瓦斯抽放技术在华安矿业瓦斯防治中的应用

瓦斯抽放技术在华安矿业瓦斯防治中的应用

王长国

吉林省华安矿业有限公司 吉林省长春市 130600

摘要：矿井瓦斯事故，是造成群死群伤的主要事故之一。瓦斯事故的发生，大多数是由于思想麻痹、轻安全重生产，瓦斯防治资金落实不到位和防治技术措施缺陷等引起的。瓦斯抽放技术是防治瓦斯事故的主要手段，实现安全生产，必须提升瓦斯治理资金投入和瓦斯抽采技术应用。

吉林省华安矿业有限公司由原吉林省煤矿建设公司承建于1998年9月，矿区面积2.1785km2。矿井设计生产能力15万t/a，2007年矿井核定生产能力为36万t/a。2012年进行了矿井通风系统技术改造，新建设了专用回风井。现矿井通风系统为“二入一排”。2014年进行了采煤工作面机械化改造，实现了综合机械化开采。2015年1月矿井核定生产能力为70万t/a 。

矿井开拓方式为二段斜井开拓，采煤方法为走向长壁综采放顶煤采煤法。通风方式为中央并列式，采用抽出式通风方法。矿井瓦斯等级为低瓦斯矿井，煤尘具有爆炸危险性，煤层自燃发火倾向性等级为Ⅱ类，属自燃煤层，最短发火期10个月以上。

1  概述

842综采工作面位于华安矿业矿井二水平，与矿井右翼边界相邻。842综采工作面为二水平4-1煤层首采工作面，工作面地质储量31.6万吨，煤（岩）层总体呈单斜构造，煤层赋存比较稳定，煤（岩）层走向NE20～60°，倾向东（南）。煤层倾角8～18/13°，煤层结构比较简单。该区煤层厚度为2.4～8.7/5.5米左右，黑色，块状，以亮煤为主，主要表现为亮煤、暗煤、灰质页岩等互层，层理较发育，煤层硬度1～2。煤层顶板为灰白色凝灰质粉砂岩，泥质胶结。煤层底板为灰白～灰黑色细～粉砂岩，块状构造，凝灰质胶结，水平层理发育。842工作面上下两巷沿煤层底板走向布置，切割眼沿倾向布置,工作面走向开采，工作面倾角平均12°左右。工作面标高-241.9～-203.8m，埋深421～470m。

该工作面位于暗井筒左翼-248m水平的4-1煤层,与下部4-2煤层间距16m左右。该区无陷落柱及火成岩侵入,矿井瓦斯绝对涌出量为5.14m³/min，相对涌出量为4.52m³/t,鉴定为低瓦斯矿井，无突出威胁。煤尘爆炸指数为43.6％，具有爆炸性，煤层自燃发火倾向性属Ⅱ类，自燃煤层。

2  问题的提出

华安矿业矿井二水平842采煤工作面煤层顶板为灰白色凝灰质粉砂岩，泥质胶结，透气性较差，不利于瓦斯释放；该工作面为本采区首采工作面，上部为100米厚岩石未采动区域，左部为里段炮采工作面，已开采结束，开采时，工作面上隅角有瓦斯超限现象。随着842综采工作面开采，推进速度快，开采强度大，造成采煤工作面回风瓦斯涌出不稳定，时而造成采煤工作面上隅角瓦斯超限。制约生产的同时，给安全带来极大的隐患。842采煤工作面能否安全高效开采，关键取决于综采工作面瓦斯治理。经华安矿业技术和通风等部门详细分析和论证，决定采用瓦斯抽放系统解决综采工作面上隅角瓦斯超限的问题。

3  瓦斯抽放的方法及措施

3.1 瓦斯情况

3.1.1 工作面瓦斯情况分析

依据《双阳煤田双顶子小井地质报告》吉林省华安矿业有限公司4#煤层原始瓦斯含量4.46m³/t，842采煤工作面平均煤层瓦斯含量参照瓦斯等级鉴定报告为3.46m³/t（可解稀量），其中不可解稀量为1.0m³/t。采煤工作面最大绝对瓦斯涌出量为3.66m3/min（根据2015年度瓦斯等级鉴定报告），工作面无突出危险。

3.2 回采期间各抽放参数计算

3.2.1地质概况如下表

3.2.2根据掘进期间实际情况，得出以下数据：

（1）根据掘进期间实际情况，得出以下数据:

掘进期间风排瓦斯总量：Q掘排=21.6万m3

剩余瓦斯总量：Q剩=109.7万m3_ 21.6万m3=88.1万m3

（2）回采期间各抽采参数的预计

预计回采期间风排瓦斯总量：

Q风排=150×1440min×588m3/min×0.25%=31.8万m3

边采边抽瓦斯总量：Q采抽=88.1万m3-31.8万m3=56.3万m3

边采边抽瓦斯流量：q采抽=56.3万m3÷150÷24÷60=2.61m3/min

回采期间抽采率：Q回=2.61/(2.61＋1.47)=63.97%

3.3 瓦斯抽放方法及措施

 根据842工作面实际情况，工作面回采时在回风顺槽施工瓦斯抽放钻孔，根据采空区冒落高度向煤层顶板打瓦斯抽放钻，实行边采边抽及工作面上隅角插管、埋管的等采空区瓦斯抽放方法。

3.3.1 采空区冒落高度确定

(1)计算采空区冒落高度

该区岩石强度属软岩～中硬。根据地质资料分析，该区域地层中硬岩层为主，根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》，采用岩石中硬条件下的垮落带计算公式。

公式1：H垮=

          =

          =14.5（m）

式中：

∑M——累计采厚（注：累计采厚不超15米），米。

（2）通过钻探确定842采煤工作面冒落高度

在842采煤工作面后方24米位置布置钻机向工作面上方采空区打

钻，当钻机打到距离工作面硬帮平距12米、垂直高度27米位置，见到空区，钻机不返水，确定842采煤工作面冒落高度为27米。详见钻孔布置图。

依据上述公式及实际揭露确定842采煤工作面抽放高度为15米—26米的终孔高度，即：低位抽放终孔高度为15米，高位抽放终孔高度为26米。

3.3.2 采煤工作面抽放方法及措施 

（1）瓦斯抽放方式方法 

采煤工作面瓦斯抽放钻场及瓦斯抽放钻孔在开采超前工作面50米布置，边采边打钻的方式（为便于施工，钻场提前准备），钻孔避免打过早，巷道来导致压钻孔变形影响抽放效果，始终保证有一个钻场在抽放，一个钻场备用，超前两个钻场打抽放钻孔。抽放方法采用采空区高位顶板钻孔抽放、插管及埋管浮抽相结合的抽放方法。

  （2）钻场位置及钻孔布置 

采煤工作面回风巷每隔16—20m左右开一个钻场，在钻场内向采空区打瓦斯抽放钻孔，每个钻场布置6～8个钻孔（效果不好可适当增加钻孔）。钻场为梯形，规格：长4m，深2～3m，高2.8m。842回风巷的钻场钻孔采用高位加低位相结合办法，呈扇形、阶梯状布置。高位终孔位置：距离工作面硬帮上出口平距11—13米，对应工作面垂直高度24—26米；低位终孔位置：距离工作面硬帮上出口平距6—9米，对应工作面垂直高度15—18米；高、低位钻孔长度约为39～65m左右。

（3）钻孔直径

   其钻孔直径为：开孔直径94或108mm，终孔直径94mm。

（4）钻孔间距

根据本工作面的实际情况采空区高位顶板孔抽采钻孔布置规定钻孔开孔间距为0.5米左右。

（5）开孔位置

①距巷道底板为1.5～2.1m处；

②每组钻孔按图中布置要求依次排列；

③在确定开孔位置时，如果遇顶板较破碎或有裂隙、断层、等地质构造，可以作适当调整，但与设计相比差不能大于1米；

④钻孔开孔部分应圆且光滑，钻孔施工中不得出现三角孔、偏孔、台阶等变形孔。

（6）钻孔倾角

    由抽放钻场位置或采空区在平、剖面图上位置进行计算来确定。 

（7）钻孔参数  钻孔具体参数见附表：

高位钻孔参数（以18#钻场为例）   

842工作面（18#）钻场钻孔设计参数

4  瓦斯抽放设备的选择

4.1 钻探设备

4.1.1钻机

钻机型号为ZDY—1900S型全液压坑道钻机、Φ63.5mm*1.5m钻杆、Φ94mm、Φ108mm复合片钻头。

4.1.2 封孔

采用AB料封孔，钻孔打好后下Φ63.5mm钢管，作为抽放瓦斯套管。封孔长度为6m，套管外露不得少于0.2m。钻孔封好后用Φ76.2mm胶皮管将钻孔内的套管与抽放主管路混合器连接好，每个钻孔与混合器之间设测气嘴、闸门等，抽放管路沿途设放水器及放碴器，以免煤层内的水、碎煤等进入抽放管。

4.2 瓦斯抽放设备及安全监控系统

4.2.1 瓦斯抽放设备选择

矿井地面抽放泵站安设2台2BEC72型水环式真空泵，一使一备，电机功率450kw，最大抽气量为410m³/min。

4.2.2瓦斯抽放管路选择

矿井瓦斯抽放主管路：地面抽放泵房至-248m水平采区回风巷选用Φ500mm复合钢管1540m；干、支管路：运输顺槽至工作面Φ300mmPE管420m、Φ200mm或Φ160mmPE管120m左右。

4.2.3瓦斯抽放安全监控系统

矿井瓦斯抽放系统必须监测抽放管道内的瓦斯浓度、流量、负压、温度和一氧化碳等参数，同时监测抽放泵房内的瓦斯泄露、抽放泵温度等仪器仪表。

抽采容易自燃和自燃煤层的采空区瓦斯时，抽放管路应当安设一氧化碳、甲烷、温度传感器，实现实时监测监控。

5 综采工作面瓦斯抽放应用实例

本文以842综采工作面高位钻孔瓦斯抽放为主，上隅角插管浮抽和采空区埋管为辅的综合抽放方法实例进行简要分析。

为确保842综采工作面安全开采，距离842开切眼50米开始布置钻场打抽放钻孔，安设抽放管路进行高位抽采瓦斯,受开邦位置及条件限制钻场间距为20米左右一个，最远钻孔终孔位置必须达到两个钻场间距，成阶梯布置到前一个钻场的上方位置，始终保持一个钻场抽放，一个钻场抽放系统准备完毕，一个钻场打钻施工（钻场提前布置）。按上述打钻、准备、抽放循环布置工艺进行瓦斯抽放，开采初期只采用钻孔高位抽采瓦斯办法，842综采工作面及上隅角瓦斯就得到有效控制。

随着842综采工作面采空区增长，工作面开采强度加大，842综采工作面上隅角瓦斯又临近报警的边缘，为有效预防上隅角瓦斯报警，通风区的抽放队又增设插管和埋管浮抽的抽放方法。即：用Φ160mm抽放管在上隅角插入,用编制袋装矿渣及时将上隅角封堵严密，使用高压铠装软管将其与抽放管路连接，设置控制阀门控制抽放量，上隅角瓦斯控制效果明显。为了更稳定控制上隅角瓦斯，在上隅角埋设抽放器，抽放器由2—3m长Φ160mm薄壁钢管制成，埋设抽放器的顶部封闭或设置伞沿防护，防止煤矸块和水进入，前端1.0m左右的位置打上不规则的小孔，伸入上隅角老塘内（抽放器安设位置如提前留设一个1.5米高*1.0米宽抽放空间更优），外部使用高压铠装软管与抽放管路连接，设置控制阀门进行瓦斯抽放。每间隔25米交替埋管，第一根管埋设30米，第二根距第一根管末端5米位置开始埋放，第一根管抽到末端5米时，第二根管路进入采煤工作面上隅角采空区（老塘）停止第一根管抽放，开始抽第二根管路，交替埋管抽放直到采区结束。（详见附图5—1）

842综采工作面采用以下措施确保瓦斯抽放安全。

（1）必须按设计施工，施工抽放钻孔采用湿式钻进，钻孔遇到顶钻或卡钻等瓦斯涌出征兆必须停止钻进，采取措施进行处理；钻孔施工完毕做好验收，保证钻孔施工和封孔质量；钻孔封孔完毕及时连接抽放。

（2）抽放管道要求铺设平直，连接避免拐死弯，吊挂规范牢固；管道之间用法兰盘连接牢固，管道系统严密不漏气；抽采管道严禁与带电导体布置在巷道同侧，管道与电缆交叉时必需相距0.3m以上；放水器必须在抽放钻场、管路拐弯、低洼、温度突变处等合理地点设置；交叉点或三角区加强管路保护，每天安排抽放工检查抽放管路和放水器过滤网等情况，保证抽放系统运行可靠。

（3）泵站开启后，认真观察泵的运行、各项监测监控仪器仪表情况，定时观测瓦斯浓度、流量、压力，认真做好记录；管路或抽放泵压力突然增加等异常情况时，立即向矿调度及分管领导汇报，及时安排现场抽放人员查找、排除管路抽放过滤器或放水器堵塞等问题，确保抽采泵安全运转。

（4）控制好抽放系统节奏，一但发现抽放管路中一氧化碳等有害气体和温度上升，采空区有煤层自燃发火征兆时，应立即采取注氮或注浆等防灭火措施。

842综采工作面自2016年3月19日开采，至2016年8月30日开采结束，共开采5个月零11天（总计164天）。综采工作面回风巷共施工22个钻场，累计施工176个抽放钻孔，累计抽放瓦斯67.51万立方米,风排瓦斯量43.45万立方米,工作面累计采出原煤30.6万吨。综采工作面开采期间最大瓦斯涌出量为4.72m³/min，其中瓦斯抽放2.86m³/min，风排瓦斯量1.86m³/min，采煤工作面上隅角及回风风流中平均瓦斯浓度为0.31%，日产煤量达1870吨，842综采工作面为矿井实现安全高效开采谱写新篇。

实践证明，842综采工作面采用高位钻孔瓦斯抽放为主，上隅角插管浮抽和采空区埋管为辅的综合抽放方法取得理想效果，对本矿井下水平安全开采起到指导和推广作用。

6 问题及建议：

（1）此次阐述瓦斯抽放钻孔参数选定，与本矿煤层地质赋存条件类似的矿井具有可借鉴性和指导性，如差别大的矿井，应根据现场实践中的情况进一步验证，使其瓦斯抽放系统能达到最佳效果。

（2）本矿井采用钻场打高位孔抽放瓦斯，虽取得显著成效，但现场工序繁琐，工程量大，给施工带来较大难度。建议，如矿井条件具备可选用先进的定向钻机钻孔进行抽放，可以大大减少工程量，同时也是提升瓦斯抽放装备发展方向的需要。

（3）综采工作面采用埋管和打高位钻孔抽放，必须控制好埋管深度和钻孔抽放时间，针对容易自燃和自燃煤层的自然发火期短的，落实好煤层自燃发火的防范措施。

附图5—1