大直徑煤柱鉆孔抽采工作面上隅角瓦斯技術研究

閆秀軍

（山西焦煤西山煤電集團公司官地礦 ，山西 太原 030022）

官地礦針對采煤工作面上隅角瓦斯治理主要采用埋管抽采的方式，該方法會造成大量瓦斯抽放管路埋入采空區(qū)內，導致回采成本增高，且埋管抽采時鉆孔易積水、堵塞，抽放系統(tǒng)穩(wěn)定性差[1-4]。本文以36406 工作面為工程背景，采用大直徑煤柱鉆孔抽采技術替代埋管抽采，通過大直徑鉆孔抽采治理回采工作面采空區(qū)瓦斯，以有效降低上隅角區(qū)域瓦斯?jié)舛龋〉昧肆己眯Ч?/p>

1 工程概況

官地煤礦屬高瓦斯礦井，礦井絕對瓦斯涌出量為 92. 88 m3/min，相對瓦斯涌出量為 12. 73 m3/t。6#煤層均厚為2.8 m，平均傾角6°，煤層透氣性系數(shù)在0. 57～2. 13 m2/MPa2·d。36406工作面位于北四新區(qū)，工作面布置位置如圖1 所示。工作面絕對瓦斯涌出量為 8. 62 m3/min，工作面采用順層鉆孔+高位鉆孔的方式進行本煤層及鄰近層的瓦斯治理，采用采空區(qū)埋管抽采采空區(qū)瓦斯。為防止工作面回采期間出現(xiàn)上隅角區(qū)域瓦斯超限現(xiàn)象，針對采空區(qū)埋管抽采效果不理想的情況，擬研究采用大直徑煤柱鉆孔進行上隅角區(qū)域瓦斯抽采治理。

圖1 36406 工作面平面圖

2 采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

為掌握36406 工作面采空區(qū)內的瓦斯運移規(guī)律，根據(jù)工作面的賦存及開采條件，采用Fluent 數(shù)值模擬軟件，建立數(shù)值模型進行模擬分析。模型中設置回采工作面的尺寸為長×寬×高=180 m×3.5 m×3 m，采空區(qū)的尺寸為長× 寬× 高=180 m×200 m×3 m，采空區(qū)模型采用多孔介質進行模擬，模型中根據(jù)采空區(qū)垮落帶和裂隙帶進行模擬[5-7]。根據(jù)煤層瓦斯賦存情況，設置煤層瓦斯壓力梯度為1.69 MPa，工作面風流由進風巷進入，回風巷流出，設置進風配風量為710 m3/min。

數(shù)值模型的主要模擬方案為通過在煤柱布置直徑為380 mm、孔深為20 m 的抽采鉆孔，分別分析采空區(qū)在未采取抽采措施時、在距工作面15 m 布置一個抽采鉆孔、在距工作面15 m、30 m 布置兩個抽采鉆孔、在距工作面15 m、30 m、45 m 布置三個抽采鉆孔時采空區(qū)瓦斯的分布情況。具體模擬結果如圖2。

圖2 無抽采和大直徑鉆孔抽采時采空區(qū)瓦斯分布云圖

分析圖2 可知，在采空區(qū)未采取抽采措施時，隨著采空區(qū)埋深的增大，采空區(qū)內的瓦斯?jié)舛纫苍诓粩嘣龃螅煽諈^(qū)深部由于不受漏風風流影響，出現(xiàn)一定程度的瓦斯積聚；工作面回采期間，上隅角區(qū)域的瓦斯?jié)舛然驹?%～5%的范圍內，即回采期間上隅角區(qū)域瓦斯一直處于超限狀態(tài)。因此，工作面回采期間必須對采空區(qū)瓦斯進行抽采作業(yè)。從圖中能夠看出，采空區(qū)采用大直徑鉆孔抽采后，當布置一處大直徑抽采鉆孔時，回采期間上隅角區(qū)域的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)了明顯降低；當布置兩處大直徑抽采鉆孔時，采空區(qū)內10～20 m 范圍內的瓦斯?jié)舛却蠓陆担咚節(jié)舛冉档椭?%～5%，上隅角瓦斯始終小于0.8%；當采用三處大直徑鉆孔抽采時，抽采區(qū)域瓦斯?jié)舛冗M一步下降，上隅角區(qū)域瓦斯始終保持在0.7%以下，抽采效果顯著。

結合工作面特征，確定采空區(qū)采用大直徑煤柱鉆孔抽采期間鉆孔布置間距為15 m，每次布置三處大直徑鉆孔同時進行抽采作業(yè)。

3 抽采方案及效果

3.1 上隅角瓦斯抽采方案

36406 工作面采用大直徑煤柱鉆孔進行上隅角的瓦斯治理作業(yè)，煤柱鉆孔治理上隅角瓦斯技術主要是利用抽采負壓來改變上隅角區(qū)域的瓦斯流場，通過抽采在上隅角區(qū)域形成一個負壓區(qū)，進而使得上隅角區(qū)域的瓦斯向大直徑鉆孔處移動，最后進入礦井低負壓瓦斯抽采系統(tǒng)，進而改變上隅角風流流場，避免瓦斯在上隅角區(qū)域積聚。根據(jù)采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的分析結果，設計在36406 工作面瓦斯治理巷布置煤柱鉆孔進行采空區(qū)瓦斯的抽采，具體抽采方案如下：

（1）煤柱鉆孔參數(shù)。鉆孔由瓦斯治理巷向正巷方向施工，方位角定為90°（鉆孔與煤壁順時針方向的夾角），終孔位置為離36406 工作面正巷頂板300 mm 處，開孔位置：從36406 工作面瓦斯治理巷末端開始依次往瓦斯治理巷口施工，孔口離底板1.5 m，鉆孔直徑為380 mm，鉆孔長度為20 m。具體大直徑鉆孔參數(shù)見表1。

表1 大直徑鉆孔參數(shù)表

大直徑瓦斯抽采鉆孔的布置方式如圖3。

圖3 36406 工作面煤柱鉆孔布置平面圖

（2）煤柱孔封孔及封堵工藝。① 封孔工藝。鉆孔采用套筒+水泥砂漿封孔。鉆孔成孔后，用鉆機往鉆孔里下325 mm 的套筒，套筒每根1 m。套筒與煤壁的間隙用水泥砂漿進行封孔，下完套筒之后的大孔徑鉆孔用Φ325 mm 的抽采軟彎頭和蝶閥帶入低濃抽采系統(tǒng)中，蝶閥另一端連接350 mm 不銹鋼瓦斯抽采管，350 mm 不銹鋼瓦斯管與36406 工作面瓦斯治理巷最近的不銹鋼瓦斯抽采管的350 mm三通進氣口連接。② 封堵工藝。使用完畢的煤柱鉆孔采用馬麗散封堵劑對煤柱鉆孔進行封堵，封堵深度為10 m，并對封堵完畢的煤柱鉆孔進行檢查，發(fā)現(xiàn)有漏氣情況的進行重新封堵，直到封堵合格為止。

（3）在36406 工作面瓦斯治理巷敷設一趟直徑為325 mm 的低濃瓦斯抽采管路，通過三通連接波紋管穿入380 mm煤柱鉆孔進入采空區(qū)抽采瓦斯。巷道末端的前三組鉆孔將帶入采空區(qū)，隨工作面的推進不斷移動。工作面每推進15 m，在綜采工作面檢修班安排人員連接下一個煤柱鉆孔，始終保持三組煤柱鉆孔帶抽采空區(qū)，以此類推。管路敷設如圖4。

圖4 煤柱抽采管路布置示意圖

3.2 效果分析

礦井安裝的低負壓抽放泵站在正常工作時抽放總流量約為 854 m3/min，工作面上隅角低負壓抽放流量約為110 m3/min。

大直徑煤柱鉆孔抽采方案應用后，在工作面回采期間進行抽采濃度及純量的監(jiān)測分析，并對工作面區(qū)域瓦斯?jié)舛冗M行測試，結果見表2。

表2 大直徑鉆孔抽采數(shù)據(jù)及工作面瓦斯情況表

分析表2 可知，大直徑鉆孔抽采濃度及抽采純量均較高，工作面回采期間，上隅角區(qū)域及回風巷內的瓦斯?jié)舛确謩e保持在0.3%以下，抽采效果顯著。

4 結論

（1）根據(jù)36406 工作面賦存情況，通過Fluent數(shù)值模擬軟件進行采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律的模擬分析，基于模擬結果確定采空區(qū)采用大直徑煤柱鉆孔抽采期間鉆孔布置間距為15 m，每次布置三處大直徑鉆孔同時進行抽采作業(yè)。

（2）基于大直徑煤柱鉆孔抽采原理，具體設計抽采方案，確定鉆孔直徑、長度、角度、封孔及封堵工藝等參數(shù)。抽采方案應用后效果顯著，有效解決了上隅角區(qū)域瓦斯易超限的問題。