大直徑鉆孔代替上隅角懸管抽采應(yīng)用效果分析

郝俊忠

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司， 山西 太原 030053）

引言

在煤層開(kāi)采過(guò)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(kāi)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(jiàn)問(wèn)題一直困擾著礦井的正常開(kāi)采，瓦斯問(wèn)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)系著礦井的安全生產(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[1-2]，目前我國(guó)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(wèn)題，但均存在一定的局限性[3-4]，所以本文提出大直徑鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，以孔代巷對(duì)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)提供一定的借鑒。

1 數(shù)值模擬研究

某礦井田南北長(zhǎng)6.3 km，東西長(zhǎng)1.79 km，井田面積11.27 km2?？刹擅簩庸灿? 層，目前礦井主采煤層為2 號(hào)煤層，煤層平均厚度20.84 m，平均傾角4°，根據(jù)礦井瓦斯等級(jí)鑒定結(jié)果發(fā)現(xiàn)，礦井絕對(duì)瓦斯涌出量為272.96 m3/min、絕對(duì)二氧化碳涌出量為26.62 m3/min，相對(duì)瓦斯涌出量為22.04 m3/t、相對(duì)二氧化碳涌出量為2.51 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井。

大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采技術(shù)，是通過(guò)臨近巷道向回風(fēng)巷道定距離施加大直徑鉆孔，通過(guò)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?，達(dá)到瓦斯抽采的目的。

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90 mm，鉆孔長(zhǎng)度為200 mm，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)14 532個(gè)節(jié)點(diǎn)及20 083 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。

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-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa，不同負(fù)壓下鉆孔瓦斯流量如圖1 所示。

圖1 不同負(fù)壓下鉆孔瓦斯流量圖

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，隨著開(kāi)采時(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-15 kPa時(shí)，在第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.073 m3/min，而當(dāng)時(shí)間到30 d 時(shí)，鉆孔瓦斯流量為0.05 m3/min；當(dāng)抽采負(fù)壓為-30 kPa 時(shí)，在第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.084 m3/min，而當(dāng)時(shí)間到30 d 時(shí)，鉆孔瓦斯流量為0.051 m3/min；當(dāng)抽采負(fù)壓為-45 kPa 時(shí)，第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.096 m3/min，而當(dāng)時(shí)間到30 d 時(shí)，鉆孔瓦斯流量為0.054 m3/min。由此可以看出，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-45 kPa 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-30 kPa。

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-30 kPa，鉆孔直徑為90 mm、110 m、130 mm，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(lái)到20 d 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90 mm 時(shí)，第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.083 m3/min，而當(dāng)時(shí)間到30 d 時(shí)，鉆孔瓦斯流量為0.051 m3/min；當(dāng)鉆孔直徑為110 mm 時(shí)，第5 d鉆孔瓦斯流量為0.099 m3/min，而當(dāng)時(shí)間到30 d 時(shí)，鉆孔瓦斯流量為0.061 m3/min；當(dāng)鉆孔直徑為130 mm時(shí)，第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.12 m3/min，而當(dāng)時(shí)間到30 d 時(shí)，鉆孔瓦斯流量為0.063 m3/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。

2 工業(yè)性試驗(yàn)

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130 mm，鉆孔的間距設(shè)定為2 m，鉆孔深度最大值為30 m，當(dāng)鉆孔深度達(dá)到30 m 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(wèn)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-30 kPa，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。

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0.1 m3/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)，與抽采管路在相同時(shí)間位置瓦斯抽采濃度達(dá)到平穩(wěn)。此時(shí)抽采濃度維持在1 m3/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。

圖3 大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測(cè)曲線

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2 000 m3/min 進(jìn)行計(jì)算，每年可抽采730 000 m3，同時(shí)抽采的瓦斯可以作為能源使用。掘進(jìn)巷道1 m 需要成本5 000 元，一條高抽巷需要投入資金230 萬(wàn)元，同時(shí)需要每隔50 m設(shè)置瓦斯聯(lián)絡(luò)巷，所以成本將近300 萬(wàn)元，而大直徑鉆孔施工時(shí)，每個(gè)鉆孔需要4 000 元，100 個(gè)鉆孔共計(jì)需要40 萬(wàn)元?？梢钥闯?，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(wàn)元，所以以孔代巷不僅可以有效解決上隅角瓦斯問(wèn)題，同時(shí)在資金方面，大直徑鉆孔具有更大的優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

1）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-30 kPa。

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130 mm。

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(guò)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。