礦井末采期工作面高位鉆孔優(yōu)化技術(shù)研究

高 宏，楊宏偉，錢志良

(1.煤科集團沈陽研究院有限公司，遼寧 沈陽 110016；2.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

目前國內(nèi)煤礦末采階段的工作面在經(jīng)過前期的抽采之后，煤體的裂隙發(fā)育較為明顯，且表現(xiàn)為酥軟、粘聚力降低等特點，頂板冒落和片幫時有發(fā)生，瓦斯涌出異常，加劇了U型通風(fēng)工作面上隅角瓦斯的涌出。U型通風(fēng)回采工作面的瓦斯治理主要采用風(fēng)排瓦斯和高位鉆孔抽采的方法，由于高位鉆孔的工藝參數(shù)以及鉆場布置的不合理，鉆場間距及接替時間不明確，抽放負壓不匹配，易造成U型通風(fēng)采煤工作面上隅角瓦斯超限，瓦斯抽采效率低，影響了工作面回采效率。因此有必要對末采階段工作面高位鉆孔的工藝參數(shù)進行優(yōu)化研究。國內(nèi)外目前在末采階段對工作面高位鉆孔優(yōu)化主要有實驗類比法和理論計算法的方法，蔡文鵬等利用理論計算了裂隙帶高度，確定了合理的高位鉆場參數(shù)[1]。陳法喜等利用工程實踐類比的方法，分別對高位鉆孔的終孔層位、鉆孔數(shù)量、高位鉆孔長度及抽放負壓進行了優(yōu)化[2]。李家彪通過RFPA軟件模擬了綜采工作面采空區(qū)的“三帶”發(fā)育高度，從而優(yōu)化了高位鉆孔參數(shù)[3]。以上方法也在一定程度上優(yōu)化了高位鉆孔，但是僅使用工程類比和理論計算的方法略顯單一，不能直觀的看到高位鉆孔抽采的效果?；诖?，在對末采階段回采工作面高位鉆孔優(yōu)化方面，提出利用理論計算和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對礦井末采階段XV1306回采工作面頂板走向高位鉆孔進行了優(yōu)化，有效提高了瓦斯抽采效率，降低了上隅角瓦斯?jié)舛?，瓦斯治理效果顯著。

1 高位鉆孔優(yōu)化理論計算

1.1 鉆孔的有效利用率及有效長度

高位鉆孔的利用率和有效長度決定著其抽采效果的優(yōu)劣，將高位鉆孔布置在裂隙帶中，最大限度地發(fā)揮其作用，從而抽采出高濃度高純量的瓦斯[3，4]。有效利用率的計算見式(1)。

按三角形相似比鉆孔有效效率為：

式中，Hk為高位鉆孔的孔隙垂高，m；Hm為采空區(qū)冒落帶高度，m。

高位鉆孔的有效長度：以XV1306工作面第五組鉆場1#高位鉆孔為例，鉆孔總長度Lk取108m，鉆孔的仰角為9°，通過式(1)計算可得出ρ=0.46。有效長度Ly約為70m。

1.2 鉆場合理間距和數(shù)量

通過計算得出鉆孔的有效長度，能夠保障鉆孔的高效率不間斷抽采，提高鉆場中高位鉆孔的抽采效率，鉆孔和鉆孔之間實現(xiàn)了有效長度的搭接[5]，鉆場間距確定示意圖如圖1所示。

圖1 鉆場間距確定示意圖

則相鄰鉆場之間的間距為：

Ls=Lycosα

(2)

式中，Ls為相鄰鉆場之間的間距，m；Ly為高位鉆孔有效長度，m；α為高位鉆孔的仰角，(°)。

鉆場間距的合理布置，對于保證高位鉆孔是否能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷抽采有著至關(guān)重要的作用。若要實現(xiàn)不間斷抽采，必須使當前鉆場的鉆孔的終孔點與上個鉆場的鉆孔的終孔點能夠?qū)崿F(xiàn)接續(xù)，這樣才能保證不間斷的高濃度抽采。

從1306綜放工作面試驗考察情況來看，當回采工作面推進到13m左右時，高濃度的瓦斯開始被抽出；當回采工作面推進到32m左右時，高濃度的瓦斯持續(xù)被抽出且瓦斯抽采純量持續(xù)增大。當回采工作面推進到70～80m左右時，瓦斯抽采量和抽采純量大幅度降低。

通過分析可知，鉆場抽采出高濃度瓦斯的有效間距為70～80m，根據(jù)礦井的實際情況，鉆場間距選取為50～60m。

普通高位鉆場內(nèi)施工的鉆孔的個數(shù)受以下幾個參數(shù)的影響：高位鉆場合計抽放的瓦斯量、孔徑、抽采瓦斯?jié)舛萚6]，具體計算過程見式(3)。

式中，N為高位鉆孔的個數(shù)，個；Q為鉆場合計抽采的瓦斯純量，m3/min；D為高位鉆孔直徑，mm；V為瓦斯氣體流動速度，m/s；C為瓦斯管路抽采濃度，%。

根據(jù)鄰近工作面瓦斯涌出結(jié)果分析可知，1306回采工作面最大瓦斯涌出量為11.8m3/min，風(fēng)排量為4.8m3/min，由高位鉆孔抽采的瓦斯為6m3/min。考慮到高位鉆孔瓦斯的涌出受復(fù)雜地質(zhì)因素的影響，高位鉆孔抽采的瓦斯純量定為7m3/min。其中，鉆孔直徑為94mm，瓦斯氣體流動速度為9m/s，瓦斯管路抽采濃度為7%，高位鉆場中鉆孔的個數(shù)按照式(3)計算得：N≈5.34個。

考慮到瓦斯涌出的不均衡性和異常性[7]，因此，每個鉆場設(shè)計布置8個抽放鉆孔，若瓦斯涌出量較大，建議布置12個鉆孔。

2 高位鉆孔優(yōu)化COMSOL數(shù)值模擬

2.1 基本模型的建立

模型的長度和寬度均設(shè)置為30m，高為5m。將高位鉆孔周圍2m的網(wǎng)格加密處理，高位鉆孔周邊的網(wǎng)格加寬處理，這樣既能保證模擬計算過程的精密又能保證計算時間不至于過長。含瓦斯煤模擬具體參數(shù)見表1。

表1 含瓦斯煤模擬參數(shù)

2.2 不同抽采時間對鉆孔抽采的影響

不同抽采時間下(1d、3d、5d、7d、9d)，高位鉆孔周邊瓦斯壓力切片如圖2所示。分析圖2可知，距離抽采鉆孔越近，其瓦斯壓力變化越明顯。

圖2 瓦斯壓力切片圖

高位鉆孔瓦斯壓力隨時間的變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著高位鉆孔抽采時間的增加，鉆孔周邊的瓦斯壓力逐漸變小。在抽采的初始階段，瓦斯流場和瓦斯流動通道還未形成，隨著抽采的逐步進行，煤層逐步卸壓，瓦斯?jié)B流的通道被打開，瓦斯壓力越來越低，最終的瓦斯流場形成以瓦斯鉆孔中心位置瓦斯壓力最低，逐步向圓周擴散增大。鉆孔經(jīng)過5d的抽采后，鉆孔周邊的流狀鉆孔已初步形成，鉆孔受抽采的影響，影響范圍逐步擴大。由圖3可以看出，當鉆孔抽采1d時，瓦斯壓力變化不是很明顯，但當鉆孔抽采9d后，瓦斯壓力由之前的0.22MPa降低到0.05MPa，并趨于穩(wěn)定。隨著抽采的進行，煤體中的瓦斯流場逐步趨于穩(wěn)定。

圖3 高位鉆孔周邊區(qū)域瓦斯壓力隨時間變化曲線

通過對XV1306工作面高位鉆孔的抽采效果進行統(tǒng)計，抽采有效影響半徑隨時間的變化曲線如圖4所示。若僅考慮抽采時間對抽采效果的影響，則抽采有效影響半徑隨時間的增加呈增大的趨勢，但隨著抽采時間的增大，有效影響半徑后期增大幅度有所降低，具體的函數(shù)關(guān)系符合冪指數(shù)，如式(5)。

R=0.0178t0.8089

(5)

圖4 鉆孔有效影響半徑隨抽采時間的變化曲線

當其它參數(shù)一定時，隨著抽采時間的增加，抽采效果逐漸提高，有效抽采影響半徑逐漸增大，但增大的幅度逐漸減小，抽采時間和抽采影響半徑符合冪指數(shù)關(guān)系[8]。

由于抽采前期，原始瓦斯壓力和孔外大氣壓力之間存在較大的壓差，造成煤層孔隙間的瓦斯流速和滲透率較大，因此有效影響半徑隨抽采時間的增加呈逐步上升的趨勢，后期由于壓差的降低，造成有效影響半徑的增加幅度開始趨于平緩。

2.3 高位鉆孔合理的抽采負壓分析

瓦斯抽采負壓為18kPa、25kPa和30kPa時，煤體中高位鉆孔的瓦斯壓力的變化曲線如圖5所示。通過圖5可知，增大瓦斯抽采負壓對于瓦斯壓力的影響甚微，因此單純靠提高負壓來提高高位鉆孔瓦斯抽采效率成效不明顯。

圖5 不同抽采負壓下的瓦斯壓力分布圖

由圖5可以看出：在靠近鉆孔的地方，煤層內(nèi)的瓦斯壓力下降的幅度很大。抽放負壓越大，抽采量越大，但當負壓到一定程度后，抽采效果就不會明顯增加，有時反而會使抽采純量降低。高位鉆孔內(nèi)負壓抽采影響范圍僅限于鉆孔周邊區(qū)域，對于鉆孔負壓抽采有效影響范圍以外的區(qū)域，負壓對其影響很小。

結(jié)合15#煤層XV1306工作面鉆場的實際情況，通過分析抽采負壓對移動泵抽采效果的影響，對瓦斯抽放移動泵的負壓、抽放距離進行效果分析評價，得出XV1306工作面高位鉆場鉆孔抽放負壓為15～22.4kPa時，抽放效果最佳。

3 高位鉆孔優(yōu)化及抽采效果評價

3.1 鉆場內(nèi)高位鉆孔數(shù)量的確定

受15#煤層XV1306回采工作面地質(zhì)構(gòu)造的影響，瓦斯涌出呈現(xiàn)出不規(guī)律性，高位鉆孔在施工過程中偶爾也會遇到塌孔發(fā)生，因此每個高位鉆場施工的鉆孔個數(shù)暫定8個，當瓦斯涌出較大時，鉆孔個數(shù)調(diào)整為12個，鉆場之間的間距定為60m。

3.2 優(yōu)化后高位鉆孔參數(shù)的確定

經(jīng)收集資料可知，15#煤層裂隙帶高度為14.4～59.29m，將高位鉆孔終孔位置布置在裂隙帶的中下部，有利于抽放瓦斯，高位鉆孔的垂直高度最終定在6～26m，仰角3°～13°，偏角4°～13°。普通鉆場優(yōu)化后的高位鉆孔鉆孔具體參數(shù)見表2。

表2 普通鉆場優(yōu)化后的高位鉆孔鉆孔具體參數(shù)

3.3 優(yōu)化后的高位鉆孔抽采純量評價

經(jīng)過現(xiàn)場數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得知，優(yōu)化后的XV1306工作面普通鉆場單個高位鉆孔的抽采純量平均值由0.72m3/min提高到了0.94m3/min，抽采純量提高了30.6%。

4 結(jié) 論

1)通過理論計算，得出高位鉆孔的有效長度約為70m，鉆場間距以50～60m較為合理，每個鉆場設(shè)計布置8個抽放鉆孔，瓦斯涌出量較大時，高位鉆場鉆孔增加至12個。

2)通過COMSOL數(shù)值模擬，得出高位鉆孔的瓦斯壓力隨著抽采時間的增大而呈現(xiàn)出降低的趨勢，后期趨于穩(wěn)定。有效影響半徑隨抽采時間的增加呈逐步上升趨勢，后期的增加幅度開始趨于平緩。抽采量隨抽采負壓的增大而增大，增大到一定程度后，抽采量開始趨于穩(wěn)定。通過分析礦井15#煤層XV1306工作面鉆場抽采效果的實際情況，得出末采階段XV1306工作面高位鉆場鉆孔抽放負壓為15～22.4kPa時，抽放效果最佳。

3)采用理論計算和數(shù)值模擬對高位鉆孔進行優(yōu)化，高位鉆場中鉆孔的間距按照0.5m布置，高位鉆孔的垂高最終定在煤層頂板6～26m之間，末采階段XV1306工作面普通鉆場單個高位鉆孔的抽采純量平均值由0.72m3/min提高到了0.94m3/min，抽采純量提高了30.6%，在一定程度上降低了上隅角瓦斯?jié)舛?，提高了瓦斯抽采效率，瓦斯治理效果顯著。