大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯治理技術(shù)研究

李棟龍

（太原市宏宇煤炭技術(shù)咨詢有限公司，山西 太原 030000）

隨著礦井采掘年限和開采深度的不斷增加，開采深度及開采難度均呈增大趨勢(shì)。在煤層開采過程中，由于工程擾動(dòng)，使得工作面極易出現(xiàn)礦井災(zāi)害，所以如何解決限制礦井開采的難題成為了學(xué)者重要的研究課題。瓦斯災(zāi)害作為礦井常見問題一直困擾著礦井的正常開采，瓦斯問題一旦出現(xiàn)將會(huì)造成極為嚴(yán)重的安全事故，所以及時(shí)將瓦斯進(jìn)行抽采關(guān)系這礦井的安全生產(chǎn)。采空區(qū)的瓦斯是回采工作面瓦斯的重要組成部分，上隅角的瓦斯治理是礦井生產(chǎn)的重中之重[1]，目前我國對(duì)采空區(qū)上隅角瓦斯治理的技術(shù)主要有高位鉆孔抽采、埋管抽采等，上述方法雖然能夠一定程度上解決瓦斯問題，但均存在一定的局限性[2]，所以本文以曹家山礦80103工作面為工程背景，采用大直徑鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，以孔代巷對(duì)工作面采空區(qū)上隅角瓦斯進(jìn)行抽采，有效降低了工作面上隅角瓦斯?jié)舛龋瑸榈V井安全生產(chǎn)做出一定的貢獻(xiàn)與借鑒。

1 礦井概況

曹家山礦位于山西呂梁柳林縣城東南7km處曹家山村一帶，井田面積8.45km2，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力90×104t，可采煤層共有開采4#、8#、10#煤層，80103工作面現(xiàn)主要開采8#煤層，煤層平均厚度5.9m，平均傾角4°，正常生產(chǎn)期間礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為15.08m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為7.71m3/t，采煤工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為8.50m3/min，掘進(jìn)工作面最大絕對(duì)瓦斯涌出量為0.27m3/min，測(cè)定為高瓦斯礦井。

大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采技術(shù)，是通過臨近巷道向回風(fēng)巷道定距離施加大直徑鉆孔，通過鉆孔與瓦斯抽采系統(tǒng)的連接，改變上隅角瓦斯流場(chǎng)特性，從而降低上隅角瓦斯?jié)舛龋_(dá)到瓦斯抽采的目的。

2 數(shù)值模擬研究

首先對(duì)鉆孔抽采上隅角瓦斯進(jìn)行數(shù)值模擬研究，采用fluent 數(shù)值模擬軟件進(jìn)行順層鉆孔瓦斯抽采模型的建立，模型的鉆孔直徑設(shè)定為90mm，鉆孔長(zhǎng)度為200mm，對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為了保證計(jì)算精度同時(shí)降低計(jì)算時(shí)間，將鉆孔周邊進(jìn)行細(xì)化分，在距離鉆孔較遠(yuǎn)位置進(jìn)行粗劃分，完成網(wǎng)格劃分后共計(jì)14532個(gè)節(jié)點(diǎn)及20083個(gè)網(wǎng)格單元。將模型設(shè)定為多孔介質(zhì)模型，對(duì)不同參數(shù)下的瓦斯抽放效果進(jìn)行分析[3]。

首先對(duì)不同抽采負(fù)壓下鉆孔瓦斯流量進(jìn)行分析，選定抽采負(fù)壓為-15kPa、-30kPa、-45kPa，不同負(fù)壓下鉆孔瓦斯流量如圖1所示。

從圖1可以看出，不同抽采負(fù)壓下鉆孔瓦斯流量隨時(shí)間的變化趨勢(shì)大致相同，隨著時(shí)間的增加，鉆孔內(nèi)部瓦斯流量逐步降低，當(dāng)抽采負(fù)壓為-15kPa 時(shí)，在第5d 鉆孔瓦斯流量為0.073m3/min，而當(dāng)時(shí)間來到30d時(shí)，此時(shí)的鉆孔瓦斯流量為0.05m3/min；當(dāng)抽采負(fù)壓為-30kPa時(shí)，此時(shí)在第5d鉆孔瓦斯流量為0.053m3/min，而當(dāng)時(shí)間來到30d 時(shí)，此時(shí)的鉆孔瓦斯流量為0.051m3/min；當(dāng)抽采負(fù)壓為-45kPa時(shí)，此時(shí)在第5d鉆孔瓦斯流量為0.096m3/min，而當(dāng)時(shí)間來到30d時(shí)，此時(shí)的鉆孔瓦斯流量為0.054m3/min。可以看出隨著抽采負(fù)壓的增大，此時(shí)鉆孔內(nèi)部瓦斯流量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)抽采達(dá)到平穩(wěn)后，鉆孔內(nèi)部瓦斯流量相差不大，所以在保證鉆孔密封性的同時(shí)，盡量增大抽采負(fù)壓，考慮到當(dāng)抽采負(fù)壓為-45kPa 時(shí)，此時(shí)密封要求難以達(dá)到，所以選定最佳抽采負(fù)壓為-30kPa。

圖1 不同負(fù)壓下鉆孔瓦斯流量圖

對(duì)不同鉆孔直徑下瓦斯流量進(jìn)行分析，選定抽采負(fù)壓為-30kPa，鉆孔直徑為90mm、110m、130mm，不同鉆孔直徑下瓦斯流量如圖2所示。

圖2 不同鉆孔直徑下瓦斯流量圖

從圖2可以看出，不同鉆孔直徑下鉆孔內(nèi)部瓦斯流量隨著時(shí)間的增大呈現(xiàn)逐步降低的趨勢(shì)。在抽采初期，鉆孔直徑對(duì)于瓦斯抽采影響較大，當(dāng)抽采時(shí)間來到20d時(shí)，此時(shí)的瓦斯流量與鉆孔直徑之間的影響關(guān)系減弱。當(dāng)鉆孔直徑為90mm 時(shí)，此時(shí)的第5d 鉆孔瓦斯流量為0.083m3/min，而當(dāng)時(shí)間來到30d時(shí)，此時(shí)的鉆孔瓦斯流量為0.051m3/min；當(dāng)鉆孔直徑為110mm 時(shí)，此時(shí)的第5d 鉆孔瓦斯流量為0.099m3/min，而當(dāng)時(shí)間來到30d 時(shí)，此時(shí)的鉆孔瓦斯流量為0.061m3/min；當(dāng)鉆孔直徑為130mm時(shí)，此時(shí)的第5d鉆孔瓦斯流量為0.12m3/min，而當(dāng)時(shí)間來到30d 時(shí)，此時(shí)的鉆孔瓦斯流量為0.063m3/min。可以看出隨著鉆孔直徑的增大，瓦斯抽采效果較佳，所以在條件允許下，盡量將鉆孔增大，達(dá)到組鉆孔瓦斯抽放效果[4]。

3 試驗(yàn)效果分析

為驗(yàn)證大直徑鉆孔代替上隅角懸管抽采效果，曹家山礦在80103 工作面對(duì)大直徑鉆孔抽采瓦斯進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，首先布置大功率EH260 鉆機(jī)進(jìn)行預(yù)抽孔設(shè)置，鉆孔的直徑選定130mm，鉆孔的間距設(shè)定為2m，鉆孔深度最大值為30m，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到30m時(shí)，立即停止鉆孔。在鉆孔完成后進(jìn)行套管下放，在鉆成的鉆孔內(nèi)放入套管，避免出現(xiàn)鉆孔塌陷等問題，對(duì)鉆孔進(jìn)行封堵，選定JD-WFK-2 型速膨脹封孔劑進(jìn)封孔，保證鉆孔氣密性，設(shè)定抽采負(fù)壓為-30kPa，進(jìn)行鉆孔內(nèi)部瓦斯抽采監(jiān)測(cè)，大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測(cè)曲線

抽采管路內(nèi)濃度、上隅角瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪侩S時(shí)間變化趨勢(shì)如圖3所示，當(dāng)抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.1%左右時(shí)，此時(shí)隨著80103工作面的不斷推進(jìn)，使得空區(qū)范圍逐步擴(kuò)大，此時(shí)抽采管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出增加的趨勢(shì)，當(dāng)抽采時(shí)間達(dá)到一定時(shí)間后，此時(shí)的抽采管管路內(nèi)部瓦斯?jié)舛染S持在1.2%左右；上隅角的瓦斯抽采量初始時(shí)為0.1m3/min左右，隨著工作面的推進(jìn)上隅角瓦斯抽采量呈現(xiàn)快速增大的趨勢(shì)，與抽采管管路在相同時(shí)間位置瓦斯抽采濃度達(dá)到平穩(wěn)[9]。此時(shí)抽采濃度維持在1m3/min，可以看出，當(dāng)使用大直徑鉆孔進(jìn)行上隅角瓦斯抽采時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2%，抽放效果較佳。

對(duì)大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽放的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分析，按照抽采平均瓦斯量為2000m3/min 進(jìn)行計(jì)算，每年可抽采730000m3，同時(shí)抽采的瓦斯可以作為能源使用。掘進(jìn)巷道1m需要成本5000元，一條高抽巷需要投入資金230 萬元，同時(shí)需要每隔50m設(shè)置瓦斯聯(lián)絡(luò)巷，所以成本將近300 萬元，而大直徑鉆孔施工時(shí)，每個(gè)鉆孔需要4000 元，100 個(gè)鉆孔共計(jì)需要40 萬元，可以看出，選定大直徑鉆孔對(duì)上隅角瓦斯進(jìn)行抽放共計(jì)可以節(jié)省260萬元，所以以孔代巷不僅可以有效解決上隅角瓦斯問題，同時(shí)在資金方面，大直徑鉆孔具有更大的優(yōu)勢(shì)[5]。

4 結(jié)論

（1）為驗(yàn)證抽采效果，曹家山礦對(duì)不同抽采負(fù)壓下鉆孔瓦斯流量進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著抽采負(fù)壓的增大，此時(shí)鉆孔內(nèi)部瓦斯流量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，選定最佳抽采負(fù)壓為-30kPa。

（2）對(duì)不同鉆孔直徑下瓦斯流量進(jìn)行分析，看出隨著鉆孔直徑的增大，瓦斯抽采效果較佳，所以在條件允許下，盡量將鉆孔增大，達(dá)到組鉆孔瓦斯抽放效果，本文選定最佳鉆孔直徑為130mm。

（3）當(dāng)使用大直徑鉆孔進(jìn)行上隅角瓦斯抽采時(shí)，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2%，抽放效果較佳。同時(shí)通過對(duì)比經(jīng)濟(jì)效益驗(yàn)證了大直徑鉆孔瓦斯抽采的優(yōu)越性。