大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯治理參數(shù)優(yōu)化及應(yīng)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(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000)

采空區(qū)瓦斯是回采工作面瓦斯主要來(lái)源之一，上隅角瓦斯治理是生產(chǎn)過(guò)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(chǎn)，嚴(yán)重情況會(huì)造成事故。采空區(qū)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(jìn)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(shù)近年來(lái)得到應(yīng)用，即由臨近巷道向工作面回風(fēng)巷道，每隔一段距離施工大直徑鉆孔，接入瓦斯抽采系統(tǒng)進(jìn)行工作面上隅角瓦斯抽采[7-8]。該技術(shù)改變了上隅角瓦斯的流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了采空區(qū)大流量、低負(fù)壓瓦斯抽采，降低了上隅角瓦斯?jié)舛取１疚囊晕髑V南四盤區(qū)18401工作面為工程背景，實(shí)施“以孔代巷”工作面上隅角瓦斯治理技術(shù)。應(yīng)用Fluent數(shù)值模擬軟件從鉆孔孔徑、孔距以及終孔位置至頂板距離對(duì)回采工作面上隅角瓦斯抽采效果的影響進(jìn)行分析，確定了最優(yōu)鉆孔參數(shù)，并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，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(shù)值模擬

1.1 瓦斯運(yùn)移數(shù)學(xué)模型建立

采空區(qū)瓦斯運(yùn)移符合連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒方程與能量守恒方程[9]。

1) 動(dòng)量守恒方程，見(jiàn)式(1)。

(1)

式中：p為靜壓；τij為應(yīng)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(zhì)的源項(xiàng)。

2) 能量守恒方程，見(jiàn)式(2)。

(2)

3) 連續(xù)性方程，見(jiàn)式(3)和式(4)。

(3)

(4)

式中：Gk為層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；Gb為浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)；YM為針對(duì)高M(jìn)ath數(shù)可壓縮流體而增加的擴(kuò)張擴(kuò)散影響項(xiàng)；αk、αe分別為k方程和e方程的湍流Prandt1數(shù)；Re為雷諾數(shù)；C1e、C2e為模型常量；μt為有效速度模型。

1.2 數(shù)值模型基本參數(shù)確定

以18401采煤工作面為建模原型，對(duì)工作面及采空區(qū)計(jì)算區(qū)間進(jìn)行了如下簡(jiǎn)化：工作面為U型工作面，工作面長(zhǎng)度為210 m，煤層厚度為4.1 m，采空區(qū)長(zhǎng)度180 m，寬度210 m，回風(fēng)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(fēng)速為2.5 m/s，瓦斯涌出量為26.1 m3/min。位置關(guān)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(guān)系Fig.2 Relationship of roadway and borehole location

根據(jù)O形圈理論，通過(guò)采空區(qū)煤巖碎脹系數(shù)和原始煤巖孔隙率估算破碎后煤巖的孔隙率，計(jì)算公式見(jiàn)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(shù)。

1.3 數(shù)值模擬邊界條件設(shè)定

數(shù)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(jì)算模型為湍流模型，采用非耦合求解法進(jìn)行求解。 進(jìn)風(fēng)巷和回風(fēng)巷入口湍流強(qiáng)度為4.34%，大直徑鉆孔出口湍流強(qiáng)度為3.72%。

1.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

鉆孔間距過(guò)小，鉆孔瓦斯流場(chǎng)相互影響，造成瓦斯單孔抽采量降低，瓦斯鉆孔數(shù)目和成本也會(huì)增加；鉆孔間距過(guò)大，鉆孔與鉆孔之間出現(xiàn)瓦斯抽采空白區(qū)域，瓦斯抽采率降低。從抽采實(shí)踐結(jié)果分析，鉆孔的孔徑、終孔位置對(duì)上隅角瓦斯抽采效果也有影響。通過(guò)數(shù)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(duì)回采工作面上隅角瓦斯?jié)舛扔绊懷莼?guī)律，進(jìn)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(shù)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(gè)模型，分析不同抽放鉆孔對(duì)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(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛染徛龃螅汇@孔間距大于5 m時(shí)，繼續(xù)增加鉆孔間距，上隅角瓦斯?jié)舛妊杆僭黾印Ｓ纱丝梢?jiàn)，鉆孔間距較小時(shí)，相鄰鉆孔之間的抽采區(qū)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(shí)，相鄰鉆孔的抽采區(qū)域不僅無(wú)重疊區(qū)，而且相離出現(xiàn)無(wú)負(fù)壓區(qū)，這些區(qū)域的瓦斯滯留于上隅角，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛壬摺５牵瑸檫_(dá)到降低上隅角瓦斯?jié)舛榷^(guò)分減小鉆孔間距，會(huì)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(shí)也要綜合考慮鉆孔施工工程量。 通過(guò)上述數(shù)值模擬分析結(jié)果，鉆孔間距確定為5 m較為合理。

圖3 上隅角瓦斯?jié)舛入S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(gè)模型，模擬孔徑分別為300 mm、350 mm、400 mm和450 mm時(shí)，考查不同直徑鉆孔對(duì)上隅角瓦斯抽采效果，其變化關(guān)系如圖4所示。從圖4中可以看出，孔徑小于350 mm時(shí)，隨著孔徑增大，瓦斯?jié)舛妊杆贉p小；孔徑超過(guò)350 mm時(shí)，隨著孔徑增大，上隅角瓦斯?jié)舛壤^續(xù)減小，但減小甚微，350 mm類似于曲線拐點(diǎn)，鉆孔孔徑達(dá)到350 mm時(shí)，繼續(xù)增大孔徑對(duì)進(jìn)一步降低上隅角瓦斯?jié)舛刃Ч跷ⅲ纱丝梢?jiàn)，上隅角瓦斯抽采效果與鉆孔直徑呈反邊關(guān)系，故此，根據(jù)模擬結(jié)果確定最佳鉆孔直徑為350 mm。

圖4 鉆孔孔徑與上隅角瓦斯?jié)舛汝P(guān)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(gè)數(shù)值計(jì)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(shí)，上隅角濃度變化。進(jìn)一步掌握鉆孔終孔位置對(duì)上隅角瓦斯抽采效果的影響，二者關(guān)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?jié)舛汝P(guān)系曲線呈似拋物線形，距離大于0.3 m時(shí)，隨終孔至頂板距離增大上隅角瓦斯?jié)舛瓤焖僭龃螅痪嚯x小于0.3 m時(shí)，隨終孔至頂板距離減小上隅角瓦斯?jié)舛炔粩嘣龃蟆Ｔ阢@孔終孔位置距頂板距離為0.3 m時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛茸畹停糟@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?jié)舛汝P(guān)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(shù)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.1 工作面概況

煤礦南四盤區(qū)18401工作面長(zhǎng)度為210 m，煤層平均厚度為4.1 m,工作面正巷長(zhǎng)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(shù)為2.04～9.44 m2/(MPa2·d)，工作面相對(duì)瓦斯涌出量為3.98 m3/t，絕對(duì)瓦斯涌出量26.1 m3/min。18401工作面采用“U型”全負(fù)壓通風(fēng)方式，“U型”全負(fù)壓通風(fēng)會(huì)將采空區(qū)大量瓦斯攜帶到上隅角，造成上隅角瓦斯?jié)舛雀摺?/p>

2.2 大直徑鉆孔不同間距抽采效果

通過(guò)設(shè)置不同間距鉆孔，考察鉆孔間距對(duì)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(guò)程中，靠近上隅角的1號(hào)鉆孔和2號(hào)鉆孔閥門全部打開(kāi)，3號(hào)鉆孔閥門打開(kāi)半個(gè)。當(dāng)工作面繼續(xù)向前推進(jìn)，1號(hào)鉆孔進(jìn)入采空區(qū)后，1號(hào)鉆孔閥門關(guān)閉，2號(hào)鉆孔和3號(hào)鉆孔全部打開(kāi)，4號(hào)鉆孔閥門打開(kāi)半個(gè)，依次類推，回采過(guò)程中抽采管路始終打開(kāi)兩個(gè)半閥門。監(jiān)測(cè)不同間距瓦斯鉆孔條件下2.5個(gè)瓦斯鉆孔抽采純量和上隅角瓦斯?jié)舛龋?為2.5個(gè)鉆孔累計(jì)抽采純量和上隅角瓦斯?jié)舛茸兓闆r。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬結(jié)果具有較好的一致性。

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

2.3 鉆孔布置設(shè)計(jì)

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(shí)針?lè)较虻膴A角)，終孔位置為距離18401工作面正巷頂板0.3 m處，開(kāi)孔位置在距18401工作面瓦斯治理巷底板1.5 m的位置，開(kāi)孔傾角為5°～6°，設(shè)計(jì)如圖6所示。 工作面正巷長(zhǎng)460 m，從距切眼處開(kāi)始每5 m 施工一個(gè)Φ350 mm的鉆孔，每個(gè)鉆孔的長(zhǎng)度為21.5 m，共計(jì)施工煤柱鉆孔90個(gè)，總進(jìn)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(nèi)濃度、瓦斯抽采量和上隅角瓦斯監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看出，抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸跏紩r(shí)在0.1%左右，隨著工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)范圍擴(kuò)大，抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛仍黾樱缶S持在1.2%左右；上隅角瓦斯抽采量初始時(shí)在0.1 m3/min左右，隨著工作面推進(jìn)迅速增加，后維持在1 m3/min；在工作面回采過(guò)程中，未采用大直徑鉆孔抽采時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.9%～1.2%，抽采后上隅角瓦斯?jié)舛纫恢痹?.2%以下，抽采效果良好。從抽采實(shí)際效果來(lái)看，通過(guò)數(shù)值模擬分析確定的鉆孔直徑、間距及終孔位置科學(xué)合理，具有工程實(shí)踐指導(dǎo)價(jià)值。

圖7 上隅角大孔徑鉆孔瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隨時(shí)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(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)

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(gè)，耗材，Φ350 mm合金鉆頭(1個(gè)鉆頭可施工100個(gè)鉆孔)350 000元，其他耗材50 000 元。人工費(fèi)用：1個(gè)班3名打鉆工可施工2個(gè)煤柱孔，即施工1個(gè)煤柱孔需投入1.5個(gè)工，一個(gè)工支付工資300元，90個(gè)煤柱孔共需投入135個(gè)工，共需支付鉆孔施工工資：135×300=40 500元，共計(jì)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(zhǎng)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(lián)絡(luò)巷，每條聯(lián)絡(luò)巷長(zhǎng)度為16 m，460 m的巷道需要送10個(gè)聯(lián)絡(luò)巷共計(jì)10×16=160 m，成本160×5 000=800 000元。

由此可對(duì)比得出：施工大孔徑鉆孔比施工高抽巷可節(jié)省成本共計(jì)2 659 500 元，可節(jié)約85.79%的資金。按每年兩個(gè)綜采隊(duì)回采，每月回采80 m計(jì)算，一年節(jié)約資金2 659 500/460×80×2×12=1 110萬(wàn)元。

由上可知，通過(guò)實(shí)施大直徑鉆孔“以孔代巷”技術(shù)抽采上隅角瓦斯，在資金投入方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于施工高抽巷及抽采聯(lián)絡(luò)巷。

3.3 大直徑鉆孔優(yōu)勢(shì)

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(shí)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(dá)標(biāo)。

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(jìn)度更快。

3) 抽采時(shí)可根據(jù)上隅角瓦斯?jié)舛入S時(shí)調(diào)節(jié)連接鉆孔和抽采管路間的蝶閥來(lái)調(diào)節(jié)抽采量。且此項(xiàng)作業(yè)在瓦斯治理巷中進(jìn)行，避免了交叉作業(yè)，作業(yè)效率和安全性更加有保障。鉆孔在瓦斯治理巷作業(yè)不與綜采隊(duì)組平行作業(yè)，作業(yè)相對(duì)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(jìn)影響。抽采管路在下一工作面可繼續(xù)使用，節(jié)約了瓦斯抽采成本，抽采管路管理簡(jiǎn)單。

5) 鉆孔封孔方法采用水泥砂漿封堵，工藝比較簡(jiǎn)單，成本低。

4 結(jié) 論

1) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)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?jié)舛染３衷?.2%以下，瓦斯治理效果顯著，因此“以孔代巷”技術(shù)治理回采工作面上隅角瓦斯值得井工煤礦全面推廣應(yīng)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(jìn)度更快、工藝比較簡(jiǎn)單，避免了交叉作業(yè)，作業(yè)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%。