大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯治理參數優化及應用

鄭文賢，王 凱，李全中，張海東

(1.山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200；2.山西工程技術學院，山西 陽泉 045000)

采空區瓦斯是回采工作面瓦斯主要來源之一，上隅角瓦斯治理是生產過程中的重中之重，治理不徹底，一般情況下影響工作面安全生產，嚴重情況會造成事故。采空區上隅角瓦斯治理方法主要有回采工作面順槽埋管抽采、高位鉆孔抽采、利用瓦斯治理巷進行上隅角抽采和安裝引射器等[1-4]，上述方法能夠在一定程度上治理上隅角瓦斯，但均具有一定的局限性[5-6]。大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯抽采技術近年來得到應用，即由臨近巷道向工作面回風巷道，每隔一段距離施工大直徑鉆孔，接入瓦斯抽采系統進行工作面上隅角瓦斯抽采[7-8]。該技術改變了上隅角瓦斯的流場，實現了采空區大流量、低負壓瓦斯抽采，降低了上隅角瓦斯濃度。本文以西曲礦南四盤區18401工作面為工程背景，實施“以孔代巷”工作面上隅角瓦斯治理技術。應用Fluent數值模擬軟件從鉆孔孔徑、孔距以及終孔位置至頂板距離對回采工作面上隅角瓦斯抽采效果的影響進行分析，確定了最優鉆孔參數，并進行現場工業性試驗，為類似礦井回采工作面上隅角瓦斯治理提供借鑒。

1 大直徑鉆孔抽采瓦斯數值模擬

1.1 瓦斯運移數學模型建立

采空區瓦斯運移符合連續性方程、動量守恒方程與能量守恒方程[9]。

1) 動量守恒方程，見式(1)。

(1)

式中：p為靜壓；τij為應力張量；gi為i方向上的重力體積力；Si為外部體積力；Si為包含了多孔介質的源項。

2) 能量守恒方程，見式(2)。

(2)

3) 連續性方程，見式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：Gk為層流速度梯度而產生的湍流動能k的產生項；Gb為浮力而產生的湍流動能k的產生項；YM為針對高Math數可壓縮流體而增加的擴張擴散影響項；αk、αe分別為k方程和e方程的湍流Prandt1數；Re為雷諾數；C1e、C2e為模型常量；μt為有效速度模型。

1.2 數值模型基本參數確定

以18401采煤工作面為建模原型，對工作面及采空區計算區間進行了如下簡化：工作面為U型工作面，工作面長度為210 m，煤層厚度為4.1 m，采空區長度180 m，寬度210 m，回風巷寬5 m，高3 m，瓦斯治理巷道寬4.5 m，高3 m，鉆孔抽采壓力為-36 kPa，工作面風速為2.5 m/s，瓦斯涌出量為26.1 m3/min。位置關系如圖1和圖2所示。

圖1 工作面及鉆孔布置示意圖Fig.1 Layout of working face and borehole

圖2 巷道及鉆孔位置關系Fig.2 Relationship of roadway and borehole location

根據O形圈理論，通過采空區煤巖碎脹系數和原始煤巖孔隙率估算破碎后煤巖的孔隙率，計算公式見式(5)。

(5)

式中：ns為原始煤巖孔隙率；n為碎脹后煤巖孔隙率；Kr為碎脹系數。

1.3 數值模擬邊界條件設定

數值模擬入口邊界條件為速度入口類型，出口邊界類型為壓力出口類型。 計算模型為湍流模型，采用非耦合求解法進行求解。 進風巷和回風巷入口湍流強度為4.34%，大直徑鉆孔出口湍流強度為3.72%。

1.4 數值模擬結果分析

鉆孔間距過小，鉆孔瓦斯流場相互影響，造成瓦斯單孔抽采量降低，瓦斯鉆孔數目和成本也會增加；鉆孔間距過大，鉆孔與鉆孔之間出現瓦斯抽采空白區域，瓦斯抽采率降低。從抽采實踐結果分析，鉆孔的孔徑、終孔位置對上隅角瓦斯抽采效果也有影響。通過數值模擬的方法分析鉆孔孔徑、間距、終孔位置至頂板的距離對回采工作面上隅角瓦斯濃度影響演化規律，進而確定最佳鉆孔孔徑、間距以及終孔位置與頂板的距離。

1.4.1 鉆孔間距

為確定合理鉆孔間距，分別利用上述參數模擬瓦斯鉆孔間距為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m和7 m條件下，建立6個模型，分析不同抽放鉆孔對上隅角瓦斯的效果。將工作面上隅角瓦斯最終濃度與不同鉆孔間距之間的變化繪制為曲線，如圖3所示。從圖3中可以看出，在鉆孔間距由2 m增加為5 m時，上隅角瓦斯濃度緩慢增大；鉆孔間距大于5 m時，繼續增加鉆孔間距，上隅角瓦斯濃度迅速增加。由此可見，鉆孔間距較小時，相鄰鉆孔之間的抽采區域能夠相互疊加，利于上隅角瓦斯的有效抽采；鉆孔間距較大時，相鄰鉆孔的抽采區域不僅無重疊區，而且相離出現無負壓區，這些區域的瓦斯滯留于上隅角，導致瓦斯濃度升高。但是，為達到降低上隅角瓦斯濃度而過分減小鉆孔間距，會增大施工鉆孔的工程量，所以，鉆孔的合理間距不僅要確保瓦斯抽采的效果，同時也要綜合考慮鉆孔施工工程量。 通過上述數值模擬分析結果，鉆孔間距確定為5 m較為合理。

圖3 上隅角瓦斯濃度隨鉆孔間距變化曲線Fig.3 Variation curve of gas concentrationin upper corner and borehole spacing

1.4.2 鉆孔孔徑

在保持孔距為5 m情況下，建立4個模型，模擬孔徑分別為300 mm、350 mm、400 mm和450 mm時，考查不同直徑鉆孔對上隅角瓦斯抽采效果，其變化關系如圖4所示。從圖4中可以看出，孔徑小于350 mm時，隨著孔徑增大，瓦斯濃度迅速減小；孔徑超過350 mm時，隨著孔徑增大，上隅角瓦斯濃度繼續減小，但減小甚微，350 mm類似于曲線拐點，鉆孔孔徑達到350 mm時，繼續增大孔徑對進一步降低上隅角瓦斯濃度效果甚微，由此可見，上隅角瓦斯抽采效果與鉆孔直徑呈反邊關系，故此，根據模擬結果確定最佳鉆孔直徑為350 mm。

圖4 鉆孔孔徑與上隅角瓦斯濃度關系曲線Fig.4 Relationship curve between gas concentrationin upper corner and borehole diameter

1.4.3 鉆孔終孔位置

保持孔徑350 mm及孔距5 m不變的條件下，建立6個數值計算模型，分析鉆孔終孔位置距頂板距離分別為0.1 m、0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m時，上隅角濃度變化。進一步掌握鉆孔終孔位置對上隅角瓦斯抽采效果的影響，二者關系曲線如圖5所示。從圖5中可以看出，鉆孔終孔位置至頂板距離與上隅角瓦斯濃度關系曲線呈似拋物線形，距離大于0.3 m時，隨終孔至頂板距離增大上隅角瓦斯濃度快速增大；距離小于0.3 m時，隨終孔至頂板距離減小上隅角瓦斯濃度不斷增大。在鉆孔終孔位置距頂板距離為0.3 m時，上隅角瓦斯濃度最低，所以鉆孔終孔位置距頂板距離取0.3 m較為合理。

圖5 終孔位置至頂板距離與上隅角瓦斯濃度關系曲線Fig.5 Relationship curve between gas concentrationin upper corner and distance from borehole to roof

2 大直徑鉆孔“以孔代巷”瓦斯抽采技術現場應用

2.1 工作面概況

煤礦南四盤區18401工作面長度為210 m，煤層平均厚度為4.1 m,工作面正巷長度為460 m，原煤瓦斯含量為9.5～16 m3/t，瓦斯壓力為3 MPa，煤的孔隙率為2.3%～2.8%，煤層透氣性系數為2.04～9.44 m2/(MPa2·d)，工作面相對瓦斯涌出量為3.98 m3/t，絕對瓦斯涌出量26.1 m3/min。18401工作面采用“U型”全負壓通風方式，“U型”全負壓通風會將采空區大量瓦斯攜帶到上隅角，造成上隅角瓦斯濃度高。

2.2 大直徑鉆孔不同間距抽采效果

通過設置不同間距鉆孔，考察鉆孔間距對瓦斯抽采效果的影響，鉆孔布置如圖6所示。在工作面回采過程中，靠近上隅角的1號鉆孔和2號鉆孔閥門全部打開，3號鉆孔閥門打開半個。當工作面繼續向前推進，1號鉆孔進入采空區后，1號鉆孔閥門關閉，2號鉆孔和3號鉆孔全部打開，4號鉆孔閥門打開半個，依次類推，回采過程中抽采管路始終打開兩個半閥門。監測不同間距瓦斯鉆孔條件下2.5個瓦斯鉆孔抽采純量和上隅角瓦斯濃度，表1為2.5個鉆孔累計抽采純量和上隅角瓦斯濃度變化情況。現場試驗監測與數值模擬結果具有較好的一致性。

表1 不同瓦斯鉆孔間距對上隅角瓦斯抽采濃度影響數據Table 1 Influence of different gas borehole spacing ongas extraction concentration data in upper corner

2.3 鉆孔布置設計

鉆孔從18401工作面瓦斯治理巷向18401工作面正巷方向施工，方位角定為90°(鉆孔與煤壁逆時針方向的夾角)，終孔位置為距離18401工作面正巷頂板0.3 m處，開孔位置在距18401工作面瓦斯治理巷底板1.5 m的位置，開孔傾角為5°～6°，設計如圖6所示。 工作面正巷長460 m，從距切眼處開始每5 m 施工一個Φ350 mm的鉆孔，每個鉆孔的長度為21.5 m，共計施工煤柱鉆孔90個，總進尺為1 935 m。

圖6 大直徑瓦斯抽采鉆孔布置Fig.6 Large diameter gas extraction borehole arrangement

2.4 瓦斯抽采效果

抽采管路內濃度、瓦斯抽采量和上隅角瓦斯監測結果如圖7所示。從圖7中可以看出，抽采管路內瓦斯濃度初始時在0.1%左右，隨著工作面向前推進，采空區范圍擴大，抽采管路內瓦斯濃度增加，后維持在1.2%左右；上隅角瓦斯抽采量初始時在0.1 m3/min左右，隨著工作面推進迅速增加，后維持在1 m3/min；在工作面回采過程中，未采用大直徑鉆孔抽采時，上隅角瓦斯濃度為0.9%～1.2%，抽采后上隅角瓦斯濃度一直在0.2%以下，抽采效果良好。從抽采實際效果來看，通過數值模擬分析確定的鉆孔直徑、間距及終孔位置科學合理，具有工程實踐指導價值。

圖7 上隅角大孔徑鉆孔瓦斯抽采監測數據隨時間變化曲線Fig.7 Relationship between monitoring data ofgas concentration in the upper corner and timein the borehole with large hole

3 大直徑鉆孔經濟效益評價

3.1 大直徑鉆孔瓦斯抽采成本

大直徑鉆孔抽采成本如下：鉆孔90個，耗材，Φ350 mm合金鉆頭(1個鉆頭可施工100個鉆孔)350 000元，其他耗材50 000 元。人工費用：1個班3名打鉆工可施工2個煤柱孔，即施工1個煤柱孔需投入1.5個工，一個工支付工資300元，90個煤柱孔共需投入135個工，共需支付鉆孔施工工資：135×300=40 500元，共計成本440 500元。

3.2 施工高抽巷(不含鉆孔)總成本

施工1 m巷道投入資金5 000元，施工一條460 m長的高抽巷需投入資金2 300 000元。

每隔50 m送一條瓦斯抽采聯絡巷，每條聯絡巷長度為16 m，460 m的巷道需要送10個聯絡巷共計10×16=160 m，成本160×5 000=800 000元。

由此可對比得出：施工大孔徑鉆孔比施工高抽巷可節省成本共計2 659 500 元，可節約85.79%的資金。按每年兩個綜采隊回采，每月回采80 m計算，一年節約資金2 659 500/460×80×2×12=1 110萬元。

由上可知，通過實施大直徑鉆孔“以孔代巷”技術抽采上隅角瓦斯，在資金投入方面遠遠少于施工高抽巷及抽采聯絡巷。

3.3 大直徑鉆孔優勢

1) 利用相鄰的工作面巷道作為該工作面的瓦斯治理巷，可減少巷道的工程量，為工作面煤層抽采提供了充足的時間，有效緩解了采掘抽銜接緊張的局面，保證瓦斯抽采完全達標。

2) 鉆孔施工傾角小，相比向高抽巷施工高位孔安全性更高、施工進度更快。

3) 抽采時可根據上隅角瓦斯濃度隨時調節連接鉆孔和抽采管路間的蝶閥來調節抽采量。且此項作業在瓦斯治理巷中進行，避免了交叉作業，作業效率和安全性更加有保障。鉆孔在瓦斯治理巷作業不與綜采隊組平行作業，作業相對比較安全。

4) 抽采管路布置在瓦斯治理巷不受綜采工作面推進影響。抽采管路在下一工作面可繼續使用，節約了瓦斯抽采成本，抽采管路管理簡單。

5) 鉆孔封孔方法采用水泥砂漿封堵，工藝比較簡單，成本低。

4 結 論

1) 根據數值模擬結果分析確定的鉆孔孔徑、孔距和終孔位置能夠滿足采煤工作面上隅角瓦斯抽采要求。

2) 18401工作面回采中，上隅角瓦斯濃度均保持在0.2%以下，瓦斯治理效果顯著，因此“以孔代巷”技術治理回采工作面上隅角瓦斯值得井工煤礦全面推廣應用。

3) 鉆孔施工傾角小，相比向高抽巷施工高位孔，安全性更高、施工進度更快、工藝比較簡單，避免了交叉作業，作業效率和安全性更加有保障。

4) 大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯抽采與高抽巷抽采相比，成本降低85.79%。