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    低透氣性突出煤層順層鉆孔預(yù)抽瓦斯及防突技術(shù)

    2015-10-11 09:50:06盧忠英
    銅仁學(xué)院學(xué)報(bào) 2015年4期
    關(guān)鍵詞:銅仁透氣性瓦斯

    方 可,盧忠英,方 標(biāo)

    (1.銅仁學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院,貴州 銅仁 554300;2.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,貴州 銅仁 554300;3.貴州省銅仁市氣象局,貴州 銅仁 554300 )

    【土木工程與機(jī)械工程】

    低透氣性突出煤層順層鉆孔預(yù)抽瓦斯及防突技術(shù)

    方可1,盧忠英2,方標(biāo)3

    (1.銅仁學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院,貴州 銅仁 554300;2.銅仁學(xué)院 材料與化學(xué)工程學(xué)院,貴州 銅仁 554300;3.貴州省銅仁市氣象局,貴州 銅仁 554300 )

    選取林華煤礦9號(hào)煤層2093回采工作面作為研究試驗(yàn)區(qū),用ansys模擬軟件研究了低透氣性突出煤層順層鉆孔預(yù)抽瓦斯及防突技術(shù)。研究結(jié)果表明:選取 1.8m鉆孔間距抽采效果較好,經(jīng)抽采效果檢驗(yàn),2093回采工作面回采區(qū)域煤層殘余瓦斯含量降低到6.21m3/t~6.82 m3/t,殘余瓦斯壓力降低到0.28MPa~0.58MPa,煤層瓦斯抽采率由24.56%提高到59.89%,該技術(shù)對(duì)低透氣性突出煤層的瓦斯抽采及防突都有良好的效果。

    Ansys模擬;突出煤層;順層鉆孔;預(yù)抽瓦斯

    1.引言

    目前,我國(guó) 95%以上的高瓦斯和突出礦井所開(kāi)采的煤層屬于低透氣性煤層,而低透氣性突出煤層在開(kāi)采過(guò)程中面臨兩大難題:一是低透氣性導(dǎo)致瓦斯很難被采出,二是由于低透氣性煤層瓦斯未被采出而導(dǎo)致突出危險(xiǎn)性加大[1]。研究表明,按照常規(guī)鉆孔布置方式預(yù)抽煤層瓦斯,對(duì)于低透氣性突出煤層,存在預(yù)抽時(shí)間長(zhǎng)、抽采率低的特點(diǎn),達(dá)不到很好的抽采效果,也不滿足《煤礦安全規(guī)程》的要求,所以必須采取必要的措施來(lái)加大煤層的透氣性和選擇合適的鉆孔布置方式,從而實(shí)現(xiàn)瓦斯高效地被抽采。林華煤礦屬于煤與瓦斯突出礦井,主采 9號(hào)煤層,采掘過(guò)程中多次發(fā)生突出,屬于突出煤層。本文選取林華煤礦 9號(hào)煤層 2093采煤工作面作為試驗(yàn)對(duì)象,研究鉆孔間距對(duì)抽采率的影響,對(duì)消除 9號(hào)煤層瓦斯突出危險(xiǎn)性具有重要意義。

    2.工作面概況

    林華煤礦2093回采工作面是二采區(qū)首采面,位于二采區(qū)西邊第一區(qū)段。該采面走向長(zhǎng)850m,傾向長(zhǎng)160m,傾角8°~1°,煤層厚度為0.8m~3.2m,平均厚度3m,其中煤層瓦斯參數(shù)見(jiàn)表1。

    表1 9號(hào)煤層瓦斯參數(shù)

    3.現(xiàn)有防突措施

    3.1.預(yù)抽瓦斯鉆孔布置方案

    根據(jù)采區(qū)現(xiàn)有的巷道條件,9#煤層測(cè)壓孔為順層鉆孔,測(cè)壓鉆孔布置參數(shù)詳見(jiàn)表2。

    3.2.效果分析

    在回采工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷實(shí)施順層鉆孔本煤層瓦斯。鉆孔直徑Φ75mm。鉆孔沿煤層走向或傾向布置,鉆孔間距0.8m。

    表2 瓦斯壓力測(cè)定鉆孔參數(shù)表

    對(duì)2093回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得出2013年瓦斯?jié)舛热鐖D1所示。結(jié)果表明:回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛染痈卟幌虑矣谐蕃F(xiàn)象;且采煤時(shí),瓦斯涌出量加大,不開(kāi)采時(shí),瓦斯涌出量相對(duì)較小,不利于該采面的安全回采,經(jīng)煤礦提供數(shù)據(jù)抽采率僅為24.56%,因此對(duì)現(xiàn)有措施進(jìn)行優(yōu)化是十分必要的。

    圖1 2093回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛龋?)

    4.防突技術(shù)優(yōu)化

    本煤層鉆孔抽采效果不理想的原因在于抽采半徑設(shè)置不夠合理,導(dǎo)致抽放效果不能達(dá)到消突目的,回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛葧r(shí)常超限。對(duì)此,通過(guò)模擬計(jì)算研究分析對(duì)本煤層抽采鉆孔間距進(jìn)行優(yōu)化。

    4.1.ansys模型建立

    為了確定合理鉆孔間距和抽放時(shí)間,采用ANSYS有限元軟件對(duì)林華煤礦9#煤層2093工作面瓦斯抽放進(jìn)行了數(shù)值模擬[2-7]。通過(guò)改變鉆孔間距和瓦斯抽放時(shí)間,模擬得出不同的瓦斯抽放效果,并對(duì)抽放效果進(jìn)行對(duì)比分析,并指導(dǎo)2093工作面鉆孔布置。

    據(jù)林華煤礦2093工作面開(kāi)采情況,選取鉆孔間距依次為:1.2m、1.8m、2.4m??紤]到邊界效應(yīng)的影響,模型高度取煤層厚度3m,寬度20m,建立二維模型,瓦斯湍流計(jì)算選用k-ε模型,瓦斯在煤層中移動(dòng)采用多孔介質(zhì)模型[8]。2093工作面參數(shù)見(jiàn)表3。選3個(gè)鉆孔進(jìn)行本次試驗(yàn)?zāi)M,邊界條件如下:

    表3 2093 工作面參數(shù)表

    (1)頂?shù)装鍘r層為無(wú)滲透的隔絕體,左右邊界為自由界面;

    (2)鉆孔抽采負(fù)壓:-17KPa。

    如圖2所示,采用ANSYS智能網(wǎng)格劃分三角形單元,其中對(duì)鉆孔周圍局部進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化,共劃分為7047個(gè)單元,9290個(gè)節(jié)點(diǎn),單元數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)隨鉆孔間距不同而略有不同。

    圖2 模型示意圖

    4.2.結(jié)果分析

    對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果及參數(shù)進(jìn)行分析,結(jié)果如下

    (1)鉆孔間距為1.2m,不同抽放時(shí)間的瓦斯壓力分布見(jiàn)圖3、4。

    (2)鉆孔間距為1.8m,不同抽放時(shí)間的瓦斯壓力分布見(jiàn)圖5、6。

    圖3 間距為1.2m抽放20天瓦斯壓力分布圖

    圖4 間距為1.2m抽放150天瓦斯壓力分布圖

    圖5 間距為1.8m抽放20天瓦斯壓力分布圖

    (3)鉆孔間距為2.4m,不同抽放時(shí)間的瓦斯壓力分布見(jiàn)圖7、8。

    由圖 3、5、7可得,相鄰鉆孔相互影響時(shí)間均在20天以內(nèi),且孔間距越小,達(dá)到相同瓦斯?jié)舛鹊乃俣仍娇欤屯笟庑愿咄咚姑簩映椴尚Ч侵刚麄€(gè)煤體中賦存的瓦斯盡可能被抽出。該礦2093工作面煤層平均厚度僅為3m,不宜布置雙排鉆孔,只能布置單排鉆孔,將導(dǎo)致靠近煤層頂?shù)装宓耐咚购茈y被抽出,因此更重要的是考慮鉆孔距煤層頂?shù)装宸较虻耐咚钩槌鲂Ч?/p>

    圖6 間距為1.8m抽放160天瓦斯壓力分布圖

    圖7 間距為2.4m抽放20天瓦斯壓力分布圖

    圖8 間距為2.4m抽放185天瓦斯壓力分布圖

    由圖4、6、8可知,鉆孔間距為1.2m時(shí)瓦斯抽采半徑到達(dá)頂?shù)装逍枰?50天,間距為1.8m時(shí)需要160天,為2.4m時(shí)則需要185天。對(duì)于不同間距的鉆孔,當(dāng)抽采半徑達(dá)到頂?shù)装搴罄^續(xù)抽采,對(duì)鉆孔周圍瓦斯壓力影響很小,因此為了加快瓦斯抽采速度,滿足2093工作面開(kāi)采進(jìn)度,宜選擇抽采時(shí)間較短的鉆孔間距。本試驗(yàn)區(qū)鉆孔間距選擇1.2m和1.8m為宜。比較圖4、6,間距為1.2m和1.8m瓦斯抽采半徑達(dá)到頂?shù)装宓臅r(shí)間分別為150天和160天,相差較小,但在沿煤層方向,影響瓦斯壓力的范圍卻相差較大,即間距為1.8m的鉆孔能更快地將煤層瓦斯抽采出。另外,對(duì)于相同數(shù)量的鉆孔,間距大的能提高抽采范圍,同時(shí)也能有效地避免因鉆孔間距小而影響抽采效果,以致降低鉆孔的瓦斯抽采率。因此本試驗(yàn)區(qū)選取間距較大的鉆孔1.8m更為合適。

    據(jù)目前林華煤礦2093工作面抽采情況,鉆孔直徑為 75mm,通過(guò)模擬得出鉆孔間距為 1.8m,抽采160天便可將煤層中的賦存瓦斯有效抽出,達(dá)到該煤層消突效果。研究表明,在不受采掘接替影響時(shí)也可將鉆孔間距適當(dāng)增大。無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度來(lái)看,還是從實(shí)際生產(chǎn)中講,增大鉆孔間距,可以減少抽采鉆孔數(shù),降低打鉆成本,并且礦井大多采用的是多種抽采半徑相結(jié)合的方法,這些都是有利于煤礦本身的。該礦通過(guò)模擬計(jì)算得出鉆孔間距為1.8m時(shí)抽放效果較好,建議煤礦實(shí)際施工時(shí)優(yōu)先考慮將鉆孔間距確定為1.8m。

    4.3.抽采效果檢驗(yàn)[9]

    選取2093采煤工作面的7個(gè)鉆孔測(cè)點(diǎn)進(jìn)行抽采效果檢驗(yàn),鉆孔參數(shù)見(jiàn)表4。經(jīng)取樣測(cè)定,得出2093工作面煤層殘余瓦斯含量及其壓力,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表5。

    表4 2093采面抽采效果檢驗(yàn)鉆孔施工參數(shù)表

    表5 殘余瓦斯含量及瓦斯壓力

    經(jīng)較長(zhǎng)時(shí)間抽采,2093采面煤層殘余瓦斯含量降低到6.21 m3/t~6.82m3/t,低于《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的限定值8.0m3/t;殘余瓦斯壓力降低到0.28 MPa~0.58MPa,遠(yuǎn)低于《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》的限定值0.74MPa。

    據(jù)煤礦提供具體抽采參數(shù),可得出2093工作面瓦斯抽采率由24.56%提高到59.89%,遠(yuǎn)高于《煤礦安全規(guī)程》及《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》中規(guī)定的預(yù)抽率達(dá)到30%以上的要求。

    在工作面正常回采期間,對(duì)2093工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛缺O(jiān)測(cè),得出圖 9、圖 10。由圖可知:瓦斯?jié)舛戎捣€(wěn)定,且未出現(xiàn)異常及超限現(xiàn)象。

    圖9 采面上隅角瓦斯?jié)舛?/p>

    圖10 2093回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?/p>

    綜上所述,在選取合適鉆孔間距后,2093回采工作面已經(jīng)達(dá)到消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性目的,說(shuō)明模擬結(jié)果對(duì)該礦2093回采工作面鉆孔布置參數(shù)有一定的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實(shí)意義。

    5.結(jié)論

    (1)在間距為 1.2m、1.8m、2.4m的鉆孔中,間距小能加快瓦斯抽采速度,而間距為1.2m和1.8m瓦斯抽采半徑達(dá)到頂?shù)装宓臅r(shí)間分別為150天和160天,相差較小,但影響瓦斯壓力的范圍卻相差較大,為了提高鉆孔的瓦斯抽采率,選取間距為1.8m鉆孔最佳。

    (2)據(jù)林華煤礦 2903采煤工作面抽采情況,無(wú)論從經(jīng)濟(jì)角度,還是從實(shí)際生產(chǎn)中看,增大鉆孔間距,可以減少抽采鉆孔數(shù),從而降低打鉆成本,且礦井大多采用的是多種抽采半徑相結(jié)合的方法,該礦通過(guò)模擬計(jì)算得出鉆孔間距為1.8m時(shí)抽放效果較好,建議煤礦實(shí)際施工時(shí)優(yōu)先考慮將鉆孔間距確定為1.8m。

    (3)經(jīng)抽采效果檢驗(yàn),2093回采工作面回采區(qū)域煤層殘余瓦斯含量降低到6.21 m3/t~6.82 m3/t<8.0 m3/t,殘余瓦斯壓力降低到0.28MPa~0.58 MPa<0.74MPa,煤層瓦斯斯抽采率由 24.56%提高59.89%>30%,說(shuō)明該優(yōu)化方案切實(shí)可行,對(duì)該礦2093回采工作面鉆孔布置參數(shù)有一定的指導(dǎo)作用和現(xiàn)實(shí)意義。

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    Pre-drainage seam gas with borehole drilled seam along seam and outburst prevention technology in Low permeability outburst mine

    FANG Ke1,LU Zhong-ying2,F(xiàn)ANG Biao3
    (1. Institute of Physics And Electronic Engineering,Tongren University,Tongren,Guizhou 554300,China;2. Institute of Material and Chemical Engineering,Tongren University,Tongren,Guizhou 554300,China;3. Meteorological Mureau of Tongren,Tongren,Guizhou 554300,China )

    Select the Lin-Hua Coal Mine No. 9 coal seam in 2093 working face as the research object test area,Study on Pre-drainage seam gas with borehole drilled seam along seam and outburst prevention technology in Low permeability outburst mine with ANSYS software. The research results show that: the selection of 1.8m borehole spacing drainage effect is better,The pumping effect test,residual gas content of 2093 working face mining area of coal seam is reduced to 6.21 m3/t ~ 6.82 m3/t,the residual gas pressure is reduced to 0.28MPa ~ 0.58MPa,coal seam gas pumping rate was increased from 24.56% to 59.89%,the technology of gas permeability of outburst coal seam of low drainage and outburst prevention have good results.

    ansys simulation,the outburst coal seam,borehole drilled along seam,gas pre-drainage

    TD713

    A

    1673-9639 (2015) 04-0141-06

    (責(zé)任編輯 毛志)(責(zé)任校對(duì) 徐松金)(英文編輯 劉興芳)

    2015-06-15

    本文系貴州省科技廳聯(lián)合基金項(xiàng)目(黔科合LH字[2014]7484)研究成果。

    方可(1986-),男,貴州銅仁人,講師,碩士,研究方向:礦山災(zāi)害防治。

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