高河煤礦高瓦斯煤巷超前預抽技術研究與應用

王煥斌

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047100）

1 工程概況

高河能源有限公司W3311 進風順槽位于礦井北部，W3311 進風順槽I 段向西延伸2 255.4 m（平距），施工到位后轉向以180°方位角向南掘進185.5 m（平距） 后再轉向以270°向西掘進施工W3311 進風順槽Ⅱ段，設計長度465.6 m（平距）。該巷道沿3 號煤層底板掘進，根據現有三維勘探資料，巷道自東向西穿過西堡向斜區域、西堡背斜區域，巷道底板最高點預計標高+485 m，最低點位于預計標高為+393 m，最高點和最低點高差92 m。3 號煤層厚度為6.00 ～7.00 m，平均煤厚6.54 m，傾角2°～14°。煤層之上為泥巖偽頂，厚度0.54～1.9 m，灰黑色，厚層狀，均勻層理，見大量植物化石。泥巖之上為粉砂巖—細砂巖泥巖直接頂，厚度0.90 ～1.46 m，灰色—深灰色，中厚層狀，波狀層理，小型交錯層理發育，含云母碎片，見少量植物化石。砂巖之上為16.50 ～18.50 m 厚的細砂巖老頂，灰色，中厚層狀，成份以石英為主，長石次之，含云母碎片，平行層理，泥質膠結，分選中等。煤層之下為直接底泥巖—粉砂巖，厚為0.72 ～2.04 m，深灰色—黑色，中厚層狀，均勻層理，小型交錯層理發育，見大量植物化石。泥巖—粉砂巖之下為老底，為2.30 ～3.52 m 厚的中砂質泥巖—細砂巖，灰色—灰黑色，成份以石英為主，長石次之，波狀層理，含泥質包體，見菱鐵質結核。

W3311 進風順槽自東向西穿過西堡向斜區域、西堡背斜區域，向斜兩翼地層局部傾角較大、張性裂隙越發育，煤層氣就越易逸散；掘進至向斜裂隙發育區域，受斷層影響區，煤層破碎，易于瓦斯的釋放，易出瓦斯事故。W3311 進風順槽安裝4 臺FBDNo-7.5 型局部通風機，采用φ1 000 mm 風筒供風，風筒吊掛在巷道兩幫，按照高河能源2022年的《“一礦一策，一面一策”瓦斯治理方案》，W3311 進風順槽工作面屬于一級瓦斯管理區域，為降低掘進工作面瓦斯濃度、提高巷道掘進效率，展開超前預抽技術的設計研究與應用。

2 抽采鉆孔參數模擬研究

2.1 建立數值模型

高瓦斯礦井煤層抽采率需高于30%。高河煤礦屬于高瓦斯礦井，因此應將煤層內瓦斯預抽率作為判定其有效抽采半徑界限的參考值，通過收集相關資料得到W3311 進風順槽附近煤層瓦斯參數，煤層內原始瓦斯含量為10.5 m3/t，因此有效抽采半徑內煤體瓦斯含量應降至7.35 m3/t 以下。

鉆孔有效抽采半徑是進行布置參數設計的重要依據，為確定高河煤礦3 號煤層抽采條件下瓦斯運移規律，利用COMSOL 軟件建立數值計算模型[1-2]，考慮到煤層內瓦斯基本沿抽采孔徑匯集至抽采鉆孔內，將瓦斯的流動過程簡化為沿鉆孔徑向的二維平面問題，在滲流方程的基礎上建立如圖1 所示的數值模型進行求解，模型尺寸為寬、高40 m 的矩形，四周邊界為不滲流邊界條件，煤體的瓦斯參考參數進行設置。

圖1 數值計算模型Fig.1 Numerical calculation model

2.2 鉆孔合理參數確定

參考國內類似條件下的相關研究成果[3]，常用的瓦斯抽采鉆孔直徑有75、94、113 mm，抽采負壓通常為10 ～20 MPa，抽采時間為30 ～180 d，因此進行不同鉆孔直徑、不同抽采負壓（13、15、20 kPa） 條件下抽采效模擬，認定煤層內瓦斯含量降至7.84 m3/t 以下的區域為有效抽采半徑的覆蓋范圍，模擬得到有效抽采半徑隨時間變化曲線如圖2所示。

圖2 數值模擬結果Fig.2 Numerical simulation results

根據圖2 分析可知，有效抽采半徑隨著時間延長的增長曲線并非直線型，在抽采時間達到90 d后，增長曲線的斜率開始逐漸減小，在抽采時間由120 d 繼續延長至150 d 期間，有效抽采半徑增幅均很小，由此說明抽采時間控制在120 d 內較合理。抽采鉆孔直徑由73 mm 變為94 mm，有效抽采半徑增長曲線間的差值隨著時間延長逐漸增大，抽采時間在90 d 以上時，有效抽采半徑差值達到0.25 ～0.35 m，抽采鉆孔直徑由94 mm 變為113 mm，有效抽采半徑增長曲線比較接近，抽采時間90 d 以上時，抽采半徑差值僅為0.10 ～0.20 m，表明鉆孔直徑提升至113 mm 對于抽采效果的提升很微小，因此可確定最佳抽采鉆孔直徑為94 mm。圖2（d） 所示結果為鉆孔直徑94 mm、抽采120 d條件下有效抽采半徑隨著抽采負壓的變化曲線，可以看出，抽采負壓大于15 kPa 后，曲線基本呈水平狀態，由此說明，抽采負壓為15 kPa 最合理。抽采120 d 有效抽采半徑分別為2.46 m，由此確定該條件下有效抽采半徑為2.4 m。

3 邊掘邊抽方案設計

根據瓦斯涌出源頭，采用邊掘邊抽工藝進行瓦斯治理，在不影響巷道正常掘進的情況下降低了掘進工作面瓦斯的涌出量。參照類似條件下相關應用實例[4]，設計W3311 進風順槽兩側煤壁中每間隔60 m 施工一個鉆場，鉆場寬4 m、深4 m、高3.2 m，與大巷高差為2.0 m，每個鉆場布置6 個直徑94 mm 的抽采鉆孔，鉆孔孔深均為140 m，鉆孔終孔處間距為2 ～2.4 m，水平方向抽采范圍覆蓋寬度為10 ～14 m，垂直方向覆蓋高度為5 ～7 m，同側鉆場間距120 m，鉆場及鉆孔布置詳情如圖3 所示，抽采負壓為15 kPa。

圖3 鉆場布置示意Fig.3 Layout of drilling field

4 瓦斯抽采效果檢驗

4.1 鉆孔抽采瓦斯參數監測結果

高河能源W3311 進風順槽掘進工作面邊抽邊掘技術于2022 年11 月15 日開始實施，每一組的抽采鉆孔匯流管處均按照由CJZ42 型瓦斯綜合參數測定儀，選取部分日期的測定數據，整理得到瓦斯流量和當日抽采瓦斯量變化曲線如圖4 所示，分析可知，抽采初期鉆孔內純瓦斯流量約為0.3 m3/min，之后純瓦斯流量逐漸增大并穩定在0.44 m3/min 左右，每日瓦斯抽采量也由早期的450 m3左右增長至670 m3左右，方案實施后抽采效果良好。

圖4 鉆孔抽采瓦斯參數監測結果Fig.4 Monitoring results of borehole gas extraction parameters

4.2 掘進工作面風流瓦斯濃度監測結果

為了驗證邊掘邊抽方案對掘進工作面瓦斯濃度降低的效果，高河能源W3311 進風順槽掘進期間進行回風流內瓦斯濃度監測，將監測數據繪制成如圖5 所示的曲線圖，圖5（a） 為每日監測到的瓦斯濃度最大值，圖5（b） 為每日監測到的瓦斯濃度平均值，可以看出，在方案實施前，掘進工作面回風流中日監測瓦斯濃度最大值為0.69%～0.73%，日監測瓦斯濃度平均值為0.50%～0.53%，在邊掘邊抽方案實施后，日監測瓦斯濃度最大值降至0.59%左右，降幅約為16.9%，日監測瓦斯濃度平均值降至0.45%左右，降幅約為13.7%，綜上可知，邊掘邊抽方案可明顯提高煤層瓦斯預抽量，降低掘進工作面瓦斯涌出量和瓦斯濃度，降低瓦斯超限的頻率和可能性，更加保障煤礦工人的人身安全，提高了快速掘進工作面的安全性。

圖5 掘進工作面風流瓦斯濃度監測結果Fig.5 Monitoring results of airflowgas concentration in heading face

5 結 語

針對高河煤礦大斷面煤巷掘進期間瓦斯濃度經常超限問題，提出采用邊掘邊抽技術進行瓦斯治理，利用COMSOL 軟件進行瓦斯抽采過程的模擬分析，得出抽采鉆孔的合理直徑為94 mm，最佳抽采負壓為15 kPa，抽采時間為120 d 時，有效抽采半徑為2.4 m。設計了瓦斯抽采鉆場及順層鉆孔布置方案，方案實施后，日瓦斯抽采量達到670 m3左右，掘進工作面日瓦斯濃度最大值降低16.9%，日瓦斯濃度均值降低13.7%，有效降低了巷道內瓦斯涌出量，實現了大斷面煤巷邊掘邊抽的高效掘進。