采煤工作面高位鉆孔抽采采空區瓦斯技術研究

楊程軻

（山西煤炭進出口集團鹿臺山煤業有限公司，山西 沁水 048200）

1 工程概況

山煤集團鹿臺山煤業有限公司2205 工作面地表位于礦區東北部，馮村東北方向兩千米的山區，工作面上覆為山林，無建筑物。工作面所采2#煤層賦存穩定，煤層厚度最大為3.2 m，最小為1.35 m，平均2.2 m。結合2#煤層以往工作面開采情況，工作面平均瓦斯涌出量31.07 m3/min，其中：本煤層高負壓抽采10 m3/min，采空區抽采8.5 m3/min，風排量13.07 m3/min（按0.51%計算，其中：采煤工作面占39.2%，巷道涌出量占14.9%，采空區瓦斯涌出占45.9%）。采煤工作面采用進風順槽、輔助進風順槽雙側順層平行鉆孔進行本煤層抽采瓦斯，采空區抽采采用定向高位鉆孔。往期工作面回采期間，上隅角瓦斯常出現超限情況，影響礦井的安全高效生產，因此，需要進一步提高瓦斯治理效果，加強定向高位鉆孔瓦斯抽采技術優化研究。

2 導氣裂隙帶高度及“O”圈寬度模擬研究

以傳統采空區上覆巖層“三帶”為基礎，許家林教授提出采空區豎直方向瓦斯運移的“三帶”[1]。冒落帶和彎曲下沉帶下半部共同組成“導氣裂隙帶”，主關鍵層下方的彎曲下沉帶上半部為“卸壓解吸帶”，主關鍵層上方巖層為不易解吸帶。導氣裂隙帶內巖層破碎、離層且存在許多豎直方向貫通的裂隙，煤巖體內的瓦斯充分解吸，解吸后的瓦斯可通過裂隙、裂縫運移至回采工作面，是導致工作面風流、上隅角瓦斯濃度升高的重要因素。隨著工作面的回采，采空區中間部分的冒落巖石將重新壓實擠密，中部形成壓實區，采空區四周一定寬度的裂隙區形成“O”形圈。將高位瓦斯鉆孔布置在“O”形圈內，可有效將采空區瓦斯抽出，進而減小工作面及上隅角瓦斯濃度。

為掌握鹿臺山煤礦2205 工作面“O”形圈發育情況，根據工作面巖層的實際賦存情況，采用UDEC 軟件建立模型，模擬研究采空區上覆巖層垮落運移規律，確定導氣裂隙帶高度和“O”形圈寬度。模擬工作面長度方向的切面，模型大小：長500 m，高300 m，模型頂面覆巖厚度約250 m，施加等效載荷6.25 MPa。為避免邊界效應，模型由距左側邊界100 m 處開挖。工作面開挖后，根據上覆巖層裂隙發育及運移情況，將采空區劃分為三個區域：Ⅰ—邊緣裂隙區、Ⅱ—“O”形圈裂隙區、Ⅲ—重新壓實區，選取典型的結果展示如圖1。

圖1 不同工作面長度“O”形圈發育剖面圖

根據圖1 可以看出，隨著工作面長度的增大，上覆巖層發生明顯彎曲下沉的范圍呈增大趨勢，“O”形圈裂隙區的寬度同樣呈增大趨勢。當工作面長度為100 m、150 m 時，導氣裂隙帶發育高度分別為38 m、65 m；工作面長度為200 m、250 m 時，導氣裂隙帶高度分別為79 m、80 m。由此表明，工作面長度大于200 m 后，隨著工作面長度的增大，導氣裂隙帶發育高度不再隨之增大，由此表明2205工作面導氣裂隙帶發育高度為80 m。2205 工作面長度為200 m，根據模擬結果，“O”形圈寬度范圍為距采空區邊緣10～46 m 范圍內。

3 高位瓦斯抽采鉆孔布置層位優化

3.1 高位鉆孔與輔助進風順槽水平距離分析

采空區高位鉆孔與回風巷水平距離對于采空區瓦斯抽采效果具有重要影響，如果距離過近，很可能出現抽出氣體與巷道內氣流連通，無法抽到高濃度瓦斯；如果距離過遠可能位于采空區中部的重新壓實區域，巖石的透氣性較差，抽采量很小，難以達到預想的效果。參閱相關研究成果，抽采鉆孔在水平方向與順槽的距離x應滿足[2]：

結合鹿臺山煤礦2205 工作面具體地質條件，采空區覆巖卸壓角為δ=57°，煤層傾角θ=5°，工作面長度L=200 m，冒落帶高度H為25 m，計算可得13.3 m ≤x≤66.7 m。結合工作面“O”型圈寬度范圍10～46 m，確定高位鉆孔與輔助進風順槽水平距離為14～46 m。

3.2 高位鉆孔垂直層位優化研究

鹿臺山煤礦2205 工作面導氣裂隙帶發育高度為80 m，冒落帶高度為25 m，高位鉆孔垂直層位應為距工作面頂板23～78 m（減去2 m 煤層厚度）范圍內。為確定最佳的抽采層位，采用ANSYSFluent 軟件建立三維數值模擬[3-4]，模擬分析不同層位的抽采效果。采用Desin-Modeler 模塊建立采空區三維模型，工作面采用“兩進一回”通風方式，工作面尺寸為200 m×10 m×3 m，三維模型建立后采用Mesh 軟件進行網格劃分，網格劃分后三維模型如圖2 所示。高位鉆孔水平方向間距6 m，距輔助進風順槽水平距離為14 m，距離輔助進風順槽最遠的為44 m，鉆孔水平方向在同一層位，4 個模擬方案距煤層底板分別為40 m、50 m、60 m、70 m，模擬時抽采負壓25 kPa，觀測不同層位條件下抽采鉆孔瓦斯濃度及工作面瓦斯濃度，整理得到圖3 所示模擬結果。

圖2 三維數值模型

由圖3（a）所示不同層位條件下鉆孔內瓦斯濃度模擬結果可知，相同層位的鉆孔，距離輔助回風順槽越近瓦斯濃度越高，表明采空區中部重新壓實，鉆孔在該區域抽采效果不理想。鉆孔距煤層頂板50 m 時，1#～6#鉆孔內瓦斯濃度為5.6%～17.5%，明顯高于其余3 組鉆孔，說明鉆孔布置在距煤層頂板50 m 層位內，可有效抽采采空區“O”形圈內瓦斯。由圖3（b）所示工作面及巷道內瓦斯濃度模擬結果可以看出，鉆孔層位為40 m、50 m、60 m、70 m時，上隅角瓦斯濃度分別為0.35%、0.44%、0.69%、0.87%，隨著鉆孔層位的增高，上隅角瓦斯濃度逐漸增大，鉆孔層位為40 m、50 m 時上隅角瓦斯濃度較低。綜合考慮鉆孔內瓦斯濃度模擬結果，確定高位鉆孔距煤層頂板最佳垂直距離為50 m。

圖3 高位鉆孔及工作面瓦斯濃度模擬結果（m）

3.3 高位鉆孔布置方案

結合2205 工作面現場實際情況，設計高位鉆孔布置方式如圖4。鉆場布置在2205 輔助進風順槽，首個鉆場布置在距切眼100 m 處，之后每間隔50 m布置一個鉆場，每組6 個鉆孔，鉆孔終孔處距巷幫14～44 m，終孔位置距煤層頂板50 m，采用ZDY-10000L 鉆機施工。

圖4 2205 工作面高位鉆孔布置詳情（m）

4 瓦斯治理效果分析

2205 工作面投入生產后，記錄鉆孔瓦斯抽采量并監測上隅角瓦斯濃度，得到圖5 所示結果。工作面由14.8 m 回采至106.3 m 期間，高位鉆孔最大抽放量為46 023.5 m3，最小抽放量19 483.2 m3，平均抽放量31 246.5 m3，瓦斯抽放量較高且穩定，抽采效果良好。工作面回采期間，上隅角瓦斯濃度最低為0.14%，最高為0.47%，未出現瓦斯超限情況，保障了工作面的安全高效生產。

圖5 鉆孔瓦斯抽采量及上隅角瓦斯濃度變化規律

5 結論

（1）UDEC 數值模擬研究得出，鹿臺山煤礦2205 工作面回采期間，上覆巖層中導氣裂隙帶發育高度為80 m，“O”形圈寬度范圍為距采空區邊界10～46 m。

（2）理論分析計算得到，高位鉆孔與輔助進風順槽水平距離合理范圍14～46 m，高位鉆孔與煤層頂板垂直距離合理范圍23～78 m。模擬研究成果表明，最佳布置層位為距煤層頂板50 m。

（3）2203 工作面回采期間，高位鉆孔瓦斯抽放量穩定在19 483.2～31 246.5 m3之間，上隅角瓦斯穩定在0.14%～0.47%，工作面上隅角未出現瓦斯超限現象，保障了工作面安全回采。