頂板走向長鉆孔瓦斯抽采效果的數值模擬分析

柴少楠

（晉能控股煤業集團大西煤礦，山西 陽城 048105）

瓦斯是煤礦安全生產的重要威脅源，在實際生產針對工作面瓦斯超限的問題可采用礦井通風和瓦斯抽采的方式進行解決。從實踐表明，在開采初期采用瓦斯抽采方式解決瓦斯超限問題的效果遠不如在開采中采用瓦斯抽采。近年來，隨著鉆孔設備的不斷改進及其相關關鍵技術的支撐，在頂板走向采用長鉆孔的方式得到廣泛應用[1]。該方式與傳統的高抽巷抽采瓦斯具有成本低、施工周期短以及支護簡單的優勢。本文重點開展頂板走向長鉆孔瓦斯抽采技術的工程應用。

1 工程概況

為提升頂板長走向鉆孔瓦斯抽采技術的應用效果，重點對所應用的工作面的基本情況及瓦斯的涌出及運移規律進行研究。

1.1 工作面概況

以山西焦煤下屬的一座煤礦為例開展研究，該煤礦預計煤炭儲量可達2 億t。目前，該工作面由三個煤層同時開采。在2017 年對該煤礦的瓦斯等級進行了重新的鑒定，經探測可知該煤礦瓦斯的相對涌出量為21.67 m3/t，瓦斯的絕對涌出量為55.10 m3/min。

具體以該煤礦的9 號綜采工作面為開展研究。9號綜采工作面煤層的厚度范圍為1.3～1.8 m，煤層平均厚度為1.5 m；工作面煤層的平均傾角為6°，煤層傾角范圍為2°-12°。9 號綜采工作面的走向長度約為1.2 km，其中傾斜工作面的長度約160 m。9號綜采工作面的頂底板情況如表1 所示。

表1 9 號綜采工作面頂底板情況

目前，9 號綜采工作面所采用的通風方式為U型通風，其中，進風巷為材料巷，回風巷為運輸巷。經測量，材料進風巷的風量約為1 190 m3/min，運輸回風巷的風量約為11 560 m3/min。

1.2 工作面瓦斯涌出及運移規律分析

從理論上講，綜采工作面瓦斯的涌出量包括有鄰近層、采空區層以及所屬實際煤層。對于9 號綜采工作面而言，其工作面實際瓦斯涌出量僅包含本煤層和采空區所涌出的瓦斯量。經測量，本煤層實際瓦斯涌出量為7.35 m3/min；采空區瓦斯涌出量為7.24 m3/min。即，9 號綜采工作面的瓦斯總涌出量為14.56 m3/min。因此，需重點對本煤層和采空區的瓦斯進行抽采。

由于瓦斯的密度僅為空氣的一半，采空區的瓦斯從巖層和煤層中析出后將會不斷上浮至工作面上方并產生積聚現象[2]。同時，采空區的瓦斯由高濃度區域擴散至低濃度區域，最終達到了整個區域瓦斯濃度穩定。

2 頂板走向長鉆孔瓦斯抽采的數值模擬研究

結合工作面瓦斯的運移規律可知，大部分瓦斯將會聚集在裂隙帶中。因此，為保證最終瓦斯的抽采效果主要對工作面裂隙帶的瓦斯進行抽采。此外，對于頂板走向長鉆孔瓦斯抽采工藝而言，頂板長鉆孔的終孔位置將直接決定瓦斯抽采的效果。綜合9 號綜采工作面的地質條件和瓦斯分布情況，將頂板長鉆孔布置于裂隙帶偏下的位置為最佳。同時，初步確定頂板長鉆孔的高度位置應為距離工作面底板8～30 m的范圍之內；終鉆孔的位置應距離回風巷水平距離6～55 m 的范圍之內。為縮小上述最佳鉆孔的布置范圍，本節將采用數值模擬手段對參數進行優化。

2.1 模型的搭建

基于ICEM 軟件對工作面的三維幾何模型進行搭建，并對所搭建的模型結合工作面的實際情況進行參數設置；根據工作面實際情況設定的邊界條件如下：

1）設定工作面進風巷的風速為2.6 m/s；

2）結合現場壓力的實測值，設定工作面回風巷的出口壓力為-165 Pa；

所搭建的數值模擬模型如圖2 所示：

圖2 綜采工作面瓦斯抽采數值模擬模型

2.2 頂板走向長鉆孔瓦斯抽采參數的優化

頂板走向長鉆孔瓦斯抽采參數包括有鉆孔位置的確定（垂直和水平距離）以及抽采負壓，具體對上述三項參數進行優化確定。

2.2.1 鉆孔垂直距離的優化

在前期研究的基礎上，分別對鉆孔距離底板間距為9 m、12 m、15 m、18 m 以及21 m 的情況下工作面的瓦斯分布情況進行對比。其中，對應的鉆孔抽采負壓為10 kPa，鉆孔距離回風巷的水平距離為8 m。經數值模擬分析，得出鉆孔的不同垂直距離對應的工作面瓦斯上隅角的瓦斯濃度和瓦斯抽采純量如表2 所示。

表2 鉆孔不同垂直距離的數值模擬結果

如表2 所示，隨著鉆孔抽采垂直距離的增加，工作面上隅角瓦斯濃度增加；同時，當鉆孔垂直距離為18 m 和21 m 時上隅角的瓦斯濃度已經超過《煤炭安全規程》所規定的瓦斯安全閾值[3]。而且，當垂直距離為15 m 時對應的瓦斯抽采純量最大，為5.78 m3/min。因此，綜上所述確定鉆孔距離底板的最佳參數為15 m。

2.2.2 鉆孔水平距離的優化

在前期研究的基礎上，分別對鉆孔距離回風巷水平間距為6 m、8 m、10 m 以及12 m 的情況下工作面的瓦斯分布情況進行對比。其中，對應的鉆孔抽采負壓為10 kPa，鉆孔距離底板的垂直距離為15 m。經數值模擬分析，得出鉆孔的不同水平離對應的工作面瓦斯上隅角的瓦斯濃度和瓦斯抽采純量如表3所示。

表3 鉆孔不同水平距離的數值模擬結果

如表3 所示，隨著鉆孔抽采水平距離的增加，工作面上隅角瓦斯濃度增加；同時，當鉆孔水平距離為12 m 時上隅角的瓦斯濃度已經超過《煤炭安全規程》所規定的瓦斯安全閾值。而且，當水平距離為8 m 時對應的瓦斯抽采純量最大，為5.79 m3/min。因此，綜上所述確定鉆孔距離回風巷的最佳參數為8 m。

2.2.3 抽采負壓參數的優化

在前期研究的基礎上，分別對抽采負壓為7 kPa、10 kPa、13 kPa、16 kPa 以及19 kPa 的情況下工作面的瓦斯分布情況進行對比。其中，對應的鉆孔的水平距離為8 m，鉆孔距離底板的垂直距離為15 m。經數值模擬分析，得出鉆孔的不同水平離對應的工作面瓦斯上隅角的瓦斯濃度和瓦斯抽采純量如表4 所示。

表4 不同抽采負壓的數值模擬結果

如表4 所示，隨著抽采負壓的增加對應的工作面上隅角瓦斯濃度減小，瓦斯抽采純量增加。即，僅考慮抽采效果抽采負壓越高越好。但是，進一步分析表4 可知，當13 kPa 繼續增大時，瓦斯抽采純量增加不明顯；同時，抽采負壓越高與可能導致工作面漏風及安全性降低[4]。因此，綜合考慮最終確定瓦斯抽采負壓為13 kPa。

3 結語

瓦斯是影響工作面安全生產的主要威脅之一。本文針對瓦斯抽采技術中的頂板走向長鉆孔瓦斯抽采參數進行優化，并分別得出9 號綜采工作面的最佳抽采參數，并總結如下：

1）9 號綜采工作面的瓦斯由本煤層和采空區所析出的瓦斯組成；

2）頂板走向長鉆孔瓦斯抽采鉆孔的垂直最佳距離為15 m，水平最佳距離為8 m，抽采負壓最佳為13 kPa。