望云煤礦15103 工作面高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究與應(yīng)用

郝 煜 彪

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城048400）

1 工程概況

山西蘭花煤炭實業(yè)有限公司望云煤礦主要開采3#、9#和15#煤層，15103 工作面開采15#煤層，煤層平均厚度為4.86m，平均含有2 層夾矸，夾矸層厚度為0.2m，煤層頂板巖層為石灰?guī)r，底板巖層為砂質(zhì)泥巖和黑色泥巖。根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，15#煤層綜采工作面的絕對瓦斯涌出量為5.88m3/min，故回采15#煤層時礦井屬于高瓦斯礦井，另外煤層的透氣性系數(shù)為0.052m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯衰減系數(shù)為0.1101d-1，據(jù)此得出15#煤層屬于較難抽采煤層。

根據(jù)15103 工作面的各項地質(zhì)資料，進行瓦斯涌出量的預(yù)測分析，得出工作面回采期間采空區(qū)的瓦斯涌出量為8.16m3/min，占到工作面瓦斯涌出量的43%，這會致使工作面回采期間上隅角瓦斯含量易超限，故需對采空區(qū)瓦斯進行有效治理，現(xiàn)采用通過分析采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，通過設(shè)置高位鉆孔有效治理采空區(qū)的瓦斯。

2 采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律分析

現(xiàn)為分析15103 工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，根據(jù)工作面地質(zhì)資料，采用Fluent 數(shù)值模擬軟件，建立采空區(qū)走向和傾斜長度分別為185m 和150m，設(shè)置模型中的垮落帶和裂隙帶的總體高度為45m，采空區(qū)選用多孔介質(zhì)模型，并假設(shè)采空區(qū)內(nèi)的氣體不可壓縮氣體，設(shè)置氣體的流動方式為穩(wěn)態(tài)流動和等溫的過程[1-3]，具體數(shù)值模擬模型示意圖如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模擬模型示意圖

根據(jù)上述建立的采空區(qū)模型，現(xiàn)具體分析采空區(qū)在未進行抽采時采空區(qū)的瓦斯分布規(guī)律和采用高位鉆孔（垂直高度32～65m）進行瓦斯抽采后的瓦斯分布規(guī)律。

1）未抽采時采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出采空區(qū)未采取抽采措施時，此時采空區(qū)內(nèi)的瓦斯?jié)舛确植家?guī)律如圖2 所示。

圖2 采空區(qū)未進行抽采時瓦斯?jié)舛确植家?guī)律

分析圖2 可知，隨著工作面回采作業(yè)的進行，工作面煤壁的瓦斯一部分隨著風流流入回風巷內(nèi)，另一部分瓦斯由于采空區(qū)漏風現(xiàn)象的存在，使得瓦斯向著采空區(qū)的深部運移，由于采空區(qū)的漏風現(xiàn)象是由進風側(cè)向回風側(cè)流動，進而致使采空區(qū)內(nèi)的瓦斯也隨著風流逐漸向回風側(cè)移動，進而致使采空區(qū)回風側(cè)的瓦斯?jié)舛容^高，尤其在回采工作面上隅角區(qū)域，瓦斯?jié)舛容^高，形成了瓦斯聚集區(qū)域，而在采空區(qū)進風側(cè)瓦斯?jié)舛认鄬^低；另外采空區(qū)的瓦斯?jié)舛仍诠ぷ髅婊夭煞较蛏铣尸F(xiàn)出倒臺階增大的現(xiàn)象，但其瓦斯降低現(xiàn)象不太明顯。

2）高位鉆孔抽采后采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律：根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果能夠得出高位鉆孔抽采不同天數(shù)下采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律，具體對高位鉆孔抽采15d、25d和75d 時采空區(qū)瓦斯分布規(guī)律進行出圖，具體如圖3 所示。

分析圖3 可知，當高位鉆孔抽采至15d 時，此時采空區(qū)內(nèi)的高瓦斯區(qū)域相較于未進行抽采作業(yè)時，其范圍大幅減小，其中在靠近工作面附近的區(qū)域其瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯降低的現(xiàn)象，此時高瓦斯區(qū)域占到采空區(qū)范圍的2/3；當高位鉆孔抽采至25d 時，此時高瓦斯分布區(qū)域進一步降低，此時高瓦斯區(qū)域占到采空區(qū)的1/3，工作面上隅角的瓦斯?jié)舛冉档椭列∮?%，滿足礦井安全生產(chǎn)的要求；當高位鉆孔抽采至75d 時，此時采空區(qū)內(nèi)高瓦斯區(qū)域僅在深部位置處存在，且工作面上隅角的瓦斯含量處于小于0.8%的狀態(tài)?；谏鲜龇治隹芍?，15103 工作面采用高位鉆孔進行瓦斯抽采后，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯含量呈現(xiàn)出逐漸降低的現(xiàn)象，高位鉆孔抽采后工作面上隅角的瓦斯含量能夠保障工作面的安全回采，故基于此可知，高位鉆孔能夠有效解決工作面回采期間瓦斯易超限的問題。

圖3 高位鉆孔不同抽采天數(shù)下采空區(qū)瓦斯分布云圖

3 高位鉆孔抽采方案

3.1 抽采方案設(shè)計

根據(jù)15103 工作面的具體地質(zhì)條件，結(jié)合上述數(shù)值模擬結(jié)果，將高位鉆孔布置在工作面回風順槽內(nèi)，具體高位鉆孔的各項參數(shù)如下：

1）鉆孔水平距離：高位鉆孔與回風順槽之間的距離，可通過下式確定[4-5]：

式中:L 為高位鉆孔距回風巷的水平投影距離，m；α 為頂板巖層的泄壓角，取61°；H 為高位鉆孔距煤層的垂直高度，m；根據(jù)15103 工作面的地質(zhì)條件可知，工作面上覆巖層裂隙帶的發(fā)育高度為32.8～65m，為確保高位鉆孔的抽采效果，需將鉆孔的終孔位置布置于裂隙帶內(nèi)，故根據(jù)式（1）能夠計算得出L 的取值范圍為18.22～36.67m，最終確定高位鉆孔與回風順槽之間的水力內(nèi)錯距應(yīng)大于27.45m。

2）鉆孔間距：根據(jù)礦井地質(zhì)資料可知，15#煤層的瓦斯有效抽采半徑為2m，本次高位鉆孔的孔徑為94m，相較于普通鉆孔而言，其孔徑較大[6]，故綜合確定本次高位鉆孔的孔間距為5m。

3）開孔位置：本次高位鉆孔布置在工作面回風順槽內(nèi)，設(shè)置鉆場排距為30m，每個鉆場內(nèi)布置7 個高位鉆孔，具體鉆場內(nèi)部各個鉆孔的開孔參數(shù)如表1所示。

表1 高位鉆孔開孔參數(shù)表

4）封孔工藝：本次高位鉆孔采用囊袋式帶壓注漿封孔工藝，設(shè)置封孔長度為8m，封孔作業(yè)的具體步驟如下：第一步先下放抽采管路與封孔裝置；第二步進行注漿，漿液采用普通硅酸鹽加水泥，膨脹劑：水泥比例為1:7.6；并按照水灰比為1:1.5 的比例進行攪拌，最終通過注漿泵將漿液注入到鉆孔封孔端，形成8m 的封孔深度；第三步為注漿結(jié)束后，待漿液凝固24h 后，即可連接抽采管路進行抽采作業(yè)，具體抽采鉆孔的封孔結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 高位鉆孔封孔結(jié)構(gòu)示意圖

具體15103 工作面高位鉆孔布置形式如圖5 所示。

圖5 15103 工作面高位鉆孔布置形式示意圖

3.2 效果分析

15103 工作面高位鉆孔抽采期間，為驗證瓦斯抽采效果，在15103 工作面回采期間，在未進行高位鉆孔抽采前和進行高位鉆孔瓦斯抽采后分別對工作面回風巷和上隅角的瓦斯?jié)舛冗M行長期監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果能夠得出如圖6 所示曲線。

圖6 回采期間回風巷及上隅角瓦斯?jié)舛惹€圖

分析圖6 可知，在工作面未采用高位鉆孔進行瓦斯抽采期間，上隅角和回風巷內(nèi)最大的瓦斯?jié)舛确謩e為1.4%和1.0%，工作面回采期間長出現(xiàn)瓦斯超限的現(xiàn)象；當工作面采用高位鉆孔抽采后，工作面回采期間上隅角的瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在0.2～0.68%的范圍內(nèi)，回風巷內(nèi)的瓦斯?jié)舛然痉€(wěn)定在0.25～0.8%的范圍內(nèi)，無瓦斯超限現(xiàn)象出現(xiàn)。據(jù)此分析可知，高位鉆孔有效解決了工作面上隅角瓦斯易超限的問題，確保了工作面的安全回采。

4 結(jié) 論

根據(jù)15103 工作面的地質(zhì)條件，通過數(shù)值模擬軟件分析了采空區(qū)未采用抽采和采用高位鉆孔抽采措施后的瓦斯分布規(guī)律圖，得出工作面采用高位鉆孔進行瓦斯抽采后，采空區(qū)內(nèi)的瓦斯含量呈現(xiàn)出逐漸降低的現(xiàn)象，上隅角瓦斯大幅降低；結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果，具體進行工作面高位鉆孔參數(shù)的設(shè)計，通過高位鉆孔抽采前后工作面區(qū)域瓦斯?jié)舛鹊谋O(jiān)測結(jié)果得出，高位鉆孔解決了上隅角瓦斯易超限的問題，確保了工作面的安全回采。