综采工作面瓦斯抽采技术研究

综采工作面瓦斯抽采技术研究

刘鸿斌

河南能源化工集团鹤煤六矿  河南省鹤壁市  458000

摘要：煤炭资源是非常重要和基础的能源，为国民经济发展和人们的日常生活都做出了非常重要的贡献，在我国整个能源结构体系中占据的地位是不可撼动的。随着我国煤矿资源开采的不断推进，容易开采的煤层几乎开采完毕，未来煤炭开采将朝着纵深方向发展。煤层越深，通常开采过程中越容易涌出瓦斯，威胁煤矿开采安全，给瓦斯治理工作带来了很大难度。基于瓦斯抽采技术提前对工作面中的瓦斯进行排除，可以有效降低煤矿开采过程中瓦斯的涌出量，从而降低矿井中瓦斯的浓度，为煤矿开采安全奠定良好的基础。

关键词：综采工作面；瓦斯抽采；技术；研究

1综采工作面及煤层瓦斯参数概述

1.1综采工作面基本情况

某煤矿的1001工作面，经过前期勘测发现其煤炭储量达到了214万t，可以开采的煤层储量为205万t，设计的工作面采高为3.9m，回采率达到了95%，工作面的走向长度和倾斜长度分别为2000m和200m。

1.2煤层瓦斯参数

(1)煤的瓦斯吸附常数和工业分析值。这2个参数是表征煤层中瓦斯含量的重要指标，另外，瓦斯吸附常数也能够很好地反映煤对瓦斯的吸附能力。对工作面的3个位置上进行取样分析，取平均值作为最终的结果。最终发现煤层的瓦斯吸附常数a、b值分别为18.056m3/t和0.53MPa－1，灰分、水分、挥发分分别为17.2%、0.58%、17.89%，视密度和孔隙率分别为1.37t/m3和4.16%。

(2)煤层瓦斯含量。在煤层工作面中选取3个位置分别进行打孔、取样，然后对样品进行实验分析。结果发现，煤层中的瓦斯含量分别为8.35、9.46、9.22m3/t，平均值为9.01m3/t。瓦斯含量测量装置结构如图1所示。

图1瓦斯含量测量装置结构示意

(3)煤层瓦斯压力。煤层瓦斯压力越大，意味着煤层内部包含的瓦斯越容易从内部涌出，煤层内部的瓦斯浓度越大。另外，在开展瓦斯抽采工作时相对更加容易。但是瓦斯压力通常很难直接测量，工业应用中都是基于瓦斯含量，结合理论公式进行反向推算。根据上文所述3个位置的瓦斯含量，可以计算得到对应的瓦斯压力，分别为0.951、0.945、0.954MPa，平均值为0.950MPa。

(4)煤层透气性系数。瓦斯在煤层中的流动难易程度可通过煤层透气性系数进行描述。透气性系数越大说明瓦斯流动性越不好，瓦斯抽采时难度较大。在煤层回风巷中打孔测量煤层透气性系数，最终测量结果为2.84m2/(MPa2·d)。

(5)钻孔自然瓦斯涌出特征。主要通过2个参数进行描述，分别为钻孔初始阶段瓦斯涌出量、整个过程中瓦斯流量的衰减系数。在煤层回风巷中钻孔进行测量，检测瓦斯流量随时间的变化情况。结果发现，钻孔初期瓦斯涌出量为0.03125m3/min，瓦斯抽采总量为3370m3，整个过程的衰减系数为0.023d－1。

2综采工作面瓦斯抽采技术方案设计

针对1001综采工作面瓦斯涌出量相对较大的问题，采用瓦斯抽采工艺对其进行治理，以保障煤矿开采过程的安全。工作面开展瓦斯抽采工作时钻孔的布置情况如图2所示。

图2综采工作面瓦斯抽采钻孔布置

2．1预抽时间

基于前文的分析可知，通过钻孔的方式，瓦斯流量衰减系数为0．023d－1，钻孔初期瓦斯涌出量大小为0．03125m3/min。巷道和工作面的长度分别为2000m和200m。基于以上参数，结合理论公式可以计算得到不同抽采时间对应的抽采瓦斯总量和钻孔抽采有效系数，结果如图3所示。

3抽采时间对瓦斯抽采总量和有效系数的影响曲线

由于所研究的煤层透气性不是很好，导致瓦斯浓度衰减速度较慢。结合图3中所示数据，最终确定的抽采时间为9个月，对应的瓦斯抽采总量和钻孔抽采有效系数分别为3368m3和99%，完全能够达到实际使用需要。

2.2钻孔直径

进行钻孔施工时，会对煤体造成破坏，从而加速煤体中瓦斯的涌出。钻孔直径越大瓦斯抽采效果越好，因为直径越大意味着暴露在空气中的煤体表面积越大，瓦斯越容易涌出。相反地，如果钻孔直径太小，就会制约瓦斯抽采的效果。但是过大的钻孔直径会带来塌孔的风险，对封孔环节的技术要求也相对更高。当前我国煤矿在开展瓦斯抽采工作时，钻孔直径普遍在75～100mm。研究结合矿井实际情况，最终确定的钻孔直径为94mm。

2.3钻孔深度

钻孔深度同样是影响最终瓦斯抽采效果的重要参数之一。煤层平均厚度3.9m，平均绝对瓦斯涌出量为34.36m3/min，工作面推进速度为5m/d。基于以上参数，可以计算得到瓦斯排放宽度在118.1m左右，所以可以将瓦斯抽采钻孔深度确定为120m。

2.4钻孔间距

理论上，钻孔间距越小则瓦斯抽采效果越好，但是当间距小到一定程度，抽采效果并不会随之线性增长，另外过小的钻孔间距会增加施工工作量，提升施工成本。在抽采时间确定为9个月时，基于理论公式可以计算得到不同钻孔间距条件下对应的瓦斯抽采率，当钻孔间距分别为1、2、3、4、5m时，对应的瓦斯抽采率分别为98.8%、75.5%、51.8%、35.8%、19.9%。根据煤矿安全生产相关的要求，本文研究的煤层中要求瓦斯抽采率超过40%。在满足以上要求的情况下，钻孔间距越大越好，因为可以在一定程度上节约施工成本。基于此，最终确定的钻孔间距为3m。

2.5瓦斯抽采负压

瓦斯要想在煤层中流动，必须满足2个条件:①煤层中要有缝隙，此条件完全满足;②不同位置的瓦斯具有一定的压力差，如果不存在压力差，则瓦斯不会相互流动，且压力差越大，瓦斯在煤层中的流动速度越大。在工程实践中，为了提升瓦斯抽采效果，进行钻孔时还要设置一定的负压，具体在10～30kPa。设置的负压越高，对相关设备的精度和性能要求越高。在结合煤矿企业现有设备以及煤层基本情况的基础上，最终确定的瓦斯抽采负压为18kPa。

3结语

对煤矿综采工作面煤层瓦斯参数进行勘察，发现煤层中的瓦斯浓度相对较高。为了确保煤矿生产的安全性，有必要基于瓦斯抽采技术实现矿井瓦斯浓度的有效控制。对瓦斯抽采技术方案进行了详细设计，其中预抽采时间为9个月，钻孔直径和深度分别为94mm和120m，钻孔之间的距离为3m，抽采负压设置为18kPa。利用COMSOL软件对抽采方案进行了模拟分析，发现效果良好。将以上瓦斯抽采技术方案应用到煤矿工程实践中，并对其应用效果进行了连续1个月的测试，发现各项指标都控制在了国家标准范围以内，有效保障了煤矿生产安全。

参考文献

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