永定莊礦瓦斯抽放工藝參數(shù)優(yōu)化設(shè)計與應(yīng)用

蘇建秀

（晉能控股煤業(yè)集團 永定莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 大同 037003）

0 引 言

隨著永定莊礦長期開采，工作面瓦斯量需要嚴格控制，防止因瓦斯?jié)舛冗^高造成安全事故。81306 工作面瓦斯?jié)舛瘸迏^(qū)域主要集中在上隅角位置，降低上隅角瓦斯?jié)舛瓤梢敫呶汇@孔瓦斯抽采工藝，大量學(xué)者與科研團隊開展了高位鉆孔瓦斯抽采工藝的研究。文獻[1]使用了動態(tài)三維建模的方法，對不同高度的孔位瓦斯抽采效果進行對比分析，證明了高位鉆孔良好的瓦斯抽采效果[1]。文獻[2]通過仿真軟件對高位鉆孔的參數(shù)配置進一步分析，給出了仰角、方位角、鉆孔深的最佳參數(shù)搭配。當(dāng)前的主要研究成果，針對高瓦斯煤層抽采參數(shù)分析較少，無法滿足81306 工作面使用要求，因此采用理論分析與實地應(yīng)用相結(jié)合的方式，開展瓦斯抽放工藝研究。

1 地質(zhì)概況

永定莊礦承擔(dān)主要開采任務(wù)的81306 工作面平均傾角為5°，煤層厚度約6.70 m，延回撤通道向切眼方向煤層由厚變薄。工作面設(shè)計長260 m，推進距離長2 745 m，煤層平均夾矸4～5 層，夾矸厚度最大不超0.7 m，煤種類別為氣煤。81306 工作面煤層的可采系數(shù)為1，變異系數(shù)27.5%，煤層整體比較穩(wěn)定。瓦斯氣體含量約4.5 m3/t，預(yù)估最大瓦斯絕對涌出量20.5 m3/min，瓦斯氣體壓力值不超0.36 MPa?，F(xiàn)行的瓦斯抽放方法為本煤層預(yù)抽與高位鉆孔相結(jié)合。

2 瓦斯抽放參數(shù)優(yōu)化

高位鉆孔抽放就是提前對工作面的瓦斯進行抽放，瓦斯氣體經(jīng)由煤層開采頂板形成的縫隙通道排出工作面，并在煤壁高位鉆孔排除上隅角淤積的瓦斯氣體[3]。

為了研究高位瓦斯抽放工藝的參數(shù)優(yōu)化方法，將各參數(shù)間關(guān)系表示為圖1。其中標(biāo)注了鉆孔軸線投影長度、鉆孔終點投影點與風(fēng)巷間的長度、鉆孔終點到頂板的垂直距離、鉆孔的深度、鉆孔傾斜角等參數(shù)。

圖1 高位鉆孔主要參數(shù)關(guān)系圖Fig.1 Relationship diagram of main parameters of high-level borehole

參考永定莊煤礦的井下地質(zhì)情況，81306 工作面冒落帶高選定為12.3～0.8 m，裂隙帶高選定為55.6～75.1 m。同時，還需要結(jié)合抽放有效距離與鉆孔始抽距離進行優(yōu)化，最終確定高位鉆孔抽放參數(shù)值，具體如下。

（1）鉆場間距。鉆場間距的設(shè)定，需要是為了確保高濃度瓦斯氣體合理抽放，最佳的狀態(tài)為前一個鉆場的高濃度終點與有一個鉆場的高濃度起點相重合，這樣可保證高濃度氣體最大限度抽放[4]。綜合考慮81306 工作面的高位鉆孔深度與孔徑大小，將鉆場間距的取值選定為150 m。

（2）鉆孔數(shù)量。鉆場間距為150 m 的基礎(chǔ)上，合理的鉆孔數(shù)量為3～4 個。

（3）鉆孔間距。鉆孔的排列方向需與煤層傾角方向一致，鉆孔間距為5 m 左右。

（4）鉆孔深度。鉆場內(nèi)的深度如果不一致，將會出現(xiàn)渦流現(xiàn)象，故需確保鉆孔保持同一深度。

結(jié)合上述分析，在81306 工作面共布置4 個鉆場，1～3 號鉆場為定向鉆孔，孔深300 m，4 號鉆場為常規(guī)鉆場，孔深160～175 m。4 個鉆場共設(shè)置高位鉆孔15 個，負責(zé)1 號回風(fēng)巷、15、17、19 聯(lián)巷的氣體抽放，高位鉆孔示意如圖2 所示。

圖2 高位鉆孔示意Fig.2 High position drilling

為了檢驗81306 工作面瓦斯抽采效果，在1、2、3、4 號鉆場分別檢測瓦斯抽采濃度與流量變化情況，并取其平均值，可以得到，1 號、3 號鉆場的瓦斯抽采濃度均值比較大，達到17%以上，在這2 個鉆場中3 號、4 號鉆孔的瓦斯抽采濃度值最大；2 號鉆場瓦斯抽采濃度均值在8%左右，濃度值適中；4 號鉆場瓦斯抽采濃度平均值最小，不超過2%。

通過瓦斯?jié)舛瘸椴蓾舛染担梢缘玫礁縻@孔抽放效果。1 號鉆場與3 號鉆場的抽放效果最好，其中1 號鉆場的瓦斯抽采均值0.26 m3/min；3 號鉆場瓦斯抽采均值約1.0 m3/min；2 號鉆場瓦斯抽放效果則較為一般，瓦斯抽采均值約0.3 m3/min；4號鉆場瓦斯抽采效果最差，瓦斯抽采均值低于0.1 m3/min。

進一步分析可得出：①定向鉆孔比常規(guī)的高位鉆孔鉆進軌跡更易控制，且定向鉆孔鉆進距離更深，瓦斯氣體抽放效果更好，氣體抽采濃度也更大；②鉆孔與底板距離不同，抽放效果也不同，距離底板30 m 高度鉆孔氣體抽采濃度更大，效果更好，距離底板20 m 高度的鉆孔效果則相對較差；③在1 號鉆場與3 號鉆場中，距離回風(fēng)巷巷幫30 m 左右的氣體抽采效果不明顯，瓦斯?jié)舛戎底兓淮蟆?/p>

3 工作面瓦斯運移規(guī)律數(shù)值模擬

為了更加直觀了解81306 工作面采空區(qū)瓦斯運移規(guī)律，引入Fluent 數(shù)值模擬軟件，借助于該軟件可對采空區(qū)抽采前和抽采后的瓦斯運移特性進行仿真，將不同瓦斯?jié)舛茸兓闆r通過各類顏色進行標(biāo)記[5-6]。設(shè)定工作面長度值為260 m，供風(fēng)量值為2 100 m3/min，平均抽放負壓值為9 000 Pa，瓦斯?jié)舛热≈?0%。采空區(qū)抽采前瓦斯?jié)舛确植记闆r如圖3 所示。

圖3 采空區(qū)抽采前瓦斯?jié)舛确植记闆rFig.3 Gas concentration distribution before goaf drainage

由圖3 可看出，未進行瓦斯抽采時，進風(fēng)巷比回風(fēng)巷瓦斯氣體濃度更低一些，而采空區(qū)內(nèi)的瓦斯氣體濃度相比進風(fēng)巷與回風(fēng)巷則高出很多。對采空區(qū)內(nèi)瓦斯氣體濃度進行分析，采空區(qū)靠近工作面的中央?yún)^(qū)域瓦斯?jié)舛认鄬Φ?，遠離中央?yún)^(qū)域的瓦斯?jié)舛认鄬Ω咭恍?，整體呈現(xiàn)兩邊高、中間低的馬鞍狀分布。造成這一現(xiàn)象的原因是，工作面采空區(qū)漏風(fēng)，垮落帶附近的瓦斯?jié)舛雀?。在工作面推進方向上，采空區(qū)的瓦斯氣體濃度逐漸增大；在工作面豎直方向上，瓦斯氣體濃度自上而下逐漸減小，并且冒落帶的瓦斯氣體濃度比裂隙帶更低一些。

使用高位鉆孔抽放方法對采空區(qū)瓦斯氣體進行抽采，觀察瓦斯氣體濃度變化情況，可得到圖4 抽采后瓦斯?jié)舛确植记闆r。

圖4 采空區(qū)抽采后瓦斯?jié)舛确植记闆rFig.4 Gas concentration distribution after goaf drainage

由圖4 可以看出，回風(fēng)巷的瓦斯氣體濃度大幅減小，采空區(qū)中央?yún)^(qū)域同樣降幅明顯。此外，在采空區(qū)水平方向經(jīng)過鉆孔的氣體抽放，未抽放前的馬鞍狀分布情況得到大大緩解，證明了高位鉆孔負壓抽放效果良好。

4 效果分析

進行為期5 個月的現(xiàn)場測試，完成了81306 工作面掘進過程中的瓦斯?jié)舛戎?、抽放純量值記錄，將該過程中的瓦斯?jié)舛戎?、抽放純量值通過折線圖進行記錄，得到曲線圖如圖5 所示。

圖5 工作面掘進過程瓦斯?jié)舛戎蹬c抽放純量變化情況Fig.5 The change of gas concentration value and drainage purity in the tunneling process of working face

由圖5 可以看出，高位鉆孔抽放從第64 d 開始，在第105 d 達到峰值。自高位鉆孔抽放開始以后，抽放純量由0.5 m3/min 增大到8 m3/min，相應(yīng)的瓦斯氣體濃度也從2%增大到30%。從第105 d開始，瓦斯氣體濃度與抽放純量呈逐步減小趨勢，抽放純量在一段時間穩(wěn)定在5 m3/min 附近，瓦斯氣體濃度穩(wěn)定在18%附近，直至第205 d 后，瓦斯氣體濃度與抽放純量進一步減小。具體參數(shù)值見表1。

表1 工作面月平均瓦斯抽放量、涌出量統(tǒng)計Table 1 Monthly average gas drainage and emission statistics of working face

通過表1 數(shù)據(jù)可得出，在現(xiàn)場測試期間，高位鉆孔抽放瓦斯量范圍為4.26～6.39 m3/min，風(fēng)排瓦斯量范圍為2.36～4.21 m3/min，風(fēng)量由最初的1 220 m3/min 降至980 m3/min。高位轉(zhuǎn)孔瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用，使得工作面的瓦斯抽放純量均值達到4.05 m3/min，抽放氣體濃度均值達到15.7%，抽放率均值達55.9%，使得工作面上隅角與回風(fēng)瓦斯超限狀況得到緩解，瓦斯超限隱患得到解決。

5 結(jié) 論

論文針對永定莊礦81306 工作面上隅角與回風(fēng)瓦斯超限問題，引入的高位鉆孔抽放技術(shù)，經(jīng)理論分析、模型仿真與現(xiàn)場測試，證明了該技術(shù)的實用性與有效性，具有一定推廣價值。

（1）通過理論推導(dǎo)，給出了高位瓦斯抽放技術(shù)的優(yōu)化參數(shù)方案，明確了鉆場間距、鉆孔數(shù)量、鉆孔間距與鉆孔深度參數(shù)值。

（2）借助Fluent 模擬軟件對81306 工作面瓦斯運移規(guī)律開展建模仿真，得到了高位瓦斯抽放技術(shù)的抽采濃度變化模型，經(jīng)模擬仿真，回風(fēng)隅角的瓦斯?jié)舛葘⒅?%以下。

（3）現(xiàn)場測試結(jié)果證明了高位轉(zhuǎn)孔瓦斯抽放技術(shù)的應(yīng)用，使得工作面的瓦斯抽放純量均值達到4.05 m3/min，抽放氣體濃度均值達到15.7%，抽放率均值達55.9%，工作面瓦斯超限隱患得到解決。