寺河礦W2303掘進(jìn)工作面穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)研究及應(yīng)用

焦 軍

（晉煤集團(tuán)寺河礦，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西晉城煤業(yè)集團(tuán)寺河礦為高瓦斯突出礦井，礦井單巷掘進(jìn)時(shí)的絕對(duì)瓦斯涌出量為2.8m3/min。工作面二氧化碳絕對(duì)涌出量為0.02～0.06m3/min。W2303工作面瓦斯抽放采取底板巖巷施工穿層鉆孔對(duì)煤巷掘進(jìn)瓦斯治理，W23032瓦斯抽放措施巷設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度約979.6m，巷道斷面為三心圓拱形，巷道拱基線以上凈高1.2m，拱基線以下高2.7m，凈寬5.0m，凈斷面19.074m2?，F(xiàn)為保障W2303工作面掘進(jìn)作業(yè)是不會(huì)出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，利用底抽鉆孔解決煤層條件不好，瓦斯較大區(qū)域，通過(guò)密集鉆孔覆蓋從而達(dá)到降低瓦斯的目的，為工作面掘進(jìn)提供保障。

2 抽采鉆孔參數(shù)模擬分析

在煤巷掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，采用穿層鉆孔對(duì)煤層的瓦斯進(jìn)行預(yù)抽作業(yè)時(shí)，為有效保障穿層鉆孔的瓦斯抽采范圍和效果，一般會(huì)施工多個(gè)鉆孔，且各個(gè)鉆孔的傾角也會(huì)存在差異，現(xiàn)為保障抽采效果，采用COMSOL數(shù)值模擬軟件對(duì)穿層鉆孔抽采半徑與鉆孔傾角之間的關(guān)系進(jìn)行研究，并對(duì)比割縫鉆孔與普通鉆孔之間抽采半徑的差異。

現(xiàn)根據(jù)W2303工作面的具體地質(zhì)條件，在上覆巖層上施加10MPa的壓力，對(duì)四周的邊界約束其水平方向位移，固定底板邊界，并設(shè)計(jì)煤層的初始瓦斯壓力為2.0MPa，穿層鉆孔的抽采負(fù)壓為15kpa，分別對(duì)穿層鉆孔未 15°、30°、45°、60°、75°、90°、120°和145°下，預(yù)抽90d后鉆孔在X、Y方向上的抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域?qū)挾燃俺椴蛇_(dá)標(biāo)區(qū)域的半徑，具體不同鉆孔傾角下鉆孔抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域?qū)挾燃鞍霃饺鐖D1所示。

圖1 不同穿層鉆孔傾角下預(yù)抽90d時(shí)抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域及寬度圖

通過(guò)具體分析圖1可知，當(dāng)抽采天數(shù)相同的條件下，隨著鉆孔傾角的增大穿層鉆孔的抽采有效半徑會(huì)出現(xiàn)先逐漸增大后減小的總體趨勢(shì)，在鉆孔傾角為90°時(shí)，此時(shí)鉆孔的抽采半徑最小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象即表明鉆孔與主應(yīng)力的夾角及鉆孔的過(guò)煤長(zhǎng)度為影響鉆孔抽采效果的主要因素，隨著鉆孔長(zhǎng)度的增大，煤體與主應(yīng)力的夾角及其暴露面積均會(huì)逐漸增大，此時(shí)鉆孔在徑向方向上受到的破壞程度會(huì)增高，進(jìn)而使得鉆孔周圍煤體的卸壓程度會(huì)增大；當(dāng)鉆孔的傾角在小于75°或者大于90°時(shí)，此時(shí)鉆孔在垂直傾向方向上的卸壓區(qū)域會(huì)相對(duì)小于鉆孔在平行傾斜方向上的卸壓區(qū)域，另外鉆孔在小于60°時(shí)，在X方向上的抽采達(dá)標(biāo)半徑較大，基于此分析確定確定穿層鉆孔的傾角合理范圍為15°～50°或120°～160°，具體鉆孔傾角在30°及60°時(shí)殘余瓦斯壓力分布的云圖如圖2所示。

圖2 鉆孔傾角30°和60°下鉆孔周圍殘余瓦斯分布云圖

為研究割縫鉆孔與普通鉆孔之間的差異，在普通鉆孔的基礎(chǔ)上，設(shè)置割縫槽的高度為0.25m，半徑為1m，并具體對(duì)比鉆孔傾角在 15°、60°、90°及120°下兩種鉆孔的瓦斯抽采半徑的達(dá)標(biāo)區(qū)域，具體兩種抽采鉆孔抽采半徑達(dá)標(biāo)區(qū)域的對(duì)比曲線圖如圖3所示。

圖3 普通鉆孔與割縫鉆孔達(dá)標(biāo)區(qū)域?qū)Ρ惹€圖

通過(guò)具體分析圖3可知，普通鉆孔與割縫鉆孔在抽采的影響半徑之間的變化曲線存在著一定的差異，隨著鉆孔傾角的增大，普通鉆孔的抽采達(dá)標(biāo)范圍出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且普通鉆孔最小和最大的抽采達(dá)標(biāo)區(qū)域分別為0.8m和2.5m，而割縫孔的抽采達(dá)標(biāo)范圍會(huì)隨著鉆孔傾角的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，且割縫孔的達(dá)標(biāo)范圍最小及最大分別為4.8m和5.25m，另外能夠看出鉆孔傾角在15°～120°變化時(shí)，普通鉆孔及割縫鉆孔抽采影響半徑的變化幅度分別為233.3%和12.5%；基于上述分析可知割縫鉆孔能夠有效的提升鉆孔抽采的達(dá)標(biāo)區(qū)域，且有效降低鉆孔受到傾角變化的影響[1-2]，割縫鉆孔的角度變化即是通過(guò)鉆孔中圓盤角度的變化，且鉆孔的瓦斯抽采效果會(huì)隨著主應(yīng)力方向與圓盤方向夾角的減小而逐漸得到提升。

3 瓦斯抽采方案及效果分析

3.1 抽采方案設(shè)計(jì)

根據(jù)W2303工作面的瓦斯賦存情況及地質(zhì)條件，基于上述數(shù)值模擬結(jié)果能夠得割縫鉆孔和普通鉆孔的最大有效抽采半徑分別為4.5m和2.5m，根據(jù)模擬結(jié)果，確定鉆孔傾角盡量在15°～50°或120°～160°的范圍，抽采作業(yè)時(shí)先打設(shè)普通鉆孔進(jìn)行一個(gè)月的抽采作業(yè)，隨后再進(jìn)行割縫鉆孔的施工。

具體穿層鉆孔的抽采方案為：

1）穿層鉆孔分為三次進(jìn)行遞進(jìn)施工，12個(gè)鉆孔為1組，各組鉆孔之間的間距為6m，其中3#、7#和10#瓦斯抽采鉆孔未割縫鉆孔，其余鉆孔均為普通鉆孔，具體普通鉆孔及割縫鉆孔的各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn)表1。

2）在進(jìn)行抽采作業(yè)時(shí)，先進(jìn)行普通鉆孔的施工作業(yè)，其中普通鉆孔11#和12#鉆孔會(huì)有效隔斷下幫的瓦斯向巷道內(nèi)聚集，1#和2#鉆孔能夠有效的隔斷上幫瓦斯向巷道內(nèi)聚集，其余的不同鉆孔的瓦斯抽采作業(yè)，能夠有效的降低煤層的瓦斯壓力及含量，進(jìn)而能有效的防止水力割縫鉆孔在施工過(guò)程中出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象；

3）普通鉆孔進(jìn)行一個(gè)月的抽采作業(yè)完成后，進(jìn)行水力割縫3#、7#和10#鉆孔的施工作業(yè)，鉆孔施工完畢后再進(jìn)行割縫鉆孔的瓦斯抽采作業(yè)[3-4]。

圖4 W23032瓦斯抽放措施巷瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

W23032瓦斯抽放措施巷內(nèi)鉆孔布置的平面投影圖及開(kāi)孔位置的展開(kāi)圖如圖4所示。

表1 普通鉆孔與割縫鉆孔各項(xiàng)參數(shù)表

3.2 抽采效果分析

1）割縫鉆孔抽采效果。為有效驗(yàn)證割縫鉆孔的瓦斯抽采效果，通過(guò)對(duì)割縫區(qū)域鉆孔瓦斯抽采期間進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別對(duì)割縫前后鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛茸兓闆r進(jìn)行分析，具體如圖5所示。

圖5 鉆孔割縫區(qū)域鉆孔濃度的變化曲線圖

通過(guò)具體分析圖5可知，在進(jìn)行水力割縫作業(yè)后，在割縫鉆孔的周圍煤層的卸壓透氣性出現(xiàn)明顯增大，煤體內(nèi)部瓦斯涌出的通道在逐漸增大，其中對(duì)于處于割縫鉆孔周圍的62%的鉆孔內(nèi)部的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯的增大趨勢(shì)，在割縫作業(yè)完成2周和3周時(shí)，分別有67%和50%普通鉆孔的瓦斯?jié)舛雀哂诟羁p前，在割縫作業(yè)完成6周后，此時(shí)一半鉆孔內(nèi)的瓦斯?jié)舛忍幱诟羁p前的80%以上，在水力割縫作業(yè)完成后15周內(nèi)，綜合分析可知鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛葹楦羁p前濃度60%以上的比例占到60%，據(jù)此可知水力割縫作業(yè)對(duì)穿層鉆孔提高瓦斯抽采量及提高抽采效率效果顯著。

2）掘進(jìn)頭瓦斯涌出量分析。在W2303工作面的進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間，為了驗(yàn)證底板穿層鉆孔的瓦斯抽采效果，通過(guò)對(duì)巷道掘進(jìn)頭及巷道外口位置處的瓦斯涌出量進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，能夠得出W2303工作面進(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)期間掘進(jìn)頭的瓦斯涌出量及巷道瓦外口的日瓦斯涌出量如圖6所示。

圖6 進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)頭及外口日瓦斯涌出量分布圖

通過(guò)具體分析可知圖6可知，在W2303工作面進(jìn)風(fēng)巷的掘進(jìn)期間，通過(guò)對(duì)比圖6(a)與(b)能夠看出，其掘進(jìn)期間的瓦斯涌出量與未掘進(jìn)之前的變化量相對(duì)較小，巷道外口的瓦斯涌出量隨著掘進(jìn)作業(yè)的進(jìn)行逐漸增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)榫蜻M(jìn)作業(yè)后新暴露煤壁瓦斯的涌出量會(huì)導(dǎo)致巷道外口的瓦斯涌出量增大，且在巷道掘進(jìn)作業(yè)時(shí)20～30d時(shí)掘進(jìn)作業(yè)因某些原因停工，此時(shí)W2303工作面進(jìn)行巷的瓦斯含量出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，基于此可知，在進(jìn)風(fēng)巷掘進(jìn)期間巷道的瓦斯涌出量較?。换谏鲜龇治隹芍M(jìn)風(fēng)巷在掘進(jìn)期間瓦斯涌出量相對(duì)較小，且瓦斯涌出量始終保持在700m3/d，基于此可知W2303工作面底板巷穿層鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的效果較為顯著。

4 結(jié) 論

通過(guò)分析W2303工作面的瓦斯賦存及地質(zhì)條件，確定采用底抽鉆孔的方式保障工作面掘進(jìn)作業(yè)的順利進(jìn)行，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可知，穿層鉆孔的傾角合理范圍為15～50°或120°～160°，割縫鉆孔對(duì)瓦斯抽采效果的影響效果顯著，結(jié)合工作面具體情況對(duì)瓦斯抽采方案進(jìn)行具體設(shè)計(jì)，基于瓦斯抽采監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)得出水力割縫作業(yè)有效的提高了穿層鉆孔的瓦斯抽采量和抽采效率，巷道掘進(jìn)期間瓦斯涌出量始終保持在700m3/d，保障了巷道掘進(jìn)作業(yè)的安全。