靖安煤矿瓦斯抽采设计

于先富 邱林彬

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司)

·实用技术·

靖安煤矿瓦斯抽采设计

于先富 邱林彬

(中煤科工集团重庆设计研究院有限公司)

高瓦斯矿井在建设和生产过程中瓦斯事故多发，给国家和人民的生命财产造成了严重损失。高瓦斯矿井在建设初期就应该充分做好瓦斯治理工作。结合靖安煤矿瓦斯的赋存条件，在分析瓦斯主要来源的基础上，针对不同瓦斯涌出来源提出相应瓦斯抽采方法，经预测能够解决矿井高瓦斯的难题，使矿井在满足瓦斯抽采利用的同时，也能够有效保证矿井的安全生产。

高瓦斯矿井 瓦斯赋存条件 抽采方法

近年来，在能源需求持续紧张和国家政策的引导下，大批新建和改扩建煤炭矿井项目开始实施，由于过于强调产能的提高，而对安全无法做到足够的重视，使得煤矿安全事故多发。其中，矿井瓦斯一直是威胁煤矿安全生产的重大隐患。根据国务院446号令，高瓦斯矿井和煤与瓦斯突出矿井必须建立瓦斯抽采系统。我国自1952年抚顺龙凤矿建立抽放系统以来，瓦斯抽放工作经历了半个多世纪。长时间的抽放经验发现，煤矿瓦斯抽放不仅是降低矿井瓦斯涌出量、防止瓦斯爆炸和煤与瓦斯突出灾害的重要措施，而且，抽放的高浓度瓦斯可作为清洁能源，变害为利[1]。

1 矿井概况

云南省靖安煤矿设计生产能力为30万t/a，为在建矿井，平硐+暗斜井开拓，矿井划分为+2 050，+1 700 m 2个开采水平。矿井仅有C4煤层可采，平均厚1.47 m。根据地勘报告，矿井按高瓦斯矿井设计。井田内的瓦斯储量约8 906万m3，可抽瓦斯量约1 919万m3，瓦斯资源丰富。经预测，矿井+2 050 m 水平绝对瓦斯涌出量为11.26 m3/min，相对瓦斯涌出量为16.65 m3/t，回采工作面绝对瓦斯涌出量为4.05 m3/min，相对瓦斯涌出量为6.34 m3/t。按《煤矿安全规程》第145条规定，必须建立瓦斯抽采系统[2]。根据《煤矿瓦斯抽采工程设计规范》(GB50471—2008)第3.1.1条的要求，高瓦斯矿井必须建立瓦斯抽采系统[3]。

2 瓦斯涌出来源

根据本矿井地勘报告分析，在矿井瓦斯涌出来源构成关系中，以回采工作面瓦斯涌出量为主，掘进面和采空区瓦斯涌出量为辅。在回采面瓦斯涌出来源构成中，以本煤层瓦斯涌出量为主，邻近层瓦斯涌出量为辅，其中本煤层瓦斯涌出量占90.4%，邻近层瓦斯涌出量占9.6%。

3 瓦斯抽采方法

3.1 掘进工作面瓦斯抽采

本矿井为新建矿井，为了确保C4煤层煤巷掘进安全，防止掘进工作面瓦斯涌出量过高，预防瓦斯浓度超限，根据《防治煤与瓦斯突出规定》第49条，顺层钻孔预抽煤巷条带煤层瓦斯区域防突措施的钻孔长度应不小于60 m[4]。煤巷掘进中，在巷道每侧隔40 m布置钻场，向掘进方向打钻孔抽采，先抽后掘。钻孔布置见图1。

图1 掘进工作面抽采示意

3.2 回采工作面瓦斯抽采

本矿井为单一煤层开采，从回采工作面的瓦斯涌出量构成来看，回采工作面的本煤层瓦斯涌出量占90.4%，上邻近层占8.5%，下邻近层占1.1%，设计提出了采空区埋管抽采法和顺层钻孔预抽回采区域瓦斯法。

3.2.1 采空区埋管抽采

C4煤层开采时，回采工作面瓦斯涌出量较大，再加上回采工作面机械化程度高，产量较高，为确保通风安全可靠，防止回采工作面瓦斯超限，设计考虑埋管抽采工作面采空区瓦斯。埋管抽采的具体方法：在工作面回风顺槽敷设瓦斯抽采管，抽采管每隔一定距离串接一个三通管件(带组合阀门)作为瓦斯吸入口，随工作面推进，吸气口阀门依次打开，使其处于最佳抽采位置。为防抽采管被砸坏，可将瓦斯抽采管敷设在水泥导管内，在水泥导管四周余留若干小孔。埋管布置见图2。

图2 采空区埋管布置

3.2.2 顺层钻孔预抽

C4煤层采用中厚煤层综采，回采过程中本煤层瓦斯涌出量大，设计采用顺层钻孔预抽回采区域煤层瓦斯的防突措施，抽采工作面煤体内的瓦斯，在工作面回风顺槽和运输顺槽掘进过程中布置钻孔，进行预抽。该矿采煤工作面长140 m，设计考虑在工作面回风顺槽和运输顺槽内采用沿煤层双向布孔方式，确保不留盲区，钻孔重叠10 m。在工作面运输顺槽施工本工作面上向煤层顺层钻孔，钻孔长100 m。在工作面回风顺槽施工本工作面下向煤层顺层钻孔，钻孔长50 m。顺层钻孔布置见图3。

图3 C4煤层顺层钻孔预抽布置

3.2.3 抽采方法选择

结合上述分析，采用顺层钻孔预抽回采区域瓦斯法钻孔工程量大，投资高，但抽采量大，抽采浓度高，能作为防止煤与突出的措施；采空区埋管抽采法主要优点是节省钻场、钻孔工程量，抽采方法简单有效，且抽采量大。

矿井一采区开采标高为+2 375～+2 050 m，共布置4个区段开采；二采区开采标高为+2 215～+2 050 m，共布置2个区段开采。根据地质报告提供的瓦斯梯度为114.66 m/(mL/g)，本次抽采+2 050 m 标高原煤瓦斯含量按9.04 m3/t设计。矿井在+2 200.446 m标高煤层瓦斯含量约8 m3/t，在+2 200.446 m标高以上煤层瓦斯含量小于8 m3/t，在+2 200.446 m标高以下，煤层瓦斯含量大于8 m3/t。矿井一采区一、二区段在+2 215 m标高以上，其煤层瓦斯含量小于8 m3/t，三、四区段在+2 215 m 标高以下，其煤层瓦斯含量大于8 m3/t。二采区各区段位于+2 215 m标高以下，其煤层瓦斯含量大于8 m3/t。根据地勘报告和煤与瓦斯突出灾害评估报告，+1 930 m标高及以上C4煤层为非煤与瓦斯突出煤层。

矿井一采区一、二区段煤层瓦斯含量小于8 m3/t，故设计采用采空区埋管抽采法。

当矿井一采区三、四区段和二采区开采时，其煤层瓦斯含量大于8 m3/t，根据《防治煤与瓦斯突出规定》和《煤矿瓦斯抽采基本指标》(AQ 1026—2006)的有关规定，开采前煤层瓦斯含量必须降到8 m3/t以下，设计采用顺层钻孔预抽回采区域瓦斯法。

3.3 老采空区瓦斯抽采

矿井投产时，在一采区布置一个回采工作面，为防止老采空区向矿井、采区涌出大量瓦斯，设计考虑布置一个老采空区瓦斯抽采。采用打密闭墙，向采空区密闭墙内插管，进行瓦斯抽采，见图4。

图4 老采空区抽采示意

3.3.1 密闭墙插管布置

密闭墙两端用料石或普通建筑用砖砌成，里外围墙，厚度不小于0.3 m，密闭墙总厚度不小于1 m，为保证密闭性，将巷道四周墙壁挖出约0.3 m深的槽沟，将料石镶嵌进去，中间用土夯实，将瓦斯管放在密闭墙的上部。瓦斯管外口安设阀门，未抽采前将阀门关闭，以免向外泄漏瓦斯。

3.3.2 插管与主管的连接

由于采空区密封性较差，瓦斯浓度不会太高，并且波动很大，为确保整个抽采系统的瓦斯不低于安全浓度，插管与主管连接处必须设阀门、节流孔板和浓度检测口，以便及时检测抽出的瓦斯浓度和流量。

3.4 石门揭煤区域预抽

新建矿井对煤层瓦斯含量超过8 m3/t的区域进行石门揭煤前，为预防石门揭煤发生突出危险，应预抽揭煤区域瓦斯，当降至8 m3/t以下，经效果检验达标后方可进行石门揭煤作业。根据《防治煤与瓦斯突出规定》第49条，在揭煤工作面距煤层的最小法向距离7 m以前实施穿层钻孔预抽，钻孔具体布置见图5。

图5 石门揭煤区域预抽钻孔布置

4 瓦斯抽采效果预测

4.1 瓦斯抽采量

根据预抽期间平均瓦斯抽采量计算公式，分别计算掘进工作面、回采工作面、预抽工作面、老采空区和石门揭煤时瓦斯抽采量。

(1)

式中,q为预抽期间平均瓦斯抽采量，m3/min；K为邻近层和围岩瓦斯储量系数，1.2；L1为预抽工作面斜长，m；L2为预抽工作面走向长度，m；M为煤层平均厚度，1.75 m；γ为煤的容重，1.41 t/m3；W0为煤层原始瓦斯含量，9.04 m3/t；η为煤层瓦斯预抽率，17%；t为预抽时间，d。

矿井一采区一、二区段开采时，煤层瓦斯含量小于8 m3/t，设计仅考虑采空区埋管抽采，未采取预抽措施。计算结果统计见表1。

表1 矿井瓦斯抽采量统计

4.2 瓦斯抽采规模的确定

根据矿井瓦斯抽采量计算，本矿井+2 050 m水平一、二采区最大抽采量按9.68 m3/min(纯量)设计。矿井本煤层顺层钻孔预抽、掘进煤巷顺层钻孔预抽和石门揭煤区域穿层钻孔采用高负压系统抽采，抽采量为7.68 m3/min(纯量)，平均浓度按30%设计，故高负压抽采系统规模按25.6 m3/min(混合量)设计。矿井采空区埋管和老采空区插管抽采采用低负压系统抽采，抽采量按一采区一、二区段生产时的最大抽采量设计，低负压系统抽采量为3.22 m3/min(纯量)，平均浓度按10%设计，故低负压抽采系统规模按32.2 m3/min(混合量)设计。

4.3 瓦斯抽采率

本矿井投产初期在南翼回风平硐场地建地面固定式抽采泵站，建立瓦斯抽采系统。设计瓦斯抽采系统按照矿井瓦斯涌出量(纯量)最大时期预测瓦斯抽采率，根据上述分析，矿井平均瓦斯抽采量取9.68 m3/min。+2 050 m水平绝对瓦斯涌出量为11.26 m3/min，抽采后预测绝对瓦斯涌出量降低至6.74 m3/min，即矿井风排瓦斯涌出量。根据《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》，矿井瓦斯抽采率按下列公式计算：

(2)

式中，ηm为矿井瓦斯抽采率，%；Qmc为矿井平均瓦斯抽采量，9.68 m3/min；Qmf为矿井风排瓦斯量，6.74 m3/min。

经计算，矿井抽采率为59%，大于25%，矿井绝对瓦斯涌出量小于20 m3/min，设计的矿井抽采率完全满足于《煤矿瓦斯抽采基本要求》和《煤矿瓦斯抽采达标暂行规定》的要求。

5 结 论

(1)根据矿井实际情况及相关规程和规范的要求，靖安煤矿在建设过程中必须进行瓦斯抽采设计，建立矿井瓦斯抽采系统。

(2)在设计阶段针对靖安煤矿建设和生产过程中的掘进工作面、回采工作面、老采空区和石门揭煤区域的瓦斯治理工作，提出了具有针对性的瓦斯抽采方法。

(3)通过对不同区域的瓦斯抽采量的计算，设计确定了瓦斯抽采规模，按此规模建立瓦斯抽采系统，预测矿井瓦斯抽采率为59%，满足规程、规范的要求，本矿井瓦斯抽采设计合理、可行。

[1] 王铁军，赵传龙，代华明，等.矿井瓦斯抽采技术的研究现状及前景[J].山西焦煤科技，2012(6)：27-30.

[2] 国家安全生产监督管理总局,国家煤矿安全监察局.煤矿安全规程[M].北京：煤炭工业出版社，2011.

[3] 中煤国际工程集团重庆设计研究院.GB 50471—2008 煤矿瓦斯抽采工程设计规范[S].北京：中国计划出版社，2009.

[4] 国家安全生产监督管理总局，国家煤矿安全监察局.防治煤与瓦斯突出规定[M].北京：煤炭工业出版社，2009.

2014-12-02)

于先富(1983—)，男，工程师，硕士，400016 重庆市渝中区大坪长江二路179号。