劉洪明

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)趙莊煤業(yè)公司，山西 長治 046000）

0 引言

綜采工作面上隅角瓦斯問題一直是煤礦生產(chǎn)中最難以解決的問題之一[1-2]。為有效避免工作面瓦斯超限，我國較多礦井均采用了采空區(qū)埋管、頂板巷、頂板走向鉆孔、頂板鉆場等瓦斯治理措施來對生產(chǎn)過程中因采動擾動影響而涌出的大量鄰近層及圍巖瓦斯涌出，但如若開采的煤層屬于松軟破碎煤層，且瓦斯含量高且難以抽采，在采取以上措施后仍會存在難以在短時(shí)間內(nèi)解決大量瓦斯向上隅角運(yùn)移的難題[3-5]。在上隅角位置鋪設(shè)一趟抽采管路對上隅角進(jìn)行定向抽采用以減緩?fù)咚钩迚毫?，是亟需在綜采面生產(chǎn)要解決的重點(diǎn)問題。

1 礦井概況

趙莊礦位于沁水煤田南部的高平礦區(qū)，現(xiàn)開采煤層為3#煤，平均厚度為4.69 m。3#煤層共劃分8 個(gè)盤區(qū)，后期全井田通過調(diào)整后共劃分為5 個(gè)盤區(qū)，其中生產(chǎn)盤區(qū)3 個(gè)，分別為一盤區(qū)、三盤區(qū)、五盤區(qū)；準(zhǔn)備盤區(qū)為2 個(gè)，分別為二盤區(qū)和四盤區(qū)。盤區(qū)內(nèi)工作面布置采用前進(jìn)式開采，工作面采用后退式回采。綜采工作面采用大采高綜合機(jī)械化采煤方法，一次采全高，全部垮落法管理頂板。礦井采用機(jī)械抽出式通風(fēng)方法，采用中央分區(qū)式通風(fēng)方式，現(xiàn)有4 個(gè)進(jìn)風(fēng)井筒，2 個(gè)回風(fēng)井筒，總進(jìn)風(fēng)量為48 658 m3/min，總回風(fēng)量為49 457 m3/min。

該礦為高瓦斯礦井,礦井絕對瓦斯涌出量為為98.94 m3/min，相對瓦斯涌出量為9.82 m3/t。一、三、五盤區(qū)中瓦斯含量從高到低分布，一盤區(qū)瓦斯含量最高，瓦斯含量達(dá)到8～15 m3/t，三盤區(qū)瓦斯含量在4～8 m3/t，五盤區(qū)瓦斯含量最低，瓦斯含量在4 m3/t 以下。目前正在回采的一盤區(qū)、三盤區(qū)和五盤區(qū)瓦斯瓦斯參數(shù)見表1 所示。

表1 3 號煤瓦斯基本參數(shù)

2 井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 綜采工作面瓦斯問題分析

由于趙莊礦煤層松軟破碎，開采的煤層屬厚煤層，綜采工作面采用一次采全高開采工藝，在前期已開采的幾個(gè)工作面中均存在上隅角瓦斯超限問題。針對綜采工作面瓦斯問題，主要存在如下問題：

1）鉆孔抽采效率低。順層鉆孔的鉆機(jī)鉆進(jìn)能力達(dá)到100～150 m，但塌孔嚴(yán)重，鉆進(jìn)軌跡偏移距離大，見矸不合格率達(dá)50%以上。在采空區(qū)瓦斯治理方面，定向高位鉆孔受地質(zhì)構(gòu)造、鉆機(jī)司機(jī)素質(zhì)等因素影響，多數(shù)鉆孔達(dá)不到設(shè)計(jì)深度，且鉆孔均為98 mm 小孔徑鉆孔，遠(yuǎn)不能滿足采空區(qū)抽采需要。

2）鉆孔工程量大。長平礦順層鉆孔百米流量平均為0.006 8 m3/min，抽采效果差，抽采1 年降低瓦斯含量約3 m3/t，穿層鉆孔較好，穿層鉆孔百米流量平均為0.025 m3/min，抽采1 年降低瓦斯含量約8 m3/t，順層鉆孔和穿層鉆孔抽采不均衡（抽采效率1∶2.7），順層預(yù)抽制約達(dá)標(biāo)，同時(shí)，順槽掘進(jìn)受底抽巷條帶預(yù)抽制約，工作面順層鉆孔施工滯后較長。

3）瓦斯抽采不達(dá)標(biāo)。目前，趙莊礦主要依靠底板巖巷穿層鉆孔超前抽采以保證順槽巷道掘進(jìn)，但由于巖巷掘進(jìn)效率低，月進(jìn)尺僅100 m 左右，難以滿足煤巷的生產(chǎn)掘進(jìn)需要。

2.2 回采工作面采空區(qū)抽采分析

趙莊礦一、三盤區(qū)回采工作面通風(fēng)方式采用“U”型通風(fēng)后，采空區(qū)抽采瓦斯方式是將原尾部通風(fēng)橫川封閉，在封閉尾部回風(fēng)巷和上隅角分別埋/插抽采管，通過抽采負(fù)壓的作用使回采工作面上隅角風(fēng)流向采空區(qū)內(nèi)部流動，在采空區(qū)深部埋入的帶負(fù)壓的抽采系統(tǒng)會吸出含瓦斯的混合風(fēng)流。針對綜采工作面采空區(qū)瓦斯一直采用的采空區(qū)后部埋管抽采的方法，采空區(qū)深部的管路口所產(chǎn)生的負(fù)壓渦流難以影響到工作面切眼一側(cè)上部的上隅角。采空區(qū)埋管雖可以對采空區(qū)深部的瓦斯起到攔截效果，但仍有部分瓦斯從插管前段繞流至上隅角。同時(shí)，采掘空間附近煤層因應(yīng)力釋放、鄰近層圍巖裂隙增大會釋放出大量瓦斯亦會向上隅角渦流處流動，造成上隅角瓦斯?jié)舛容^巷道正常通風(fēng)處高。在采空區(qū)埋管抽采的基礎(chǔ)上，在上隅角處搭設(shè)一個(gè)定點(diǎn)抽放的瓦斯流動通道，將抽出的上隅角瓦斯引排至安全釋放地點(diǎn)，既解決了上隅角通風(fēng)側(cè)瓦斯積聚問題，也是對現(xiàn)有采空區(qū)瓦斯抽采技術(shù)方法的有益補(bǔ)充。因此，上隅角定向抽排系統(tǒng)是可行的?；夭晒ぷ髅娌煽諈^(qū)抽采瓦斯具有抽采量大、來源穩(wěn)定等特點(diǎn)，趙莊礦回采工作面采空區(qū)瓦斯涌出量較大，采用回采工作面采空區(qū)插管和埋插管的抽采方法來抽采回采工作面采空區(qū)瓦斯是合適的。

此種方法的施工方法，即在現(xiàn)有的綜采面采空區(qū)已推過回風(fēng)橫川進(jìn)入采空區(qū)的位置，在該位置構(gòu)筑密閉墻進(jìn)行封閉時(shí)，在密閉墻上插入一趟或兩趟DN500的聚乙烯材質(zhì)抽放管，該抽放管一端深入采空區(qū)內(nèi)500～1 000 mm，一端與采面回風(fēng)巷內(nèi)搭設(shè)的匯流管相連通，連接處安設(shè)可開關(guān)及可調(diào)節(jié)負(fù)壓大小的蝶閥，埋設(shè)的管路與地面抽采系統(tǒng)相連通時(shí)間負(fù)壓抽采。在工作面切眼一側(cè)的通風(fēng)巷道內(nèi)，由上隅角處搭設(shè)一趟DN400 的皮質(zhì)阻燃風(fēng)筒，該風(fēng)筒始端由位于新鮮風(fēng)流中設(shè)置的抽采泵站中引出，末端搭設(shè)在上隅角位置并插入上隅角上部支架端頭內(nèi)部300～500 mm，該風(fēng)筒懸掛在巷道頂板并從新開通的一個(gè)回風(fēng)橫川引出，與設(shè)置的新鮮風(fēng)流抽采泵站相連通。隨著工作面的回采，工作面后部的采空區(qū)埋管相繼向回采方向移動，在關(guān)閉現(xiàn)有埋管的同時(shí)，打開下一個(gè)進(jìn)入采空區(qū)已埋設(shè)好的采空區(qū)管路；同時(shí)，上隅角及抽采泵之間搭設(shè)的皮質(zhì)阻燃風(fēng)筒亦逐步向回采方向移動，使之一直處于運(yùn)行狀態(tài)。上隅角及采空區(qū)埋管的管路布置，如圖1所示。

圖1 上隅角定向瓦斯抽采管路布置圖

2.3 上隅角抽采參數(shù)確定

2.3.1 上隅角抽采方法

采面上隅角埋管抽排的主要原理是在采面上隅角形成一個(gè)負(fù)壓旋渦擾動區(qū)，使該區(qū)域的瓦斯被皮質(zhì)風(fēng)筒抽走，這樣可以避免采面上隅角局部地點(diǎn)空氣流通不暢（或微風(fēng)）造成的瓦斯超限，也可以解決因漏風(fēng)而從采面上隅角涌出的瓦斯超限風(fēng)險(xiǎn)[6-8]。為便于操作，可利用負(fù)壓風(fēng)筒將采掘工作面上隅附近的管線與主采掘管線相連。將負(fù)壓風(fēng)筒插入采掘工作面的上角。為保證吸風(fēng)口在上隅角的上部（上部瓦斯?jié)舛雀撸?，用鐵絲掛在支架上。為提高抽采濃度，可在上隅角頂板的支柱位置搭設(shè)臨時(shí)封閉的風(fēng)障或采用黃泥沙袋對上隅角進(jìn)行臨時(shí)封堵。上隅角埋管抽采工藝如圖2 所示。

圖2 上隅角埋管抽采瓦斯示意圖

通過對趙莊礦回采工作面瓦斯涌出量數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)可知，該礦綜采工作面的絕對瓦斯涌出量一般在30～60 m3/min 之間，抽采量一般占據(jù)30～40 m3/min，風(fēng)排量一般為10～20 m3/min。在將先前采用的尾部橫川取消后，采用的U 型通風(fēng)方法需要多解決工作面原來依靠風(fēng)排才能解決掉的15 m3/min 瓦斯。依據(jù)先前工作面的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，上隅角瓦斯涌出量一般占到工作面瓦斯涌出總量的25%～30%左右。因此，可以預(yù)計(jì)得到上隅角瓦斯涌出約為4～5 m3/min。在生產(chǎn)過程中，由于采動影響、上下鄰近煤層涌出的影響會存在不確定性，將上隅角瓦斯涌出量不均衡系數(shù)確定為1.2 后計(jì)算，得到上隅角需要定向抽采解決掉5～6 m3/min 的瓦斯。

2.3.2 上隅角抽采參數(shù)確定

2.3.2.1 抽采管路直徑

抽氣管道管徑選擇合理，對抽氣系統(tǒng)建設(shè)投資和抽氣系統(tǒng)效果有很大影響。如果直徑太大，投資成本會增加；如果直徑太細(xì)，管道阻力損失將很大，抽采效率低，抽采工作也就是失去了解決瓦斯問題的意義。依據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.2.1 中的瓦斯抽采管徑計(jì)算方法，計(jì)算得到了趙莊礦回采工作面采空區(qū)抽采瓦斯管路管徑選擇，如表1 所示。

表1 抽采系統(tǒng)瓦斯管徑選擇結(jié)果

抽采管路主管和干管均選用符合山西省能源局規(guī)定的不銹鋼螺旋卷焊鋼管，管徑以表1 中計(jì)算的管徑為依據(jù)進(jìn)行選擇。最終確定各管路的具體規(guī)格如下：敷設(shè)于回采工作面回風(fēng)巷尾部橫川密閉墻插管段的抽采瓦斯管路的規(guī)格為D355 非金屬管路（兩趟）；上隅角的埋管段抽采瓦斯管路的規(guī)格均為D400 負(fù)壓風(fēng)筒；敷設(shè)于回風(fēng)巷插管和上隅角埋管管口到抽采泵站段和抽采泵站到三盤區(qū)回風(fēng)巷段的抽采瓦斯管路規(guī)格均為D610×2.5 mm 的不銹鋼螺旋咬縫鋼管，管路間采用法蘭進(jìn)行連接。

2.3.2.2 抽采管路阻力

瓦斯抽采系統(tǒng)與管路的管徑及管路長短有直接關(guān)系，直接計(jì)算方法是管路的摩擦阻力與局部阻力之和。其中計(jì)算管網(wǎng)阻力時(shí)的一個(gè)基本原則是，考慮其最長的線路或抽采系統(tǒng)處于最低抽采量時(shí)的管網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行取值。根據(jù)趙莊礦一盤區(qū)和三盤區(qū)的巷道布置情況，當(dāng)井下臨時(shí)抽采瓦斯泵站抽采最困難時(shí)的抽采瓦斯管路負(fù)壓段管路長約50 m，負(fù)壓段管路長約2 550 m，正壓段管長約300 m。依據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.3.2 節(jié)中的相關(guān)公式，回采工作面采空區(qū)埋管/插管段摩擦阻力為65 Pa（負(fù)壓段），埋管/插管到井下臨時(shí)抽采瓦斯泵站段管路的摩擦阻力為3 909 Pa（負(fù)壓段），從井下臨時(shí)抽采瓦斯泵站到三盤區(qū)回風(fēng)巷段的摩擦阻力為407 Pa（正壓段）。一般來說，在計(jì)算出摩擦阻力后，局部阻力一般占到摩擦阻力的20%左右，計(jì)算得出的負(fù)壓段的局部摩擦阻力為795 Pa，正壓斷的局部摩擦阻力為81 Pa。依據(jù)抽采系統(tǒng)總阻力為摩擦阻力和局部阻力之和，故抽采瓦斯管網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)壓段總阻力為4 769 Pa，正壓段的總阻力為488 Pa。因此，得出井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)管路的最大阻力約為5.257 kPa。

2.3.2.3 真空泵的選擇

依據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.6.4 節(jié)中的計(jì)算公式，計(jì)算得出的低負(fù)壓抽采系統(tǒng)設(shè)計(jì)抽采量為5.76 m3/min，抽采濃度按4%計(jì)算，則標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下瓦斯抽采泵所需額定流量Q 為270.00 m3/min。

抽采瓦斯真空泵壓力必須能克服抽采管網(wǎng)系統(tǒng)總阻力損失和保證管口有足夠的負(fù)壓，以及能滿足抽采瓦斯真空泵出口正壓之需求。抽采瓦斯真空泵壓力按《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中6.6.5 公式，抽采瓦斯管路系統(tǒng)的阻力損失為5 257 Pa，采空區(qū)埋管負(fù)壓取7 000 Pa，正壓段抽采管路出口正壓5 000 Pa（直接排放至盤區(qū)回風(fēng)巷），則低負(fù)壓抽采瓦斯真空泵的壓力為22 435 Pa。趙莊礦當(dāng)?shù)鼐麓髿鈮簽?5 000 Pa，泵的真空度用i 表示。低負(fù)壓抽采瓦斯系統(tǒng)：i=100H泵/101 325=100×22 435/101 325=22.14%，泵的絕對壓力為95 000-22 435=72 565 Pa，實(shí)際取泵入口的絕對壓力為72 kPa。依據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》公式可得出抽采真空泵的工況流量為377.01 m3/min。

根據(jù)《煤礦瓦斯抽采達(dá)標(biāo)暫行規(guī)定》第二十三條：瓦斯抽采泵和管網(wǎng)的能力要留有足夠的富余系數(shù)，備用泵能力應(yīng)不小于運(yùn)行泵中最大一臺單泵的能力。運(yùn)行泵的裝機(jī)能力應(yīng)不小于瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)應(yīng)抽采瓦斯量對應(yīng)工況流量的2 倍。因此，低負(fù)壓瓦斯抽采系統(tǒng)瓦斯抽采泵裝機(jī)能力（即瓦斯抽采達(dá)標(biāo)時(shí)抽采瓦斯量對應(yīng)工況流量的2 倍）可計(jì)算得出，要在滿足瓦斯抽采泵核定裝機(jī)能力為402.14 m3/min。回采工作面采空區(qū)低負(fù)壓抽采系統(tǒng)抽采瓦斯真空泵吸氣量為402.14 m3/min，吸氣壓力為72 kPa。

根據(jù)抽采瓦斯真空泵的性能曲線，最終確定低負(fù)壓系統(tǒng)工況參數(shù)為：吸氣壓力72 kPa，吸氣量420 m3/min＞402.14 m3/min，因此泵的運(yùn)行工況參數(shù)可以滿足要求。選用的ZJW500 煤礦用濕式羅茨真空泵的性能曲線，如圖3 所示。

圖3 ZJW500 煤礦用濕式羅茨真空泵性能曲線

3 應(yīng)用效果

采用井下移動瓦斯抽采泵對一盤區(qū)的1309 采面進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)，該工作面在未設(shè)置井下移動泵站進(jìn)行上隅角瓦斯抽采之前，上隅角瓦斯?jié)舛龋ㄍ咚贵w積分?jǐn)?shù)，全文相同）始終處于0.7%～0.8%的臨界報(bào)警狀態(tài)，只能在減緩生產(chǎn)節(jié)湊、提高后部采空區(qū)埋管及適當(dāng)加大工作面風(fēng)量的基礎(chǔ)上來降低上隅角超限風(fēng)險(xiǎn)。但在工作面已回采420 m 以后，搭建的井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)由1309 工作面相鄰的一采區(qū)進(jìn)風(fēng)大巷的臨時(shí)硐室內(nèi)引入負(fù)壓側(cè)管路敷設(shè)至上隅角，正壓測由抽采泵排出至一采區(qū)回風(fēng)大巷，井下移動泵站運(yùn)行后，上隅角瓦斯?jié)舛蕊@著降低至0.5%左右，工作面通風(fēng)、生產(chǎn)壓力顯著降低。

5 總結(jié)

依據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)計(jì)算方法，對井下移動瓦斯抽采系統(tǒng)的管徑、抽采管的阻力及抽采泵的選型等進(jìn)行了合理計(jì)算，保證了瓦斯抽采泵運(yùn)行的穩(wěn)定與安全。

由于趙莊礦開采煤層屬松軟破碎煤層，綜采工作面存在鉆孔抽采效率低、鉆孔工程量大及瓦斯抽采不達(dá)標(biāo)等問題，導(dǎo)致在綜采工作面生產(chǎn)時(shí)，高強(qiáng)度生產(chǎn)會導(dǎo)致瓦斯大量涌出，上隅角瓦斯難以控制到1%以下，綜采面上隅角瓦斯超限壓力巨大。