煤礦綜采工作面底板巷抽采瓦斯技術(shù)實(shí)踐

王玉劍

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司西曲礦，山西 太原 030053）

引言

近些年，隨著煤礦采掘深度不斷增加，開采的重點(diǎn)逐步向著大縱深方向發(fā)展，使得瓦斯含量及瓦斯的壓力不斷加大，所以對厚煤層瓦斯進(jìn)行抽排對于礦井安全開采十分重要，此前，劉志偉、張帥[1]利用分源預(yù)測法對瓦斯來源進(jìn)行預(yù)測，通過FLEUNT 軟件對瓦斯的分布及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，提出利用專用巷道密閉大流量的治理方法，有效的消除了放煤后溜通道的瓦斯超限問題。岳乾，李希建，陳守坤[2]針對高瓦斯煤巷掘進(jìn)過程中的瓦斯超限難題，采取了“雙掛耳”式鉆場，并對巷道鉆孔進(jìn)行邊鉆邊采，有效提高了瓦斯的抽采效率，實(shí)現(xiàn)了巷道高效掘進(jìn)。本文以某礦18503工作面為研究背景，利用數(shù)值模擬對低抽巷抽采效果進(jìn)行研究分析，并給出最佳布置方案，為厚煤層礦井瓦斯抽采提供依據(jù)。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

某礦位于山西古交西南15km，井田面積104.4km2，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力400 萬t/a，18503 工作面現(xiàn)主要開采8#、3#煤層，井田結(jié)構(gòu)相對簡單，主要構(gòu)造形式為單斜延伸構(gòu)造，井田的地層傾角平均值在5°左右，18503 工作面現(xiàn)主要開采太原組8#煤層，煤層厚度3.2 m～6.0 m，煤層的平均厚度為5.6 m。

18503 工作面所開采的8# 煤層屬于滲透性煤層，瓦斯吸附能力強(qiáng)、透氣性差、衰減快，屬于較難抽采煤層，其中18503 工作面煤層瓦斯含量約為11 m3/t，巷道瓦斯壓力0.9 MPa，在巷道進(jìn)行開挖前需要將巷道內(nèi)瓦斯含量降低至8 m3/t，18503 工作面的右側(cè)為N18503 采空區(qū)，左側(cè)為北風(fēng)井東翼回風(fēng)巷，工作面的頂板由泥巖和粉砂巖組成，目前瓦斯?jié)舛劝凑掌浞植记闆r可分為涌出帶、過渡帶及滯留帶，其中涌出帶位移工作面切眼20 m 范圍內(nèi)，此時(shí)的瓦斯?jié)舛却笾聻?0%以下，在此區(qū)段內(nèi)瓦斯運(yùn)動速度較快，且多為層流；過渡帶載開切眼20 m～50 m 的范圍內(nèi)，此時(shí)瓦斯?jié)舛却笾路植荚?0%～20%，在此區(qū)段內(nèi)瓦斯多呈紊亂交錯狀態(tài)；滯留帶為距離開切眼50 m 以上，此時(shí)的瓦斯?jié)舛确植荚?0%～30%之間，在此階段內(nèi)瓦斯流動速度較低[3]。

底抽巷瓦斯抽采是指在底抽巷內(nèi)向煤層內(nèi)打穿層鉆孔抽采煤層瓦斯，此時(shí)由于鉆孔的存在使得鉆孔周邊的圍巖應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，鉆孔使得煤巖內(nèi)部原生裂縫及人工裂縫增多，瓦斯通過裂縫沿著鉆孔進(jìn)行排除，以此達(dá)到瓦斯抽采消突的目的[4]。底抽巷及鉆孔布置，如圖1 所示。

圖1 底板抽采預(yù)抽瓦斯示意圖

在進(jìn)行底抽巷位置選定時(shí)，較多的因素對其有所影響，因此對不同垂距及不同巖性下底抽巷抽采方案進(jìn)行對比分析，方案1 垂距12 m，布置于粉砂巖中；方案2 垂距15 m，布置于粉砂巖中，方案3 垂距20 m，布置于粉砂巖中，對三種方案進(jìn)行分析，首先進(jìn)行模型的建立，結(jié)合18503 工作面的實(shí)際情況，建立長方體模型，模型的長寬高分別為100 m×100 m×20 m，完成模型建立后根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況對模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定完成后對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分后共有88 520 個單元格，完成劃分后對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，固定模型四周的位移，同時(shí)對模型上端部施加覆巖自重13 MPa，模型選用摩爾庫倫模型為本構(gòu)模型，完成模型設(shè)定后對模型進(jìn)行模擬計(jì)算，應(yīng)力模擬云圖如第189 頁圖2 所示。

圖2 不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力云圖

從圖2 可以看出，在回采及地應(yīng)力的作用下，底抽巷的兩幫位置出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，且隨著垂距H的增加，巷道圍巖的垂直應(yīng)力值呈現(xiàn)增大的趨勢，當(dāng)垂距H 為12 m 時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值為20.48 MPa，當(dāng)垂距H 為15 m 時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力最大值為22.11 MPa，此時(shí)較垂距12 m 應(yīng)力值降低了1.63 MPa，當(dāng)垂距H 為20 m 時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力最大值為26.27 MPa，此時(shí)較垂距15 m 應(yīng)力值降低了5.79 MPa。同時(shí)隨著垂距的增大，巷道兩幫的應(yīng)力集中范圍有一定的減小，所以底抽巷距離煤層距離越近，受到掘進(jìn)的影響越大。根據(jù)對比分析最終選定底抽巷的布置位置為垂距12 m，布置于粉砂巖之中，此時(shí)的巷道施工成本最低且巷道的圍壓應(yīng)力良好，有利于煤層瓦斯的抽排[5-6]。對底抽巷鉆孔影響直徑進(jìn)行分析，選定抽采、負(fù)壓為15 kPa，抽采的直徑分別為94 mm，抽采天數(shù)分別選擇30 d、60 d、90 d、120 d、150 d，抽采有效半徑隨瓦斯抽采時(shí)間變化曲線如圖3-1 所示，在一定抽采天數(shù)下不同負(fù)壓抽采有效半徑變化曲線如圖3-2 所示。

圖3 抽采參數(shù)對有效抽采半徑的影響

從圖3 可以看出，當(dāng)鉆孔直徑和抽采負(fù)壓一定時(shí)，此時(shí)隨著抽采時(shí)間的增加，底抽巷鉆孔抽采有效半徑呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當(dāng)抽采時(shí)間為30 d 時(shí)，此時(shí)的鉆孔有效抽采半徑為0.97 m，當(dāng)抽采天數(shù)增大至60 d 時(shí)，此時(shí)鉆孔有效抽采半徑為1.23 m，當(dāng)抽采天數(shù)增大至150 d 時(shí)，此時(shí)的巷道抽采有效半徑為4 m。同時(shí)對比不同抽采負(fù)壓下的鉆孔抽采有效半徑發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)壓的增大，抽采有效半徑幾乎類似于平行直線，所以負(fù)壓對鉆孔抽采有效半徑的影響較小，所以在進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐時(shí)可以充分利用模擬結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 現(xiàn)場實(shí)踐研究

根據(jù)模擬研究進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐，選定18503 工作面的回風(fēng)順槽進(jìn)行驗(yàn)證研究，底抽巷布置按照模擬選定的方案進(jìn)行設(shè)置，在底抽巷進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑選定為94 mm，抽采的負(fù)壓選定為15 kPa，分別設(shè)定11 個鉆孔，在第5 個～11 個鉆孔進(jìn)行水力沖孔，完成沖孔后進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯抽采曲線，如圖4 所示。

圖4 瓦斯抽采曲線

從圖4 可以看出，經(jīng)過水力沖孔后瓦斯抽采的濃度及瓦斯純量均有了明顯的增加，在前4 個鉆孔抽采的濃度均值為44.8%，抽采的純流均值為0.18 m3/min，而經(jīng)過沖孔后瓦斯抽采的濃度均值為75%以上，瓦斯抽采的純流均值為0.33 m3/min，可以看出經(jīng)過沖孔后鉆孔瓦斯抽采濃度較未經(jīng)水力沖孔提升了30%，而抽采純量同樣提升了15 m3/min，所以底抽巷水力沖孔效果明顯，抽采效果極佳。

3 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬對不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，確定了當(dāng)垂距H 為12 m 時(shí)，底抽巷布置于粉砂巖中時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值最小，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值為20.48 MPa。

2）利用數(shù)值模擬軟件對抽采參數(shù)對有效抽采半徑的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著抽采時(shí)間的增加，底抽巷鉆孔抽采有效半徑呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，而隨著抽采負(fù)壓的增大鉆孔抽采有效半徑幾乎不變。

3）利用模擬計(jì)算結(jié)果對某礦18503 工作面進(jìn)行底抽巷布置，并對鉆孔沖孔前后瓦斯抽采曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，底抽巷鉆孔經(jīng)過水力沖孔后抽采效率有了明顯的提升，抽采效果極佳。