西铭矿48705工作面瓦斯抽采技术研究

王丽君

（西山煤电西铭矿通风科 ，山西 太原 030052）

0 引 言

随着煤炭资源的开采，一些井下安全事故频频发生，尤其是高瓦斯矿井，瓦斯危险严重影响了煤炭的安全高效开采[1-3]。尤其是随着工作面的开采，顶板变形断裂形成许多裂隙，导致采空区瓦斯涌出含量急剧增加，严重影响了安全开采。因此，需要针对工作面进行瓦斯抽采技术进行研究。

目前许多研究学者针对矿井工作面瓦斯抽采技术进行了研究。雷照源[4]分析了深部高瓦斯矿井的具体涌入路径，并针对性的采取了综合立体抽采技术，实现了空间全方位抽采，降低了瓦斯浓度；毕慧杰[5]采用理论分析和数值模拟分析了工作面采动裂隙演化规律，采用定向钻孔技术使工作面瓦斯浓度降到安全标准。现针对西铭矿48705工作面瓦斯含量较高的局面，制定出合理的瓦斯抽采措施。。

1 工程概况

西铭矿8号煤层48705工作面井下位于北七采区左翼，东为48703掘进工作面，南为北七左翼回风巷，西为48707工作面采空区，北为随老母断层。该面上覆2#煤已回采，切眼附近2#煤为小窑所采，3#煤不可采，工作面中南部3#煤层内有废弃巷道。2#煤与8#煤层间距87m左右，3#煤与8#煤层间距70m左右。工作面布置如图1所示。

图1 工作面布置图

该面所采8#煤层节理发育，结构复杂。煤层上部夹石为0.80～3.50m，平均2.42m的泥岩或砂质泥岩。8号煤上分层厚度0.50～0.70m，平均0.63m；下分层厚度2.65～3.40m，平均2.95m，厚度变化不大，本次不考虑上分层开采，所采的下分层属稳定的中厚煤层。

2 瓦斯涌出量分析

根据掘进期间瓦斯涌出量预测48705工作面回采期间瓦斯绝对涌出量为20m3/min，相对涌出量为5.5m3/t，自燃倾向性为Ⅱ级，属自燃煤层，爆炸指数为17.88%。

3 上隅角埋管抽采瓦斯技术

根据西铭矿48705工作面具体条件，选用上隅角埋管抽采瓦斯法，此方法是最有效和最经济的治理上隅角瓦斯方法之一。该方法就是通过向上隅角内部埋（插）入二（一）根抽采管，进行瓦斯抽采，进而降低瓦斯浓度。

3.1 上隅角埋管抽采采空区瓦斯流场的数值模型

为了提出切实可行的上隅角埋管方案，现采用FLUENT针对采空区瓦斯采用上隅角埋管抽采时的瓦斯分布规律进行研究，有关参数取值如下[6]：

1）采空区长度（沿倾向方向），取180m；

2）采空区宽度（沿走向方向），取180m；

3）裂隙带高度取54m，冒落带高度约为裂隙带高度的三分之一，取18m；

4）进、回风巷、切眼的宽度、高度均取4m；

5）抽放口直径取0.325m；

6）工作面推进速度取5m/d；

7）煤层厚度取3.0m；

8）遗煤厚度取0.1m；

9）煤的堆积密度取500kg/m3；

10）冒落带、裂隙带孔隙率分别取0.25和0.125，渗透率分别取 1.525×10-6m2、0.763×10-6m2；

11）煤的耗氧速度常数 U，m3/(kg·s)。

式中：U0为实验室测得的煤粒的吸氧速度常数，m3/(kg·s)；z为指向采空区内部的坐标，为简单计，这里取平均值z=L/2=90m；v∏为工作面推进速度，m/s；α为经验常数，0.35；h∏为遗煤厚度，m；hB为煤厚，m。

12）遗煤放出瓦斯的速度常数f，m3/(kg·s)

式中：ψ 为经验常数，1.5×10-6m2/kg；g0为初始瓦斯释放速度，前苏联根据统计资料给出的计算式为：

式中：X为吨煤瓦斯含量，m3/t；Vdaf为挥发分，%；n为经验常数，2.8×10-7s-1；z为指向采空区内部的坐标，为简单计，这里取平均值z=L/s=90m；

13）工作面下、上隅角压差取100Pa；

14）抽采口负压取10kPa；

15）边界条件取为固壁。

模拟结果见图1、图2。

由图2（a）可见，抽采管出口附近压力最低，采空区内压力分布明显不对称（不抽采时上下反对称）；由图2（b）可见，最大流速出现在抽采口附近，为12m/s左右（需单独显示采空区内部部分）；由图2（c）可见，上隅角附近瓦斯浓度在1%以下，说明采取上隅角埋管抽采措施的确可以有效防治上隅角瓦斯浓度超限。

图2 采空区瓦斯三场二维模拟结果

3.2 上隅角埋管抽采采空区瓦斯技术方案

根据《GB50471-2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范》，抽采设计的步骤一般包括涌出量预测、抽采方法选择、设备选型计算、安全监测监控措施等。这里主要是针对回采工作面条件进行上隅角埋管抽采的设计，因此本处只涉及上隅角埋管抽采管管径计算和抽采孔布置等内容，其余部分严格执行《GB50471-2008煤矿瓦斯抽采工程设计规范》即可。

3.2.1 抽采管设计

1）抽采管合理管径计算。抽采管径选型计算需要的主要参数主要包括最大设计瓦斯抽采量（纯量，标态），m3/min；瓦斯浓度，%；泵站海拔，m；进气段、出气段长度，m等。

根据数值模拟结果，抽放瓦斯浓度取10%，参照类似矿井上隅角埋管抽采采空区瓦斯的实践经验，预计抽放泵流量取60m3/min可满足要求；管径按下式计算，

式中：d为管径，m；Q为混合流量，m3/min；V为经济流速，可取 5m/s～125m/s。

当取 Q=60m3/min，V=12m/s，代入上式，得 d=0.325m，因此管径应大于或等于0.325mm。

2）抽采管选择。

埋管或插管段宜采用钢管，管径0.4m，为方便运输施工，单段长度取6m；钢管前面3m上均匀打孔，孔距0.1m左右，孔径0.01m左右，前端开口；为防止冒落的岩屑堵塞小孔，可用铁纱网包袱。

埋管或插管段外的汇流管可采用钢管或专门的高密度聚乙烯抽放管，每段长度也取6m，以便于拆装。埋管或插管的高度与上隅角甲烷传感器相同或更高，距煤壁的距离可取为管子半径，即贴煤壁敷设安装。

3.2.2 抽采管布设方案

1）埋管方案。可采用图3所示的技术方案，即2趟管上、下交错布置，孔管后接1段6m的无孔管，2段12m为一组，其后用硬质胶管与主管前端的法兰相联。第二组孔管与第一组尾管相错2m，抽放口在采空区内的深度范围是2.5m～8.5m。

图3 交替埋管实施方案

2）插管方案。参见图4，采用插管方案时，只需一段长10m的管子，前面3m均匀打上孔，前端开口，为防堵塞，用铁纱网包覆；外用胶管包住（防止产生碰撞火花等）；管子外端焊接一法兰（用以向外托拽），然后用硬质胶管与主管法兰相联。随工作面的移动及时将插管外移，但应保证进气段在采空区内部的深度在9m左右，效果较好。

图4 插管实施方案

插管方案可以保证进气口距上隅角的距离始终保持在9m左右，效果较好；省材料、省人力、省时间，采用包覆技术后安全有保证，因此，建议优先选用插管法。

（收稿日期：2019-8-13）

4 现场应用

以上瓦斯抽采方案在西铭矿48705工作面得以应用后，在现场布置测点统计回风隅角瓦斯浓度，得到结果如图5所示。

图5 瓦斯浓度和工作面推进度变化曲线图

通过图5可知，工作面每天推进6m的情况下，通过采用上隅角瓦斯抽采措施，可以有效控制工作面上隅角瓦斯，现场实测瓦斯浓度最大约为0.54%。

5 结束语

针对西铭矿8号煤层48705工作面存在瓦斯涌出量较高等问题，理论分析得到了48705工作面工作面相对涌出量为5.5m3/t；根据工作面具体条件，选用了上隅角埋管抽采瓦斯法，并采用FLUENT软件对上隅角埋管抽采瓦斯浓度场进行了数值模拟，得到采取上隅角埋管抽采措施的确可以有效防治上隅角瓦斯浓度超限，采用管径为0.4m的钢管，间隔0.1m均匀打孔，确定了相应的埋管方案和插管方案。