東曲煤礦大直徑鉆孔瓦斯抽采治理技術研究

韓建雄

（山西焦煤西山煤電東曲煤礦，山西 太原 030200）

瓦斯作為煤炭開采過程中產生的伴隨產物，影響礦井安全生產[1]。合適的瓦斯治理方式可以帶來巨大的效益[2-3]。東曲煤礦存在瓦斯抽采流量低、瓦斯抽采效率低等問題，影響礦井的生產運營效益與安全性，以28802 工作面為例，通過數值模擬與工程實例研究大直徑鉆孔解決回采工作面采空區瓦斯涌出量大和上隅角超限問題。

1 工程概況

東曲煤礦全礦井瓦斯絕對涌出量125.70 m3/min，相對涌出量14.90 m3/t；二氧化碳絕對涌出量23.68 m3/min，相對涌出量2.80 m3/t。煤體最大破壞類型為Ⅲ類，瓦斯放散初速度為15，煤的堅固性系數為0.34，瓦斯壓力為1.12 MPa。東曲礦井田范圍內煤層具有煤與瓦斯突出危險性，鑒定為突出煤層。

東曲礦28802-2 工作面是首個矸石充填面，回采工作面采用“U”型通風方式，工作面生產強度大，鄰近層瓦斯涌出影響嚴重，造成采空區瓦斯涌出量大，上隅角瓦斯的管理尤為困難。從瓦斯來源看，工作面瓦斯涌出量中采空區瓦斯所占比重越來越大，采空區瓦斯抽采難度加大。由于采空區瓦斯濃度低，采用普通鉆孔抽采量小，效果不好。為了強化抽采效果，節約成本，引進大直徑鉆孔抽采技術，向采空區施工鉆孔抽采采空區瓦斯，最終解決采空區瓦斯制約工作面安全生產的現狀。

2 大直徑鉆孔數值模擬分析

為研究大直徑鉆孔對瓦斯抽采效果的影響，采用COMSOL 數值模擬軟件不同直徑鉆孔的瓦斯抽采流動模型，如圖1。在軟件內建立5 m×5 m 的二維平面模型，忽略原位地應力對鉆孔應力的影響，四周采用固支邊界條件，采用達西滲流場表示瓦斯的流動狀態，細化鉆孔周邊的圓形邊界，對圓形邊界取平均值進行瓦斯流量監測，監測時間為30 d。

圖1 數值模擬模型

2.1 不同鉆孔直徑數值分析

為研究不同鉆孔直徑對瓦斯抽采效果的影響，建立150 mm、250 mm、350 mm 共計3 種不同直徑的鉆孔模型，通過瓦斯流量進行監測，最終得到瓦斯流量與時間的演化曲線如圖2。

圖2 不同大直徑鉆孔瓦斯抽采流量圖

如圖2 所示，三種不同鉆孔直徑的瓦斯抽采效果均表現出近似于負指數形式的演化趨勢。隨著抽采時間的逐漸增加，瓦斯流量的變化率逐漸降低。350 mm 直徑鉆孔的初始抽采流量約為0.26 m3/min，瓦斯流量在0～18 d 時下降最快。當抽采時間達到20 d 左右時，抽采流量達到穩定狀態。250 mm 直徑鉆孔的初始抽采流量約為0.22 m3/min，瓦斯流量在0～15 d 下降最快，但下降速率低于350 mm 直徑鉆孔。當抽采時間達到18 d 時，抽采流量達到穩定狀態。150 mm 直徑鉆孔的初始抽采流量約為0.18 m3/min，瓦斯流量在0～12 d 時下降最快，但下降速度最慢。當抽采時間達到15 d 時，抽采流量達到穩定狀態。綜合分析可知，350 mm 大直徑鉆孔具有最好的瓦斯抽采效果。

2.2 不同抽采負壓數值分析

為研究不同抽采負壓對瓦斯抽采效果的影響，以350 mm 直徑鉆孔為研究對象，建立-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa 共計3 種不同抽采負壓的鉆孔模型，通過瓦斯流量進行監測，最終得到瓦斯流量與時間的演化曲線如圖3。

圖3 350 mm 大直徑鉆孔在不同抽采負壓下瓦斯流量圖

當抽采負壓為-45 kPa 時，圖3 中的方塊形曲線與圖2 中的方塊形曲線相同。當抽采負壓為-30 kPa 時，初始抽采流量約為0.225 m3/min，瓦斯流量在0～15 d 下降最快，下降速率小于-45 kPa 負壓鉆孔。當抽采時間達到20 d 左右時，瓦斯流量趨于穩定狀態。-15 kPa 負壓鉆孔的曲線下降程度明顯低于其余兩種鉆孔負壓曲線，初始抽采流量約為0.18 m3/min，瓦斯流量在0～12 d 時下降最快，但下降速度最慢。當抽采時間達到15 d 時，抽采流量達到穩定狀態。綜合分析可知，-45 kPa 抽采負壓具有最好的瓦斯抽采效果。

3 大直徑鉆孔應用技術與分析評價

28802-2 工作面采用“U”型通風系統，皮帶順槽進風，軌道順槽回風。工作面配風量3206 m3/min，預計實配風量3500 m3/min；工作面相對瓦斯涌出量13.28 m3/t，絕對瓦斯涌出量30 m3/min。工作面采用矸石回填技術，矸石回填率能達到60%～80%。為了保證工作面順利回采，瓦斯抽采采用低位裂隙帶鉆孔+采空區鉆孔綜合抽采技術。

3.1 低位裂隙帶鉆孔

3.1.1 鉆孔施工方法

由28802-2 回風措施巷每隔3 m 垂直施工一個鉆孔進入28802-2 工作面采空區內進行瓦斯抽采。

3.1.2 鉆孔施工設計

鉆孔從28802-2 回風措施巷正前后退14 m 處開始施工左幫的低位裂隙帶鉆孔。

由于該工作面采用矸石回填技術，矸石回填率能達到60%～80%之間，工作面冒落帶在5～20 m 之間，為了更好地治理冒落帶內的瓦斯，因此鉆孔終孔高度分別取8 m、12 m、16 m，由此計算出鉆孔傾角為13°、19°、24°。

3.2 采空區鉆孔

3.2.1 鉆孔施工方法

由28802-2 回風措施巷每隔1 m 施工一個垂直煤壁鉆孔進入28802 工作面采空區內進行瓦斯抽采。

3.2.2 鉆孔施工設計

鉆孔從28802-2 回風措施巷正前后退14 m 處開始施工左幫的采空區鉆孔。

鉆孔角度：根據+860 m 水平八采區8#煤底板等高線變化確定采空區鉆孔角度為6°～7°。

鉆孔間距：鉆孔間距為1 m，垂直煤壁施工。

鉆孔深度：由于28802-2 工作面與28802-1 工作面保護煤柱為20 m，計算得鉆孔長度為21 m。

鉆孔孔徑：為了提高采空區抽采效果，根據鉆機性能和施工技術條件，鉆孔孔徑取153 mm（二次擴孔）。

鉆孔數量：由于只施工該工作面走向可采長度前100 m，28802-2 工作面采空區鉆孔共設計施工100 個鉆孔，合計進尺2100 m。

28802-2 工作面低位裂隙帶及采空區鉆孔均使用ZDY-4000LP 型鉆機。該型號鉆機能夠滿足350 mm 大直徑鉆孔的施工要求。

3.3 鉆孔施工要求

施工過程中嚴格按設計參數施工，嚴禁隨意改變設計參數。每個鉆孔開孔時，一定要緩慢施工，確保鉆頭進入煤體內時，鉆孔傾角、方位角不會改變。當鉆孔由于地質條件等因素未能達到設計深度時，鉆機需向上一個成孔方向移動0.5 m，重新調整角度進行補打，確保鉆孔深度達到設計要求。鉆孔施工地點下風側10 m 內必須設置瓦斯傳感器與一氧化碳傳感器，按規定調校探頭，確保靈敏、可靠。

3.4 瓦斯抽采監測

為檢驗350 mm 大直徑鉆孔瓦斯抽采的治理效果，對東曲煤礦28802-2 工作面的瓦斯抽采工程進行數據監測，監測的主要內容包括上隅角抽采管道內的瓦斯濃度、上隅角瓦斯抽采流量、上隅角瓦斯濃度。在鉆孔完成后進行套管下放，在鉆成的鉆孔內放入套管，避免出現鉆孔塌陷等問題。對鉆孔進行封堵，選定JD-WFK-2 型速膨脹封孔劑進行封孔，保證鉆孔氣密性。設定抽采負壓為-30 kPa，進行鉆孔內部瓦斯抽采監測。通過30 d 的集中監測，最終得到監測數據隨抽采時間的演化數據如圖4。

圖4 350 mm 大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監測圖

由圖4 可知，隨著 28802-2 工作面的不斷推進，采空區范圍逐步擴大，上隅角抽采管道內的瓦斯濃度在第0～10 天呈現出增加的趨勢，在第10～17 天達到最高值約為1.35%，在第17 天后開始發生明顯下降，在第30 天時下降至1.1%；上隅角瓦斯抽采流量在第0～12 天時逐漸上升，最高值約為0.28 m3/min，在17-30 d 逐漸下降，最終下降至0.25 m3/min。工作面上隅角的瓦斯濃度始終維持在0.05%左右的范圍內，上隅角瓦斯濃度穩定在較低水平，不會對工作面的安全生產產生威脅，驗證了350 mm 大直徑鉆孔具有良好的瓦斯抽采與治理作用。

4 結語

1）針對上隅角瓦斯超限問題，運用數值模擬軟件建立不同直徑鉆孔模型，獲得不同直徑鉆孔的瓦斯抽采流量隨時間的變化規律，最終得出350 mm 大直徑鉆孔瓦斯抽采效果最好。

2）以350 mm 大直徑鉆孔為基礎，建立不同的抽采負壓模型，獲得不同抽采負壓鉆孔的瓦斯抽采流量隨時間的變化規律，最終得出-45 kPa 負壓具有良好的抽采效果。

3）以東曲煤礦28802-2 工作面為例進行大直徑鉆孔瓦斯抽采治理效果監測，工作面上隅角的瓦斯濃度始終維持在0.05%左右的范圍內，反映了大直徑鉆孔具有良好的瓦斯治理效果。