大采高工作面高位瓦斯抽采鉆孔布置優(yōu)化研究

韓嘯翔

【摘 要】 文章以塔山煤礦30515大采高工作面為研究對象，分析了高位鉆孔抽采瓦斯可以切斷瓦斯運移的通道，避免瓦斯在工作面采空區(qū)積聚。采用FLUENT分別模擬20～50m鉆孔高度和1～4組鉆孔數(shù)量瓦斯抽采效果，得到鉆孔高度40m，每個鉆場布置3個鉆孔時，抽采效果最優(yōu)。設(shè)計了每組鉆孔最優(yōu)抽采參數(shù)。并對每組不同鉆孔高度抽采效果進行分析，得到定向鉆孔瓦斯最高抽采濃度達(dá)到了41%，有效降低了工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

【關(guān)鍵詞】 大采高;瓦斯抽采;高位鉆孔;鉆孔高度

【中圖分類號】 TD712+.6 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A

【文章編號】 2096-4102（2019）03-0045-03 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

為了保證礦井的安全生產(chǎn)，需要對工作面瓦斯超限進行防治。布置高位抽采鉆孔進行瓦斯抽采是治理瓦斯災(zāi)害的最有效的手段之一，通過鉆孔內(nèi)的抽采負(fù)壓，加速了瓦斯的流動，達(dá)到抽采采空區(qū)高部積聚的高濃度瓦斯的目的。因此，通過研究大采高工作面圍巖破壞規(guī)律和分布特征，采用鉆孔抽采瓦斯的防治技術(shù)，對瓦斯抽采參數(shù)進行合理優(yōu)化，避免瓦斯超限發(fā)生安全事故。

1工作面概況

30515工作面位于塔山煤礦三盤區(qū)，標(biāo)高1008.5m，工作面東部為實煤區(qū)，南部有3-5#煤層1045輔運、膠帶、回風(fēng)三條大巷，西部隔10m煤柱為30501工作面采空區(qū)，北部隔礦界（煤柱）與同煤白洞井田相鄰。30515工作面內(nèi)為3-5#煤層實體煤，平均厚度14.04m，平均傾角4°。工作面回采期間工作面絕對瓦斯涌出量約5.094m3/t，屬于高瓦斯礦井。

2高位鉆孔抽采原理

大采高工作面回采后，受垂直應(yīng)力的影響，上覆巖層采動裂隙發(fā)育并產(chǎn)生下沉運動，這些裂隙的存在會使瓦斯在煤層中移動。隨著工作面的繼續(xù)回采，上覆巖層在采空區(qū)垮落，采空區(qū)中部的巖層裂隙被壓實，而四周覆巖下部存在裂隙發(fā)育區(qū)，也成為“O型圈”，瓦斯主要在該區(qū)域積聚。為了避免瓦斯在該區(qū)域濃度超限，需要采用高位鉆孔技術(shù)對瓦斯進行超前抽采。

煤層開采后，頂板巖層破壞下沉，形成了采動覆巖三帶。大采高工作面煤層中的瓦斯解析后經(jīng)裂隙向工作面采空區(qū)移動，在采空區(qū)裂隙處積聚，形成瓦斯積聚區(qū)。在工作面頂板采用高位鉆孔抽放瓦斯，切斷了瓦斯流動通道，避免瓦斯在采空區(qū)積聚發(fā)生瓦斯突出、爆炸等災(zāi)害，造成人員傷亡等安全事故。圖1為大采高工作面高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)示意圖。

3高位鉆孔參數(shù)優(yōu)化

30515大采高工作面采用高位鉆孔對瓦斯進行抽采，采用FLUENT軟件分別模擬不同鉆孔高度和鉆孔數(shù)瓦斯抽采濃度，得到大采高工作面高位鉆孔抽采瓦斯最優(yōu)參數(shù)。

3.1鉆孔高度最優(yōu)參數(shù)

30515大采高工作面采用高位鉆孔抽采瓦斯，采用FLUENT分別模擬20m、25m、30m、35m、40m、45m鉆孔高度瓦斯抽采效果，得到工作面自2017年10月21日至2018年1月11日（共83天）回采期間高位鉆孔抽采濃度參數(shù)，如圖2所示。

由圖2可知，30515工作面采用高位鉆孔抽采瓦斯時，隨著鉆孔高度的增加，瓦斯抽采濃度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，在鉆孔終孔高度為40m時，瓦斯抽采濃度最高。因此，通過模擬可知，在鉆孔數(shù)量一定的情況下，鉆孔終孔高度為40m時，高位鉆孔抽采瓦斯效果最優(yōu)。

3.2鉆孔數(shù)量最優(yōu)參數(shù)

30515大采高工作面采用高位鉆孔超前抽采瓦斯，采用FLUENT分別模擬1～4組鉆孔瓦斯抽采效果，得到工作面自2017年10月21日至2018年1月11日（共83天）回采期間高位鉆孔抽采濃度參數(shù)，如圖3所示。

由圖3可知，30515工作面采用高位鉆孔抽采瓦斯時，隨著鉆孔數(shù)量的增加，工作面采空區(qū)內(nèi)瓦斯?jié)舛戎饾u降低，采空區(qū)深部瓦斯在抽采負(fù)壓的作用下被抽走，不易形成高濃度瓦斯積聚。當(dāng)鉆孔數(shù)量增加到3組時，采空區(qū)上隅角瓦斯?jié)舛茸畹?，抽采效果達(dá)到最優(yōu)。隨著鉆孔數(shù)量的繼續(xù)增加，由于距離采空區(qū)上隅角的距離較遠(yuǎn)，對上隅角瓦斯?jié)舛瘸椴尚Ч幻黠@。因此，通過模擬可知，在鉆孔高度一定的情況下，鉆孔數(shù)量為3組時，高位鉆孔抽采瓦斯效果最優(yōu)。若因產(chǎn)量增加、瓦斯賦存異常等引起采空區(qū)瓦斯涌出量變化，可考慮適當(dāng)增加高位鉆孔數(shù)量。

4高位鉆孔瓦斯抽采最優(yōu)參數(shù)

根據(jù)模擬結(jié)果和工作面地質(zhì)條件，在30515大采高工作面運輸巷布置高位鉆孔抽采瓦斯，共布置31個鉆場。距工作面切眼100m處開始布置首個鉆場，鉆場深度、寬度和高度分別為3m、3m、3.2m。布置首個鉆場后沿著工作面運輸巷回采方向每隔50m依次布置鉆場，直至距30515大采高工作面聯(lián)絡(luò)巷10m處停止布置。每個鉆場布置3個鉆孔，鉆孔參數(shù)如表1所示，鉆孔布置示意圖如圖4所示。

鉆孔開孔用Φ155mm無芯鉆頭鉆進8m后，下入Φ146×6.5mm套管7.5m，然后用注漿泵注入水泥漿液固定套管，套管上口焊高壓法蘭盤。注漿采用32.5R普通硅酸鹽水泥，漿液配比為0.5∶1，施工過程中可根據(jù)注漿壓力及注漿量適當(dāng)進行調(diào)整，注漿壓力不小于3MPa。

套管下好并注漿固孔后，采用Φ113mm無芯鉆頭鉆進至終孔，終孔后下入Φ89mm鍍鋅鐵管，防止塌孔堵塞，鐵管上均勻、大量地鉆小孔，小孔直徑Φ10mm，套管按照1.5m一根，用直通連接。孔口處用法蘭封堵，法蘭上焊接Φ89mm鍍鋅鐵管，法蘭內(nèi)側(cè)鐵管套絲，便于和孔內(nèi)花管對接，法蘭外側(cè)鐵管安好閥門，花管下放到孔底后用堵牌將鉆孔封閉，以防止孔內(nèi)瓦斯外溢。

5瓦斯抽采效果分析

30515大采高工作面采用高位鉆孔超前抽放瓦斯后，對瓦斯抽采效果進行檢驗，得到工作面每個鉆場3組不同鉆孔高度瓦斯抽采量，如表2所示。

由表3可知，采用高位鉆孔進行瓦斯抽采后，瓦斯最高抽采濃度達(dá)到了41%，最高混合流量為22.60m3/min，純流量為0.29m3/min。由此可知，工作面采用高位鉆孔對瓦斯進行抽采后，切斷了瓦斯積聚的線路，避免了瓦斯在采空區(qū)積聚，降低了采空區(qū)瓦斯?jié)舛龋苊饬税l(fā)生瓦斯突出、爆炸等安全事故。

6結(jié)論

（1）以30515大采高工作面為研究對象，對工作面高位鉆孔瓦斯抽采原理進行分析，采用高位鉆孔抽采瓦斯切斷了瓦斯運移的通道，避免了瓦斯在工作面采空區(qū)積聚。

（2）采用FLUENT分別模擬20～50m鉆孔高度和1～4組鉆孔數(shù)量瓦斯抽采效果，根據(jù)模擬結(jié)果可知，鉆孔高度為40m，每組鉆場布置3個鉆孔時，抽采效果最優(yōu)。工作面共布置鉆場31個，每個鉆場布置3個鉆孔，并設(shè)計了每組鉆孔最優(yōu)抽采參數(shù)。

（3）工作面采用高位鉆孔超前抽采瓦斯后，對不同鉆孔高度瓦斯抽采效果進行檢驗，根據(jù)檢驗結(jié)果可知，瓦斯最高抽采濃度達(dá)到了41%，最高混合流量為22.60m3/min，純流量為0.29m3/min，大大降低了工作面瓦斯?jié)舛龋苊饬税l(fā)生瓦斯突出、爆炸等安全事故。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張學(xué)超.高瓦斯煤層群瓦斯綜合抽采技術(shù)研究[J].中國煤炭，2018，44（09）：108-112.

[2]王力.高瓦斯礦井地面直井瓦斯抽采技術(shù)應(yīng)用[J].山西能源學(xué)院學(xué)報，2019，32（02）：17-19.

[3]李太鋒.礦井局部高瓦斯區(qū)域治理措施研究[J].山西能源學(xué)院學(xué)報，2019，32（02）：20-21，24.

[4]齊慶杰，祁云，張建國，周新華.綜放工作面瓦斯抽采最優(yōu)鉆孔參數(shù)研究[J].中國安全生產(chǎn)科學(xué)技術(shù)，2018，14（06）：76-83.

[5]黃建威.大采高工作面裂隙帶抽采鉆孔參數(shù)優(yōu)化研究[J].山西焦煤科技，2018，42（05）：27-30.

[6]呂棟男，張民波.瓦斯抽采鉆孔布置參數(shù)優(yōu)化及其工程應(yīng)用[J].煤炭與化工，2017，40（10）：127-129，134.

[7]黃濤，黃光利.特厚煤層綜放工作面高位鉆孔優(yōu)化布置及效果分析[J].煤炭工程，2017，49（S2）：62-64，68.