大直徑鉆孔“以孔代巷”上隅角瓦斯治理技術(shù)研究

李棟龍

（太原市宏宇煤炭技術(shù)咨詢有限公司，山西 太原 030000）

隨著礦井采掘年限和開采深度的不斷增加，開采深度及開采難度均呈增大趨勢。在煤層開采過程中，由于工程擾動，使得工作面極易出現(xiàn)礦井災(zāi)害，所以如何解決限制礦井開采的難題成為了學(xué)者重要的研究課題。瓦斯災(zāi)害作為礦井常見問題一直困擾著礦井的正常開采，瓦斯問題一旦出現(xiàn)將會造成極為嚴(yán)重的安全事故，所以及時將瓦斯進行抽采關(guān)系這礦井的安全生產(chǎn)。采空區(qū)的瓦斯是回采工作面瓦斯的重要組成部分，上隅角的瓦斯治理是礦井生產(chǎn)的重中之重[1]，目前我國對采空區(qū)上隅角瓦斯治理的技術(shù)主要有高位鉆孔抽采、埋管抽采等，上述方法雖然能夠一定程度上解決瓦斯問題，但均存在一定的局限性[2]，所以本文以曹家山礦80103工作面為工程背景，采用大直徑鉆孔瓦斯抽采技術(shù)，以孔代巷對工作面采空區(qū)上隅角瓦斯進行抽采，有效降低了工作面上隅角瓦斯?jié)舛?，為礦井安全生產(chǎn)做出一定的貢獻與借鑒。

1 礦井概況

曹家山礦位于山西呂梁柳林縣城東南7km處曹家山村一帶，井田面積8.45km2，設(shè)計年生產(chǎn)能力90×104t，可采煤層共有開采4#、8#、10#煤層，80103工作面現(xiàn)主要開采8#煤層，煤層平均厚度5.9m，平均傾角4°，正常生產(chǎn)期間礦井絕對瓦斯涌出量為15.08m3/min，相對瓦斯涌出量為7.71m3/t，采煤工作面最大絕對瓦斯涌出量為8.50m3/min，掘進工作面最大絕對瓦斯涌出量為0.27m3/min，測定為高瓦斯礦井。

大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采技術(shù)，是通過臨近巷道向回風(fēng)巷道定距離施加大直徑鉆孔，通過鉆孔與瓦斯抽采系統(tǒng)的連接，改變上隅角瓦斯流場特性，從而降低上隅角瓦斯?jié)舛?，達到瓦斯抽采的目的。

2 數(shù)值模擬研究

首先對鉆孔抽采上隅角瓦斯進行數(shù)值模擬研究，采用fluent 數(shù)值模擬軟件進行順層鉆孔瓦斯抽采模型的建立，模型的鉆孔直徑設(shè)定為90mm，鉆孔長度為200mm，對模型進行網(wǎng)格劃分，為了保證計算精度同時降低計算時間，將鉆孔周邊進行細化分，在距離鉆孔較遠位置進行粗劃分，完成網(wǎng)格劃分后共計14532個節(jié)點及20083個網(wǎng)格單元。將模型設(shè)定為多孔介質(zhì)模型，對不同參數(shù)下的瓦斯抽放效果進行分析[3]。

首先對不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量進行分析，選定抽采負壓為-15kPa、-30kPa、-45kPa，不同負壓下鉆孔瓦斯流量如圖1所示。

從圖1可以看出，不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量隨時間的變化趨勢大致相同，隨著時間的增加，鉆孔內(nèi)部瓦斯流量逐步降低，當(dāng)抽采負壓為-15kPa 時，在第5d 鉆孔瓦斯流量為0.073m3/min，而當(dāng)時間來到30d時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.05m3/min；當(dāng)抽采負壓為-30kPa時，此時在第5d鉆孔瓦斯流量為0.053m3/min，而當(dāng)時間來到30d 時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.051m3/min；當(dāng)抽采負壓為-45kPa時，此時在第5d鉆孔瓦斯流量為0.096m3/min，而當(dāng)時間來到30d時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.054m3/min?？梢钥闯鲭S著抽采負壓的增大，此時鉆孔內(nèi)部瓦斯流量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當(dāng)抽采達到平穩(wěn)后，鉆孔內(nèi)部瓦斯流量相差不大，所以在保證鉆孔密封性的同時，盡量增大抽采負壓，考慮到當(dāng)抽采負壓為-45kPa 時，此時密封要求難以達到，所以選定最佳抽采負壓為-30kPa。

圖1 不同負壓下鉆孔瓦斯流量圖

對不同鉆孔直徑下瓦斯流量進行分析，選定抽采負壓為-30kPa，鉆孔直徑為90mm、110m、130mm，不同鉆孔直徑下瓦斯流量如圖2所示。

圖2 不同鉆孔直徑下瓦斯流量圖

從圖2可以看出，不同鉆孔直徑下鉆孔內(nèi)部瓦斯流量隨著時間的增大呈現(xiàn)逐步降低的趨勢。在抽采初期，鉆孔直徑對于瓦斯抽采影響較大，當(dāng)抽采時間來到20d時，此時的瓦斯流量與鉆孔直徑之間的影響關(guān)系減弱。當(dāng)鉆孔直徑為90mm 時，此時的第5d 鉆孔瓦斯流量為0.083m3/min，而當(dāng)時間來到30d時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.051m3/min；當(dāng)鉆孔直徑為110mm 時，此時的第5d 鉆孔瓦斯流量為0.099m3/min，而當(dāng)時間來到30d 時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.061m3/min；當(dāng)鉆孔直徑為130mm時，此時的第5d鉆孔瓦斯流量為0.12m3/min，而當(dāng)時間來到30d 時，此時的鉆孔瓦斯流量為0.063m3/min?？梢钥闯鲭S著鉆孔直徑的增大，瓦斯抽采效果較佳，所以在條件允許下，盡量將鉆孔增大，達到組鉆孔瓦斯抽放效果[4]。

3 試驗效果分析

為驗證大直徑鉆孔代替上隅角懸管抽采效果，曹家山礦在80103 工作面對大直徑鉆孔抽采瓦斯進行工業(yè)性試驗，首先布置大功率EH260 鉆機進行預(yù)抽孔設(shè)置，鉆孔的直徑選定130mm，鉆孔的間距設(shè)定為2m，鉆孔深度最大值為30m，當(dāng)鉆孔深度達到30m時，立即停止鉆孔。在鉆孔完成后進行套管下放，在鉆成的鉆孔內(nèi)放入套管，避免出現(xiàn)鉆孔塌陷等問題，對鉆孔進行封堵，選定JD-WFK-2 型速膨脹封孔劑進封孔，保證鉆孔氣密性，設(shè)定抽采負壓為-30kPa，進行鉆孔內(nèi)部瓦斯抽采監(jiān)測，大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測曲線如圖3所示。

圖3 大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監(jiān)測曲線

抽采管路內(nèi)濃度、上隅角瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴闪侩S時間變化趨勢如圖3所示，當(dāng)抽采管路內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.1%左右時，此時隨著80103工作面的不斷推進，使得空區(qū)范圍逐步擴大，此時抽采管路內(nèi)的瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出增加的趨勢，當(dāng)抽采時間達到一定時間后，此時的抽采管管路內(nèi)部瓦斯?jié)舛染S持在1.2%左右；上隅角的瓦斯抽采量初始時為0.1m3/min左右，隨著工作面的推進上隅角瓦斯抽采量呈現(xiàn)快速增大的趨勢，與抽采管管路在相同時間位置瓦斯抽采濃度達到平穩(wěn)[9]。此時抽采濃度維持在1m3/min，可以看出，當(dāng)使用大直徑鉆孔進行上隅角瓦斯抽采時，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2%，抽放效果較佳。

對大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽放的經(jīng)濟效益進行分析，按照抽采平均瓦斯量為2000m3/min 進行計算，每年可抽采730000m3，同時抽采的瓦斯可以作為能源使用。掘進巷道1m需要成本5000元，一條高抽巷需要投入資金230 萬元，同時需要每隔50m設(shè)置瓦斯聯(lián)絡(luò)巷，所以成本將近300 萬元，而大直徑鉆孔施工時，每個鉆孔需要4000 元，100 個鉆孔共計需要40 萬元，可以看出，選定大直徑鉆孔對上隅角瓦斯進行抽放共計可以節(jié)省260萬元，所以以孔代巷不僅可以有效解決上隅角瓦斯問題，同時在資金方面，大直徑鉆孔具有更大的優(yōu)勢[5]。

4 結(jié)論

（1）為驗證抽采效果，曹家山礦對不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量進行分析，發(fā)現(xiàn)隨著抽采負壓的增大，此時鉆孔內(nèi)部瓦斯流量呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，選定最佳抽采負壓為-30kPa。

（2）對不同鉆孔直徑下瓦斯流量進行分析，看出隨著鉆孔直徑的增大，瓦斯抽采效果較佳，所以在條件允許下，盡量將鉆孔增大，達到組鉆孔瓦斯抽放效果，本文選定最佳鉆孔直徑為130mm。

（3）當(dāng)使用大直徑鉆孔進行上隅角瓦斯抽采時，上隅角瓦斯?jié)舛染S持在0.2%，抽放效果較佳。同時通過對比經(jīng)濟效益驗證了大直徑鉆孔瓦斯抽采的優(yōu)越性。