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【摘 要】本文结合石炭井焦煤分公司Ⅲ010303综采工作面的地质概况，对其抽采方法、钻孔布置、管路选型等进行了分析，对煤矿的安全生产意义重大。
【关键词】抽采技术 综采工作面 选型
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―497―02
1、工程概况
石炭井焦煤分公司Ⅲ010303综采工作面位于三水平三阶段南翼采区，距地表垂深约500.1～478.1m，其北部为未开拓的Ⅲ020303综采面，东部为Ⅲ010302S综采面采空区及正在回采的Ⅲ010502N综放工作面。煤层属于半光亮型，煤种为焦煤，平均产状为：走向154°；倾向244°；倾角24°，平均煤厚为2.75米。煤层透气性系数0.0493～0.0712m2/（Mpa.d），钻孔衰减系数0.1679～0.5392d-1，属于较难抽采，煤层原始瓦斯含量南翼3.5m3/t，北翼5.5m3/t，煤层原始瓦斯压力南翼0.2MPa，北翼0.47MPa，测定结果是北翼瓦斯含量和瓦斯压力高于南翼。
2、抽采方法选择
2.1本煤层瓦斯抽采方法
未卸压煤层进行预抽，按照煤层瓦斯抽采的难易程度可划分为四类：
（1）煤层透气性较好，容易抽采的煤层，宜采用本煤层预抽方法，可采用顺层或穿层布孔方式。
（2）煤层透气性较差，采用分层开采的厚煤层，可利用先采分层的卸压作用抽采未采分层的瓦斯。
（3）单一低透气性高瓦斯煤层，可选用加密钻孔、交叉钻孔、水力割缝、水力压裂、松动爆破、深孔控制预裂爆破等方法强化抽采。煤与瓦斯突出危险严重煤层，应选择穿层网格布孔方式。
2.2抽采方法的确定
根据煤层瓦斯基本参数，确定合理的钻孔间距。设计时严格按照《煤矿瓦斯抽放管理规范》的要求合理布置钻场钻孔，选取钻孔参数时，按照计算可以得出，Ⅲ010303、Ⅲ010403、Ⅲ010503工作面的煤层地质瓦斯储量为2106.88万m3，可采瓦斯储量为1404.985万m3，工作面瓦斯抽采率为35%，抽采瓦斯量为884.8896万m3。根据工作面瓦斯抽采需求，每分钟需抽放瓦斯量为4.0967m3，每个钻孔抽放流量为0.3m3/min，浓度为10%，每个钻孔的平均瓦斯抽放量为0.03m3/min，总合计需要施工136个孔。
根据瓦斯赋存状况、开拓及抽采瓦斯的目的，结合抽采瓦斯方法的选择原则，为了满足瓦斯抽采需求，我公司采取集中巷穿层钻孔预抽本煤层和临近层瓦斯的瓦斯抽采方法。
3、穿层钻孔瓦斯抽采设计
3.1、钻场及钻孔布置
（1）钻场布置
钻场布置：根据巷道情况，钻场布置在上81集中巷，共布置12个钻场，钻场间距为30m。
（2）钻孔布置
钻孔布置：根据本工作面和巷道情况，该施工区域12个钻场共布置180个钻孔，每个钻场布置15个孔。钻孔开口位置在巷道距底板1.8米位置，钻孔间开孔间距500mm，终孔最小间距8m。钻孔呈扇形布置，钻孔倾角为-7°—72°，钻孔的孔深为64-225米之间，钻孔总工程量为28701m。
（3）钻孔终孔位置
由于工作面开采的900水平南翼三、四、五层煤在一个层位上，所以钻孔布置考虑同时解决三个煤层的瓦斯问题，钻孔终孔深度为穿过五、四层煤后一直施工至三层煤顶板0.5米位置。
（4）钻孔施工参数
钻孔倾角确定时，考虑钻孔施工时钻杆本身下沉角，钻孔倾角Rg=α±θ，其中θ=arctg（Bx/L）
式中：α-煤层倾角；θ-钻杆平均下沉角；Bx/L-钻杆下沉率，一般为0.3-1%，根据我矿钻进经验值，Bx一般每钻进100米下沉0.7m。
则：θ=arctg（Bx/L）=arctg（7×10-3）=0°24′，表明每钻进100米时，钻杆下沉0.4°。
3.2钻孔结构及封孔工艺
钻孔施工采用ZDY1900S型煤矿用全液压坑道钻机，采用水力排渣工艺，封孔长度6米，采用赛瑞封孔材料。封好孔后，设上汽水分离器和抽放支管，然后再打钻。钻孔封孔施工完后及时将其连到抽放管路上，并且在每个钻场连接处和抽放主管路上必须安装测量端口，每周检查一次，以备掌握钻孔的抽放参数。
4、抽放泵和管路选型设计
4.1、管路选型计算
为了减少采掘工作面内抽采管路频繁改动，并满足采掘工作面最大抽采量的要求，将掘进工作面边掘边抽、回采工作面预抽、回采工作面采空区抽采统一考虑。
在采掘期间，按1.2的富余系数，系统最大混合抽采量取50m3/min，取瓦斯流动速度V=12m/s：
选择瓦斯抽放管径时，可按下式计算
d=0.1457（Qc/V）1/2
式中d—管道内径；Qc—瓦斯流量（m3/min）（管内混合流量取50m3/min。）；V—管道内瓦斯流速（m/s），取经济流速V=12m/s
则：d=0.1457（50/12）1/2=0.297m=300mm
根据以上计算，综合考虑管路系统富余能力，决定选用DN400mm钢骨架纤维树脂管。
4.2、管路阻力计算
1.2.1管路摩擦阻力计算
计算管路摩擦阻力，可按下式计算：
（6-2）
式中：H—阻力损失，Pa；L—管路长度，m；Q—瓦斯流量，m3/h；D—管道内径，cm；K0—系数； —混合瓦斯对空气的相对密度。
选择管路最大阻力进行计算，故H1=331+137+36=504Pa
1.2.2管路局部阻力计算 局部阻力可用估算法计算，一般取摩擦阻力的10%～20%。管路系统长，网络复杂或主管管径较小者，可按上限取值，反之则按下限取值。抽采管路的局部阻力采用估算法，取管路摩擦阻力的20%进行计算：H2=H1×0.20=504×0.20=100.8Pa。
1.2.3管路总阻力
抽采管路阻力等于抽采管路摩擦阻力与局部阻力之和。
综上抽采管路总阻力：H=H1+H2=504+100.8=604.8Pa
4.3瓦斯抽采泵选型
（1）瓦斯泵流量计算
抽采瓦斯泵流量必须满足抽采系统服务年限之内最大抽采量的需要。
（6-3）
式中 —抽采瓦斯泵的额定流量，m3/min； —矿井瓦斯最大抽采总量（纯量），m3/min；x—矿井抽采瓦斯浓度，%；η—瓦斯抽采泵的機械效率，一般取0.8；K—备用系数，K=1.2。
根据本矿抽采规模预计，当瓦斯泵入口处瓦斯浓度为10%，矿井瓦斯抽采最大纯流量为4.0967m3/min，取K=1.2，则泵站的瓦斯抽采泵的额定流量 =62.95m3/min。
（2）瓦斯泵压力计算
瓦斯抽采泵的压力是克服瓦斯从井下抽采孔口起，经抽采管路到抽采泵，再到释放点所产生的全部阻力损失。
（6-4）
式中H—瓦斯抽采压力，Pa； —井下负压段管路全部阻力损失，Pa； —井上正压段管路全部阻力损失，Pa；K—压力备用系数，取K=1.2。
经过计算，标准状态下抽采系统压力为H=24.37Kpa。
（3）瓦斯抽采泵真空度计算
（6-5）
式中 —瓦斯抽采泵的真空度，%； —瓦斯抽采泵提供的最大负压，Pa。经计算我公司瓦斯抽采泵真空度为24%。
根据本矿煤层瓦斯特点，考虑到低瓦斯浓度时的安全性，采用水环式真空泵作为瓦斯抽采泵。
结束语
随着矿井深度逐渐加深，瓦斯灾害越来越严重。目前，降低矿井瓦斯主要通过加强通风和抽采两种方式解决，对瓦斯涌出量大的矿井来说抽采煤层瓦斯才是标本兼治的根本途径。通过实践，本次试验取得了非常显著的抽放效果，有效地杜绝了工作面开采过程瓦斯超限现象，保障了工作面的安全生产。
作者简介：
马志全，男，本科，宁夏回族自治区石嘴山市，通风与安全助理工程师，现就职于神华宁夏煤业集团有限责任公司石炭井焦煤分公司。
【关键词】抽采技术 综采工作面 选型
中图分类号：TD 文献标识码：A 文章编号：1009―914X（2013）35―497―02
1、工程概况
石炭井焦煤分公司Ⅲ010303综采工作面位于三水平三阶段南翼采区，距地表垂深约500.1～478.1m，其北部为未开拓的Ⅲ020303综采面，东部为Ⅲ010302S综采面采空区及正在回采的Ⅲ010502N综放工作面。煤层属于半光亮型，煤种为焦煤，平均产状为：走向154°；倾向244°；倾角24°，平均煤厚为2.75米。煤层透气性系数0.0493～0.0712m2/（Mpa.d），钻孔衰减系数0.1679～0.5392d-1，属于较难抽采，煤层原始瓦斯含量南翼3.5m3/t，北翼5.5m3/t，煤层原始瓦斯压力南翼0.2MPa，北翼0.47MPa，测定结果是北翼瓦斯含量和瓦斯压力高于南翼。
2、抽采方法选择
2.1本煤层瓦斯抽采方法
未卸压煤层进行预抽，按照煤层瓦斯抽采的难易程度可划分为四类：
（1）煤层透气性较好，容易抽采的煤层，宜采用本煤层预抽方法，可采用顺层或穿层布孔方式。
（2）煤层透气性较差，采用分层开采的厚煤层，可利用先采分层的卸压作用抽采未采分层的瓦斯。
（3）单一低透气性高瓦斯煤层，可选用加密钻孔、交叉钻孔、水力割缝、水力压裂、松动爆破、深孔控制预裂爆破等方法强化抽采。煤与瓦斯突出危险严重煤层，应选择穿层网格布孔方式。
2.2抽采方法的确定
根据煤层瓦斯基本参数，确定合理的钻孔间距。设计时严格按照《煤矿瓦斯抽放管理规范》的要求合理布置钻场钻孔，选取钻孔参数时，按照计算可以得出，Ⅲ010303、Ⅲ010403、Ⅲ010503工作面的煤层地质瓦斯储量为2106.88万m3，可采瓦斯储量为1404.985万m3，工作面瓦斯抽采率为35%，抽采瓦斯量为884.8896万m3。根据工作面瓦斯抽采需求，每分钟需抽放瓦斯量为4.0967m3，每个钻孔抽放流量为0.3m3/min，浓度为10%，每个钻孔的平均瓦斯抽放量为0.03m3/min，总合计需要施工136个孔。
根据瓦斯赋存状况、开拓及抽采瓦斯的目的，结合抽采瓦斯方法的选择原则，为了满足瓦斯抽采需求，我公司采取集中巷穿层钻孔预抽本煤层和临近层瓦斯的瓦斯抽采方法。
3、穿层钻孔瓦斯抽采设计
3.1、钻场及钻孔布置
（1）钻场布置
钻场布置：根据巷道情况，钻场布置在上81集中巷，共布置12个钻场，钻场间距为30m。
（2）钻孔布置
钻孔布置：根据本工作面和巷道情况，该施工区域12个钻场共布置180个钻孔，每个钻场布置15个孔。钻孔开口位置在巷道距底板1.8米位置，钻孔间开孔间距500mm，终孔最小间距8m。钻孔呈扇形布置，钻孔倾角为-7°—72°，钻孔的孔深为64-225米之间，钻孔总工程量为28701m。
（3）钻孔终孔位置
由于工作面开采的900水平南翼三、四、五层煤在一个层位上，所以钻孔布置考虑同时解决三个煤层的瓦斯问题，钻孔终孔深度为穿过五、四层煤后一直施工至三层煤顶板0.5米位置。
（4）钻孔施工参数
钻孔倾角确定时，考虑钻孔施工时钻杆本身下沉角，钻孔倾角Rg=α±θ，其中θ=arctg（Bx/L）
式中：α-煤层倾角；θ-钻杆平均下沉角；Bx/L-钻杆下沉率，一般为0.3-1%，根据我矿钻进经验值，Bx一般每钻进100米下沉0.7m。
则：θ=arctg（Bx/L）=arctg（7×10-3）=0°24′，表明每钻进100米时，钻杆下沉0.4°。
3.2钻孔结构及封孔工艺
钻孔施工采用ZDY1900S型煤矿用全液压坑道钻机，采用水力排渣工艺，封孔长度6米，采用赛瑞封孔材料。封好孔后，设上汽水分离器和抽放支管，然后再打钻。钻孔封孔施工完后及时将其连到抽放管路上，并且在每个钻场连接处和抽放主管路上必须安装测量端口，每周检查一次，以备掌握钻孔的抽放参数。
4、抽放泵和管路选型设计
4.1、管路选型计算
为了减少采掘工作面内抽采管路频繁改动，并满足采掘工作面最大抽采量的要求，将掘进工作面边掘边抽、回采工作面预抽、回采工作面采空区抽采统一考虑。
在采掘期间，按1.2的富余系数，系统最大混合抽采量取50m3/min，取瓦斯流动速度V=12m/s：
选择瓦斯抽放管径时，可按下式计算
d=0.1457（Qc/V）1/2
式中d—管道内径；Qc—瓦斯流量（m3/min）（管内混合流量取50m3/min。）；V—管道内瓦斯流速（m/s），取经济流速V=12m/s
则：d=0.1457（50/12）1/2=0.297m=300mm
根据以上计算，综合考虑管路系统富余能力，决定选用DN400mm钢骨架纤维树脂管。
4.2、管路阻力计算
1.2.1管路摩擦阻力计算
计算管路摩擦阻力，可按下式计算：
（6-2）
式中：H—阻力损失，Pa；L—管路长度，m；Q—瓦斯流量，m3/h；D—管道内径，cm；K0—系数； —混合瓦斯对空气的相对密度。
选择管路最大阻力进行计算，故H1=331+137+36=504Pa
1.2.2管路局部阻力计算 局部阻力可用估算法计算，一般取摩擦阻力的10%～20%。管路系统长，网络复杂或主管管径较小者，可按上限取值，反之则按下限取值。抽采管路的局部阻力采用估算法，取管路摩擦阻力的20%进行计算：H2=H1×0.20=504×0.20=100.8Pa。
1.2.3管路总阻力
抽采管路阻力等于抽采管路摩擦阻力与局部阻力之和。
综上抽采管路总阻力：H=H1+H2=504+100.8=604.8Pa
4.3瓦斯抽采泵选型
（1）瓦斯泵流量计算
抽采瓦斯泵流量必须满足抽采系统服务年限之内最大抽采量的需要。
（6-3）
式中 —抽采瓦斯泵的额定流量，m3/min； —矿井瓦斯最大抽采总量（纯量），m3/min；x—矿井抽采瓦斯浓度，%；η—瓦斯抽采泵的機械效率，一般取0.8；K—备用系数，K=1.2。
根据本矿抽采规模预计，当瓦斯泵入口处瓦斯浓度为10%，矿井瓦斯抽采最大纯流量为4.0967m3/min，取K=1.2，则泵站的瓦斯抽采泵的额定流量 =62.95m3/min。
（2）瓦斯泵压力计算
瓦斯抽采泵的压力是克服瓦斯从井下抽采孔口起，经抽采管路到抽采泵，再到释放点所产生的全部阻力损失。
（6-4）
式中H—瓦斯抽采压力，Pa； —井下负压段管路全部阻力损失，Pa； —井上正压段管路全部阻力损失，Pa；K—压力备用系数，取K=1.2。
经过计算，标准状态下抽采系统压力为H=24.37Kpa。
（3）瓦斯抽采泵真空度计算
（6-5）
式中 —瓦斯抽采泵的真空度，%； —瓦斯抽采泵提供的最大负压，Pa。经计算我公司瓦斯抽采泵真空度为24%。
根据本矿煤层瓦斯特点，考虑到低瓦斯浓度时的安全性，采用水环式真空泵作为瓦斯抽采泵。
结束语
随着矿井深度逐渐加深，瓦斯灾害越来越严重。目前，降低矿井瓦斯主要通过加强通风和抽采两种方式解决，对瓦斯涌出量大的矿井来说抽采煤层瓦斯才是标本兼治的根本途径。通过实践，本次试验取得了非常显著的抽放效果，有效地杜绝了工作面开采过程瓦斯超限现象，保障了工作面的安全生产。
作者简介：
马志全，男，本科，宁夏回族自治区石嘴山市，通风与安全助理工程师，现就职于神华宁夏煤业集团有限责任公司石炭井焦煤分公司。