低透氣性突出煤層順層鉆孔預(yù)抽瓦斯及防突技術(shù)

方　可，盧忠英，方　標(biāo)

（1.銅仁學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300 ）

【土木工程與機(jī)械工程】

低透氣性突出煤層順層鉆孔預(yù)抽瓦斯及防突技術(shù)

方可1，盧忠英2，方標(biāo)3

（1.銅仁學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；2.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院，貴州 銅仁 554300；3.貴州省銅仁市氣象局，貴州 銅仁 554300 ）

選取林華煤礦9號(hào)煤層2093回采工作面作為研究試驗(yàn)區(qū)，用ansys模擬軟件研究了低透氣性突出煤層順層鉆孔預(yù)抽瓦斯及防突技術(shù)。研究結(jié)果表明：選取 1.8m鉆孔間距抽采效果較好，經(jīng)抽采效果檢驗(yàn)，2093回采工作面回采區(qū)域煤層殘余瓦斯含量降低到6.21m3/t～6.82 m3/t，殘余瓦斯壓力降低到0.28MPa～0.58MPa，煤層瓦斯抽采率由24.56%提高到59.89%，該技術(shù)對(duì)低透氣性突出煤層的瓦斯抽采及防突都有良好的效果。

Ansys模擬；突出煤層；順層鉆孔；預(yù)抽瓦斯

1.引言

目前，我國(guó) 95%以上的高瓦斯和突出礦井所開(kāi)采的煤層屬于低透氣性煤層，而低透氣性突出煤層在開(kāi)采過(guò)程中面臨兩大難題：一是低透氣性導(dǎo)致瓦斯很難被采出，二是由于低透氣性煤層瓦斯未被采出而導(dǎo)致突出危險(xiǎn)性加大［1］。研究表明，按照常規(guī)鉆孔布置方式預(yù)抽煤層瓦斯，對(duì)于低透氣性突出煤層，存在預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)、抽采率低的特點(diǎn)，達(dá)不到很好的抽采效果，也不滿足《煤礦安全規(guī)程》的要求，所以必須采取必要的措施來(lái)加大煤層的透氣性和選擇合適的鉆孔布置方式，從而實(shí)現(xiàn)瓦斯高效地被抽采。林華煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井，主采 9號(hào)煤層，采掘過(guò)程中多次發(fā)生突出，屬于突出煤層。本文選取林華煤礦 9號(hào)煤層 2093采煤工作面作為試驗(yàn)對(duì)象，研究鉆孔間距對(duì)抽采率的影響，對(duì)消除 9號(hào)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性具有重要意義。

2.工作面概況

林華煤礦2093回采工作面是二采區(qū)首采面，位于二采區(qū)西邊第一區(qū)段。該采面走向長(zhǎng)850m，傾向長(zhǎng)160m，傾角8°～1°，煤層厚度為0.8m～3.2m，平均厚度3m，其中煤層瓦斯參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　9號(hào)煤層瓦斯參數(shù)

3.現(xiàn)有防突措施

3.1.預(yù)抽瓦斯鉆孔布置方案

根據(jù)采區(qū)現(xiàn)有的巷道條件，9#煤層測(cè)壓孔為順層鉆孔，測(cè)壓鉆孔布置參數(shù)詳見(jiàn)表2。

3.2.效果分析

在回采工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷實(shí)施順層鉆孔本煤層瓦斯。鉆孔直徑Φ75mm。鉆孔沿煤層走向或傾向布置，鉆孔間距0.8m。

表2　瓦斯壓力測(cè)定鉆孔參數(shù)表

對(duì)2093回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出2013年瓦斯?jié)舛热鐖D1所示。結(jié)果表明：回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染痈卟幌虑矣谐蕃F(xiàn)象；且采煤時(shí)，瓦斯涌出量加大，不開(kāi)采時(shí)，瓦斯涌出量相對(duì)較小，不利于該采面的安全回采，經(jīng)煤礦提供數(shù)據(jù)抽采率僅為24.56%，因此對(duì)現(xiàn)有措施進(jìn)行優(yōu)化是十分必要的。

圖1　2093回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋?）

4.防突技術(shù)優(yōu)化

本煤層鉆孔抽采效果不理想的原因在于抽采半徑設(shè)置不夠合理，導(dǎo)致抽放效果不能達(dá)到消突目的，回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葧r(shí)常超限。對(duì)此，通過(guò)模擬計(jì)算研究分析對(duì)本煤層抽采鉆孔間距進(jìn)行優(yōu)化。

4.1.ansys模型建立

為了確定合理鉆孔間距和抽放時(shí)間，采用ANSYS有限元軟件對(duì)林華煤礦9#煤層2093工作面瓦斯抽放進(jìn)行了數(shù)值模擬［2-7］。通過(guò)改變鉆孔間距和瓦斯抽放時(shí)間，模擬得出不同的瓦斯抽放效果，并對(duì)抽放效果進(jìn)行對(duì)比分析，并指導(dǎo)2093工作面鉆孔布置。

據(jù)林華煤礦2093工作面開(kāi)采情況，選取鉆孔間距依次為：1.2m、1.8m、2.4m?？紤]到邊界效應(yīng)的影響，模型高度取煤層厚度3m，寬度20m，建立二維模型，瓦斯湍流計(jì)算選用k-ε模型，瓦斯在煤層中移動(dòng)采用多孔介質(zhì)模型［8］。2093工作面參數(shù)見(jiàn)表3。選3個(gè)鉆孔進(jìn)行本次試驗(yàn)?zāi)M，邊界條件如下：

表3　2093 工作面參數(shù)表

（1）頂?shù)装鍘r層為無(wú)滲透的隔絕體，左右邊界為自由界面；

（2）鉆孔抽采負(fù)壓：-17KPa。

如圖2所示，采用ANSYS智能網(wǎng)格劃分三角形單元，其中對(duì)鉆孔周圍局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，共劃分為7047個(gè)單元，9290個(gè)節(jié)點(diǎn)，單元數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)隨鉆孔間距不同而略有不同。

圖2　模型示意圖

4.2.結(jié)果分析

對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果及參數(shù)進(jìn)行分析，結(jié)果如下

（1）鉆孔間距為1.2m，不同抽放時(shí)間的瓦斯壓力分布見(jiàn)圖3、4。

（2）鉆孔間距為1.8m，不同抽放時(shí)間的瓦斯壓力分布見(jiàn)圖5、6。

圖3　間距為1.2m抽放20天瓦斯壓力分布圖

圖4　間距為1.2m抽放150天瓦斯壓力分布圖

圖5　間距為1.8m抽放20天瓦斯壓力分布圖

（3）鉆孔間距為2.4m，不同抽放時(shí)間的瓦斯壓力分布見(jiàn)圖7、8。

由圖 3、5、7可得，相鄰鉆孔相互影響時(shí)間均在20天以內(nèi)，且孔間距越小，達(dá)到相同瓦斯?jié)舛鹊乃俣仍娇欤屯笟庑愿咄咚姑簩映椴尚Ч侵刚麄€(gè)煤體中賦存的瓦斯盡可能被抽出。該礦2093工作面煤層平均厚度僅為3m，不宜布置雙排鉆孔，只能布置單排鉆孔，將導(dǎo)致靠近煤層頂?shù)装宓耐咚购茈y被抽出，因此更重要的是考慮鉆孔距煤層頂?shù)装宸较虻耐咚钩槌鲂Ч?/p>

圖6　間距為1.8m抽放160天瓦斯壓力分布圖

圖7　間距為2.4m抽放20天瓦斯壓力分布圖

圖8　間距為2.4m抽放185天瓦斯壓力分布圖

由圖4、6、8可知，鉆孔間距為1.2m時(shí)瓦斯抽采半徑到達(dá)頂?shù)装逍枰?50天，間距為1.8m時(shí)需要160天，為2.4m時(shí)則需要185天。對(duì)于不同間距的鉆孔，當(dāng)抽采半徑達(dá)到頂?shù)装搴罄^續(xù)抽采，對(duì)鉆孔周圍瓦斯壓力影響很小，因此為了加快瓦斯抽采速度，滿足2093工作面開(kāi)采進(jìn)度，宜選擇抽采時(shí)間較短的鉆孔間距。本試驗(yàn)區(qū)鉆孔間距選擇1.2m和1.8m為宜。比較圖4、6，間距為1.2m和1.8m瓦斯抽采半徑達(dá)到頂?shù)装宓臅r(shí)間分別為150天和160天，相差較小，但在沿煤層方向，影響瓦斯壓力的范圍卻相差較大，即間距為1.8m的鉆孔能更快地將煤層瓦斯抽采出。另外，對(duì)于相同數(shù)量的鉆孔，間距大的能提高抽采范圍，同時(shí)也能有效地避免因鉆孔間距小而影響抽采效果，以致降低鉆孔的瓦斯抽采率。因此本試驗(yàn)區(qū)選取間距較大的鉆孔1.8m更為合適。

據(jù)目前林華煤礦2093工作面抽采情況，鉆孔直徑為 75mm，通過(guò)模擬得出鉆孔間距為 1.8m，抽采160天便可將煤層中的賦存瓦斯有效抽出，達(dá)到該煤層消突效果。研究表明，在不受采掘接替影響時(shí)也可將鉆孔間距適當(dāng)增大。無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看，還是從實(shí)際生產(chǎn)中講，增大鉆孔間距，可以減少抽采鉆孔數(shù)，降低打鉆成本，并且礦井大多采用的是多種抽采半徑相結(jié)合的方法，這些都是有利于煤礦本身的。該礦通過(guò)模擬計(jì)算得出鉆孔間距為1.8m時(shí)抽放效果較好，建議煤礦實(shí)際施工時(shí)優(yōu)先考慮將鉆孔間距確定為1.8m。

4.3.抽采效果檢驗(yàn)［9］

選取2093采煤工作面的7個(gè)鉆孔測(cè)點(diǎn)進(jìn)行抽采效果檢驗(yàn)，鉆孔參數(shù)見(jiàn)表4。經(jīng)取樣測(cè)定，得出2093工作面煤層殘余瓦斯含量及其壓力，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

表4　2093采面抽采效果檢驗(yàn)鉆孔施工參數(shù)表

表5　殘余瓦斯含量及瓦斯壓力

經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間抽采，2093采面煤層殘余瓦斯含量降低到6.21 m3/t～6.82m3/t，低于《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的限定值8.0m3/t；殘余瓦斯壓力降低到0.28 MPa～0.58MPa，遠(yuǎn)低于《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的限定值0.74MPa。

據(jù)煤礦提供具體抽采參數(shù)，可得出2093工作面瓦斯抽采率由24.56%提高到59.89%，遠(yuǎn)高于《煤礦安全規(guī)程》及《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》中規(guī)定的預(yù)抽率達(dá)到30%以上的要求。

在工作面正常回采期間，對(duì)2093工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè)，得出圖 9、圖 10。由圖可知：瓦斯?jié)舛戎捣€(wěn)定，且未出現(xiàn)異常及超限現(xiàn)象。

圖9　采面上隅角瓦斯?jié)舛?/p>

圖10　2093回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?/p>

綜上所述，在選取合適鉆孔間距后，2093回采工作面已經(jīng)達(dá)到消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性目的，說(shuō)明模擬結(jié)果對(duì)該礦2093回采工作面鉆孔布置參數(shù)有一定的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實(shí)意義。

5.結(jié)論

（1）在間距為 1.2m、1.8m、2.4m的鉆孔中，間距小能加快瓦斯抽采速度，而間距為1.2m和1.8m瓦斯抽采半徑達(dá)到頂?shù)装宓臅r(shí)間分別為150天和160天，相差較小，但影響瓦斯壓力的范圍卻相差較大，為了提高鉆孔的瓦斯抽采率，選取間距為1.8m鉆孔最佳。

（2）據(jù)林華煤礦 2903采煤工作面抽采情況，無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度，還是從實(shí)際生產(chǎn)中看，增大鉆孔間距，可以減少抽采鉆孔數(shù)，從而降低打鉆成本，且礦井大多采用的是多種抽采半徑相結(jié)合的方法，該礦通過(guò)模擬計(jì)算得出鉆孔間距為1.8m時(shí)抽放效果較好，建議煤礦實(shí)際施工時(shí)優(yōu)先考慮將鉆孔間距確定為1.8m。

（3）經(jīng)抽采效果檢驗(yàn)，2093回采工作面回采區(qū)域煤層殘余瓦斯含量降低到6.21 m3/t～6.82 m3/t＜8.0 m3/t，殘余瓦斯壓力降低到0.28MPa～0.58 MPa＜0.74MPa，煤層瓦斯斯抽采率由 24.56%提高59.89%＞30%，說(shuō)明該優(yōu)化方案切實(shí)可行，對(duì)該礦2093回采工作面鉆孔布置參數(shù)有一定的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實(shí)意義。

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Pre-drainage seam gas with borehole drilled seam along seam and outburst prevention technology in Low permeability outburst mine

FANG Ke1，LU Zhong-ying2，F(xiàn)ANG Biao3
（1. Institute of Physics And Electronic Engineering，Tongren University，Tongren，Guizhou 554300，China；2. Institute of Material and Chemical Engineering，Tongren University，Tongren，Guizhou 554300，China；3. Meteorological Mureau of Tongren，Tongren，Guizhou 554300，China ）

Select the Lin-Hua Coal Mine No. 9 coal seam in 2093 working face as the research object test area，Study on Pre-drainage seam gas with borehole drilled seam along seam and outburst prevention technology in Low permeability outburst mine with ANSYS software. The research results show that： the selection of 1.8m borehole spacing drainage effect is better，The pumping effect test，residual gas content of 2093 working face mining area of coal seam is reduced to 6.21 m3/t ～ 6.82 m3/t，the residual gas pressure is reduced to 0.28MPa ～ 0.58MPa，coal seam gas pumping rate was increased from 24.56% to 59.89%，the technology of gas permeability of outburst coal seam of low drainage and outburst prevention have good results.

ansys simulation，the outburst coal seam，borehole drilled along seam，gas pre-drainage

TD713

A

1673-9639 （2015） 04-0141-06

（責(zé)任編輯 毛志）（責(zé)任校對(duì) 徐松金）（英文編輯 劉興芳）

2015-06-15

本文系貴州省科技廳聯(lián)合基金項(xiàng)目（黔科合LH字［2014］7484）研究成果。

方可（1986-），男，貴州銅仁人，講師，碩士，研究方向：礦山災(zāi)害防治。