六家煤矿隶属于平庄煤业(集团)公司,设计生产能力为90万t/a,该矿井于1990年12月20日开工建设,1998年初进行试生产,2001年10月16日正式移交投产。矿井开拓方式为立井单一水平,投产采区为南二和西二2个采区。井田含煤地层为佅罗系上统元宝山组下段,煤层赋存深度350~600m,区内共有4个煤层组,其中2个主要煤组共有9个可采煤层,煤种为老年褐煤。矿井2003-2005年度瓦斯等级鉴定结果都为低瓦斯矿井,相对瓦斯涌出量分别为5.16m3/t、6.1m3/t、5.29m3/t。但由于煤层埋藏深度大,一些地点瓦斯涌出量较大,相对西二采区较为突出,在平煤公司所属井工矿中属瓦斯隐患较为严重的矿井。特别是随着矿井开采深度的加大,个别采煤工作面绝对瓦斯涌出量曾达8m3/min,尤其是采煤工作面上隅角瓦斯浓度经常可达2%以上,给矿井安全生产带来极大隐患,也严重制约着矿井高产高效。为解决这一问题,主要采取挂挡风帘、上下隅角封堵、大风量供风、上隅角安设小风机、下行通风以及监测监控等一系列措施,虽然收到了一定成效,但瓦斯超限问题仍未得到根本解决。为此,六家煤矿于2005年初,根据国家瓦斯治理“先抽后采、监测监控、以风定产”十二字方针的总体要求,为彻底治理瓦斯涌出影响,打造本质安全型矿井,为建设高产高效矿井提供可靠的安全保障,首先在SⅡN26-4工作面采用井下移动抽放系统进行瓦斯抽放的尝试,然后又在西二采区WⅡN16-5综采工作面进行推广应用,取得了很好的效果。
1 试验工作面概况
WⅡN16-5综采工作面位于西二轨道上山北侧,工作面走向长620m,倾斜宽平均105.7m。工作面以6-5上采终线为界分为A、B2个块段。块段A只剩下6-5下煤层,煤层结构简单,最大厚度2.25m,最小厚度2.00m,平均为2.15m。块段B煤层结构复杂,最大厚度5.85m,最小厚度5.04m,平均为5.42m。煤层倾角为3~9°,平均为6°。工作面具体布置见图1。工作面回风标高+80m,采煤方法为综合机械化开采。
WⅡN16-5工作面供风量为540m3/min,未使用抽放系统前工作面瓦斯平均浓度0.45%,最大值可达2.8%,回风巷瓦斯平均浓度0.35%,最大值可达1.2%,月平均瓦斯涌出量为1.89m3/min,最高瓦斯涌出量为6.48m3/min;造成工作面、回风巷及上隅角瓦斯经常超限,从而造成工作面不能正常生产,也给矿井生产带来重大的安全隐患。
2 试验工作面抽放情况
2.1 抽放方法选择
通过对WⅡN16-5等回采工作面瓦斯涌出来源及构成进行初步分析可知,工作面瓦斯涌出量的50%以上来源于采空区的瓦斯涌出,这是造成工作面回风和上隅角瓦斯超限的主要原因。针对工作面瓦斯涌出的特点,决定采用采空区瓦斯抽放技术。
所谓半封闭采空区,即现生产工作面的采空区,目前半封闭采空区瓦斯抽放一般采用埋管抽放和向冒落拱上方打钻孔抽放两种方法。埋管法适用于厚煤层而未豫抽瓦斯或者邻近层很近甚至处在冒落带的采煤工作面,这类工作面的采空区瓦斯较大,上隅角瓦斯也严重超限不易解决,往往采用此法。该方法瓦斯抽放浓度不高,一般为10%~20%,该方法简单易行,成本低,但抽放效率低。向冒落拱上方打钻孔抽放瓦斯方法,既可用于有上下邻近层的采煤工作面,也可用于单一厚煤层的采煤工作面。抽放钻孔的孔底应处于冒落拱的上方,主要捕集处于冒落带中的上邻近层和厚煤层未开采各分层中的卸压瓦斯,同时还可捕集冒落带上方卸压层中涌出的部分瓦斯。此时抽出的瓦斯浓度高达60%~80%,抽放量较大。根据六家煤矿的井下的实际情况,结合WⅡN16-5工作面瓦斯涌出情况,决定采用简单易行采空区埋管抽放方法。
2.2 抽放设备及管路选择
抽放泵及管路选型主要与设计流量有关,按照WⅡN16-5瓦斯的超限情况,结合采空区瓦斯抽放经验,抽放量应达到工作面最大瓦斯涌出量的20%~30%,才能够有效地解决回风及隅角瓦斯超限问题,按WⅡN16-5涌出量30%计算,应抽放出纯瓦斯量1.94m3/min,按抽放浓度10%计算,可抽出混合量为19.4m3/min。
(1)管径选择。管径选择采用如下公式计算:D=0.1457(Q/V)0.5(1)式中 D———管道内,m;Q———管内混合气体流量,m3/min;V———管内气体流速,取V=10m/s。将数值代入式(1)得:D=0.203m。通过计算建议选用DN219×7mm无缝钢管。但为了充分利用现场的管路以节省成本,也基于对两种不同管路的安装及成本等各方面进行比较来考虑,抽放主管路选用玻璃钢管和钢管2种,总长度为2050m。其中排气段为Φ219mm玻璃钢管100m,抽气段为Φ273mm钢管1220m和Φ219mm玻璃钢管730m,总长为1950m。采空区埋管采用Φ108mm钢管。
