六家煤礦隸屬于平莊煤業(集團)公司,設計生產能力為90萬t/a,該礦井于1990年12月20日開工建設,1998年初進行試生產,2001年10月16日正式移交投產。礦井開拓方式為立井單一水平,投產采區為南二和西二2個采區。井田含煤地層為佅羅系上統元寶山組下段,煤層賦存深度350~600m,區內共有4個煤層組,其中2個主要煤組共有9個可采煤層,煤種為老年褐煤。礦井2003-2005年度瓦斯等級鑒定結果都為低瓦斯礦井,相對瓦斯涌出量分別為5.16m3/t、6.1m3/t、5.29m3/t。但由于煤層埋藏深度大,一些地點瓦斯涌出量較大,相對西二采區較為突出,在平煤公司所屬井工礦中屬瓦斯隱患較為嚴重的礦井。特別是隨著礦井開采深度的加大,個別采煤工作面絕對瓦斯涌出量曾達8m3/min,尤其是采煤工作面上隅角瓦斯濃度經常可達2%以上,給礦井安全生產帶來極大隱患,也嚴重制約著礦井高產高效。為解決這一問題,主要采取掛擋風簾、上下隅角封堵、大風量供風、上隅角安設小風機、下行通風以及監測監控等一系列措施,雖然收到了一定成效,但瓦斯超限問題仍未得到根本解決。為此,六家煤礦于2005年初,根據國家瓦斯治理“先抽后采、監測監控、以風定產”十二字方針的總體要求,為徹底治理瓦斯涌出影響,打造本質安全型礦井,為建設高產高效礦井提供可靠的安全保障,首先在SⅡN26-4工作面采用井下移動抽放系統進行瓦斯抽放的嘗試,然后又在西二采區WⅡN16-5綜采工作面進行推廣應用,取得了很好的效果。
1 試驗工作面概況
WⅡN16-5綜采工作面位于西二軌道上山北側,工作面走向長620m,傾斜寬平均105.7m。工作面以6-5上采終線為界分為A、B2個塊段。塊段A只剩下6-5下煤層,煤層結構簡單,最大厚度2.25m,最小厚度2.00m,平均為2.15m。塊段B煤層結構復雜,最大厚度5.85m,最小厚度5.04m,平均為5.42m。煤層傾角為3~9°,平均為6°。工作面具體布置見圖1。工作面回風標高+80m,采煤方法為綜合機械化開采。
WⅡN16-5工作面供風量為540m3/min,未使用抽放系統前工作面瓦斯平均濃度0.45%,最大值可達2.8%,回風巷瓦斯平均濃度0.35%,最大值可達1.2%,月平均瓦斯涌出量為1.89m3/min,最高瓦斯涌出量為6.48m3/min;造成工作面、回風巷及上隅角瓦斯經常超限,從而造成工作面不能正常生產,也給礦井生產帶來重大的安全隱患。
2 試驗工作面抽放情況
2.1 抽放方法選擇
通過對WⅡN16-5等回采工作面瓦斯涌出來源及構成進行初步分析可知,工作面瓦斯涌出量的50%以上來源于采空區的瓦斯涌出,這是造成工作面回風和上隅角瓦斯超限的主要原因。針對工作面瓦斯涌出的特點,決定采用采空區瓦斯抽放技術。
所謂半封閉采空區,即現生產工作面的采空區,目前半封閉采空區瓦斯抽放一般采用埋管抽放和向冒落拱上方打鉆孔抽放兩種方法。埋管法適用于厚煤層而未豫抽瓦斯或者鄰近層很近甚至處在冒落帶的采煤工作面,這類工作面的采空區瓦斯較大,上隅角瓦斯也嚴重超限不易解決,往往采用此法。該方法瓦斯抽放濃度不高,一般為10%~20%,該方法簡單易行,成本低,但抽放效率低。向冒落拱上方打鉆孔抽放瓦斯方法,既可用于有上下鄰近層的采煤工作面,也可用于單一厚煤層的采煤工作面。抽放鉆孔的孔底應處于冒落拱的上方,主要捕集處于冒落帶中的上鄰近層和厚煤層未開采各分層中的卸壓瓦斯,同時還可捕集冒落帶上方卸壓層中涌出的部分瓦斯。此時抽出的瓦斯濃度高達60%~80%,抽放量較大。根據六家煤礦的井下的實際情況,結合WⅡN16-5工作面瓦斯涌出情況,決定采用簡單易行采空區埋管抽放方法。
2.2 抽放設備及管路選擇
抽放泵及管路選型主要與設計流量有關,按照WⅡN16-5瓦斯的超限情況,結合采空區瓦斯抽放經驗,抽放量應達到工作面最大瓦斯涌出量的20%~30%,才能夠有效地解決回風及隅角瓦斯超限問題,按WⅡN16-5涌出量30%計算,應抽放出純瓦斯量1.94m3/min,按抽放濃度10%計算,可抽出混合量為19.4m3/min。
(1)管徑選擇。管徑選擇采用如下公式計算:D=0.1457(Q/V)0.5(1)式中 D———管道內,m;Q———管內混合氣體流量,m3/min;V———管內氣體流速,取V=10m/s。將數值代入式(1)得:D=0.203m。通過計算建議選用DN219×7mm無縫鋼管。但為了充分利用現場的管路以節省成本,也基于對兩種不同管路的安裝及成本等各方面進行比較來考慮,抽放主管路選用玻璃鋼管和鋼管2種,總長度為2050m。其中排氣段為Φ219mm玻璃鋼管100m,抽氣段為Φ273mm鋼管1220m和Φ219mm玻璃鋼管730m,總長為1950m。采空區埋管采用Φ108mm鋼管。
