扇形布置抽采鉆孔瓦斯壓力分布規律及應用

姜周民

(冀中能源股份有限公司東龐礦， 河北 邢臺市 054201)

0 引言

瓦斯是制約高瓦斯礦井安全高效生產的主要因素之一，在巷道掘進過程中，往往因為瓦斯治理問題導致巷道掘進速度下降，進而影響礦井的采掘接替。對于巷道掘進中的瓦斯問題，我國學者進行了大量的研究，大致可以分為2個方面：理論研究和治理技術研究。

在理論研究方面，郭龍等[1]根據線性多孔彈性介質基本規律，建立滲透率和孔隙率動態方程等，對掘進巷道周圍巖體滲透率演化過程進行了數值模擬研究，發現應力變化對滲透率變化的影響較大；孫曉元等[2]為準確探究掘進工作面突出瓦斯擴散運移時的參數特性，構建了突出瓦斯運移模型，研究了突出瓦斯與空氣混合后其參數隨時間和位置變化的特征規律；舒龍勇等[3]針對掘進工作面煤與瓦斯突出災害多發的現狀，利用FLAC3D計算分析了多種條件下煤巷掘進面的采動應力和破壞區分布特征，建立煤巷掘進面突出危險性評價模型，研究了煤巷掘進面突出危險性的主控因素及影響機制。

在治理技術研究方面，李輝等[4]為了改變新義礦12041工作面運輸巷道掘進時突出危險性高的現狀，提出了綜合防突技術；金元甲等[5]分析了高瓦斯對巷道安全高效掘進的影響，采取了巷道走向超前鉆孔和瓦斯釋放孔協同作用的邊掘邊抽瓦斯防治措施，實現了高瓦斯大斷面煤巷的安全快速掘進；董賀等[6]針對煤巷掘進難以實現煤層的邊掘邊抽問題，提出了煤巷掘進跨步預抽煤層瓦斯的方法；任志成、周建斌等[7-8]針對高瓦斯煤巷掘進困難等問題，分別提出了高壓液態CO2致裂器掘進頭短鉆孔預裂消突技術和多級氣相壓裂卸壓抽采方案；張倩、程波等[9-10]分別研究了水力造穴和水力割縫增透抽采工作面瓦斯，發現水力強化技術能夠提高掘進工作面煤體的滲透特性。向真才等[11]針對煤層透氣性差、鉆孔瓦斯流量衰減較快、采取迎頭超前長鉆孔抽采效果不佳而導致煤巷掘進速度慢等問題，提出利用檢修班時間采用短鉆孔進行掘進迎頭快速集中抽采的方法，以提高煤巷掘進速度。

本文采用數值模擬研究了掘進工作面扇形布置抽采鉆孔瓦斯壓力分布，根據數值模擬結果，對掘進工作面瓦斯抽采鉆孔布置進行了優化。

1 工程概況

東龐礦21110工作面位于東龐礦-480 m水平11采區，地面標高91.62 m，工作面標高-490～-550 m。根據工作面內1401，1402鉆孔及21110工作面實測資料分析，工作面內2號煤層沉積穩定，結構復雜，煤層厚度有一定變化，含有一層夾矸，上層煤厚度為1.80～3.15 m，平均為3.0 m；下層煤厚度為1.00～2.25 m，平均為1.54 m；夾矸為泥質粉砂巖，厚度為0.10～0.50 m，平均為0.28 m，煤層傾角為1°～8°。根據相鄰回采工作面及鉆孔取樣測試，21110工作面瓦斯含量為3～5 m3/t，21110工作面軌道巷鄰近采空區，在掘進過程中無需進行預抽，皮帶巷兩側均為實體煤，在掘進過程中需要對煤層瓦斯進行抽采。21110工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 21110工作面布置

2 扇形布置鉆孔瓦斯壓力分布規律

2.1 模型建立

掘進巷道瓦斯預抽示意如圖2所示，從圖2中可以看出，瓦斯抽采鉆孔呈扇形布置。瓦斯壓力是評價鉆孔瓦斯抽采效果的指標之一，為了分析扇形布置鉆孔瓦斯壓力分布規律，選取其中部分（圖2中藍色框）、結合上層煤厚度，用COMSOL數值模擬建立如圖3所示的計算模型。

圖2 掘進巷道瓦斯預抽示意

圖3 扇形布置鉆孔數值計算模型

模型尺寸為30 m×20 m×3 m，鉆孔直徑為113 mm、夾角為10°、初始間距為2 m，鉆孔布置在同一水平面，呈“一”字形布置。本模型旨在對鉆孔周圍瓦斯壓力分布規律進行研究，因此，假設計算所用參數見表 1，用 COMSOL數值模擬軟件中的PDE模塊，代入瓦斯運移方程進行計算。

表1 模型計算所需參數

2.2 模擬結果分析

抽采30 d時的模擬結果剖面如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著鉆孔的發散、鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力逐漸增大，最大瓦斯壓力位于鉆孔中間、模型的上下邊界。為了更加直觀地分析鉆孔周圍的瓦斯壓力分布，在鉆孔中間的模型上邊界、沿Y軸方向布置一條監測線，瓦斯壓力監測結果如圖5所示。

圖4 數值模擬計算結果剖面圖

圖5 瓦斯壓力監測結果

從圖5可以看出，隨著測線長度的增加，即隨著鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力呈近似直線增加，最低瓦斯壓力為0.121 MPa，最高瓦斯壓力為0.284 MPa。

2.3 鉆孔布置優化

將鉆孔布置方式改為“三角形”布置，中間鉆孔向Z軸移動0.8 m，即鉆孔垂直間距為0.8 m，模型尺寸、計算參數等不變，建立優化后的數值計算模型如圖6所示。抽采30 d的數值計算結果如圖7所示。

圖6 鉆孔布置優化后數值計算模型

圖7 數值計算結果剖面圖

從圖7可以看出，隨著鉆孔的發散、鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力也逐漸增大，瓦斯壓力分布規律與“一”字形鉆孔布置方式相同，但瓦斯壓力明顯低于“一”字形鉆孔布置方式，最大瓦斯壓力位于鉆孔中間、模型的上部邊界。為了更加直觀地分析鉆孔周圍的瓦斯壓力分布，在鉆孔中間的模型上邊界、沿Y軸方向布置一條監測線，瓦斯壓力監測結果如圖8所示。

圖8 瓦斯壓力監測結果

從圖8可以看出，隨著測線長度的增加，即隨著鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力增加，前半部分瓦斯壓力增長速度緩慢，后半部分瓦斯壓力增長速度有所增高，但是明顯低于“一”字形鉆孔布置方式。最低瓦斯壓力為0.118 MPa，最高瓦斯壓力為0.148 MPa，與“一”字形鉆孔布置方式相比，前部分瓦斯壓力減少不多，后半部分瓦斯壓力下降幅度較大。

通過上述模擬結果可以看出，抽采鉆孔采用“三角形”布置時，瓦斯抽采效果要優于“一”字形布置方式。同時，在掘進頭施工鉆孔抽采瓦斯時，鉆孔數量較多，若采用“一”字形布置方式，初始鉆孔間距較近，已施工鉆孔易受鄰近鉆孔施工影響，抽采時也易導致抽采鉆孔發生“串孔”現象。

3 現場應用

根據上述研究成果，東龐礦21110工作面皮帶巷掘進過程中采用“三角形”布置鉆孔方式對煤層瓦斯進行預抽。巷道沿煤層頂板掘進，高度為3.5 m，由于工作面上層煤平均厚度為3.0 m、夾矸平均厚度為0.28 m，因此只在上層煤對瓦斯進行預抽。預抽煤層條帶長度為100 m，抽采達標之后方可掘進，掘進80 m后進行下一階段瓦斯預抽，即循環抽采長度為100 m，壓茬長度為20 m。鉆孔布置如圖9所示。

圖9 預抽鉆孔布置（單位: m）

每次循環布置12個鉆孔，鉆孔直徑為113 mm，分上下兩排布置，鉆孔間距和排間距均為 0.8 m。根據東龐礦順層鉆孔抽采有效半徑測試結果，采用Φ113 mm鉆孔抽采30 d的有效半徑r為3.5 m[12]，設計鉆孔末端間距不超過5.5 m，控制掘進前方兩側15 m范圍煤體。

鉆孔施工過程中，測試不同鉆進深度鉆屑解吸指標 Δh2，抽采完成后對抽采效果檢測時再次測試不同鉆進深度鉆屑解吸指標 Δh2，與抽采前進行對比。其中一循環抽采前后鉆屑解吸指標Δh2對比、工作面瓦斯濃度變化如圖10、圖11所示。

圖10 抽采前后鉆屑解吸指標Δh2對比

圖11 掘進期間工作面瓦斯濃度

從圖10、圖11可以看出，抽采之前煤層鉆屑解吸指標Δh2的值處于60 Pa左右，抽采之后煤層鉆屑解吸指標Δh2的值處于40 Pa左右，數值下降較多；掘進期間工作面瓦斯濃度始終處于 0.4%左右，無瓦斯超限事故發生，瓦斯防治效果較好。

4 結論

（1）建立了抽采鉆孔瓦斯壓力分布數值計算模型，研究了“一”字形和“三角形”鉆孔布置方式下瓦斯壓力分布規律。隨著鉆孔的發散、鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力也逐漸增加；“三角形”布置與“一”字形布置相比，瓦斯壓力增加速度緩慢。

（2）依據模擬計算結果，結合鉆孔施工過程，最終確定采用“三角形”鉆孔布置方式對掘進工作面前方煤體進行抽采。

（3）現場檢測及監測結果顯示，抽采后煤層鉆屑解吸指標Δh2由60 Pa左右降到40 Pa左右；掘進期間工作面瓦斯濃度始終處于0.4%左右，抽采效果良好。