李村煤礦頂板定向長鉆孔瓦斯抽采參數(shù)優(yōu)化研究

申海生，鄒 虎，劉 壘，趙春洲，王彥敏，曹良偉，田錦繡，田 瓏

(山西潞安礦業(yè)集團(tuán)慈林山煤業(yè)有限公司 李村煤礦，山西 長治 046000)

隨著推進(jìn)速度的加快，對(duì)高瓦斯綜采面采掘抽合理協(xié)調(diào)提出了更高的要求，也加劇了瓦斯抽采和快速開采之間的矛盾[1，2]。對(duì)于高瓦斯工作面，在頂板裂隙帶布置高抽巷治理采空區(qū)瓦斯具有較好的效果，但高抽巷掘進(jìn)工期長、成本高，嚴(yán)重影響了工作面采掘接替[3，4]。隨著我國定向鉆進(jìn)技術(shù)的發(fā)展和成熟，使用頂板定向長鉆孔代替高抽巷(簡稱“以孔代巷”)的相關(guān)技術(shù)在各大礦井開始普及[5，6]。但針對(duì)頂板定向長鉆孔抽采機(jī)理還有待進(jìn)一步深度研究，關(guān)鍵參數(shù)的布置大多依賴工程經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)[7-9]，而明晰頂板定向長鉆孔抽采機(jī)理，合理協(xié)調(diào)關(guān)鍵布置參數(shù)直接影響著頂板定向長鉆孔的抽采效果。本文基于李村煤礦高瓦斯大采高的地質(zhì)條件，分析了合理抽采范圍[10，11]，研究了不同抽采方式下瓦斯流場時(shí)空分布規(guī)律及抽采機(jī)理，確定了布置參數(shù)敏感性指標(biāo)，優(yōu)化了頂板定向長鉆孔布置參數(shù)。

1 合理抽采范圍分析

1.1 1305工作面基本情況

李村煤礦1305工作面開采3#煤層，該煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)較簡單，煤厚變異較小。煤層總厚為5.1～5.8 m，平均厚度為5.4 m。煤層平均傾角為6°，直接頂為砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，厚度6.6 m，老頂為中粒砂巖，厚度為14.7 m。工作面長250 m，采用一次采全高開采，通風(fēng)方式為U型通風(fēng)。1305工作面煤巖柱狀圖如圖1所示。

圖1 1305工作面煤巖柱狀圖Fig.1 Geologic column of 1305 face

1.2 垂直三帶和水平三區(qū)位置

1.2.1 垂直三帶范圍

根據(jù)冒落帶和裂隙帶經(jīng)驗(yàn)公式，中硬巖性頂板冒落帶和裂隙帶高度分別為：

式中，H1為冒落帶高度，m；H2為裂隙帶高度，m；M為煤層厚度，m。

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)踐，1305面采空區(qū)冒落帶和裂隙帶高度應(yīng)為13 m和48 m左右。

1.2.2 水平三區(qū)范圍

頂板定向長鉆孔通常布置在裂隙發(fā)育，瓦斯積聚的頂板裂隙帶內(nèi)，由于近回風(fēng)巷側(cè)的高濃度瓦斯，確定頂板定向長鉆孔的合理位置，還需確定鉆孔相對(duì)于回風(fēng)巷的平距。

根據(jù)“O”型圈理論，鉆孔的水平位置應(yīng)布置在采空區(qū)傾向剖面的頂板覆巖卸壓角內(nèi)側(cè)的離層區(qū)內(nèi)，鉆孔距離回風(fēng)巷幫的水平距離S應(yīng)該滿足[12-14]：

式中，H為鉆孔布置垂直層位高度，m；α為開采煤層的傾角，(°)；β為裂隙邊界與開采邊界的連線與煤層的夾角，取67°；S為抽采鉆孔終孔點(diǎn)距回風(fēng)巷水平距離，m；B為鉆孔距“O”型圈外邊界的距離，一般條件下，B取值范圍為0～34 m；θ為裂隙邊界與開采邊界的連線與煤層的夾角，(°)。

通過上述計(jì)算，最終確定，頂板定向長鉆孔距回風(fēng)巷的平距應(yīng)當(dāng)在9～50 m之間。

2 瓦斯抽采機(jī)理及關(guān)鍵參數(shù)分析

2.1 不同抽采方式下瓦斯流場

考慮重力影響的采空區(qū)冒落巖石的空隙率滿足式(5)[15，16]。

φ(x，y)=1+

式中，ly為采空區(qū)傾向?qū)挾龋琺；hd為直接頂厚度，m；H為采高或采放高，m；Kpb為直接頂破碎巖體殘余碎脹系數(shù)；l為基本頂破斷巖塊長度，m；σ0為單位壓應(yīng)力，σ0=1 MPa；β1為回歸系數(shù)，冒落巖石為頁巖時(shí)β1=-0.0488，冒落巖石為泥巖時(shí)β1=-0.028，冒落巖石為砂巖時(shí)β1=0.0254；γ為冒落巖石容重，N/m3；α為煤層傾角，(°)。

多孔介質(zhì)在線性流態(tài)條件下適用的計(jì)算粘性阻力損失系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式，其公式為[17]：

式中，φ為多孔介質(zhì)孔隙率；C為Kozeny-Carman常數(shù)，取4.8±0.3；S為多孔介質(zhì)比表面積，取80～200。

以3個(gè)頂板定向長鉆孔布置在15 m層位、4個(gè)布置在25 m層位為例，模型走向長300 m，傾斜長250 m，高度為48 m。進(jìn)風(fēng)口設(shè)為速度入口，入口氣流為空氣，風(fēng)速2.34 m/s，回風(fēng)口設(shè)為自由出口；鉆孔抽采口設(shè)為壓力出口；模型內(nèi)部各部分的交界處均設(shè)置為內(nèi)部面，其余外部面均設(shè)置為壁面；采空區(qū)設(shè)為多孔介質(zhì)區(qū)域并根據(jù)式(4)、式(5)對(duì)孔隙率、粘性阻力等進(jìn)行UDF編譯；冒落帶和裂隙帶瓦斯含量分別設(shè)為1.2×10-7m3/min和2.05×10-8m3/min。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)用情況，將高抽巷的布置設(shè)計(jì)為垂距15 m，平距28 m，斷面3 m×3 m，定向長鉆孔設(shè)計(jì)為3個(gè)頂板定向長鉆孔布置在15 m層位，4個(gè)布置在25 m層位，孔徑為203 mm，抽采負(fù)壓為-15 kPa，間距5 m，觀察不同抽采方式下采空區(qū)瓦斯流場分布與抽采效果，目的是較為直觀地對(duì)比二者的抽采效果，驗(yàn)證“以孔代巷”的可行性，不同抽采方式下采空區(qū)瓦斯分布如圖2所示。

U型通風(fēng)下，受新鮮風(fēng)流漏風(fēng)影響，進(jìn)風(fēng)側(cè)瓦斯?jié)舛容^低，回風(fēng)巷側(cè)瓦斯?jié)舛容^高，采空區(qū)瓦斯被漏風(fēng)帶入回風(fēng)巷，導(dǎo)致上隅角瓦斯易超限。采用高抽巷進(jìn)行抽采，采空區(qū)下方瓦斯被抽到高抽巷內(nèi)，工作面后方出現(xiàn)一個(gè)瓦斯降低區(qū)域，有效的保障了工作面瓦斯?jié)舛?。采用頂板定向長鉆孔也達(dá)到了類似高抽巷的抽采效果，有效控制了上隅角瓦斯?jié)舛?，高抽巷和定向鉆孔抽采下采空區(qū)切面流場如圖3所示。

圖3 切面流場分布特征Fig.3 Section flow field distribution characteristics

進(jìn)風(fēng)側(cè)下隅角處為坐標(biāo)原點(diǎn)(0，0，0)，取(245.4，-0.1，0.1)作為上隅角的參考點(diǎn)，U型通風(fēng)下上隅角瓦斯平均濃度為1.16%，高抽巷和頂板定向長鉆孔抽采下工作面上隅角瓦斯?jié)舛纫姳?。

表1 高抽巷及頂板定向長鉆孔抽采效果Table 1 Effect of high pumping roadway and roof directional long borehole pumping

根據(jù)上述分析，未采取抽采措施時(shí)，高瓦斯大采高U型工作面上隅角瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)超過了0.8%，而相對(duì)于高抽巷，頂板定向長鉆孔抽采混量只有其1/2，抽采純量也較高抽巷稍低，但其瓦斯抽采濃度高，較高抽巷控制上隅角瓦斯?jié)舛饶芰?qiáng)。

2.2 抽采影響范圍分析

壓力梯度是氣體流動(dòng)的主要原因，其直接關(guān)系著瓦斯抽采效果，將高抽巷和頂板定向長鉆孔均賦值25 kPa負(fù)壓，分析兩者壓力影響范圍，不同抽采方式下采空區(qū)壓力分布如圖4所示。

圖4 不同抽采方式下壓力分布Fig.4 Pressure distribution under different extraction methods

高抽巷高負(fù)壓區(qū)域較小，且負(fù)壓衰減很快，頂板定向長鉆孔由于其布置特點(diǎn)，高壓區(qū)比高抽巷大40%左右，且以高負(fù)壓區(qū)域?yàn)橹行?，形成了大范圍的低?fù)壓區(qū)域，影響范圍更大。

2.3 頂板定向鉆孔關(guān)鍵布置參數(shù)分析

單一鉆孔在穩(wěn)態(tài)滲流情況下的瓦斯抽采量如式(6)[19]。

式中，L為鉆孔有效抽采長度，m；K為頂板裂隙場滲透率，m2；p0為采空區(qū)內(nèi)原始?xì)怏w壓力，Pa；p1為鉆孔內(nèi)部抽采負(fù)壓，Pa；μ為瓦斯動(dòng)力粘度，Pa·s；R0為頂板覆巖裂隙帶半徑，m；R1為鉆孔半徑，m。

根據(jù)式(6)分析，影響瓦斯抽采效果的主要效果有以下三個(gè)因素：

1)鉆孔層位。鉆孔布置在裂隙帶上部時(shí)可以抽到高濃度的瓦斯，但攔截效果不佳；布置在中下部則可以有效攔截涌向上隅角的瓦斯，但受冒落帶漏風(fēng)影響較大，抽放瓦斯?jié)舛容^低。李村煤礦1305工作面覆巖砂巖層較多，煤層偏厚，致使覆巖跨落沉降后裂隙較為發(fā)育，層間垂直裂隙較一般情況下偏大，為保障上隅角瓦斯不超限，應(yīng)在工作面上隅角附近即裂隙帶中下部布置數(shù)個(gè)裂隙帶抽采鉆孔。

2)鉆孔直徑。提高鉆孔直徑，瓦斯抽采量會(huì)隨之增加，提升鉆孔抽采效果。在理論分析和實(shí)踐考察中，隨著鉆孔直徑的增大，氣體的抽出總量會(huì)提升，但設(shè)備功耗也逐漸增大，應(yīng)在現(xiàn)場已有鉆機(jī)設(shè)備和工藝技術(shù)的允許情況下，選擇合適直徑的鉆孔來抽采瓦斯。

3)抽采負(fù)壓。在實(shí)際生產(chǎn)過程中，合理的負(fù)壓有利于瓦斯抽采量的提升，但過大的抽采負(fù)壓不但造成抽采濃度降低，也會(huì)提升采空區(qū)遺煤自燃的風(fēng)險(xiǎn)。

3 頂板定向鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化

3.1 布置參數(shù)敏感性分析

影響裂隙帶鉆孔抽采效果的影響因素主要有鉆孔層位、直徑、個(gè)數(shù)、間距以及負(fù)壓，為了分析在多因素影響下的抽采效果評(píng)價(jià)，依據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況設(shè)計(jì)了16組正交實(shí)驗(yàn)，因素水平見表2[20]。

表2 因素水平Table 2 Table of factor level

以上隅角瓦斯?jié)舛葹闃?biāo)準(zhǔn)，所得結(jié)果如圖5所示。

圖5 上隅角瓦斯?jié)舛确治鼋Y(jié)果Fig.5 Gas concentration analysis in upper corner

極差可以一定程度上反映影響因素對(duì)于上隅角瓦斯?jié)舛戎笜?biāo)的程度，由上圖可以初步分析得A1和B1對(duì)于上隅角濃度的影響可能較大，具體結(jié)果還需要進(jìn)一步分析，上隅角瓦斯方差分析計(jì)算見表3。

表3 方差分析計(jì)算Table 3 Analysis of variance calculation table

表4 方差分析Table 4 Anova table

每個(gè)影響因素的均方和V等于該因素平方和S除以該因素相應(yīng)的自由度，F(xiàn)比為對(duì)應(yīng)因素的均方和與誤差均方和的比值。F的比值越大，其相應(yīng)的因素對(duì)試驗(yàn)的影響程度越高，故能根據(jù)F比的大小排列出因素的主次程度。

針對(duì)因素A1層位、因素B1孔徑、因素C1個(gè)數(shù)、因素D1間距、因素E1負(fù)壓來說，對(duì)上隅角瓦斯?jié)舛扔绊懗潭茸畲蟮氖倾@孔層位，其次是鉆孔直徑，接下來是鉆孔負(fù)壓，然后是鉆孔個(gè)數(shù)，影響程度最小的是鉆孔間距。因此在進(jìn)行頂板定向鉆孔參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)先重點(diǎn)關(guān)注鉆孔層位、鉆孔直徑和鉆孔負(fù)壓等參數(shù)，然后再優(yōu)化鉆孔個(gè)數(shù)和鉆孔間距等參數(shù)。

3.2 布置參數(shù)優(yōu)化

在靠近回風(fēng)巷側(cè)的高位環(huán)形裂隙帶中，從下至上將裂隙帶分為13～20 m，20～30 m，30～40 m三個(gè)范圍，通過離回風(fēng)巷的距離分為兩組，再兩兩組合，形成9組試驗(yàn)，以3×15 m，4×25 m為例，其布置如圖6所示?？紤]到布孔方式的多樣性，設(shè)置1#鉆孔層位為15 m，2#—7#鉆孔層位依次增加2 m，鉆孔間距依次增加5 m，作為第10組試驗(yàn)，除布置層位外，負(fù)壓、孔徑、間距等參數(shù)均保持一致。結(jié)果以工作面上隅角瓦斯?jié)舛葹橹笜?biāo)。

圖6 鉆孔層位優(yōu)化布置方式Fig.6 Optimal layout of borehole position

不同參數(shù)下上隅角瓦斯?jié)舛茸兓鐖D7所示，由圖7優(yōu)化結(jié)果如下：

圖7 不同參數(shù)下上隅角瓦斯?jié)舛茸兓疐ig.7 Change of gas concentration in upper corner under different parameters

1)鉆孔層位優(yōu)化：根據(jù)上述結(jié)果分析，方案2、4、6效果較好。李村煤礦的條件更適合采用方案2，即將鉆孔兩排布置，從左到右分別布置在15 m和25 m層位。通過15 m層位鉆孔攔截涌向上隅角的瓦斯，通過25 m層位鉆孔抽采高濃度瓦斯。

2)鉆孔直徑優(yōu)化：基于現(xiàn)場千米鉆機(jī)型號(hào)和打鉆能力，設(shè)計(jì)了120、150、203、300 mm四組試驗(yàn)，鉆孔層位布置在15 m和25 m層位，其余參數(shù)均保持一致，結(jié)果表明：在技術(shù)經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，采用較大孔徑能有效提高抽采效果。

3)基于現(xiàn)場試驗(yàn)，選擇10、15、20、25、30 kPa五個(gè)梯度來進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)李村煤礦的條件，采用20～25 kPa較為合適。同理，考慮經(jīng)濟(jì)條件，鉆孔個(gè)數(shù)選擇6個(gè)較優(yōu)，鉆孔間距對(duì)抽采效果應(yīng)該較小，選擇5 m較好。當(dāng)煤層瓦斯含量、工作面推進(jìn)速度等參數(shù)變化時(shí)，抽采負(fù)壓、鉆孔個(gè)數(shù)和間距等參數(shù)也可以相應(yīng)變化以達(dá)到較好的抽采效果。

4 經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析

1)抽采效果上，采用頂板定向長鉆孔在抽采混量和純量上較高抽巷有所差異，控制上隅角瓦斯?jié)舛饶芰^好，可以有效抽采采空區(qū)瓦斯，保障工作面安全高效開采，抽采效果對(duì)比分析見表5。

2)在施工成本上，施工8個(gè)120 mm鉆孔較高抽巷同比節(jié)省費(fèi)用39.7%，施工6個(gè)203 mm鉆孔較高抽巷同比節(jié)約35.4%，有效提高了經(jīng)濟(jì)效益。

3)施工進(jìn)度方面，按1000 m計(jì)算，施工1000 m高抽巷需要300 d，6～7個(gè)頂板定向長鉆孔共計(jì)需要130 d左右，施工時(shí)間可減少57%，保證了工作面正?；夭?。

5 結(jié) 論

1)頂板定向長鉆孔應(yīng)該布置在瓦斯富集的頂板裂隙帶中下部和離層區(qū)內(nèi)，頂板定向長鉆孔和高抽巷都能有效抽出采空區(qū)瓦斯，合理控制上隅角瓦斯?jié)舛?，在一定條件下，頂板定向鉆孔雖抽采混量和抽采純量較高抽巷少，但控制上隅角瓦斯?jié)舛饶芰ι詮?qiáng)。

2)影響頂板定向鉆孔抽采效果的主要因素為布置層位、鉆孔直徑和抽采負(fù)壓，次要因素為鉆孔個(gè)數(shù)和鉆孔間距。其中，抽采效果敏感性為“層位>孔徑>負(fù)壓”，以上隅角瓦斯?jié)舛葹橹笜?biāo)，李村礦應(yīng)當(dāng)將鉆孔布置為15 m層位3個(gè)和25 m層位3個(gè)，鉆孔孔徑為203 mm，負(fù)壓20～25 kPa較好，鉆孔間距為5 m。

3)在日產(chǎn)8000 t左右的條件下，采用頂板定向鉆孔可以有效縮短施工時(shí)間和成本，解決了工作面采掘接替困難的局面，同時(shí)保障工作面安全生產(chǎn)。但工作面推進(jìn)速度增加時(shí)，頂板定向鉆孔瓦斯?jié)舛让黠@較高，關(guān)于高抽巷和頂板定向鉆孔的使用界限問題上，還需結(jié)合煤層瓦斯含量和推進(jìn)速度等條件進(jìn)行進(jìn)一步的分析。