采煤工作面瓦斯测控抽放技术研究

2015-02-07天地常州自动化股份有限公司

电子世界 2015年16期

天地（常州）自动化股份有限公司邓荣

采煤工作面瓦斯测控抽放技术研究

天地（常州）自动化股份有限公司邓荣

在采煤过程中经常会出现工作面瓦斯浓度很高，使用通风无法解决的情况。因此这里就必须借助工作面瓦斯抽放技术来实现，为此我们以某煤业集团一个采供工作面作为案例分析了瓦斯浓度较高采取瓦斯抽放的过程，设计并实现了工作面瓦斯抽放系统，并对系统中线路铺设、瓦斯抽放泵施工以及各项参数的设计等进行了介绍，探索采煤工作面瓦斯抽放技术。

采煤工作面；瓦斯抽放系统；技术；设计

瓦斯爆炸是煤矿事故中最为严重也是最为常见的事故之一，不仅会造成非常大的人员伤亡，还会对井下设备和设施造成相当大的破坏，给企业造成重大的经济效益损失。因此良好的瓦斯预测和控制技术成为煤矿企业安全生产的重要保障，近几年随着我国对企业安全的重视，煤矿企业的瓦斯控制也越来越成熟，其中采煤工作面瓦斯抽放就是应用较为广泛的一种。采煤工作面瓦斯抽放系统能够有效的解决工作面瓦斯浓度大的问题，该系统主要包含了线路设计、管径铺设、管路阻力等多方面的技术，是采煤工作面瓦斯抽放技术的重要组成部分。

1 工作面简况

我们以某煤业集团的某采煤工作面（编号32101）作为研究对象，该工作面设计走向长度为900.1m，工作面的倾斜角为6.12°，倾斜走向长度为189米，工作面面积约为98693m²，工业储量约为80.56万t。该采煤工作面经过地质检测和勘探后发现，煤层赋存状态极其不稳定，煤层的平均倾角高达15°，且走向也较为复杂。整体结构较为简单。

经估算，该煤层瓦斯的涌出量约为1.9～3.4m³ /min，检测到的最大涌出量高达4.0m³/min，回采工作面最大涌出量4.0m³/min，相对涌出量4.1m³/min。

2 瓦斯抽放系统设计和实现

由于工作面瓦斯涌出量较大，而且浓度无法通过通风等方式清除，因此必须采取必要的瓦斯抽放降低瓦斯浓度。

2.1 管道和线路铺设

抽放泵站选择安装在33采区井下，在33回风下车以及32101车场和上辅巷位置放置抽放管道。抽放线路设置为，从工作面位置，以此经过32101上副巷、33回风下山、33采取瓦斯抽放泵房最终达到33号风井。

2.2 瓦斯储量估算

瓦斯储量估算是系统设计的重要环节，需要估算煤层以及围岩全部的瓦斯储量。计算公式为：

其中：W（104m³）为瓦斯总储量；C=1.05，是围岩瓦斯储量系数；X（m³/t）代表煤层瓦斯含量。

经计算，该煤层的相对瓦斯涌出量为4.1m³/min，X约为3.2x104m³.

2.3 实际抽放量计算

计算公式如下：

2.4 泵站、管网选型设计

2．4．1 设计原则

设计过程要求结合煤矿的工作面掘进以及测得的最大瓦斯涌出量等情况完成，并根据计算结果选择合适的瓦斯抽放泵的功率。

2．4．2 管径计算

计算公式见下：

其中，d为所求的管径；Q1瓦斯抽放管内实际的瓦斯流量；V代表瓦斯在管道内的速度；X1为瓦斯的浓度。所有参数的单位均去国际单位。

经过计算可得d约为0.29m，结合井下的工作环境这里选取DN300型的复合材料管道。

2．4．3 抽放管的敷设方法

敷设方法主要注意以下几点：（1）抽放管路要尽可能的保持平直，与管道所在的线路坡度保持一致，并尽可能减少拐角、气门等附件的使用，避免急转弯；（2）在巷道底部位置敷设管道的时候必须进行一定的保护措施，例如可以使用支垫等防止底部隆起导致管道漏气；（3）如果必须经过运输巷道的时候，必须将抽放管路选管道专用的支架上架空，且保持高度不低于1.8m，管道的边缘距离巷道壁不得低于0.1m，减少运输障碍；（4）在敷设倾斜的管路时，为了避免管路下滑每隔一段距离必须设置必要的防滑装置。

2.5 瓦斯抽放泵选型估算

2．5．1 抽放泵流量计算

2．5．2 瓦斯抽放泵的压力计算

压力计算需要综合考虑管道摩擦阻力、管路局部阻力、管网阻力、瓦斯抽放泵的真空度等，下面分别计算各个参数的大小。

管道摩擦阻力：

其中，h1为所求的管道摩擦阻力。L为负压部分的管道长度，为了安全性这里取最大值；Q为管道内部混合瓦斯的总量，r为抽放泵内部空气和瓦斯的混合比，K1为管径有关的系数。

管道局部阻力：

管道局部阻力通常是摩擦阻力的10%左右，这里为了安全性和稳定性选择为15%，通过抽放设备计算出来的风侧管路系统的局部阻力。

管网阻力：

通过上一步计算出的管道局部阻力以及抽放设备出风测管道系统的阻力值，计算管网阻力，管网阻力为管道摩擦阻力、管道局部阻力、抽放设备出风测管道阻力的和。

瓦斯抽放泵的真空系数：

综合考虑以上各个参数和信息，合理的选择抽放泵的型号。这里选择使用两台2BEA-303-0型真空泵，该泵能够适应井下的工作环境。为了安全性另一台备用，该型号真空泵的基本参数为：最大抽气量高达60m³/min，防爆功率为110kw，工作电压为380v，转速最高为1200r/min。能够满足该瓦斯抽放系统的要求。需要注意的是抽放设备是在高浓度的瓦斯环境中运行的，因此均全部使用矿用防爆型。

表1 钻孔参数

2.6 抽放孔布置和参数选择

抽放孔的设置包括了孔径大小、开口位置、坡度选择以及孔深等多个方面，我们结合现场情况分析了该工作面的详细情况，选择在33号矿井的上副巷2号和3号钻场内放置2排共10个钻孔，开口位置设置在钻场底部1.2m处，上下两排各布置5个钻孔。其中上排钻孔位置距离煤层顶板往上18m，下排则为24m。钻孔的详细参数见表1：

确定角度和位置后，使用150钻机打孔，顶板部位的高位钻孔全部使用113mm的钻头，并将108mm钢管深入到其中。各个钻孔的放置位置示意图见下：

3 安全施工措施

由于该系统的很多施工过程需要在井下且在煤层工作面进行，所以必须采取必要的安全防护措施。首先是在施工钻孔前要检查周围的支护的安全和稳定，如果出现了空帮、里层的现象应该立即结束工作。钻机的安装和使用必须注意牢固性，安装钻杆的时候必须检查每一跟钻杆是否合格。在打钻的过程中也要注意设置专门的安全人员，检查打钻地点、瓦斯记录等检查，并将记录结果显示到瓦斯记录牌上。在施工到煤层的时候，要注重对现场瓦斯浓度进行测量，对于当钻孔距离煤壁0.2的时候瓦斯浓度＜2%，距离0.6m以上的时候≤1%。一旦出现喷钻、夹钻等现象立即停止施工，然后检测瓦斯浓度，等到安全后再进行施工。