大西礦順層瓦斯抽采鉆孔封孔參數(shù)研究

劉向兵

（山西煤炭運銷集團(tuán)陽城大西煤業(yè)有限公司，山西 陽城 048105）

1 礦井概況

大西礦位于陽城縣芹池鎮(zhèn)大西村，礦井區(qū)域為單斜構(gòu)造，井田面積4.5km2，傾角較小，主采煤層為3號煤，煤層平均厚度3.17m，設(shè)計生產(chǎn)能力為60萬t/a，現(xiàn)開采的3#煤，煤層瓦斯含量在6.81m3/t左右，瓦斯壓力達(dá)到0.43MPa，礦井瓦斯相對涌出量為20.25m3/t，絕對瓦斯涌出量達(dá)到22.11m3/min，屬高瓦斯礦井。3#煤層不易自燃，且無爆炸危險性，采用綜合機械化一次采全高的采煤方法。頂板為較硬的細(xì)砂巖和部分泥巖，底板為細(xì)粒砂巖，煤質(zhì)為中—高變質(zhì)的無煙煤，煤層裂隙發(fā)育較完全，具備本煤層順層鉆孔抽采的必要條件，如圖1為本次試驗的工作面平面示意圖，3201工作面走向長660m，傾向長180m，根據(jù)瓦斯治理的需求在3021工作面回風(fēng)順槽布置有若干順層鉆孔。

圖1 3021工作面平面示意圖

2 順層鉆孔封孔參數(shù)模擬

2.1 模型的建立

根據(jù)大西礦的現(xiàn)場條件，為了滿足3021工作面的順層鉆孔封孔參數(shù)的工程需求，將布置順層鉆孔的煤層模型簡化為一個長為30m、寬為3m的矩形平面，煤層瓦斯原始壓力設(shè)置為0.43MPa，順層鉆孔的直徑設(shè)置為120mm。模型左右兩側(cè)的邊界條件設(shè)置為滾軸，底部邊界固定，上部施加應(yīng)力，上部與右側(cè)流量設(shè)置為零；而鉆孔周圍的壓力設(shè)為恒定，煤層裂隙瓦斯壓力與孔壁瓦斯壓力取相同值。模型具體參數(shù)見表1。

表1 數(shù)值模型參數(shù)

為了掌握順層鉆孔封孔長度和深度對瓦斯抽采效率的影響，依據(jù)大西礦前期研究知，當(dāng)順槽形成后，在距離煤壁壁面7.86m處時煤層應(yīng)力集中程度達(dá)到最大?；诖?，對不同封孔參數(shù)下的抽采效果進(jìn)行建模分析，其中，模型1與模型2在封孔長度和深度一致，模型1封孔長度在應(yīng)力集中前，而模型2封孔長度在應(yīng)力集中之后。模型3～模型6從距孔口0.5m處實施封孔，而模型7、8是在避開卸壓區(qū)域后開始實施封孔。各模型詳細(xì)封孔參數(shù)方案見表2。

表2 數(shù)值模擬方案

2.2 封孔深度的模擬

為了掌握3021工作面回風(fēng)順槽順層鉆孔的封孔深度對鉆孔抽采效率的影響，通過模型1與模型2對比分析封孔深度在最大應(yīng)力集中點前后時煤層瓦斯抽采效果。如圖2為兩種封孔情況下鉆孔周圍煤層瓦斯含量隨鉆孔抽采時間的變化規(guī)律。

圖2 煤層瓦斯含量隨抽采時間的變化規(guī)律

從圖2可以看出：

（1）隨著抽采時間的延長煤層瓦斯含量都呈逐漸減小的趨勢，且在鉆孔抽采初期，瓦斯含量減小的梯度較大，隨著時間的推移，瓦斯含量減小的趨勢越來越平緩，這種變化趨勢已在現(xiàn)場測試中得到了驗證，符合順層鉆孔抽采瓦斯的規(guī)律。

（2）在順層鉆孔抽采階段，模型1煤層瓦斯抽采效率明顯高于模型2，在相同的抽采時間下，封孔深度為7m時，煤層瓦斯含量下降量更大。這是由于模型2的封孔位置錯過了應(yīng)力集中最大點，有效封孔長度在變短，鉆孔在此位置更容易發(fā)生裂隙破壞，導(dǎo)致此處易發(fā)生漏氣現(xiàn)象，影響鉆孔的抽采效率。

（3）在鉆孔抽采后期，煤層瓦斯壓力在不斷降低，使得鉆孔和周圍煤體之間的壓力差逐漸減小，當(dāng)煤層瓦斯壓力降到井下順槽內(nèi)大氣壓力之下時，順槽內(nèi)的空氣會通過煤層裂隙通道進(jìn)入鉆孔中，降低了鉆孔抽采煤層瓦斯的效果。

2.3 封孔長度的模擬

鉆孔的封孔長度對瓦斯的抽采效率同樣起著關(guān)鍵作用。如圖2模擬了模型3～8抽采60d時鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布規(guī)律。

模型3～6鉆孔從孔口0.5m處實施封孔，從圖中可以看出隨著封孔長度的延深，煤層瓦斯壓力減小程度越小，受抽采負(fù)壓影響程度也在不斷衰減。同時，為了更加直觀展示這6種封孔模式下的抽采效果，如圖3所示，繪制了監(jiān)測點A(x=7.8，y=0.6)處煤層瓦斯壓力隨著抽采時間的變化曲線。

圖3 抽采60d后基質(zhì)瓦斯壓力分布圖

圖4 監(jiān)測點A處不同抽采時間下瓦斯壓力變化圖

由圖4可以看出：

（1）模型5、6中瓦斯壓力變化斜率最小，說明受抽采鉆孔的負(fù)壓影響程度低，這說明當(dāng)鉆孔封孔長度穿過應(yīng)力集中區(qū)甚至到達(dá)原始應(yīng)力區(qū)時，這些區(qū)域周圍的卸壓瓦斯受封孔的影響很難在抽采負(fù)壓的作用下沿著管路抽出，只能靠煤體自身的裂隙進(jìn)行自然排放，瓦斯壓力降低速率減?。?/p>

（2）縱觀6個模型中煤層瓦斯壓力的變化趨勢，在相同抽采時間內(nèi)，模型3瓦斯壓力降低幅度最大，模型4次之，而模型7與8壓降效果明顯偏差，這說明在對順層鉆孔進(jìn)行密封時，密封最合適的位置為煤層卸壓區(qū)域內(nèi)，若這部分區(qū)域未采取有效封堵，在鉆孔抽采負(fù)壓下，順槽內(nèi)的空氣會沿著裂隙向鉆孔內(nèi)轉(zhuǎn)移，嚴(yán)重制約了順層鉆孔抽采煤層中的瓦斯。

3 現(xiàn)場方案

3.1 現(xiàn)場鉆孔布置

在3021工作面回風(fēng)順槽垂直煤壁施工12個順層鉆孔，鉆孔深度均為85m左右，抽采負(fù)壓不低于13kPa。鉆孔布置如圖5所示，部分鉆孔具體參數(shù)見表3。

圖5 試驗鉆孔布置示意圖

表3 試驗鉆孔施工參數(shù)

3.2 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工完成后，確保無塌孔現(xiàn)象，排除鉆孔里的煤屑。然后將鉆孔封孔并通過瓦斯集氣裝置將各個順層鉆孔并入抽采管網(wǎng)中，在現(xiàn)場持續(xù)監(jiān)測鉆孔瓦斯?jié)舛龋鱾€鉆孔抽采瓦斯?jié)舛热鐖D6所示。

圖6 瓦斯?jié)舛入S抽采時間的演化規(guī)律

從圖中可以看出，隨著抽采時間的延長瓦斯?jié)舛戎饾u遞減，2號鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄翟?5.8%，而1號鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄翟?9.7%，3號鉆孔瓦斯?jié)舛绕骄翟?3.7%。這充分說明鉆孔孔深為85m時，封孔深度在7.5m時，效果最佳，即將鉆孔的卸壓區(qū)段進(jìn)行密封而應(yīng)力集中區(qū)保持鉆孔的原始狀態(tài)。如此，在抽采負(fù)壓下順槽內(nèi)的空氣不會向鉆孔內(nèi)流入，而且在應(yīng)力集中的影響下，鉆孔周圍煤體又得到卸壓，壓力集中和釋放的過程中必然導(dǎo)致煤層瓦斯由吸附狀態(tài)解吸為游離態(tài)，加速了煤層瓦斯的解吸和排放。

4 結(jié)論

（1）基于順層鉆孔抽采瓦斯的原理，通過數(shù)值模擬研究表明，本煤層順層鉆孔封孔時要考慮煤層壓力區(qū)域的范圍，即封孔的最佳區(qū)段為位于煤層卸壓區(qū)和達(dá)到應(yīng)力集中最大點的這段區(qū)間，若封孔長度太短，導(dǎo)致空氣進(jìn)入鉆孔中；若封孔長度太長，煤層中卸壓瓦斯不易通過裂隙流入抽采鉆孔中。

（2）結(jié)合現(xiàn)場試驗表明，3021工作面回風(fēng)順槽順層鉆孔最佳封孔深度為7.5m，即對卸壓區(qū)域進(jìn)行密封。

（3）通過現(xiàn)場煤層條件，優(yōu)化后的順層鉆孔封孔參數(shù)可以有力地保障瓦斯抽采的可靠性。