扇形布置抽采鉆孔瓦斯壓力分布規(guī)律及應(yīng)用

姜周民

(冀中能源股份有限公司東龐礦， 河北 邢臺市 054201)

0 引言

瓦斯是制約高瓦斯礦井安全高效生產(chǎn)的主要因素之一，在巷道掘進過程中，往往因為瓦斯治理問題導(dǎo)致巷道掘進速度下降，進而影響礦井的采掘接替。對于巷道掘進中的瓦斯問題，我國學(xué)者進行了大量的研究，大致可以分為2個方面：理論研究和治理技術(shù)研究。

在理論研究方面，郭龍等[1]根據(jù)線性多孔彈性介質(zhì)基本規(guī)律，建立滲透率和孔隙率動態(tài)方程等，對掘進巷道周圍巖體滲透率演化過程進行了數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)應(yīng)力變化對滲透率變化的影響較大；孫曉元等[2]為準確探究掘進工作面突出瓦斯擴散運移時的參數(shù)特性，構(gòu)建了突出瓦斯運移模型，研究了突出瓦斯與空氣混合后其參數(shù)隨時間和位置變化的特征規(guī)律；舒龍勇等[3]針對掘進工作面煤與瓦斯突出災(zāi)害多發(fā)的現(xiàn)狀，利用FLAC3D計算分析了多種條件下煤巷掘進面的采動應(yīng)力和破壞區(qū)分布特征，建立煤巷掘進面突出危險性評價模型，研究了煤巷掘進面突出危險性的主控因素及影響機制。

在治理技術(shù)研究方面，李輝等[4]為了改變新義礦12041工作面運輸巷道掘進時突出危險性高的現(xiàn)狀，提出了綜合防突技術(shù)；金元甲等[5]分析了高瓦斯對巷道安全高效掘進的影響，采取了巷道走向超前鉆孔和瓦斯釋放孔協(xié)同作用的邊掘邊抽瓦斯防治措施，實現(xiàn)了高瓦斯大斷面煤巷的安全快速掘進；董賀等[6]針對煤巷掘進難以實現(xiàn)煤層的邊掘邊抽問題，提出了煤巷掘進跨步預(yù)抽煤層瓦斯的方法；任志成、周建斌等[7-8]針對高瓦斯煤巷掘進困難等問題，分別提出了高壓液態(tài)CO2致裂器掘進頭短鉆孔預(yù)裂消突技術(shù)和多級氣相壓裂卸壓抽采方案；張倩、程波等[9-10]分別研究了水力造穴和水力割縫增透抽采工作面瓦斯，發(fā)現(xiàn)水力強化技術(shù)能夠提高掘進工作面煤體的滲透特性。向真才等[11]針對煤層透氣性差、鉆孔瓦斯流量衰減較快、采取迎頭超前長鉆孔抽采效果不佳而導(dǎo)致煤巷掘進速度慢等問題，提出利用檢修班時間采用短鉆孔進行掘進迎頭快速集中抽采的方法，以提高煤巷掘進速度。

本文采用數(shù)值模擬研究了掘進工作面扇形布置抽采鉆孔瓦斯壓力分布，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，對掘進工作面瓦斯抽采鉆孔布置進行了優(yōu)化。

1 工程概況

東龐礦21110工作面位于東龐礦-480 m水平11采區(qū)，地面標高91.62 m，工作面標高-490～-550 m。根據(jù)工作面內(nèi)1401，1402鉆孔及21110工作面實測資料分析，工作面內(nèi)2號煤層沉積穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度有一定變化，含有一層夾矸，上層煤厚度為1.80～3.15 m，平均為3.0 m；下層煤厚度為1.00～2.25 m，平均為1.54 m；夾矸為泥質(zhì)粉砂巖，厚度為0.10～0.50 m，平均為0.28 m，煤層傾角為1°～8°。根據(jù)相鄰回采工作面及鉆孔取樣測試，21110工作面瓦斯含量為3～5 m3/t，21110工作面軌道巷鄰近采空區(qū)，在掘進過程中無需進行預(yù)抽，皮帶巷兩側(cè)均為實體煤，在掘進過程中需要對煤層瓦斯進行抽采。21110工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 21110工作面布置

2 扇形布置鉆孔瓦斯壓力分布規(guī)律

2.1 模型建立

掘進巷道瓦斯預(yù)抽示意如圖2所示，從圖2中可以看出，瓦斯抽采鉆孔呈扇形布置。瓦斯壓力是評價鉆孔瓦斯抽采效果的指標之一，為了分析扇形布置鉆孔瓦斯壓力分布規(guī)律，選取其中部分（圖2中藍色框）、結(jié)合上層煤厚度，用COMSOL數(shù)值模擬建立如圖3所示的計算模型。

圖2 掘進巷道瓦斯預(yù)抽示意

圖3 扇形布置鉆孔數(shù)值計算模型

模型尺寸為30 m×20 m×3 m，鉆孔直徑為113 mm、夾角為10°、初始間距為2 m，鉆孔布置在同一水平面，呈“一”字形布置。本模型旨在對鉆孔周圍瓦斯壓力分布規(guī)律進行研究，因此，假設(shè)計算所用參數(shù)見表 1，用 COMSOL數(shù)值模擬軟件中的PDE模塊，代入瓦斯運移方程進行計算。

表1 模型計算所需參數(shù)

2.2 模擬結(jié)果分析

抽采30 d時的模擬結(jié)果剖面如圖4所示。從圖4中可以看出，隨著鉆孔的發(fā)散、鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力逐漸增大，最大瓦斯壓力位于鉆孔中間、模型的上下邊界。為了更加直觀地分析鉆孔周圍的瓦斯壓力分布，在鉆孔中間的模型上邊界、沿Y軸方向布置一條監(jiān)測線，瓦斯壓力監(jiān)測結(jié)果如圖5所示。

圖4 數(shù)值模擬計算結(jié)果剖面圖

圖5 瓦斯壓力監(jiān)測結(jié)果

從圖5可以看出，隨著測線長度的增加，即隨著鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力呈近似直線增加，最低瓦斯壓力為0.121 MPa，最高瓦斯壓力為0.284 MPa。

2.3 鉆孔布置優(yōu)化

將鉆孔布置方式改為“三角形”布置，中間鉆孔向Z軸移動0.8 m，即鉆孔垂直間距為0.8 m，模型尺寸、計算參數(shù)等不變，建立優(yōu)化后的數(shù)值計算模型如圖6所示。抽采30 d的數(shù)值計算結(jié)果如圖7所示。

圖6 鉆孔布置優(yōu)化后數(shù)值計算模型

圖7 數(shù)值計算結(jié)果剖面圖

從圖7可以看出，隨著鉆孔的發(fā)散、鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力也逐漸增大，瓦斯壓力分布規(guī)律與“一”字形鉆孔布置方式相同，但瓦斯壓力明顯低于“一”字形鉆孔布置方式，最大瓦斯壓力位于鉆孔中間、模型的上部邊界。為了更加直觀地分析鉆孔周圍的瓦斯壓力分布，在鉆孔中間的模型上邊界、沿Y軸方向布置一條監(jiān)測線，瓦斯壓力監(jiān)測結(jié)果如圖8所示。

圖8 瓦斯壓力監(jiān)測結(jié)果

從圖8可以看出，隨著測線長度的增加，即隨著鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力增加，前半部分瓦斯壓力增長速度緩慢，后半部分瓦斯壓力增長速度有所增高，但是明顯低于“一”字形鉆孔布置方式。最低瓦斯壓力為0.118 MPa，最高瓦斯壓力為0.148 MPa，與“一”字形鉆孔布置方式相比，前部分瓦斯壓力減少不多，后半部分瓦斯壓力下降幅度較大。

通過上述模擬結(jié)果可以看出，抽采鉆孔采用“三角形”布置時，瓦斯抽采效果要優(yōu)于“一”字形布置方式。同時，在掘進頭施工鉆孔抽采瓦斯時，鉆孔數(shù)量較多，若采用“一”字形布置方式，初始鉆孔間距較近，已施工鉆孔易受鄰近鉆孔施工影響，抽采時也易導(dǎo)致抽采鉆孔發(fā)生“串孔”現(xiàn)象。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

根據(jù)上述研究成果，東龐礦21110工作面皮帶巷掘進過程中采用“三角形”布置鉆孔方式對煤層瓦斯進行預(yù)抽。巷道沿煤層頂板掘進，高度為3.5 m，由于工作面上層煤平均厚度為3.0 m、夾矸平均厚度為0.28 m，因此只在上層煤對瓦斯進行預(yù)抽。預(yù)抽煤層條帶長度為100 m，抽采達標之后方可掘進，掘進80 m后進行下一階段瓦斯預(yù)抽，即循環(huán)抽采長度為100 m，壓茬長度為20 m。鉆孔布置如圖9所示。

圖9 預(yù)抽鉆孔布置（單位: m）

每次循環(huán)布置12個鉆孔，鉆孔直徑為113 mm，分上下兩排布置，鉆孔間距和排間距均為 0.8 m。根據(jù)東龐礦順層鉆孔抽采有效半徑測試結(jié)果，采用Φ113 mm鉆孔抽采30 d的有效半徑r為3.5 m[12]，設(shè)計鉆孔末端間距不超過5.5 m，控制掘進前方兩側(cè)15 m范圍煤體。

鉆孔施工過程中，測試不同鉆進深度鉆屑解吸指標 Δh2，抽采完成后對抽采效果檢測時再次測試不同鉆進深度鉆屑解吸指標 Δh2，與抽采前進行對比。其中一循環(huán)抽采前后鉆屑解吸指標Δh2對比、工作面瓦斯?jié)舛茸兓鐖D10、圖11所示。

圖10 抽采前后鉆屑解吸指標Δh2對比

圖11 掘進期間工作面瓦斯?jié)舛?/p>

從圖10、圖11可以看出，抽采之前煤層鉆屑解吸指標Δh2的值處于60 Pa左右，抽采之后煤層鉆屑解吸指標Δh2的值處于40 Pa左右，數(shù)值下降較多；掘進期間工作面瓦斯?jié)舛仁冀K處于 0.4%左右，無瓦斯超限事故發(fā)生，瓦斯防治效果較好。

4 結(jié)論

（1）建立了抽采鉆孔瓦斯壓力分布數(shù)值計算模型，研究了“一”字形和“三角形”鉆孔布置方式下瓦斯壓力分布規(guī)律。隨著鉆孔的發(fā)散、鉆孔間距的增加，鉆孔之間的瓦斯壓力也逐漸增加；“三角形”布置與“一”字形布置相比，瓦斯壓力增加速度緩慢。

（2）依據(jù)模擬計算結(jié)果，結(jié)合鉆孔施工過程，最終確定采用“三角形”鉆孔布置方式對掘進工作面前方煤體進行抽采。

（3）現(xiàn)場檢測及監(jiān)測結(jié)果顯示，抽采后煤層鉆屑解吸指標Δh2由60 Pa左右降到40 Pa左右；掘進期間工作面瓦斯?jié)舛仁冀K處于0.4%左右，抽采效果良好。