寺河礦頂板走向長鉆孔瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化模擬研究

郝長勝，王浩天，賈廷貴

(1.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)與煤炭學院，內(nèi)蒙古 包頭 014010；2.內(nèi)蒙古科技大學 礦業(yè)研究院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

煤礦工作面瓦斯超限和上隅角瓦斯超限是威脅煤礦安全開采的重要因素。目前煤礦井下主要采用的瓦斯治理方法有埋管[1]、高抽巷[2]、常規(guī)高位鉆孔[3]、頂板走向長鉆孔抽采。

陳建等[4]將大直徑長鉆孔和致密小直徑鉆孔進行分析對比，當工作面鄰近瓦斯涌出量大時鉆孔直徑越大瓦斯抽采效果越好；孫榮軍等[5]通過對紅嶺煤礦瓦斯抽采技術(shù)進行研究，認為走向長鉆孔相比于高抽巷控制范圍較大、抽放瓦斯見效快、施工周期短，投入成本低；趙耀江等[6]使用UDEC軟件模擬確定沙曲礦垮落帶高度為10 m，裂隙帶高度為32～40 m，確定了鉆孔合理布置參數(shù)；姚尚文[7]通過現(xiàn)場試驗表明，頂板走向長鉆孔在距頂板垂直距離為 7～20 m，距回風巷道水平距離為5～25 m時瓦斯抽采效果較好；胡良平等[8]在新集二礦的試驗結(jié)果表明，頂板走向長鉆孔可達到與高抽巷接近的瓦斯抽采效果，但頂板走向長鉆孔投資比高抽巷節(jié)約44.8%、工期縮短30%；畢建乙[9]在馬堡煤礦應(yīng)用頂板走向長鉆孔技術(shù)，確定鉆孔瓦斯抽采的有效時間為68 d；李彥明[10]通過實驗表明，普通高位鉆孔瓦斯抽采效果只有頂板走向長鉆孔瓦斯抽采效果的一半；武旭東等[11]使用數(shù)值模擬軟件對龍泉礦頂板走向長鉆孔瓦斯抽采效果進行分析，確定鉆孔間距為10 m時鉆孔瓦斯抽采效果最佳；李宏等[12]通過研究認為，頂板走向長鉆孔的瓦斯抽采效果與高抽巷相當，高抽巷相比頂板走向長鉆孔其施工量少，施工成本低；程志恒等[13]利用3DEC軟件模擬采空區(qū)頂板裂隙場演化過程，基于鉆孔高效抽采長度和采空區(qū)裂隙發(fā)育情況反映頂板走向長鉆孔的抽采效果；龔選平等[14]通過對卸壓瓦斯分布規(guī)律研究表明，瓦斯在距回風巷25～55 m和距煤層頂板25～50 m 范圍積聚；劉秀保等[15]利用瓦斯在橫向和縱向運移的特點，提出以裂隙帶抽采瓦斯為主、垮落帶抽采瓦斯為輔的抽采方法。

針對寺河礦5309工作面頂板走向長鉆孔布置情況，使用ICEM軟件建立采空區(qū)瓦斯抽采模型，運用FLUENT模擬軟件計算分析不同參數(shù)下的瓦斯抽采效果，以確定最佳抽采參數(shù)。

1 工作面概況

寺河礦5309工作面是大采高綜采工作面，采用一次采全高機械化采煤方法。工作面傾斜長度為301.5 m，走向長度為972.9 m。煤層傾角平均為4°，煤層平均厚度為5.9 m。采煤期間絕對瓦斯涌出量為28.8 m3/min，相對瓦斯涌出量為3.54 m3/t。

5309工作面共設(shè)計4個高位鉆場。每個鉆場設(shè)置4個鉆孔，分別施工至53092巷以南15、25、35、45 m處，高位鉆孔設(shè)計施工垂距為煤層底板上方25 m區(qū)域。主管道的抽采瓦斯純流量為3.47 m3/min，抽采瓦斯?jié)舛?CH4體積分數(shù)，下同)為17.14 %，上隅角瓦斯?jié)舛葹?0.59%。鉆孔瓦斯抽采效果差，鉆孔時常有損壞情況，上隅角瓦斯也常常超限，嚴重影響煤礦正常的安全生產(chǎn)。

2 頂板走向長鉆孔參數(shù)確定

煤層開采后形成采空區(qū)，采空區(qū)垮落后由下向上依次形成垮落帶、斷裂帶、彎曲帶。采空區(qū)四周形成“O”形圈[12]，為采空區(qū)瓦斯的儲存提供了空間。

2.1 覆巖“三帶”高度計算

針對覆巖三帶范圍，采用《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》提供的經(jīng)驗公式計算“三帶”高度。寺河礦5309工作面平均煤層厚5.9 m，上覆巖層主要為中硬巖石，對垮落帶和斷裂帶高度進行估計，計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

式中：Hm為垮落帶高度，m；Hl為斷裂帶高度，m；M為采高，m。

由式(1)計算得到工作面垮落帶高度為10.4～14.8 m；根據(jù)式(2)、(3)計算斷裂帶高度為50.8～58.6 m。

2.2 走向長鉆孔終孔距底板的垂直高度確定

走向長鉆孔距底板垂直高度的選擇直接影響著瓦斯抽采的效果。根據(jù)裂隙“三帶”的分布和“O”形圈理論，斷裂帶是鉆孔布置的最佳位置，其范圍內(nèi)裂隙發(fā)育豐富，其中存在的“O”形圈為瓦斯流動提供了空間，還可避免鉆孔被破壞。鉆孔終孔距離煤層底板的垂直高度Hz應(yīng)該位于斷裂帶之中，其計算公式如下：

Hm

(4)

根據(jù)式(4)初步確定鉆孔終孔距煤層底板的垂直高度為15～59 m。

2.3 走向長鉆孔水平位置確定

根據(jù)“O”形圈理論，為了保證鉆孔能夠達到瓦斯抽采效果和上隅角瓦斯治理的目的，一般嚴格平行于工作面且靠近回風巷布置鉆孔[16]。頂板走向長鉆孔終孔距回風巷的水平距離計算公式如下[17]：

(5)

式中：HP為頂板走向長鉆孔終孔距回風巷的水平距離，m；H1為抽采鉆孔與工作面的垂直距離，m；H2為抽采鉆孔距“O”形圈的外邊界距離，一般取值范圍為0～34 m；α為裂隙邊界、開采邊界的連線與煤層的夾角，取65°；θ為煤層傾角，取4°。

根據(jù)式(5)可以初步確定鉆孔終孔距回風巷的水平距離為14～67 m。

2.4 走向長鉆孔其他參數(shù)確定

鉆孔間距和鉆孔數(shù)量對鉆孔瓦斯抽采效果有很大的影響，鉆孔應(yīng)合理布置在高瓦斯區(qū)域。鉆孔間距和鉆孔數(shù)量的確定與鉆孔的有效抽采半徑有關(guān)，鉆孔間距過小，相鄰2個鉆孔抽采范圍重疊，瓦斯抽采量下降；鉆孔間距過大，距離回風巷一側(cè)較遠，瓦斯抽采量降低，瓦斯抽采效果變差。根據(jù)寺河礦5309工作面實際情況和試驗確定鉆孔在斷裂帶中的有效抽采半徑為5 m，設(shè)置最佳鉆孔間距為10 m，鉆孔數(shù)量為4個。

3 走向長鉆孔位置優(yōu)化的數(shù)值模擬

3.1 數(shù)值模型的建立

將工作面和采空區(qū)簡化為矩形模型，模型尺寸如表1所示。

表1 工作面采空區(qū)模型尺寸

垮落帶高度為0～15 m，斷裂帶高度為15～59 m；鉆孔直徑設(shè)置為300 mm。運用ICEM軟件建立工作面、采空區(qū)模型并劃分網(wǎng)格，共劃分為206 544個六邊體網(wǎng)格，采空區(qū)數(shù)值模型網(wǎng)格如圖1所示。

圖1 采空區(qū)數(shù)值模型網(wǎng)格

3.2 邊界條件設(shè)置

為了模擬寺河礦5309工作面和采空區(qū)的實際情況，需要對數(shù)值模型的邊界條件進行設(shè)置，如表2所示。

表2 數(shù)值模型邊界條件設(shè)置

假設(shè)采空區(qū)瓦斯在采空區(qū)各個區(qū)域均勻分布，瓦斯涌出量在單位體積內(nèi)近似相等。瓦斯質(zhì)量源項計算公式如下：

(6)

式中：Qv為模型瓦斯質(zhì)量源項，kg/(m3·s);Qg為瓦斯涌出量，m3/s;ρg為瓦斯密度，kg/m3;V為涌出瓦斯體積，m3。

根據(jù)5309工作面采空區(qū)瓦斯涌出情況，通過式(6)計算工作面采空區(qū)瓦斯質(zhì)量源項，結(jié)果如表3所示。

表3 工作面采空區(qū)瓦斯質(zhì)量源項

采空區(qū)各個區(qū)域的裂隙發(fā)展都不相同，需要設(shè)置不同的孔隙率和黏性阻力系數(shù)來近似地表示采空區(qū)裂隙發(fā)展情況。采空區(qū)孔隙率和黏性阻力系數(shù)計算公式如下：

Kp(x,y)=Kp0+(Kpmax-Kp0)exp[-a1x(1-ea2a3min(y,1-y))]

(7)

(8)

(9)

式中：Kp為破脹系數(shù)；n為孔隙率；R為黏性阻力系數(shù)；Kp0為實穩(wěn)定狀態(tài)下的碎脹系數(shù)；Kpmax為采空區(qū)冒落煤巖自然堆積狀態(tài)下的碎脹系數(shù)；a1、a2、a3分別為距離固面、工作面的衰減率和控制模型分布形態(tài)的調(diào)整數(shù)，取a1=-0.036 8，a2=-0.233，a3=0.268；x、y為距離壁面和工作面的等效距離；d為采空區(qū)遺煤的平均粒徑，本研究中取15 mm。

根據(jù)工作面的實際情況，將孔隙率和黏性阻力系數(shù)計算公式(7)、(8)、(9)編譯為UDF函數(shù)并且導入FLUENT軟件中進行數(shù)值模擬。

3.3 走向長鉆孔終孔不同參數(shù)模擬結(jié)果分析

3.3.1 抽采前工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律

采空區(qū)瓦斯未抽采前，新鮮風流通過進風巷流入工作面，帶走工作面瓦斯流出回風巷。部分風流因工作面漏風而流入采空區(qū)，采空區(qū)瓦斯隨風流涌入工作面回風巷，導致上隅角瓦斯超限。未抽采條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D如圖2所示。

圖2 未抽采條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D

由圖2可知，未抽采條件下采空區(qū)距工作面 100 m 處瓦斯?jié)舛冗_到25%以上，采空區(qū)最深處瓦斯?jié)舛冗_到80%以上，工作面回風巷上隅角出現(xiàn)了瓦斯超限。

3.3.2 距底板不同垂直高度處采空區(qū)鉆孔瓦斯抽采效果

為模擬距底板不同垂直高度條件下采空區(qū)瓦斯抽采效果，設(shè)置4個直徑為300 mm的鉆孔，鉆孔平行于回風巷布置，鉆孔間距為10 m，其中第1個鉆孔距回風巷水平距離為20 m，抽采負壓設(shè)置為20 kPa，設(shè)置鉆孔距底板的垂直高度Hz分別為28、33、38、43、48 m。監(jiān)測鉆孔的抽采瓦斯混合流量、瓦斯純流量、瓦斯?jié)舛群蜕嫌缃峭咚節(jié)舛取?/p>

鉆孔距底板不同垂直高度(垂距)條件下抽采后采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D如圖3所示。

圖3 鉆孔不同垂距布置條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D

由圖3可以看出，采空區(qū)的瓦斯?jié)舛入S著垂距的不斷增加呈現(xiàn)先減小后增大的現(xiàn)象。當垂距為 28 m 到38 m時采空區(qū)瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)減小的趨勢，鉆孔處于斷裂帶下部，裂隙發(fā)育較好，被工作面漏風帶走部分瓦斯；當垂距為38 m時，裂隙發(fā)育良好，瓦斯在此積聚，該距離為瓦斯抽采最佳垂距；當垂距為38 m到48 m時采空區(qū)瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)上升趨勢，由于裂隙發(fā)育較差，瓦斯儲存空間變小，瓦斯抽采效果變差。

鉆孔距底板不同垂距條件下瓦斯抽采流量及濃度曲線如圖4所示。

(a)抽采瓦斯混合流量和瓦斯純流量

由圖4可知，隨著垂距增加鉆孔抽采瓦斯的混合流量逐漸減小，垂距的增加導致裂隙發(fā)育越來越差，抽采瓦斯的混合流量越小。從垂距為28 m時鉆孔的總抽采瓦斯混合流量33.87 m3/min降到垂距為48 m時的22.00 m3/min。抽采瓦斯純流量則出現(xiàn)先增大后減小的現(xiàn)象，在垂距較小時受到工作面漏風的影響鉆孔抽采瓦斯純流量較小，隨著垂距的增加抽采瓦斯純流量逐漸增加，當垂距為28 m到 38 m 時抽采瓦斯純流量由11.54 m3/min增加到14.37 m3/min；當垂距過高時，裂隙發(fā)育較差，抽采瓦斯混合流量和抽采瓦斯純流量同時減小;當垂距為38 m到48 m時抽采瓦斯純流量由14.37 m3/min降到11.53 m3/min；當垂距為38 m時抽采瓦斯純流量達到最大值14.37 m3/min。隨著垂距的增加鉆孔抽采瓦斯?jié)舛扔?4.10%提高到52.40%，由于瓦斯上浮的原因垂距越高抽采瓦斯?jié)舛仍礁?；上隅角瓦斯?jié)舛扔?.20%提高到0.65%，垂距過低時鉆孔易被損壞，垂距過高時離上隅角過遠，上隅角瓦斯?jié)舛瓤焖僭龈摺?/p>

經(jīng)綜合分析，確定高位走向長鉆孔終孔垂距為38 m，當垂距為38 m時抽采瓦斯純流量達到最大值，上隅角瓦斯?jié)舛葹?.25%，故垂距為38 m時瓦斯抽采效果達到最佳。

3.3.3 距回風巷不同水平距離處采空區(qū)鉆孔瓦斯抽采效果

為模擬距回風巷不同水平距離條件下采空區(qū)瓦斯抽采效果，設(shè)置4個直徑為300 mm的鉆孔，鉆孔垂距為38 m，抽采負壓設(shè)置為20 kPa，鉆孔平行于回風巷布置，鉆孔間距為10 m，其中第1個鉆孔距回風巷水平距離Hp為15、20、25、30 m。監(jiān)測鉆孔的抽采瓦斯混合流量、瓦斯純流量、瓦斯?jié)舛群蜕嫌缃峭咚節(jié)舛取?/p>

鉆孔距回風巷不同水平距離條件下抽采后采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D如圖5所示。

圖5 鉆孔距回風巷不同水平距離條件下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植荚茍D

由圖5可知，隨著距回風巷越遠采空區(qū)瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)先減小后增大的趨勢，在距離25 m處采空區(qū)瓦斯?jié)舛冗_到最小值。表明水平距離為15 m到 25 m 時，由于距離回風巷較近，鉆孔受工作面漏風和回風巷部分風流影響，瓦斯抽采效果較差；當水平距離為25 m到30 m時采空區(qū)瓦斯?jié)舛扔殖霈F(xiàn)上升趨勢，這時距離回風巷越遠，鉆孔的瓦斯抽采效果越差。

鉆孔距回風巷不同水平距離條件下抽采后瓦斯流量及瓦斯?jié)舛惹€如圖6所示。

(a)抽采瓦斯混合流量和純流量

由圖6可知，隨著鉆孔距回風巷水平距離越遠，鉆孔抽采瓦斯的總混合流量基本不變，分別為28.37、29.62、29.18、28.74 m3/min，表明同一水平距離的裂隙發(fā)展都基本相近，所以抽采瓦斯混合流量基本相同。鉆孔抽采的瓦斯純流量隨著水平距離的增加出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，抽采瓦斯純流量由水平距離為15 m到25 m時，其增加了1.48 m3/min，表明15 m到25 m時受回風巷風流的影響，抽采瓦斯純流量減??；隨著水平距離增加，從25 m到30 m時抽采瓦斯純流量減少了1.27 m3/min，表明采空區(qū)瓦斯?jié)舛冉档停椴赏咚辜兞髁繙p小。水平距離為15 m到25 m時上隅角瓦斯?jié)舛染徛郎p小，在水平距離為15、20、25 m時上隅角瓦斯?jié)舛确謩e為0.25%、0.23%、0.20%，表明水平距離的變化對上隅角瓦斯?jié)舛鹊挠绊戄^小，但是水平距離為30 m時抽采位置離上隅角較遠，導致上隅角瓦斯?jié)舛壬?，達到了0.35%。

4 現(xiàn)場驗證

在寺河礦5309工作面設(shè)計4個高位鉆場，共計16個鉆孔。4個鉆場從里向外依次為：53093/92巷9#聯(lián)絡(luò)巷、53093/92巷5#聯(lián)絡(luò)巷、53093/92巷1#聯(lián)絡(luò)巷、53093巷帶式輸送機頭繞道。每個鉆場分別設(shè)置4個鉆孔，孔深為420 m，分別施工至53092巷以南25、35、45、55 m處，高位鉆孔設(shè)計施工垂距為煤層底板上方38 m區(qū)域。5309工作面頂板走向長鉆孔平面布置如圖7所示。

圖7 5309工作面頂板走向長鉆孔平面布置圖

對寺河礦5309工作面鉆孔抽采情況進行監(jiān)測，監(jiān)測時間30 d，每兩天監(jiān)測1次主管道的抽采瓦斯純流量和瓦斯?jié)舛?。通過現(xiàn)場實踐，得到鉆孔優(yōu)化前后抽采瓦斯純流量、瓦斯?jié)舛惹€，如圖8、圖9 所示。

圖8 鉆孔優(yōu)化前后抽采瓦斯純流量曲線

圖9 鉆孔優(yōu)化前后抽采瓦斯?jié)舛惹€

由圖8可知，鉆孔優(yōu)化前最大抽采瓦斯純流量約為6.50 m3/min，最小抽采瓦斯純流量為0.07 m3/min，平均抽采瓦斯純流量為3.47 m3/min；鉆孔優(yōu)化后最大抽采瓦斯純流量為9.80 m3/min，最小抽采瓦斯純流量為6.07 m3/min，平均抽采瓦斯純流量為7.98 m3/min。

由圖9可知，鉆孔優(yōu)化前最大抽采瓦斯?jié)舛葹?7.10%，最小抽采瓦斯?jié)舛葹?.50%，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?7.14%；鉆孔優(yōu)化后最大抽采瓦斯?jié)舛葹?6.50%，最小抽采瓦斯?jié)舛葹?9.20%，平均抽采瓦斯?jié)舛葹?6.10%。

對優(yōu)化后工作面瓦斯?jié)舛冗M行監(jiān)測，在工作面每隔20 m設(shè)置1個監(jiān)測點，將監(jiān)測值與模擬瓦斯?jié)舛戎颠M行對比，得到工作面瓦斯?jié)舛茸兓€，如圖10 所示。

圖10 工作面瓦斯?jié)舛茸兓€

由圖10可知，瓦斯?jié)舛葘崪y結(jié)果和模擬結(jié)果基本吻合。上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷搅?.20%，達到治理瓦斯的目的。

5 結(jié)論

1)根據(jù)寺河礦5309工作面具體情況，通過計算初步確定鉆孔終孔距底板的垂距為15～59 m；4個鉆孔距離回風巷水平距離14～67 m且與工作面平行布置。采用數(shù)值模擬方法分析確定鉆孔垂距為 38 m，與回風巷水平距離為25 m處頂板走向長鉆孔的瓦斯抽采效果最佳。

2)現(xiàn)場驗證表明，鉆孔的平均抽采瓦斯純流量由3.47 m3/min提高到了7.98 m3/min；鉆孔的平均抽采瓦斯?jié)舛扔?7.14%提高到了46.10%；上隅角瓦斯?jié)舛冉档偷搅?.20%。

3)通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場實踐表明，優(yōu)化后的頂板走向長鉆孔可以提高瓦斯抽采效率，實現(xiàn)降低上隅角瓦斯?jié)舛鹊哪康摹?/p>