瓦斯抽采设计

吴沟矿井瓦斯抽采方法的选择和参数设计

瓦斯抽采方法的选择，主要是根据矿井（或采区、工作面）瓦斯来源、煤层赋存状况、采掘布置、开采程序以及开采地质条件等因素进行综合考虑。目前瓦斯抽采方法主要有：开采层瓦斯抽采、邻近层瓦斯抽采、采空区瓦斯抽采，选择具体瓦斯抽采方法时应遵循如下原则：

（1）选择的瓦斯抽采方法应适合煤层赋存状况、开采巷道布置、地质条件和开采技术条件；

（2）应根据瓦斯来源及涌出构成进行，尽量采取综合瓦斯抽采方法，以提高瓦斯抽采效果；

（3）有利于减少井巷工程量，实现抽采巷道与开采巷道相结合；

（4）选择的瓦斯抽采方法应有利于抽采巷道布置与维修、提高瓦斯抽采效果和降低抽采成本；

（5）所选择的抽采方法应有利于抽采工程施工、抽采管路敷设以及抽采时间增加。

1.瓦斯抽采方法的概述

1.1回采工作面瓦斯来源及构成

根据工作面瓦斯涌出量构成预测结果（详见表1-1），工作面瓦斯表1-1表1-1 工作面瓦斯涌出量构成预测结果

区丢煤解吸的瓦斯和围岩、邻近层涌出的瓦斯。主要来源于开采层涌出的瓦斯和采空区（含采空区丢煤、围岩及邻近层）涌出的瓦斯。

1.2开采层瓦斯抽采

开采层瓦斯抽采方法包括预抽、边采边抽和强化抽采等方式，预抽主要采用钻孔预抽，是在工作面开采前预先抽采煤体中的瓦斯，属于未卸压煤层的瓦斯抽采，对于透气性及其它预抽条件较好的煤层，预抽会取得较好效果。边采边抽利用工作面开采时的卸压效应抽采本煤层瓦斯，当工作面推进时，工作面前方煤体由于卸压，透气性大大增加，抽采效率大幅度提高，

吴沟矿井本煤层瓦斯是工作面瓦斯的主要来源，故本煤层工作面采可取预抽措施，掘进工作面设计采取边掘边抽措施。

1.3邻近层瓦斯抽采

在煤层群条件下，受开采层的采动影响，其上部或下部的邻近层煤层得到卸压，而产生膨胀变形，煤层透气性大幅度提高。此时煤层与岩层之间形成空隙和裂缝，不仅可以储存卸压瓦斯，也是瓦斯流动的良好通道。为防止邻近层瓦斯向开采层工作面涌出，应当用抽采的办法来处理这部分瓦斯。实践证明，邻近层瓦斯抽采如果抽采参数选取得当，可以达到很好的效果，抽采率可达到30~70%，甚至更高。

根据工作面瓦斯涌出量预测结果，吴沟矿井3#煤层前期工作面邻近层瓦斯涌出量占回采工作面瓦斯涌出量的29%，邻近层是工作面瓦斯涌出的重要来源。根据

吴沟矿井煤层赋存条件与开采布置，选择采用由开采层煤层向邻近层施工钻孔抽采邻近层卸压瓦斯。

1.4采空区瓦斯抽采

井下老采空区内存在大量瓦斯，老采空区瓦斯涌出会增加采区及矿井的通风压力。采空区瓦斯抽采属于卸压抽采，抽采具有抽采量大、来源稳定等特点；现采采空区内也存在大量瓦斯，现采空区瓦斯涌出会造成工作面通风困难，甚至上隅角瓦斯超限。吴沟矿井采空区瓦斯涌出量占矿井总涌出量比例大；老采空区应选用全封闭式抽采方法。在抽采过程中必须检测抽采管路中CO浓度和气体温度等相关参数的变化。

表1-2 常见的瓦斯抽采方法及工艺

2瓦斯抽采方法及参数设计

根据抽采方法的选择原则，结合吴沟矿井各煤层的赋存、瓦斯来源等特点，同时考虑工作面所需的抽采量，综合研究提出以下较合理的抽采方法：

2.1本煤层预抽工艺

选择依据：吴沟矿井3号煤层工作面长均为250m，单侧预抽钻孔施工困难，且容易塌孔。选择双侧平行钻孔。

1）钻孔预抽方法：在工作面运输顺槽和回风顺槽垂直巷道壁向

煤体施工钻孔，工作面回采前进行煤层瓦斯预抽。

2）抽采钻孔布置：钻孔技术参数见表2-1，抽采钻孔布置见图2-1。

表2-1 平行钻孔技术参数表

注：以上技术参数只供试验参考，须根据效果考察来确定最适合的参数。

图2-1 双侧预抽钻孔布置示意图

3）封孔工艺：

钻孔采用聚氨酯封孔，封孔深度8m，封孔管为直径φ50mm的PVC 管（阻燃、抗静电），用铠装胶管连接到支管上，再连接到干管上，最后到达地面泵房。

聚氨酯是聚氨荃甲酸酯的简称。它的种类繁多，根据原料配方不同，可以制成多种不同产品。对于井下封孔而言，主要要求聚氨酯在发泡后，其内所形成的孔为封闭孔，即孔口不漏气，另外对发泡时间、发泡倍数、固化后的强度，可塑性等均有一定的要求。聚氨酯封孔采用卷缠药液法及钻孔内封孔管结构，见图2-2；

图4-2 聚氨酯缠药方法及封孔管结构示意图

橡胶垫圈铁档板木塞铁线毛巾布抽放管水泥沙浆聚氨脂密封段钻孔10花孔图2-2 聚氨酯缠药方法及封孔管结构示意图

钻孔与管路的连接：聚氨酯封孔1h 后，便可与抽采管路连接，而水泥砂浆封孔需经25h 后才可与抽采管路连接。钻孔与管路连接处应设置流量计和放水装置；

4）抽采管路管理

工作面开采后，随着工作面的推进，靠近切眼的抽采钻孔不断报废。当钻孔距工作面切眼20m 时，预计抽采钻孔进入卸压区。随着抽采管路不断变短，靠近切眼的管路要逐段卸下来，端头用法兰片密封。由于工作面在回采时回风巷需进行超前支护大约20m ，为了不影响生产需提前拆除管路。

2.2邻近层瓦斯抽采工艺

钻孔参数设计：

设计原则：钻孔终孔位置位于“三带”中的裂隙带内，抽采裂隙带富集瓦斯。

3号煤层前期邻近层瓦斯抽采设计：

吴沟矿井3号煤层布置瓦斯尾巷，设计在尾巷施工抽采钻孔。

高位钻孔布置在工作面外回风巷中，主要抽采开采层裂隙带中瓦斯。如图2-3所示。

终孔位置

8号煤层

图2-3 高位钻孔抽采邻近层瓦斯示意图

图2-4 抽采钻孔终孔位置计算图

钻孔参数的确定：

①终孔位置

根据三带理论，邻近层抽采钻孔的布置应符合图5-4计算结果，3号煤层开采过程中，钻孔终孔为采空区上方裂隙带。钻孔伸入工作面回风巷外帮距离应大于保障钻孔不被破坏距回风巷外帮水平投影长度。

计算公式：

h>h1+h2

S=L1+L2

L+b=(h×(b+(h1+h2) /tanβ)/(h1+h2)

L2=h/tg

Tgσ=h/(s+b)

h—钻孔终孔位置距3号煤层顶板垂高， m；

h1—顶板冒落高度，取6-8倍采高，16m；

h2—防止钻孔破坏的安全高度，应不小于两倍的采高，5m；

L—防止顶板跨落后破坏钻孔的距回风巷的水平投影距离；

d—钻孔终孔位置处于不卸压区域的长度，取2m；

b—煤柱宽度，20m；

Φ—顶板岩石卸压角，71°；

β—顶板岩石冒落角，63°；

σ—钻孔倾角；

从图可以看出，S应小于L而大于L2，经计算可以得出钻孔参数

如下表。

②钻孔参数：

表2-2 钻孔参数表

注：以上技术参数为理论数据，须根据效果考察来确定最适合的参数。

封孔工艺：在高位钻孔内插入直径φ50的PVC 管（阻燃、抗静电）封孔，并作为抽采瓦斯管，封孔可采用聚胺酯封孔。聚氨酯封孔工艺：与预抽钻孔封孔工艺相同。

2.3掘进工作面瓦斯抽采工艺

设计方法：边掘边抽

设计原则：抽采瓦斯钻孔控制掘进巷道两帮

15m 范围。

钻场规格尺寸为：宽3.5m ，长4m ，高2.5m ，钻场掘成后，在开口处架设一架抬棚进行支护，钻场间距为50m 。抽采方法，见图2-5，参数见表2-3。

钻场示意图

图2-5 掘进面边掘边抽示意图

表2-3 边掘边抽钻孔技术参数表

注：以上技术参数只供试验参考，须根据效果考察来确定最适合的参数。

（1）钻场钻孔布置原则

1）钻场的布置应免受采动影响，避开地质构造带，便于维护，利于封孔，保证抽采效果。

2）尽量利用现有的开拓、准备和回采巷道布置钻场。

（2）钻孔与抽采管路连接

钻孔与抽采管路连接方式，见图2-6。

图2-6 边掘边抽钻孔与管路连接示意图

（3）封孔工艺

封孔工艺与预抽钻孔相同

2.4全封闭抽采采空区瓦斯

吴沟矿井老采空区瓦斯涌出量较大，是矿井主要的瓦斯来源。为了防止采空区瓦斯向矿井和采掘空间涌出，进行老采空区瓦斯抽采。在密封采空区时，打密闭墙向采空区内插管，抽采方法详见图2-7。

设计3号煤层采空区采取全封闭巷道法抽采采空区瓦斯。 抽放管密闭墙

阀 门

观测管孔板流量计抽放干管

抽放支管

采空区采空区

图2-7 全封闭采空区瓦斯抽采示意图

1）密闭墙插管抽采方法布置参数

采空区密闭墙插管抽采瓦斯，是解决采空区瓦斯向外涌出的一项行之有效的措施。它要求密闭墙密闭性好，以保证抽采瓦斯的浓度。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0.3m。密闭墙总厚度为2.5m，为保证密闭性，将巷道四周墙壁挖出深约0.4m 的槽沟，将料石镶嵌进去，中间留有不小于1m的空间用土夯实，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。

2）插管与主管的连接与管理

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

2.5半封闭抽采采空区瓦斯

半封闭采空区是指回采工作面后方、工作面回采过程中始终存在、并且随着采面的推进范围逐渐增加的采空区。由于这种采空区是和工作面通风网络相连通的，在通风压差的作用下来源于各方面的瓦斯涌入采空区后又流进工作面并经由回风流排出，当采空区积存和涌出瓦斯较大时有可能使工作面上隅角或回风流瓦斯处于超限状态，特别是当顶板冒落时引起采空区瓦斯突然大量涌出对安全生产构成很大的威胁。目前对半封闭采空区抽采瓦斯在国内外所采用的主要方式有：插(埋)管抽采、向冒落拱上方打钻抽采、在老顶岩石中打水平钻孔抽采、直接向采空区打钻抽采、顶板尾巷抽采、工作面尾巷抽采和地面钻孔抽采等。

根据矿井目前实际情况对半封闭采空区采用插管抽采法即把管路在顶板冒落之前直接预埋或砌筑于采空区内对采空区瓦斯进行抽采，为了取得较好的抽采效果，在预埋管的前端管壁上施工筛孔且在预埋时使该管尽量处于煤层顶部浓度较高的区域内。半封闭插管抽采法如图2-8所示。

图2-8 半封闭插管抽采法

3瓦斯抽采方法确定

经过方案比较，选定的瓦斯抽采方法，见表3-1。

表3-1 抽采方案确定

4瓦斯抽采效果评价

根据国家安全生产监督管理总局2006-11-02颁布的中华人民共和国安全生产行业标准（AQ1026－2006）《煤矿瓦斯抽采基本指标》的规定，瓦斯涌出主要来源于邻近煤岩层的工作面、工作面及矿井瓦斯抽采率应满足表4-1～4-3规定。

表4-1 回采工作面抽采率指标表

表4-2 可解析瓦斯量指标表

表4-3 矿井瓦斯抽采率指标表