低透氣性突出煤層順層鉆孔預抽瓦斯及防突技術

方　可，盧忠英，方　標

（1.銅仁學院 物理與電子工程學院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300 ）

【土木工程與機械工程】

低透氣性突出煤層順層鉆孔預抽瓦斯及防突技術

方可1，盧忠英2，方標3

（1.銅仁學院 物理與電子工程學院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁學院 材料與化學工程學院，貴州 銅仁 554300；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300 ）

選取林華煤礦9號煤層2093回采工作面作為研究試驗區，用ansys模擬軟件研究了低透氣性突出煤層順層鉆孔預抽瓦斯及防突技術。研究結果表明：選取 1.8m鉆孔間距抽采效果較好，經抽采效果檢驗，2093回采工作面回采區域煤層殘余瓦斯含量降低到6.21m3/t～6.82 m3/t，殘余瓦斯壓力降低到0.28MPa～0.58MPa，煤層瓦斯抽采率由24.56%提高到59.89%，該技術對低透氣性突出煤層的瓦斯抽采及防突都有良好的效果。

Ansys模擬；突出煤層；順層鉆孔；預抽瓦斯

1.引言

目前，我國 95%以上的高瓦斯和突出礦井所開采的煤層屬于低透氣性煤層，而低透氣性突出煤層在開采過程中面臨兩大難題：一是低透氣性導致瓦斯很難被采出，二是由于低透氣性煤層瓦斯未被采出而導致突出危險性加大［1］。研究表明，按照常規鉆孔布置方式預抽煤層瓦斯，對于低透氣性突出煤層，存在預抽時間長、抽采率低的特點，達不到很好的抽采效果，也不滿足《煤礦安全規程》的要求，所以必須采取必要的措施來加大煤層的透氣性和選擇合適的鉆孔布置方式，從而實現瓦斯高效地被抽采。林華煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，主采 9號煤層，采掘過程中多次發生突出，屬于突出煤層。本文選取林華煤礦 9號煤層 2093采煤工作面作為試驗對象，研究鉆孔間距對抽采率的影響，對消除 9號煤層瓦斯突出危險性具有重要意義。

2.工作面概況

林華煤礦2093回采工作面是二采區首采面，位于二采區西邊第一區段。該采面走向長850m，傾向長160m，傾角8°～1°，煤層厚度為0.8m～3.2m，平均厚度3m，其中煤層瓦斯參數見表1。

表1　9號煤層瓦斯參數

3.現有防突措施

3.1.預抽瓦斯鉆孔布置方案

根據采區現有的巷道條件，9#煤層測壓孔為順層鉆孔，測壓鉆孔布置參數詳見表2。

3.2.效果分析

在回采工作面運輸巷和回風巷實施順層鉆孔本煤層瓦斯。鉆孔直徑Φ75mm。鉆孔沿煤層走向或傾向布置，鉆孔間距0.8m。

表2　瓦斯壓力測定鉆孔參數表

對2093回風巷的瓦斯濃度進行統計分析，得出2013年瓦斯濃度如圖1所示。結果表明：回風巷瓦斯濃度居高不下且有超限現象；且采煤時，瓦斯涌出量加大，不開采時，瓦斯涌出量相對較小，不利于該采面的安全回采，經煤礦提供數據抽采率僅為24.56%，因此對現有措施進行優化是十分必要的。

圖1　2093回風巷瓦斯濃度（%）

4.防突技術優化

本煤層鉆孔抽采效果不理想的原因在于抽采半徑設置不夠合理，導致抽放效果不能達到消突目的，回風巷瓦斯濃度時常超限。對此，通過模擬計算研究分析對本煤層抽采鉆孔間距進行優化。

4.1.ansys模型建立

為了確定合理鉆孔間距和抽放時間，采用ANSYS有限元軟件對林華煤礦9#煤層2093工作面瓦斯抽放進行了數值模擬［2-7］。通過改變鉆孔間距和瓦斯抽放時間，模擬得出不同的瓦斯抽放效果，并對抽放效果進行對比分析，并指導2093工作面鉆孔布置。

據林華煤礦2093工作面開采情況，選取鉆孔間距依次為：1.2m、1.8m、2.4m。考慮到邊界效應的影響，模型高度取煤層厚度3m，寬度20m，建立二維模型，瓦斯湍流計算選用k-ε模型，瓦斯在煤層中移動采用多孔介質模型［8］。2093工作面參數見表3。選3個鉆孔進行本次試驗模擬，邊界條件如下：

表3　2093 工作面參數表

（1）頂底板巖層為無滲透的隔絕體，左右邊界為自由界面；

（2）鉆孔抽采負壓：-17KPa。

如圖2所示，采用ANSYS智能網格劃分三角形單元，其中對鉆孔周圍局部進行網格細化，共劃分為7047個單元，9290個節點，單元數、節點數隨鉆孔間距不同而略有不同。

圖2　模型示意圖

4.2.結果分析

對數值模擬結果及參數進行分析，結果如下

（1）鉆孔間距為1.2m，不同抽放時間的瓦斯壓力分布見圖3、4。

（2）鉆孔間距為1.8m，不同抽放時間的瓦斯壓力分布見圖5、6。

圖3　間距為1.2m抽放20天瓦斯壓力分布圖

圖4　間距為1.2m抽放150天瓦斯壓力分布圖

圖5　間距為1.8m抽放20天瓦斯壓力分布圖

（3）鉆孔間距為2.4m，不同抽放時間的瓦斯壓力分布見圖7、8。

由圖 3、5、7可得，相鄰鉆孔相互影響時間均在20天以內，且孔間距越小，達到相同瓦斯濃度的速度越快，但低透氣性高瓦斯煤層抽采效果是指整個煤體中賦存的瓦斯盡可能被抽出。該礦2093工作面煤層平均厚度僅為3m，不宜布置雙排鉆孔，只能布置單排鉆孔，將導致靠近煤層頂底板的瓦斯很難被抽出，因此更重要的是考慮鉆孔距煤層頂底板方向的瓦斯抽出效果。

圖6　間距為1.8m抽放160天瓦斯壓力分布圖

圖7　間距為2.4m抽放20天瓦斯壓力分布圖

圖8　間距為2.4m抽放185天瓦斯壓力分布圖

由圖4、6、8可知，鉆孔間距為1.2m時瓦斯抽采半徑到達頂底板需要150天，間距為1.8m時需要160天，為2.4m時則需要185天。對于不同間距的鉆孔，當抽采半徑達到頂底板后繼續抽采，對鉆孔周圍瓦斯壓力影響很小，因此為了加快瓦斯抽采速度，滿足2093工作面開采進度，宜選擇抽采時間較短的鉆孔間距。本試驗區鉆孔間距選擇1.2m和1.8m為宜。比較圖4、6，間距為1.2m和1.8m瓦斯抽采半徑達到頂底板的時間分別為150天和160天，相差較小，但在沿煤層方向，影響瓦斯壓力的范圍卻相差較大，即間距為1.8m的鉆孔能更快地將煤層瓦斯抽采出。另外，對于相同數量的鉆孔，間距大的能提高抽采范圍，同時也能有效地避免因鉆孔間距小而影響抽采效果，以致降低鉆孔的瓦斯抽采率。因此本試驗區選取間距較大的鉆孔1.8m更為合適。

據目前林華煤礦2093工作面抽采情況，鉆孔直徑為 75mm，通過模擬得出鉆孔間距為 1.8m，抽采160天便可將煤層中的賦存瓦斯有效抽出，達到該煤層消突效果。研究表明，在不受采掘接替影響時也可將鉆孔間距適當增大。無論從經濟角度來看，還是從實際生產中講，增大鉆孔間距，可以減少抽采鉆孔數，降低打鉆成本，并且礦井大多采用的是多種抽采半徑相結合的方法，這些都是有利于煤礦本身的。該礦通過模擬計算得出鉆孔間距為1.8m時抽放效果較好，建議煤礦實際施工時優先考慮將鉆孔間距確定為1.8m。

4.3.抽采效果檢驗［9］

選取2093采煤工作面的7個鉆孔測點進行抽采效果檢驗，鉆孔參數見表4。經取樣測定，得出2093工作面煤層殘余瓦斯含量及其壓力，檢測結果見表5。

表4　2093采面抽采效果檢驗鉆孔施工參數表

表5　殘余瓦斯含量及瓦斯壓力

經較長時間抽采，2093采面煤層殘余瓦斯含量降低到6.21 m3/t～6.82m3/t，低于《煤礦瓦斯抽采基本指標》的限定值8.0m3/t；殘余瓦斯壓力降低到0.28 MPa～0.58MPa，遠低于《煤礦瓦斯抽采基本指標》的限定值0.74MPa。

據煤礦提供具體抽采參數，可得出2093工作面瓦斯抽采率由24.56%提高到59.89%，遠高于《煤礦安全規程》及《煤礦瓦斯抽采基本指標》中規定的預抽率達到30%以上的要求。

在工作面正常回采期間，對2093工作面上隅角和回風巷瓦斯濃度監測，得出圖 9、圖 10。由圖可知：瓦斯濃度值穩定，且未出現異常及超限現象。

圖9　采面上隅角瓦斯濃度

圖10　2093回風巷瓦斯濃度

綜上所述，在選取合適鉆孔間距后，2093回采工作面已經達到消除煤與瓦斯突出危險性目的，說明模擬結果對該礦2093回采工作面鉆孔布置參數有一定的指導作用和現實意義。

5.結論

（1）在間距為 1.2m、1.8m、2.4m的鉆孔中，間距小能加快瓦斯抽采速度，而間距為1.2m和1.8m瓦斯抽采半徑達到頂底板的時間分別為150天和160天，相差較小，但影響瓦斯壓力的范圍卻相差較大，為了提高鉆孔的瓦斯抽采率，選取間距為1.8m鉆孔最佳。

（2）據林華煤礦 2903采煤工作面抽采情況，無論從經濟角度，還是從實際生產中看，增大鉆孔間距，可以減少抽采鉆孔數，從而降低打鉆成本，且礦井大多采用的是多種抽采半徑相結合的方法，該礦通過模擬計算得出鉆孔間距為1.8m時抽放效果較好，建議煤礦實際施工時優先考慮將鉆孔間距確定為1.8m。

（3）經抽采效果檢驗，2093回采工作面回采區域煤層殘余瓦斯含量降低到6.21 m3/t～6.82 m3/t＜8.0 m3/t，殘余瓦斯壓力降低到0.28MPa～0.58 MPa＜0.74MPa，煤層瓦斯斯抽采率由 24.56%提高59.89%＞30%，說明該優化方案切實可行，對該礦2093回采工作面鉆孔布置參數有一定的指導作用和現實意義。

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Pre-drainage seam gas with borehole drilled seam along seam and outburst prevention technology in Low permeability outburst mine

FANG Ke1，LU Zhong-ying2，FANG Biao3
（1. Institute of Physics And Electronic Engineering，Tongren University，Tongren，Guizhou 554300，China；2. Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren，Guizhou 554300，China；3. Meteorological Mureau of Tongren，Tongren，Guizhou 554300，China ）

Select the Lin-Hua Coal Mine No. 9 coal seam in 2093 working face as the research object test area，Study on Pre-drainage seam gas with borehole drilled seam along seam and outburst prevention technology in Low permeability outburst mine with ANSYS software. The research results show that： the selection of 1.8m borehole spacing drainage effect is better，The pumping effect test，residual gas content of 2093 working face mining area of coal seam is reduced to 6.21 m3/t ～ 6.82 m3/t，the residual gas pressure is reduced to 0.28MPa ～ 0.58MPa，coal seam gas pumping rate was increased from 24.56% to 59.89%，the technology of gas permeability of outburst coal seam of low drainage and outburst prevention have good results.

ansys simulation，the outburst coal seam，borehole drilled along seam，gas pre-drainage

TD713

A

1673-9639 （2015） 04-0141-06

（責任編輯 毛志）（責任校對 徐松金）（英文編輯 劉興芳）

2015-06-15

本文系貴州省科技廳聯合基金項目（黔科合LH字［2014］7484）研究成果。

方可（1986-），男，貴州銅仁人，講師，碩士，研究方向：礦山災害防治。