王家?guī)X煤礦高位定向鉆孔抽采瓦斯運(yùn)移與分布規(guī)律

衛(wèi)東紅

(霍州煤電集團(tuán)汾河焦煤股份有限公司)

隨著煤礦開采深度與開采強(qiáng)度的不斷加大，開采煤層的瓦斯含量也隨之升高，瓦斯抽采難度也不斷加大，更易發(fā)生煤與瓦斯突出事故[1-3]。本研究以王家?guī)X煤礦12311工作面為例，對高位定向鉆孔抽采瓦斯的運(yùn)移分布規(guī)律進(jìn)行分析。

1 高位鉆孔抽采分析

1.1 抽采范圍確定

當(dāng)在礦井工作面布置高位定向鉆孔時，需確保鉆孔終孔位置始終在頂板裂隙巖層中，因此需要對頂板采動裂隙形成與種類進(jìn)行研究。一般來說，可將工作面頂板分為“橫三區(qū)”和“豎三帶”，如圖1所示。隨著工作面不斷向前推進(jìn)，圖示區(qū)域不斷向前移動。

垂直方向上的“三帶”對高位定向鉆孔布置影響較大，布置鉆孔時需要考慮“豎三帶”的具體高度，鉆孔一般均布置于裂隙帶內(nèi)。本研究在大量觀測統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上[4-6]，歸納總結(jié)了適用于綜采工作面的垮落帶、裂隙帶高度的計(jì)算公式，見表1。

圖1 煤層頂?shù)装逄卣?/p>

1.2 瓦斯涌出來源

鉆孔抽采時的定向鉆孔布置于裂隙帶中，裂隙帶中的瓦斯來源途徑多樣。首先是本煤層的瓦斯涌出，該類瓦斯涌出量較大，受工作面采煤方法與回采工序的影響較大，可以根據(jù)瓦斯含量和瓦斯涌出規(guī)律進(jìn)行計(jì)算；其次為臨近煤層的瓦斯涌出量，工作面回采之后整個地下空間的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)被破壞，在本工作面影響范圍內(nèi)的其他煤層也會產(chǎn)生裂隙形成瓦斯涌出通道，該類瓦斯涌出量主要取決于本工作面的開采強(qiáng)度、兩工作面的間距和臨近煤層的原始瓦斯含量等；再者是附近巷道的瓦斯積聚，本工作面與相鄰工作面遺留巷道之間會有煤柱存在，煤柱受回采影響會產(chǎn)生貫通裂隙，附近巷道的瓦斯會通過煤柱裂隙積聚到本工作面，該類瓦斯涌出量主要取決于采動強(qiáng)度和煤柱的穩(wěn)定性；最后一種是采空區(qū)遺煤的瓦斯涌出，工作面推進(jìn)后頂板垮落，部分頂煤破碎遺留于采空區(qū)，賦存于遺煤中的瓦斯被釋放積聚，瓦斯的釋放速度隨時間的增長而減弱[7]。

表1 垮落帶、裂隙帶高度計(jì)算公式

注：∑M為累計(jì)采厚，m；Hli為冒落帶最大高度，m；Hm為裂隙帶高度，m。

2 瓦斯運(yùn)移分布規(guī)律模擬分析

2.1 抽采模型構(gòu)建

本研究王家?guī)X煤礦12311工作面布置了高位定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采(圖2)，為進(jìn)一步分析高位定向鉆孔布置時的瓦斯抽采效果，本研究采用FLUENT軟件模擬高位鉆孔在不同仰角情況下采空區(qū)的瓦斯運(yùn)移與分布規(guī)律。

圖2 12311工作面及高位鉆孔布置示意

根據(jù)工作面現(xiàn)場實(shí)際情況，構(gòu)建了高位鉆孔抽采條件下的三維物理模型，工作面走向長度300 m，傾向長度220 m，進(jìn)、回風(fēng)巷分別為40 m，煤層采高4.6 m，與巷道高度相當(dāng)，鉆孔仰角分別設(shè)置為20°、25°、30°、35°，鉆孔夾角分別為25°、35°、45°，其他邊界條件根據(jù)現(xiàn)場情況設(shè)置。

2.2 抽采效果分析

不同仰角狀態(tài)下采空區(qū)的平面瓦斯分布規(guī)律如圖3所示。分析圖3可知：隨著鉆孔仰角不斷增大，采空區(qū)瓦斯?jié)舛仍赮方向上分布不斷上移，按照瓦斯?jié)舛?0%計(jì)算，分布狀況從仰角20°時的145 m增加至35°時的190 m；隨著仰角減小，抽采口附近的瓦斯大量涌向抽管口，抽管口上部瓦斯?jié)舛鹊淖兓潭容^下部大；隨著仰角增加，工作面采空區(qū)底部的瓦斯?jié)舛然颈３衷?%，說明底板位置的瓦斯?jié)舛容^低。

2.3 高位鉆孔抽采參數(shù)分析

為確定最優(yōu)的鉆孔布置參數(shù)，對鉆孔抽采混合流量、純流量和抽采濃度進(jìn)行了比較分析，結(jié)果見表2。

表2 不同鉆孔抽采情況分析

對不同鉆孔的瓦斯抽采情況進(jìn)行分析可知，當(dāng)定向鉆孔在頂板的高度位置一定時(即仰角相同時)，隨著鉆孔與巷幫的距離越來越大(即傾角越來越大)，瓦斯抽采的混合流量與純流量逐漸減小，是由于越往工作面頂板中部布置鉆孔，頂板裂隙發(fā)育程度越低，瓦斯積聚量也越低；當(dāng)鉆孔的傾角一定時，隨著鉆孔仰角的增大，瓦斯抽采混合流量不斷減小，純流量先減小后增大，但增加幅度并不明顯，是因?yàn)殂@孔布置越往上，超過“豎三帶”中裂隙帶的發(fā)育范圍，此時混合氣體總量逐步減小，由于瓦斯的密度較空氣小，在上部一定范圍內(nèi)會出現(xiàn)一定積聚，因此抽采瓦斯的濃度會出現(xiàn)先減小后增大的趨勢。為確保抽采的純流量達(dá)到平均55%以上，本研究將高位定向鉆孔的仰角確定為20°。

圖3 不同仰角鉆孔對應(yīng)的采空區(qū)瓦斯分布特征(單位：%)

3 現(xiàn)場抽采實(shí)踐

本研究在12311工作面回風(fēng)巷布置了2個鉆場，每個鉆場打設(shè)4個定向鉆孔進(jìn)行瓦斯抽采(圖2)。瓦斯抽采時間為2017年1月24日—2月11日，抽采結(jié)果見表3。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測可知，當(dāng)鉆孔傾角為20°時，抽采效果較理想，抽采濃度最高能夠達(dá)到5.29%，能夠滿足礦井瓦斯抽采要求。

表3 現(xiàn)場瓦斯抽采實(shí)測數(shù)據(jù)

4 結(jié) 語

根據(jù)王家?guī)X煤礦12311工作面瓦斯抽采工作的要求，在分析工作面頂板裂隙發(fā)育特征的基礎(chǔ)上，對抽采瓦斯運(yùn)移分布規(guī)律進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并確定了最佳的鉆孔布置方式，現(xiàn)場瓦斯抽采試驗(yàn)證明了該布孔方式的有效性，可為類似礦山瓦斯抽采工作提供借鑒。