应力对比来分，有未卸压和卸压抽采;按时间对比分，有采(掘)前预抽、边掘边抽、边采边抽和采后抽采［3］。

抽采瓦斯方法是指汇集瓦斯的施工方法而言，可以分为钻孔法、巷道法和综合法。

选择矿井瓦斯抽采的类型和方法应根据矿井煤层赋存条件、瓦斯基本参数、瓦斯来源、巷道布置、抽采瓦斯的目的及瓦斯利用等因素来确定，并应遵守以下原则:

1)抽采方法应适合煤层赋存状况、巷道布置、地质条件和开采技术条件。

2)应根据矿井瓦斯涌出来源及涌出量构成分析，有针对性地选择抽采瓦斯方法，以提高瓦斯抽采效果。

3)在满足瓦斯抽采的前提下，应尽可能地利用生产巷道，以减少抽采工程量。

4)选择的抽采方法应有利于抽采巷道的布置和维护。

5)选择的抽采方法应有利于提高瓦斯抽采效果，降低瓦斯抽采成本。

6)瓦斯抽采应有利于钻场、钻孔的施工和抽采系统管网的布置，有利于增加钻孔的抽采时间。

3.2 瓦斯抽采方法的确定

鉴于新登煤业目前仍为低瓦斯矿井，但32采区存在局部的高瓦斯区域，甚至发生瓦斯动力现象。因此，瓦斯抽采的主要目的是使采、掘工作面的瓦斯涌出量降低到通风能合理解决的水平或减轻矿井通风负担;同时，辅以消除或缓解局部地带可能存在瓦斯突出(或瓦斯动力现象)倾向性特征。据此确定32采区瓦斯抽采的方法为开采煤层瓦斯抽采(包括回采工作面和掘进工作面)和采空区瓦斯抽采等方式。该矿选择的主要瓦斯抽采方法如下:

1)采用顺层钻孔抽采回采工作面本煤层瓦斯。

2)采用顺层条带预抽掘进工作面本煤层瓦斯。

3)采用高位钻孔抽采回采工作面及采空区卸压瓦斯。

4)采用埋管方式抽采回采工作面采空区瓦斯。

3.2.1 采用顺层钻孔抽采回采工作面本煤层瓦斯

虽然二1煤层的瓦斯透气性很低，但在工作面回采之前采用顺层钻孔预抽本煤层瓦斯可以有效降低回采时的煤层残余瓦斯含量，减少瓦斯涌出量，降低回采工作面和生产系统的瓦斯浓度。该瓦斯抽采方法的钻孔布置方式见图1。本煤层预抽钻孔布置参数见表1。

图1 回采工作面本煤层瓦斯抽采钻孔布置示意图

表1 本煤层预抽钻孔布置参数表

3.2.2 掘进工作面瓦斯抽放

掘进工作面抽采瓦斯的方法有边掘边抽和先抽后掘两种方式。考虑到新登煤业在31采区掘进工作面瓦斯涌出相对较小，但在32采区存在局部高瓦斯区域，建议采用边掘边抽方式，可以根据不同的瓦斯赋存特征，重点针对高瓦斯区域采用顺层条带预抽掘进工作面前方煤体的瓦斯，从而降低掘进作业时的瓦斯涌出量。在煤巷掘进工作面采用顺煤层条带预抽瓦斯的钻孔布置方式见图2。推荐的钻孔布置参数见表2。

图2 掘进工作面边掘边抽瓦斯钻孔布置示意图

表2 推荐的钻孔布置参数表

在煤巷掘进工作面后5 m处的巷道两帮各施工一个钻场。钻场的规格应根据巷帮瓦斯抽放钻孔布置的要求，选用钻机的外形尺寸及钻杆长度而定。根据该矿的具体情况，每组钻场在煤巷两侧错开布置，其规格为:4 m×4 m×2 m，采用木棚支护。相邻两组钻场之间的间距为40～50 m。

在每一钻场内，沿走向布置3～5个顺煤层抽采钻孔，孔深60 m左右;同一侧邻近钻场施工的钻孔要保证有5～10 m的交叉范围。

掘进工作面先抽后掘就是在煤巷掘进工作面向前方煤层施工扇形钻孔，每个循环9～11个钻孔，钻孔深度50～60 m;每个循环间距40～50 m;预计抽放时间为20 d左右。钻孔终孔点分别控制到煤巷两帮距离巷道中心线两侧各15 m范围。

钻孔布置的原则是保证将钻孔布置在煤层内，钻孔倾角与巷道底板平行或根据煤层的厚度向上或下倾斜。当掘进工作面抽放钻孔数量较多时，为扩大钻孔覆盖范围，抽放钻孔应以巷道中线为基准，向周围煤体呈放散状排列，以提高抽采效果。

3.2.3 回采工作面回风巷高位钻孔抽采

采用高位钻孔抽采就是把回采工作面上部煤层中和部分采空区中的瓦斯通过钻孔和瓦斯抽采管道排放到地表或采区回风巷(回风井)中。现场在施工高位钻孔时还应当充分考虑以下方面:

1)根据以往科研成果，回采工作面瓦斯涌出比较集中分布在上隅角以下10 m范围。因此，本文建议的钻孔覆盖的有效范围为回风巷口以下20 m。

2)根据相关科研成果及经验，煤层顶板的3～5倍采高范围内为受采动影响后岩层破碎、充分卸压，因而在采面和采空区上部形成了一个彼此相通的、具有很高透气性的区域，非常有利于瓦斯抽采;结合新登煤业当前的回采方法和工艺及作业规程及其邻近矿井的实际情况，该部分区域的高度为20 m左右。所以，高位抽采钻孔的终孔位置应该在煤层顶板以上15～20 m范围之内。

3)应该通过补充测定二1煤层瓦斯抽采半径、实际考察回采工作面顶板裂隙带高度等指标对抽采钻孔的布置进行调整，以达到最佳的抽采效果。

4)适当增加封孔深度及钻孔中套管长度可以有效提高抽采瓦斯的浓度。

综上所述，初步设计32采区回采工作面回风巷高位钻孔布置方式见图3。

图3 回风巷高位钻孔抽采采空区瓦斯示意图

3.2.4 采空区埋管抽采

该方法是把带孔眼的管子在顶板冒落前直接插入采空区内进行抽采，见图4。根据二1煤层顶板的岩性特征和回采工艺，从实用和经济方面考虑，插入管子一般选用直径150～200 mm，壁厚1 mm的铁皮管。处在采空区内一端2～3 m的管子的管壁穿有小孔并用纱网包好，防止抽采过程中发生堵塞现象。该管应尽量靠近煤层顶部，处于瓦斯浓度较高的地点。这种瓦斯抽采方法抽出的瓦斯浓度一般不高，通常只有10% ～25%，故而抽采效率较低。但简单易行，而且成本低。

图4 利用采空区插管方法抽采瓦斯方案示意图

一般情况下，抽采管子插入采空区的长度在20～30 m。另外，虽然根据地勘报告及相关鉴定成果，二1煤层不具有自燃倾向性［4］，但鉴于以往曾出现过局部煤自燃的状况，所以抽采初期首先要作好对采空区遗煤自燃(即气体浓度)的监测和预防(预置采空区注浆管)工作;并在此基础上通过不断试探，寻找一个比较理想的插管长度，以尽量提高瓦斯抽采效率。

3.3 瓦斯抽采效果预测

3.3.1 预计抽采瓦斯量

根据前面分析，在开采32采区深部采、掘工作面瓦斯涌出量最大时需要抽采的总瓦斯量为26.29 m3/min。结合新登煤业及其邻近的郑煤集团搞成、白坪煤矿当前的瓦斯抽采实际情况，取平均瓦斯抽采浓度为 30%，则瓦斯抽采的混合流量为 87.63 m3/min，年抽采瓦斯纯量为:

由于抽采方式为伴随生产进程的边采边抽，所以抽采年限与采区服务年限相同，应该在11年以上。

3.3.2 预计采区瓦斯抽采率

矿井(或采区)抽采率是指矿井(或采区)的抽出瓦斯量占其风排瓦斯量与抽出瓦斯量之和的百分比，即:

式中:

刀K—矿井瓦斯抽采率，%;

QKC—矿井风排瓦斯量，m3/min;QKY—矿井抽采瓦斯量，m3/min。

综合前面分析数据，计算得到新登煤业32采区瓦斯抽采率为71.33%。

4 结论

我国煤矿主要是井下开采，生产环境条件复杂。近年，随着开采深度的不断增加，瓦斯涌出量不断加大，煤与瓦斯突出危险也不断增加，高瓦斯突出矿井数量也在增加，致使煤炭企业在生产过程中经常发生瓦斯窒息、瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出事故。而瓦斯抽放技术是瓦斯灾害防治的主要技术措施，本文通过计算采区瓦斯涌出量以及根据地质条件确定一整套可行的瓦斯抽放方案，大大减少了瓦斯涌出量，有效地避免了瓦斯事故的发生，确保了矿井安全生产。

［1］陈先容.提高矿井瓦斯抽放率的途径［J］.煤矿设计，1994(9):19-24.

［2］愈启香.矿井瓦斯抽放理论与技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1992:69-70.

［3］张家彪.新安矿采空区高位钻孔瓦斯抽放技术研究［D］.焦作:河南理工大学，2011.

［4］杜 通.赵各庄矿瓦斯抽放工艺参数优化研究［D］.唐山:河北理工大学，2009.