一種瓦斯抽排放施工方法與流程

本發明涉及煤礦、鐵路、公路安全領域，更具體地來說，特別涉及瓦斯的抽排放施工方法。

背景技術：

瓦斯是礦井中主要由煤層氣構成的以甲烷為主的有害氣體。有時單獨指甲烷(沼氣)。它是在煤的生成和煤的變質過程中伴生的氣體。在成煤的過程中生成的瓦斯是古代植物在堆積成煤的初期，纖維素和有機質經厭氧菌的作用分解而成。另外，在高溫、高壓的環境中，在成煤的同時，由于物理和化學作用，繼續生成瓦斯。

瓦斯是無色、無味、無臭的氣體，但有時可以聞到類似蘋果的香味，這是由于芳香族的碳氫氣體同瓦斯同時涌出的緣故。瓦斯對空氣的相對密度是0.554，在標準狀態下瓦斯的密度為0.716kg，所以，它常積聚在巷道的上部及高頂處。瓦斯的滲透能力是空氣的1.6倍，難溶于水，不助燃也不能維持呼吸，達到一定濃度時，能使人因缺氧而窒息，并能發生燃燒或爆炸。瓦斯的燃燒、爆炸性是礦井主要災害之一。

瓦斯等級的劃分

瓦斯等級是以相對瓦斯涌出量的大小來劃分的。《煤礦安全規程》規定，在一個礦井中，只要有一個煤(巖)層發現瓦斯，該礦井即定為瓦斯礦井，并依照瓦斯等級工作制度進行管理。

瓦斯等級，根據礦井相對瓦斯涌出量、礦井絕對瓦斯涌出量和瓦斯涌出形式劃分為：

瓦斯礦井(舊：低瓦斯礦井)

礦井相對瓦斯涌出量小于或等于10立方米/噸且礦井絕對瓦斯涌出量小于或等于40立方米/分。

高瓦斯礦井

礦井相對瓦斯涌出量大于10立方米/噸或礦井絕對瓦斯涌出量大于40立方米/分。

瓦斯突出

煤(巖)與瓦斯(二氧化碳)突出礦井

瓦斯噴出和煤(巖)與瓦斯突出是瓦斯的特殊涌出形式。瓦斯的涌出形式分為普通涌出和特殊涌出。

普通涌出

指瓦斯從煤層或巖層表面非常細微的縫隙中緩慢、均勻而持久地涌出。其涌出的面積廣、時間長，是瓦斯涌出的主要形式。

特殊涌出

可以分為瓦斯噴出和煤(巖)與瓦斯突出兩種。

瓦斯噴出是指大量瓦斯突然噴出的現象，噴出的時間可長、可短(數天或數年)。每晝夜的噴出量可達數百立方米。

煤(巖)與瓦斯突出(簡稱突出)，是在一瞬間(幾秒鐘或幾分鐘)突然噴出大量瓦斯和煤炭(巖石)，并伴隨有強烈的聲響和強大的沖擊動力現象。

煤與瓦斯突出：在地應力和瓦斯的共同作用下，破碎的煤巖和瓦斯由煤體或巖體內突然向采掘空間拋出的異常的動力現象。

瓦斯突出是指隨著煤礦開采深度的增加、瓦斯含量的增加，在煤層中形成了在地應力作用下，瓦斯釋放的引力作用下，使軟弱煤層突破抵抗線，瞬間釋放大量瓦斯和煤而造成的一種地質災害。煤礦開采深度越深，瓦斯瞬間釋放的能量也會越大。煤和瓦斯突出主要發生在煤層平巷掘進、上山掘進和石門揭煤時，有的礦井在回采工作面也發生煤和瓦斯突出。瓦斯突出和瓦斯爆炸是兩個概念，但災害都來自于瓦斯。瓦斯突出是一種地質災害，在大量的有害氣體瞬間涌入后，會形成窒息，但不一定會發生爆炸事故。但如果出現以下三種情況后，會引發爆炸事故，一是與空氣中氧氣含量達到12％以上，二是瓦斯濃度達到5％至16％之間，三是遇到明火，點火溫度達到650度以上。

煤和瓦斯突出前大多數都有預兆，歸納起來分有聲預兆和無聲預兆。

1.有聲預兆

1)響煤炮。在煤層內發出像機關槍、炮擊聲。由于條件不同，聲音大小、間隔時間也不相同。

2)突然壓力增大。支柱來勁，發出咔咔的響聲，或發出劈裂折斷的響聲，手摸煤壁能感到沖擊和震動；有煤巖層的破裂聲；有時會聽到氣體穿過含水裂縫時的“吱吱”聲等。

2.無聲預兆

1)壓力增大。預板來壓，片幫、掉碴、煤壁向外鼓，煤巖自行剝落。

2)煤層發生變化。層理紊亂、變軟，暗淡無光，煤層粉碎，煤質干燥。

3)瓦斯及溫度變化。瓦斯涌出異常，忽大忽小，煤塵增大，氣味異常，發悶，打鉆時噴煤、噴瓦斯，煤壁發冷，氣溫下降等。

應當指出的是，上述預兆，并不是在每次突出之前都同時出現，而是僅僅出現一種或幾種。

瓦斯爆炸

瓦斯爆炸是一種熱一鏈式反應(也叫鏈鎖反應)。當爆炸混合物吸收一定能量(通常是引火源給予的熱能)后，反應分子的鏈即行斷裂，離解成兩個或兩個以上的游離基(也叫自由基)。這類游離基具有很大的化學活性，成為反應連續進行的活化中心。在適合的條件下，每一個游離基又可以進一步分解，再產生兩個或兩上以上的游離基。這樣循環不已，游離基越來越多，化學反應速度也越來越快，最后就可以發展為燃燒或爆炸式的氧化反應。所以，瓦斯爆炸就其本質來說，是一定濃度的甲烷和空氣中的氧氣在一定溫度作用下產生的激烈氧化反應。

瓦斯爆炸的條件

一定濃度的瓦斯、高溫火源的存在和充足的氧氣。

瓦斯濃度

瓦斯爆炸有一定的濃度范圍，我們把在空氣中瓦斯遇火后能引起爆炸的濃度范圍稱為瓦斯爆炸界限。瓦斯爆炸界限為5％～16％。

當瓦斯濃度低于5％時，遇火不爆炸，但能在火焰外圍形成燃燒層，當瓦斯濃度為9.5％時，其爆炸威力最大(氧和瓦斯完全反應)；瓦斯濃度在16％以上時，失去其爆炸性，但在空氣中遇火仍會燃燒。

瓦斯爆炸界限并不是固定不變的，它還受溫度、壓力以及煤塵、其它可燃性氣體、惰性氣體的混入等因素的影響。

引火溫度

瓦斯的引火溫度，即點燃瓦斯的最低溫度。一般認為，瓦斯的引火溫度為650℃～750℃。但因受瓦斯的濃度、火源的性質及混合氣體的壓力等因素影響而變化。當瓦斯含量在7％-8％時，最易引燃；當混合氣體的壓力增高時，引燃溫度即降低；在引火溫度相同時，火源面積越大、點火時間越長，越易引燃瓦斯。

高溫火源的存在，是引起瓦斯爆炸的必要條件之一。井下抽煙、電氣火花、違章放炮、煤炭自燃、明火作業等都易引起瓦斯爆炸。所以，在有瓦斯的礦井中作業，必須嚴格遵照《煤礦安全規程》的有關規定。

氧的濃度

實踐證明，空氣中的氧氣濃度降低時，瓦斯爆炸界限隨之縮小，當氧氣濃度減少到12％以下時，瓦斯混合氣體即失去爆炸性。這一性質對井下密閉的火區有很大影響，在密閉的火區內往往積存大量瓦斯，且有火源存在，但因氧的濃度低，并不會發生爆炸。如果有新鮮空氣進入，氧氣濃度達到12％以上，就可能發生爆炸。因此，對火區應嚴加管理，在啟封火區時更應格外慎重，必須在火熄滅后才能啟封。

瓦斯危害

瓦斯是開采煤炭過程中釋放出來的無色、無味、無臭氣體，有四大危害：一是可以燃燒，引起礦井火災；二是會爆炸，導致礦毀人亡；三是濃度過高時會導致人員缺氧窒息、甚至死亡；四是會發生煤(巖)與瓦斯突出，摧毀、堵塞巷道，甚至引起人員窒息死亡、瓦斯爆炸。

預防措施

預防瓦斯爆炸技術措施

(1)防止瓦斯積聚；

(2)防止瓦斯被引燃；

(3)防止瓦斯爆炸災害擴大。

防止積聚

所謂瓦斯積聚是指局部瓦斯濃度超過2％；其體積超過0.5立方米的現象。為了防止瓦斯積聚，每一礦井必須從生產技術管理上盡量避免出現盲巷，臨時停工地點不準停風，并加強通風系統管理，嚴格執行瓦斯檢查制度，及時安全地處理積聚瓦斯。

防止點火源

防止瓦斯引燃的措施是嚴禁和杜絕一切火源；嚴格管理和控制生產中可能發生的火、熱源，防止它的產生或限制其引燃瓦斯的能力。因而嚴禁攜帶煙草和點火物品下井，礦燈應完好，否則不的發放，應愛護礦燈，嚴禁拆開、敲打、撞擊；加強電器設備管理和維護，采用防爆型的電器設備，井下供電還應做到無雞爪子，無羊尾巴，無明接頭，堅持使用煤電鉆綜合保護，堅持局扇風電閉鎖。

防止爆炸范圍擴大

為了防止萬一發生爆炸，應使災害限制在盡可能小的范圍，并盡可能減少損失，為此通風系統力求簡單，采用并聯通風，禁止大串聯通風。

目前，我國煤礦常用的密閉巷道瓦斯排放方法有兩種：

1.逐段排放法(錯風筒排放法)。

2.“卸壓三通”調風排放法(包括T型風筒排放法和三通式瓦斯排放器排放法)。

而以上這兩種常用的瓦斯排放方法存在如下不足：在排放密閉巷道內積存的高濃度瓦斯時，都需要先將密閉解封。而在密閉內積存高濃度瓦斯或其它有害氣體時，啟封密閉易產生火花，引起密閉內瓦斯燃燒或引發瓦斯爆炸，存在很大的安全隱患。逐段排放法排放瓦斯時，很難控制錯風筒作業人員作業環境中有害氣體濃度符合《煤礦安全規程》規定，同樣存在較大的安全隱患。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種瓦斯抽排放施工方法，解決我國煤礦常用的密閉巷道瓦斯抽排放施工方法存在安全隱患的問題。

為實現上述目的，本發明的技術方案是：在瓦斯隧道煤層地段石門揭煤前采取瓦斯抽排放的方法，選用礦用鉆機鉆孔，使用速凝膨脹水泥封孔劑，通過瓦斯抽排放系統的聯接形成抽排放體系，降低煤層的噸煤瓦斯含量和瓦斯壓力，消除瓦斯突出風險。

前面所述的一種瓦斯抽排放施工方法，其特征在于：所述瓦斯抽排孔直徑為89mm。

前面所述的一種瓦斯抽排放施工方法，其特征在于：所述鉆機選用礦用鉆機。

前面所述的一種瓦斯抽排放施工方法，其特征在于：所述礦用鉆機適用于寬度大于2.8m、高度大于2.5m的小斷面巷道鉆孔施工。

前面所述的一種瓦斯抽排放施工方法，其特征在于：選用速凝膨脹水泥封孔劑作為封孔材料。

前面所述的一種瓦斯抽排放施工方法，其特征在于：選取不小于鉆孔總數量的1/3安裝抽排支管，并與瓦斯抽放站的抽排主管連接。

本發明的有益效果是，礦用鉆機使用內芯可脫式鉆頭，可以從鉆桿內孔下放篩管以維護孔壁，解決了提鉆后易坍孔和瓦斯抽放時的負壓造成孔壁坍塌的問題，從而保證深孔的成孔質量；速凝膨脹水泥封孔劑初凝時間可調，封孔長度易控制，流動性強，能夠密封鉆孔周邊松散媒體和裂隙；抽排系統采用負壓的抽排方式，較傳統的自然排放效率更高，能夠在較短時間內達到理想的抽排效果，降低瓦斯濃度和瓦斯壓力。以鉆孔抽排瓦斯的方式可以降低煤層的噸煤瓦斯含量和瓦斯壓力，消除煤與瓦斯突出的潛在風險，縮短瓦斯排放時間，降低施工成本。以瓦斯抽排孔和瓦斯抽排站為一體的瓦斯抽排系統，能夠充分保證瓦斯抽排的效果，為后續石門揭煤施工創造安全的施工環境。

針對該隧道屬瓦斯突出隧道，本發明提供了一種全新的瓦斯排放方法，該方法在煤系地質中不但施工方便，而且更利于瓦斯排放，排放效率明顯提高。通過該工程的成功應用，對類似地質條件的隧道施工具有重要的指導意義。

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

附圖說明

圖1表示本發明瓦斯抽排孔封孔示意圖；

圖2表示本發明瓦斯抽排系統組成示意圖；

圖3表示本發明瓦斯抽排系統示意圖；

圖4表示本發明瓦斯抽排管路系統示意圖。

圖中各部件名稱：1.回漿管 2.裂隙帶 3.膨博封孔袋 4.抽采管 5.巖石層 6.煤層 7.注漿管 8.封孔材料 9.吸氣孔段 10.閘閥(測瓦斯濃度) 11.冷卻水池 12.抽放站 13.抽放泵 14.配電室 15.值班室 16.閘閥(放水) 17.抽放主管 18.流量計 19.導坑 20.抽放支管 21.煤氣表 22.抽排放孔 23.抽放支管 24.匯總管 25.鋼絲膠管 26.封孔材料 27.抽排放管 28.鉆孔 29.煤層 30.放水器 31.閥門 32.流量測定管

實施方式

本發明的一個實施例瓦斯抽排放施工方法如圖1，圖2，圖3，圖4所示，其中圖1是本發明瓦斯抽排孔封孔示意圖，通過圖1了解瓦斯抽排孔設計、施工、工序、材料，其中圖2是本發明瓦斯抽排放系統組成示意圖，通過圖2了解瓦斯抽排放系統組成的書面表達，其中圖3是本發明瓦斯抽排系統示意圖，通過圖3了解瓦斯系統組成的實際效果圖，圖2和圖3完美的表達了理論和實際的瓦斯系統，圖4是本發明瓦斯抽排放管路系統示意圖，通過圖4了解抽排放管路的安裝，計量裝置的安裝，放水器的安裝，附屬安全設備的安裝，通過4個附圖使別人能夠實施本發明。

1.1瓦斯抽排孔設計

瓦斯抽排放孔(22)直徑為89mm，抽排放孔(22)控制范圍為開挖輪廓線外5m(隧底或導坑底外4m)，并進入巖層頂(5)(底)板不小于0.5m，且各鉆孔(28)中孔間距不大于2倍抽排半徑(抽排半徑取1m)。

1.2鉆孔施工

鉆機選用礦用鉆機，現場設置2臺，其中1臺備用。礦用鉆機適 用于寬度大于2.8m、高度大于2.5m的小斷面巷道鉆孔(28)施工。開鉆前，要修平開孔處的煤巖層，輕壓慢轉，確保開孔與鉆頭位置一致，鉆孔(28)0.5m后，再正常鉆進。當由煤層(6)向巖石層(5)鉆進時，需輕壓慢轉，給進壓力不能大于5MPa，待鉆頭進入巖石層(5)0.5m后，方可正常鉆進。為及時處理打鉆中存在的問題，綜合分析煤層(6)的發育分布情況，需要隨時做好打鉆記錄。

1.3瓦斯抽排孔封孔施工

1.3.1封孔材料

選用速凝膨脹水泥封孔劑作為封孔材料(8)。配合比按1∶1兌水施工，膨脹系數為8％～12％，凝固膨脹后密封嚴實。

1.3.2封孔設計

采用2條有“MA”標志的抗靜電、阻燃的鋼絲膠管(25)，長度1.5m和2.5m，一條作為注漿管(2.5m)(7)，一條作為回漿管(1.5m)(1)，另外再放一條雙抗管(DN40)作為瓦斯抽放支管(20)。

1.3.3封孔工序

1)掃孔。在安裝瓦斯抽放管(27)前，利用鉆桿將封堵段內的煤粉采用高壓風全程清掃干凈。

2)安裝抽放管(27)、壓漿管和堵孔。將雙抗管末端包裹棉紗與聚氨脂混合物，用鐵絲將棉紗固定在雙抗管上。將底部敷設棉紗的雙抗管送至孔底后，反復抽動雙抗管路，使底部棉紗與孔壁充分接觸。在孔口位置，將DN40鋼絲管分兩路鋪設孔中，作為注漿管(7)和回漿管(1)，外露0.3m，孔口連接球閥。采用速凝膨脹封孔材料(8)或聚氨脂混合物封堵孔口段，孔口段封孔深度0.5m，孔口段凝固時間不低于10min。

3)壓注漿封孔。采用封孔泵將速凝膨脹封孔劑與水按1∶1比例混合后注入孔中，當預埋回漿管(1)有漿液流出時，鉆孔內漿液已滿，此時關閉回漿管(1)路球閥繼續注漿。當注漿泵壓力達到2MPa時，保持注漿5min后停止注漿并關閉注漿管(7)。

1.4瓦斯抽排放系統聯接

1.4.1瓦斯抽排放系統確定及設備選擇

抽排放系統包含瓦斯抽排放土建設施和瓦斯抽排放配套設備；抽排放泵站設在隧道出口20m外。抽排放泵站建筑由瓦斯泵房、配電室、值班室、室外廁所、循環水池、圍墻等組成。抽放主管選用DN219*6無縫鋼管，抽放支管(20)選用具有煤安標志的抗靜電、阻燃的DN40鋼絲膠管(25)，瓦斯泵選用2臺水環式真空泵，配套防爆電機，封孔設備選用礦用封孔泵，共配備2臺，其中1臺備用，封孔管選用具有煤安標志的抗靜電、阻燃的DN40鋼絲膠管(25)，封孔材料選用速凝水泥封孔劑。瓦斯抽排管路的直徑根據抽放管路抽排的范圍和所負擔抽排量的大小來確定：

D＝145.7×(Q/V)1/2

式中：D——瓦斯管內徑：mm；

Q——瓦斯管內最大混合瓦斯流量：m3/min；

經計算，瓦斯抽排主管D≥103mm，管路選型應有一定富余量，同時考慮施工現場的既有材料情況，最終確定抽放管(27)采用DN219無縫鋼管。

1.4.2瓦斯抽排放系統的聯接

1)抽排放管路的安裝

用膠管將抽排放鉆孔導管與工作面匯流管相連接，并用8號鐵絲將兩端扎緊，做到密閉不漏氣，高壓膠管不能拐成120°以下的急彎；匯流管與瓦斯管連接，然后瓦斯管與隧道中的分區瓦斯抽排支管連接。

2)計量裝置的安裝

在隧道與主管道匯合的各抽放支管(20)處各安設一個孔板流量計，計量各支管的瓦斯抽放量。在抽放系統的主管道上安設一個孔板流量計，計量整個抽排系統的瓦斯抽放量。

3)放水器的安裝

在抽排管路系統最低點安設自動放水器，及時放空抽排管路中的積水，提高系統抽排效率。選用全自動負壓放水器，該放水器主要用于負壓氣體管路的自動放水，放水器安設在管道的下方，用一根能承受一定負壓的膠管作進水管，將放水器的進水管與管道的集水口連接好，再用1根能承受一定負壓的DN20mm鋼管或膠管作放水器的負壓 平衡管，將瓦斯抽放管與放水器負壓平衡接口相連，即可進行自動放水。

4)附屬安全設備的安裝

抽放泵站附近管道必須設置防爆、防回火裝置、瓦斯放空管和防雷接地裝置等安全設施。抽放泵房管路必須設置放空管，確保瓦斯抽放泵停運后能及時抽排管路內的瓦斯。放空管設置在泵的進、出口、放空管徑等于泵進、出口管徑，放空管的管口須高出泵房頂3m以上。

1.5瓦斯抽排

選取不小于鉆孔(28)總數量的1/3安裝抽排支管，并與瓦斯抽放站的抽放主管(17)連接。進行瓦斯抽排時，要隨時觀測瓦斯監測室內監測設備上的各項數據。