逢春煤矿扩建后瓦斯抽采系统设计与应用

摘要：针对逢春煤矿扩建后现有瓦斯抽采系统不能满足生产需要的情况，对矿井扩建后瓦斯主要来源等进行了深入分析，建立了适合逢春煤矿扩建后的瓦斯抽采系统。经工程实践表明，该瓦斯抽采系统能够满足扩建后的瓦斯抽采要求；也为其他矿井瓦斯抽采系统的选择具有一定的参考价值。

关键词：煤与瓦斯突出;矿井扩建;瓦斯抽采系统

中图分类号：TB

文献标识码：A

文章编号：1672-3198（2012）04-0266-02

1引言

逢春煤矿地处重庆市綦江县石壕镇，开采至今已有20多年的开采历史，设计能力300Kt/a，属于煤与瓦斯突出矿井，矿井已建立了地面永久性的瓦斯抽采系统，+670m地面瓦斯抽采泵站使用2台SKA-420水环式真空泵，1台运转，1台备用。

2逢春煤矿矿井瓦斯来源及构成分析

本矿井煤层属于近距离多煤层的赋存条件。可采煤层为M6-3、M7-2、M8、M11，共四层。为保证矿井扩建后达年总产量450kt，富裕系数为1.08的目标，生产格局将是四个可采煤层同时装备采煤面。

M6-3煤层开采时瓦斯涌出量构成为：M6-3本煤层占22.76%，上邻近层占10.03%，下邻近层占67.21%；M7-2煤层开采时瓦斯涌出量构成为：M7-2本煤层占6.89%，上邻近层占4.89%，下邻近层占88.22%；M8煤层开采时瓦斯涌出量构成为：M8本煤层占24.59%，上邻近层占1.95%，下邻近层占73.46%。

3瓦斯抽采系统设计分析

3.1瓦斯抽采方法及工艺参数设计

根据瓦斯涌出来源构成，瓦斯抽采方法设计推荐采用多种抽采方式相结合的综合抽采方式。M6-3煤层掘进工作面条带实行穿层钻孔预抽；M6-3煤层回采工作面实行穿层钻孔预抽+本煤层钻孔预排+穿层钻孔抽采邻近煤层卸压瓦斯相结合的方式。被保护层M7-2煤层和M8煤层开采时，煤层被卸压，实行穿层抽采卸压瓦斯。

瓦斯抽采超前时间：掘进和回采穿层预抽≥6个月，回采顺层预抽≥3个月。

3.2抽采巷道的选择

（1）穿层抽采巷选择：在保护层工作面的上顺槽和下顺槽对应位置，距M12煤层底板25m左右茅口灰岩中掘进阶段运输大巷或专用底板瓦斯抽采巷，施工穿层钻孔，进行瓦斯抽采。

（2）本层抽采巷选择：在保护层工作面内的上顺槽和下顺槽煤层中布置钻孔。

3.3钻孔布置设计

（1）保护层工作面掘进条带预抽钻孔。

矿井煤层为急倾斜煤层，作为保护层开采的M6-3煤层平均厚度0.93m，工作面长度95m，提前在距M12煤层底板25m左右茅口灰岩中掘进阶段运输大巷或专用底板瓦斯抽采巷（专用底板瓦斯抽采巷必须超前一个保护层准备工作面），在阶段运输大巷或底板瓦斯抽采巷中每隔30m布置一个钻场，施工穿层钻孔于M6-3煤层中，形成条带式的布置，沿层面的距离，抽采钻孔控制M6-3煤层回采巷道上帮轮廓线外至少20m，下帮至少10m，抽放半径2.5m，钻孔长度90m～100m，开口孔径φ87mm，终孔孔径φ65mm，对M6-3煤层掘进巷上、下方的瓦斯进行预抽。钻孔设计如图1和图2所示。

（2）保护层工作面回采本层抽采钻孔。

保护层工作面巷道准备出来后，在运输巷内运用大功率钻机，沿煤层倾斜方向施工本层钻孔，钻孔间距2m，孔深80～90m，孔径φ87mm，须保证不留抽采“空白带”，对M6-3工作面实施本层抽采。

（3）被保护层工作面掘进穿层网格预抽。

通过在阶段运输大巷钻场内或底板茅口瓦斯巷钻场中按10m（倾斜方向）×10m（走向方向）间距施工网格穿层钻孔，终孔于M7-2煤层顶板0.5m，开口孔径φ87mm，终孔孔径φ65mm。M6-3煤层开采后，对M7-2、M8煤层的瓦斯进行卸压瓦斯抽放。

3.4抽采管路系统的选择

该矿井为煤与瓦斯突出矿井，瓦斯灾害较重，+230m水平达产时瓦斯涌出量大，抽采方式较多，再考虑逢春煤矿在瓦斯抽采方面取得的经验和重庆市煤监局对煤矿瓦斯抽采的要求，以及对原抽采系统最大承受能力的分析，确定抽采管路系统选用独立的高负压抽采系统。既+670m地面抽采泵站和管路系统维持原状的情况下，需要在+523m地面新建一个抽采泵站，抽采主管道从+523m主斜井进入，到达+230m水平各阶段大巷。

3.5封孔方式、材料及工艺分析

（1）本煤层封孔工艺。

①经试验，本煤层抽采直接在煤层中打钻，成孔率不高，可加导管采用水泥砂浆机械封孔，水泥砂浆由40号以上的硅酸盐水泥、砂子与水混合搅拌而成，水泥与砂子的质量比为1∶2.4～1∶2.5。砂子颗粒直径为0.5mm～1.5mm。封孔方式采用机械封孔，封孔长度不小于8m。②本煤层抽采钻孔也可采用新材料马丽散封孔，封孔长度不小于8m。③钻孔倾角小于60°的钻孔严禁采用水泥砂浆材料封堵钻孔。

（2）邻近层及穿层预抽煤层瓦斯钻孔封孔工艺。

①邻近层及穿层钻孔直接在专用瓦斯抽采巷中打钻，成孔率高，而且预抽煤层瓦斯是采用高负压、需严封密钻孔。因此，必须采取机械封孔工艺。水泥砂浆由40号以上的硅酸盐水泥、砂子与水混合搅拌而成，水泥与砂子的质量比为1∶2.4～1∶2.5。砂子颗粒直径为0.5～1.5mm，封孔长度不小于5m。②邻近层及穿层钻孔也可采用新材料马丽散封孔，封孔长度不小于5m。③钻孔倾角小于60°的钻孔严禁采用水泥砂浆材料封堵钻孔。

3.6瓦斯抽采系统选型计算分析

（1）瓦斯抽采量计算。

①瓦斯抽采纯量计算。本设计以达产时期最低水平+230m水平（瓦斯抽采量最大时期）计算，设计矿井瓦斯抽采率为60%，最低瓦斯抽采浓度为50%。由此算得：矿井抽采的瓦斯纯量为42.34m3/min。

②最大混合瓦斯抽采量计算。根据最低瓦斯抽采浓度C=50%，计算出最大混合瓦斯抽采量Q混=Q纯/C=42.34/50%=84.68m3/min。

按照《国务院安委会办公室关于进一步加强煤矿瓦斯治理工作的指导意见》，抽采泵能力按2倍富余量考虑。矿井需抽采泵能力为Q=84.68×2=169.36m3/min；根据矿井抽采实际情况，+670m地面抽采泵为SKA-420型，抽采主管Ф377×7mm，根据其承受最大抽采能力，考虑新建+523m地面抽采泵站后，两个抽采泵站抽采量各占抽采总量的50%，即两个瓦斯抽采泵站分别承担84.68m3/min抽采流量。

（2）瓦斯抽采管路直径分析。

管路直径按以下公式计算：

D=0.1457QV

式中：

D――抽采管路直径，m；

Q――瓦斯管内流量，m3/min；

V――瓦斯在管路中的平均流速，一般取10～15m/s。

经计算，+523m地面抽采系统的主管直径需377mm，分管需325mm，支管需273mm。

（3）瓦斯抽采管材选用分析。

考虑到+523m～+230m主斜井段坡度大，φ377×7mm的螺旋钢管重量重，安装难度大，员工安装作业时危险系数也较高，不利于安全生产，此巷道还要安装架空人车供人员行走等因素。鉴于此，借鉴张狮坝扩区人行上山段采用SUP管作瓦斯抽放主管的成功经验，决定+523m～+230m主斜井段采用重庆庆阳集团生产的SUP管作为抽放主管，其余地方的主管和干管用无缝钢管。

（4）瓦斯抽采泵选型计算。

①瓦斯抽采阻力计算。

矿井瓦斯抽采系统中，+523m地面抽采泵阻力最大的管路系统为：+523m地面经+523m～+230m主斜井+230m北大巷采面瓦斯巷。

摩擦阻力计算。

+523m地面抽采泵直管段摩擦阻力计算见表1。

局部阻力计算。

根据现场实际测定，系统局部阻力为直管段阻力的0.15倍，即2089.82Pa。由此得到管网总阻力为16021.97Pa。

②瓦斯抽采泵压力计算。经计算，+523m地面抽采泵站瓦斯抽采流量：Q泵=11431.8m3/h。

③抽采泵运行工况流量校正。我国的真空泵曲线都是按工况状态下的流量绘制的，所以还需把标准状态下的泵流量换算成工况状态下的流量。经换算：+523m地面抽采泵工况状态下瓦斯流量为：Q泵工=404.64m3/min=24278.49m3/h。抽采泵选择的依据参数：工况流量Q泵工≥24278.49m3/h，泵吸气绝对压力H泵绝≤47.71kPa；目前SKA-720型瓦斯泵的抽气量为22000～40000m3/h，+523m地面抽采泵需承担的最大抽气量24278.49m3/h，选用2台SKA-720型瓦斯泵，能够满足抽采需要。平时1台工作，1台备用检修。

（5）钻机和封孔泵选型。

煤炭科学研究院重庆分院生产的ZYG-150C型全液压钻机，在国内矿井广泛使用，被公认为是自动化程度高、机械性能好、体积小、易于搬运的钻机。其主要技术特征为：钻孔深度150～200m，钻孔直径φ75～90m，施工倾角0～±90°，高转速、多挡位，能满足该矿抽采瓦斯钻孔施工的需要，因此钻机型号确定选用ZYG-150C型全液压钻机。

因预抽煤层瓦斯是采用高负压、需严封密钻孔。因此，必须采取机械封孔工艺，在此，选择型号为TBW-200型封孔泵。

4结语

（1）提出了矿井扩建后在原有瓦斯抽放系统的基础上新抽采系统的建立方案，从抽采方法、工艺的选择到系统阻力的计算、抽采设备选型等均做了设计和分析，给出了具体要求；并对瓦斯抽采系统的管材做出了分析，提出了建议。

（2）根据逢春煤矿已有的地质资料，计算预测了矿井瓦斯涌出量情况，分析了+230m水平建成后，煤层开采的主要瓦斯涌出来源。

参考文献

［1］逢春煤矿地质报告［R］.重庆南桐矿山工程勘察设计有限公司,2009,（12）.

［2］王德明.矿井通风与安全［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2007,（10）.