永定莊礦瓦斯抽放工藝參數優化設計與應用

蘇建秀

（晉能控股煤業集團 永定莊煤業有限責任公司，山西 大同 037003）

0 引 言

隨著永定莊礦長期開采，工作面瓦斯量需要嚴格控制，防止因瓦斯濃度過高造成安全事故。81306 工作面瓦斯濃度超限區域主要集中在上隅角位置，降低上隅角瓦斯濃度可引入高位鉆孔瓦斯抽采工藝，大量學者與科研團隊開展了高位鉆孔瓦斯抽采工藝的研究。文獻[1]使用了動態三維建模的方法，對不同高度的孔位瓦斯抽采效果進行對比分析，證明了高位鉆孔良好的瓦斯抽采效果[1]。文獻[2]通過仿真軟件對高位鉆孔的參數配置進一步分析，給出了仰角、方位角、鉆孔深的最佳參數搭配。當前的主要研究成果，針對高瓦斯煤層抽采參數分析較少，無法滿足81306 工作面使用要求，因此采用理論分析與實地應用相結合的方式，開展瓦斯抽放工藝研究。

1 地質概況

永定莊礦承擔主要開采任務的81306 工作面平均傾角為5°，煤層厚度約6.70 m，延回撤通道向切眼方向煤層由厚變薄。工作面設計長260 m，推進距離長2 745 m，煤層平均夾矸4～5 層，夾矸厚度最大不超0.7 m，煤種類別為氣煤。81306 工作面煤層的可采系數為1，變異系數27.5%，煤層整體比較穩定。瓦斯氣體含量約4.5 m3/t，預估最大瓦斯絕對涌出量20.5 m3/min，瓦斯氣體壓力值不超0.36 MPa?，F行的瓦斯抽放方法為本煤層預抽與高位鉆孔相結合。

2 瓦斯抽放參數優化

高位鉆孔抽放就是提前對工作面的瓦斯進行抽放，瓦斯氣體經由煤層開采頂板形成的縫隙通道排出工作面，并在煤壁高位鉆孔排除上隅角淤積的瓦斯氣體[3]。

為了研究高位瓦斯抽放工藝的參數優化方法，將各參數間關系表示為圖1。其中標注了鉆孔軸線投影長度、鉆孔終點投影點與風巷間的長度、鉆孔終點到頂板的垂直距離、鉆孔的深度、鉆孔傾斜角等參數。

圖1 高位鉆孔主要參數關系圖Fig.1 Relationship diagram of main parameters of high-level borehole

參考永定莊煤礦的井下地質情況，81306 工作面冒落帶高選定為12.3～0.8 m，裂隙帶高選定為55.6～75.1 m。同時，還需要結合抽放有效距離與鉆孔始抽距離進行優化，最終確定高位鉆孔抽放參數值，具體如下。

（1）鉆場間距。鉆場間距的設定，需要是為了確保高濃度瓦斯氣體合理抽放，最佳的狀態為前一個鉆場的高濃度終點與有一個鉆場的高濃度起點相重合，這樣可保證高濃度氣體最大限度抽放[4]。綜合考慮81306 工作面的高位鉆孔深度與孔徑大小，將鉆場間距的取值選定為150 m。

（2）鉆孔數量。鉆場間距為150 m 的基礎上，合理的鉆孔數量為3～4 個。

（3）鉆孔間距。鉆孔的排列方向需與煤層傾角方向一致，鉆孔間距為5 m 左右。

（4）鉆孔深度。鉆場內的深度如果不一致，將會出現渦流現象，故需確保鉆孔保持同一深度。

結合上述分析，在81306 工作面共布置4 個鉆場，1～3 號鉆場為定向鉆孔，孔深300 m，4 號鉆場為常規鉆場，孔深160～175 m。4 個鉆場共設置高位鉆孔15 個，負責1 號回風巷、15、17、19 聯巷的氣體抽放，高位鉆孔示意如圖2 所示。

圖2 高位鉆孔示意Fig.2 High position drilling

為了檢驗81306 工作面瓦斯抽采效果，在1、2、3、4 號鉆場分別檢測瓦斯抽采濃度與流量變化情況，并取其平均值，可以得到，1 號、3 號鉆場的瓦斯抽采濃度均值比較大，達到17%以上，在這2 個鉆場中3 號、4 號鉆孔的瓦斯抽采濃度值最大；2 號鉆場瓦斯抽采濃度均值在8%左右，濃度值適中；4 號鉆場瓦斯抽采濃度平均值最小，不超過2%。

通過瓦斯濃度抽采濃度均值，可以得到各鉆孔抽放效果。1 號鉆場與3 號鉆場的抽放效果最好，其中1 號鉆場的瓦斯抽采均值0.26 m3/min；3 號鉆場瓦斯抽采均值約1.0 m3/min；2 號鉆場瓦斯抽放效果則較為一般，瓦斯抽采均值約0.3 m3/min；4號鉆場瓦斯抽采效果最差，瓦斯抽采均值低于0.1 m3/min。

進一步分析可得出：①定向鉆孔比常規的高位鉆孔鉆進軌跡更易控制，且定向鉆孔鉆進距離更深，瓦斯氣體抽放效果更好，氣體抽采濃度也更大；②鉆孔與底板距離不同，抽放效果也不同，距離底板30 m 高度鉆孔氣體抽采濃度更大，效果更好，距離底板20 m 高度的鉆孔效果則相對較差；③在1 號鉆場與3 號鉆場中，距離回風巷巷幫30 m 左右的氣體抽采效果不明顯，瓦斯濃度值變化不大。

3 工作面瓦斯運移規律數值模擬

為了更加直觀了解81306 工作面采空區瓦斯運移規律，引入Fluent 數值模擬軟件，借助于該軟件可對采空區抽采前和抽采后的瓦斯運移特性進行仿真，將不同瓦斯濃度變化情況通過各類顏色進行標記[5-6]。設定工作面長度值為260 m，供風量值為2 100 m3/min，平均抽放負壓值為9 000 Pa，瓦斯濃度取值30%。采空區抽采前瓦斯濃度分布情況如圖3 所示。

圖3 采空區抽采前瓦斯濃度分布情況Fig.3 Gas concentration distribution before goaf drainage

由圖3 可看出，未進行瓦斯抽采時，進風巷比回風巷瓦斯氣體濃度更低一些，而采空區內的瓦斯氣體濃度相比進風巷與回風巷則高出很多。對采空區內瓦斯氣體濃度進行分析，采空區靠近工作面的中央區域瓦斯濃度相對低，遠離中央區域的瓦斯濃度相對高一些，整體呈現兩邊高、中間低的馬鞍狀分布。造成這一現象的原因是，工作面采空區漏風，垮落帶附近的瓦斯濃度更低。在工作面推進方向上，采空區的瓦斯氣體濃度逐漸增大；在工作面豎直方向上，瓦斯氣體濃度自上而下逐漸減小，并且冒落帶的瓦斯氣體濃度比裂隙帶更低一些。

使用高位鉆孔抽放方法對采空區瓦斯氣體進行抽采，觀察瓦斯氣體濃度變化情況，可得到圖4 抽采后瓦斯濃度分布情況。

圖4 采空區抽采后瓦斯濃度分布情況Fig.4 Gas concentration distribution after goaf drainage

由圖4 可以看出，回風巷的瓦斯氣體濃度大幅減小，采空區中央區域同樣降幅明顯。此外，在采空區水平方向經過鉆孔的氣體抽放，未抽放前的馬鞍狀分布情況得到大大緩解，證明了高位鉆孔負壓抽放效果良好。

4 效果分析

進行為期5 個月的現場測試，完成了81306 工作面掘進過程中的瓦斯濃度值、抽放純量值記錄，將該過程中的瓦斯濃度值、抽放純量值通過折線圖進行記錄，得到曲線圖如圖5 所示。

圖5 工作面掘進過程瓦斯濃度值與抽放純量變化情況Fig.5 The change of gas concentration value and drainage purity in the tunneling process of working face

由圖5 可以看出，高位鉆孔抽放從第64 d 開始，在第105 d 達到峰值。自高位鉆孔抽放開始以后，抽放純量由0.5 m3/min 增大到8 m3/min，相應的瓦斯氣體濃度也從2%增大到30%。從第105 d開始，瓦斯氣體濃度與抽放純量呈逐步減小趨勢，抽放純量在一段時間穩定在5 m3/min 附近，瓦斯氣體濃度穩定在18%附近，直至第205 d 后，瓦斯氣體濃度與抽放純量進一步減小。具體參數值見表1。

表1 工作面月平均瓦斯抽放量、涌出量統計Table 1 Monthly average gas drainage and emission statistics of working face

通過表1 數據可得出，在現場測試期間，高位鉆孔抽放瓦斯量范圍為4.26～6.39 m3/min，風排瓦斯量范圍為2.36～4.21 m3/min，風量由最初的1 220 m3/min 降至980 m3/min。高位轉孔瓦斯抽放技術的應用，使得工作面的瓦斯抽放純量均值達到4.05 m3/min，抽放氣體濃度均值達到15.7%，抽放率均值達55.9%，使得工作面上隅角與回風瓦斯超限狀況得到緩解，瓦斯超限隱患得到解決。

5 結 論

論文針對永定莊礦81306 工作面上隅角與回風瓦斯超限問題，引入的高位鉆孔抽放技術，經理論分析、模型仿真與現場測試，證明了該技術的實用性與有效性，具有一定推廣價值。

（1）通過理論推導，給出了高位瓦斯抽放技術的優化參數方案，明確了鉆場間距、鉆孔數量、鉆孔間距與鉆孔深度參數值。

（2）借助Fluent 模擬軟件對81306 工作面瓦斯運移規律開展建模仿真，得到了高位瓦斯抽放技術的抽采濃度變化模型，經模擬仿真，回風隅角的瓦斯濃度將至1%以下。

（3）現場測試結果證明了高位轉孔瓦斯抽放技術的應用，使得工作面的瓦斯抽放純量均值達到4.05 m3/min，抽放氣體濃度均值達到15.7%，抽放率均值達55.9%，工作面瓦斯超限隱患得到解決。