關于佛洼8309工作面布孔方式優化研究

＊馮遠照

（華陽集團新景公司 山西 045008）

引言

對于多數準備工作面，在采前進行區域性的防突措施是降低工作面煤體瓦斯含量，保證回采工作面安全施工的一項前置工程[1]。一般采用順層鉆孔抽采的方式進行，在鉆孔施工過程中，布孔方式是影響抽采效果和工程量的重要因素，不同布孔方式的差異在于鉆孔位置和孔間距的不同[2]。在查閱大量的相關文章基礎上得出：倘若同時使用不止一個鉆孔對處于同一排的煤層進行瓦斯抽采時，會引發“蝴蝶效應”，即鉆孔在進行抽采的過程中產生震動，這種震動在幫助順利抽采瓦斯時，造成其鉆孔臨近的鉆孔發生震動，從而致使其周圍鉆孔的瓦斯發生一定程度的流動，這種現象被稱為“抽采疊加效應”[3]。前人對于這種現象進行一系列實驗研究，得出以下規律：抽采過程中的疊加效應強弱是受鉆孔之間不同的間距以及不同的鉆孔位置兩個因素共同影響的。因此對于一個具體的工作面來說，布孔方式的研究對施工有著重要的指導意義[4]。

1.工作面基本情況

新景礦8309工作面位于蘆南二采區，設計回采長度1200m，進風順槽高5m，寬6m。工作面回采煤的種類是8號煤。經現場取樣實測，煤體瓦斯含量在5.7～6.4m/t之間，平均含量為6.05m/t，瓦斯含量較高。在回采前需要進行瓦斯抽采。

2.布孔方式介紹

根據現場施工情況可知，對工作面進行施工時，其順層的打孔方式可分為三種，分別為：單排、矩形以及“三花眼”形式的布孔[5]。單排布孔簡單易行，無需在打鉆過程中對鉆機的高度、角度進行調節。矩形布孔和“三花眼”布孔兩種方式要求在一定區域內按照設計施工多個鉆孔，對施工技術要求較高。三種布孔方式的具體設計如圖1所示（r為鉆孔半徑）。

圖1 布孔方式圖

3.應用數值模擬的布孔參數優化研究

利用FLUENT數值模擬軟件建立不同布孔方式的瓦斯抽采幾何模型，在時間設定相同的情況下，模擬設定一系列梯度的鉆孔間間距，之后對其每一個間距組的多孔臨近瓦斯的分布壓力情況進行計算（設置平行組），通過對比分析計算所得結果，從而依據值的大小對瓦斯抽采優劣直接進行評判[6]。

(1)不同布孔方式的抽采效應數值模擬

①單排布孔方式數值模擬分析

建立抽采模型（單排布孔方式）的首要工作是設定三個等距的鉆孔且統一高度，即應在具相同高度的煤層位置處進行鉆孔布置[7]。此間距的選取確定原則是依據前文所提的新景公司，其公司數據來源于該公司在實地進行操作所測得的真實數據（r=2.02m），本實驗以此為基礎設定建立出一個二維的幾何模式（40m×5m）。如圖2所顯現的，可以明了清晰地看出選取的三孔徑臨近的劃分密實。

圖2 三種鉆孔間距進行抽采90d時的瓦斯壓力云分布圖

本模型采用通用的瞬態求解器法進行解算。分別模擬以下三種不同大小的鉆孔間距，其三種不同的瓦斯壓力分布云如圖2所示。

對圖2進行全方位的綜合分析，可以得出：互相處于臨近位置的鉆孔，其疊加效應對于鉆孔的抽采效果影響呈現逐步擴大的現象。

從圖3可以發現：同組之間的鉆孔表現為，臨近鉆孔瓦斯壓力與兩側鉆孔瓦斯壓力明顯有差異，且兩側鉆孔瓦斯壓力遠大于臨近鉆孔的瓦斯壓力。本設計以瓦斯壓力相較于原瓦斯壓力減少49%（即0.26MPa）作為抽采達標的判定原則。不同臨近布孔的間距、中心位置的瓦斯壓力、瓦斯下降量具體如表1所示，可以看出，瓦斯壓力的下降速率隨臨近孔徑間距的變小而加快。

表1 不同鉆孔間距抽采與瓦斯下降量對比表

圖3 三種鉆孔抽采瓦斯抽采90d時的壓力分布曲線情況圖示

利用應用數值對孔徑間距大小不同的鉆孔進行模擬計算，主要計算其中心處位置的瓦斯壓力達到達標要求時所需要的具體時間，研究結果見表2。

表2 不同鉆孔間距進行抽采時達標時間對比表

對表中的數據進行全面的分析解讀，可以得出孔間距呈現不同的大小會導致其達到達標要求的要求不同，具體表現為抽采時間與孔徑間距呈正比例形式，隨著孔徑間距的變大，抽采時間愈發變長[8]。進一步對數據進行總結分析，對表中的所有數據進行擬合，可以得出如下關系式：

由公式（1）可知，鉆孔間距越大，達到標準所需的時間越長，發現其進行抽采的效果越不盡人意，抽采的疊加效應也愈發的不明顯[9]。由此可以發現：抽采的疊加效應表現出的顯著性是同臨近鉆孔之間間距呈負增長形式的。雖然從理論上得出鉆孔間距與瓦斯的抽采效果呈正比關系，但在實際鉆孔過程中發現以下情況：處于同一高度的煤層在抽采中倘若鉆孔分布呈現為極密集時，難度會隨之增加，會極大程度影響施工進度，同時還會由于臨近鉆孔間距過于緊密，在抽采時會使煤體的形態發生嚴重的變形，從而有竄孔的不安全隱患存在[10]。以上兩種情況的發生，對于施工的難度以及成本都有一定程度的增加，因此孔間距應取適當值。

②矩形及“三花眼”式布孔數值模擬分析

繼續建立矩形布孔與“三花眼”布孔的幾何模型。通過以上對于單排鉆孔從理論及實際結合分析可以總結出以下結論：當抽采的鉆孔間距遠大于有效的抽采孔徑時，臨近鉆孔之間的瓦斯壓力降低的速率明顯變得緩慢。出現這種現象的原因可歸結于臨近鉆孔間距變大引發抽采的疊加效應變小，從而致使瓦斯壓力慢速下降[11]。

為解決抽采盲區存在的這種問題，研究發現應該適當減小臨近鉆孔之間的間距。由于抽采的鉆孔間距影響疊加效應，減小鉆孔之間的間距，會使疊加效應增強。故而，在確定抽采盲區的鉆孔之間的間距時，評判最佳標準應該是重疊疊加的范圍恰好使抽采盲區完全覆蓋時，孔間距最為合理[12]。

從圖4可以得到以下結果：對抽采的鉆孔進行排列優化后，未出現抽采盲區現象，所有的抽采鉆孔均呈現出達標結果。在超出抽采時間后，重新選定研究對象（y=0），兩種效果如圖5所示。

圖4 抽采進行90d后的矩形式與“三花眼”式布孔壓力分布

圖5 不同形式布孔的瓦斯壓力在90d后對比圖

4.鉆孔布孔方案的確定

矩形布孔和“三花眼”式布孔的抽采范圍均可同時覆蓋巷道全長和煤厚，且能夠達到抽采標準，但在鉆孔數相同的情況下二者的抽采影響面積不同，矩形布孔方法的抽采影響面積為，“三花眼”布孔有效抽采面積為，可見在相同數量鉆孔下，“三花眼”有效抽采面積方法是矩形布孔方法的1.3倍。

5.施工及抽采效果檢驗

為驗證“三花眼”布孔方式在8309進風順槽的施工效果是否能夠在節省成本的同時抽采效果達標。對比抽采90d后的殘余瓦斯含量，如表3所示。

表3 施工與抽采情況對比表

通過表3可以看出，兩個工作面在抽采90d后的殘余瓦斯含量均達標且差距不大，但8309工作面的施工成本減少了20.1萬，可見“三花眼”布孔方式可以滿足抽采達標的同時降低施工成本，使礦井效益最大化。