綜采工作面瓦斯抽采技術(shù)研究

白克新，李 偉，李舉東

(永煤集團(tuán)股份有限公司順和煤礦，河南 永城 476600)

煤炭資源是非常重要和基礎(chǔ)的能源，為國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們的日常生活都做出了非常重要的貢獻(xiàn)，在我國整個(gè)能源結(jié)構(gòu)體系中占據(jù)的地位是不可撼動(dòng)的[1]。隨著我國煤礦資源開采的不斷推進(jìn)，容易開采的煤層幾乎開采完畢，未來煤炭開采將朝著縱深方向發(fā)展[2]。煤層越深，通常開采過程中越容易涌出瓦斯，威脅煤礦開采安全，給瓦斯治理工作帶來了很大難度[3]。基于瓦斯抽采技術(shù)提前對(duì)工作面中的瓦斯進(jìn)行排除，可以有效降低煤礦開采過程中瓦斯的涌出量，從而降低礦井中瓦斯的濃度，為煤礦開采安全奠定良好的基礎(chǔ)[4]。目前瓦斯抽采技術(shù)在很多煤礦中都已經(jīng)得到了應(yīng)用，并且效果非常好。但是具體的瓦斯抽采工藝參數(shù)需要充分結(jié)合煤礦實(shí)際情況來確定[5]。本文主要以綜采工作面的瓦斯抽采過程為研究對(duì)象，在結(jié)合礦井基本屬性的基礎(chǔ)上，對(duì)技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，并將其應(yīng)用到工作實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)效果良好，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益。

1 綜采工作面及煤層瓦斯參數(shù)概述

1.1 綜采工作面基本情況

某煤礦的1001工作面，經(jīng)過前期勘測(cè)發(fā)現(xiàn)其煤炭儲(chǔ)量達(dá)到了214萬t，可以開采的煤層儲(chǔ)量為205萬t，設(shè)計(jì)的工作面采高為3.9 m，回采率達(dá)到了95%，工作面的走向長度和傾斜長度分別為2 000 m和200 m。

1.2 煤層瓦斯參數(shù)

(1)煤的瓦斯吸附常數(shù)和工業(yè)分析值。這2個(gè)參數(shù)是表征煤層中瓦斯含量的重要指標(biāo)，另外，瓦斯吸附常數(shù)也能夠很好地反映煤對(duì)瓦斯的吸附能力[6]。對(duì)工作面的3個(gè)位置上進(jìn)行取樣分析，取平均值作為最終的結(jié)果。最終發(fā)現(xiàn)煤層的瓦斯吸附常數(shù)a、b值分別為18.056 m3/t和0.53 MPa-1，灰分、水分、揮發(fā)分分別為17.2%、0.58%、17.89%，視密度和孔隙率分別為1.37 t/m3和4.16%。

(2)煤層瓦斯含量。在煤層工作面中選取3個(gè)位置分別進(jìn)行打孔、取樣，然后對(duì)樣品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，煤層中的瓦斯含量分別為8.35、9.46、9.22 m3/t，平均值為9.01 m3/t。瓦斯含量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 瓦斯含量測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Schematic diagram of gas content measuring device structure

(3)煤層瓦斯壓力。煤層瓦斯壓力越大，意味著煤層內(nèi)部包含的瓦斯越容易從內(nèi)部涌出，煤層內(nèi)部的瓦斯?jié)舛仍酱骩7]。另外，在開展瓦斯抽采工作時(shí)相對(duì)更加容易。但是瓦斯壓力通常很難直接測(cè)量，工業(yè)應(yīng)用中都是基于瓦斯含量，結(jié)合理論公式進(jìn)行反向推算。根據(jù)上文所述3個(gè)位置的瓦斯含量，可以計(jì)算得到對(duì)應(yīng)的瓦斯壓力，分別為0.951、0.945、0.954 MPa，平均值為0.950 MPa。

(4)煤層透氣性系數(shù)。瓦斯在煤層中的流動(dòng)難易程度可通過煤層透氣性系數(shù)進(jìn)行描述。透氣性系數(shù)越大說明瓦斯流動(dòng)性越不好，瓦斯抽采時(shí)難度較大[8]。在煤層回風(fēng)巷中打孔測(cè)量煤層透氣性系數(shù)，最終測(cè)量結(jié)果為2.84 m2/(MPa2·d)。

(5)鉆孔自然瓦斯涌出特征。主要通過2個(gè)參數(shù)進(jìn)行描述，分別為鉆孔初始階段瓦斯涌出量、整個(gè)過程中瓦斯流量的衰減系數(shù)。在煤層回風(fēng)巷中鉆孔進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)瓦斯流量隨時(shí)間的變化情況。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鉆孔初期瓦斯涌出量為0.031 25 m3/min，瓦斯抽采總量為3 370 m3，整個(gè)過程的衰減系數(shù)為0.023 d-1。

2 綜采工作面瓦斯抽采技術(shù)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)1001綜采工作面瓦斯涌出量相對(duì)較大的問題，采用瓦斯抽采工藝對(duì)其進(jìn)行治理，以保障煤礦開采過程的安全。工作面開展瓦斯抽采工作時(shí)鉆孔的布置情況如圖2所示。

圖2 綜采工作面瓦斯抽采鉆孔布置Fig.2 Layout of gas drainage borehole in fully-mechanized working face

2.1 預(yù)抽時(shí)間

基于前文的分析可知，通過鉆孔的方式，瓦斯流量衰減系數(shù)為0.023 d-1，鉆孔初期瓦斯涌出量大小為0.03125m3/min。巷道和工作面的長度分別為2 000 m和200 m?；谝陨蠀?shù)，結(jié)合理論公式可以計(jì)算得到不同抽采時(shí)間對(duì)應(yīng)的抽采瓦斯總量和鉆孔抽采有效系數(shù)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 抽采時(shí)間對(duì)瓦斯抽采總量和有效系數(shù)的影響曲線Fig.3 Curve of influence of drainage time on total gas drainage and effective coefficient

由于所研究的煤層透氣性不是很好，導(dǎo)致瓦斯?jié)舛人p速度較慢。結(jié)合圖3中所示數(shù)據(jù)，最終確定的抽采時(shí)間為9個(gè)月，對(duì)應(yīng)的瓦斯抽采總量和鉆孔抽采有效系數(shù)分別為3 368 m3和99%，完全能夠達(dá)到實(shí)際使用需要。

2.2 鉆孔直徑

進(jìn)行鉆孔施工時(shí)，會(huì)對(duì)煤體造成破壞，從而加速煤體中瓦斯的涌出。鉆孔直徑越大瓦斯抽采效果越好，因?yàn)橹睆皆酱笠馕吨┞对诳諝庵械拿后w表面積越大，瓦斯越容易涌出。相反地，如果鉆孔直徑太小，就會(huì)制約瓦斯抽采的效果。但是過大的鉆孔直徑會(huì)帶來塌孔的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)封孔環(huán)節(jié)的技術(shù)要求也相對(duì)更高。當(dāng)前我國煤礦在開展瓦斯抽采工作時(shí)，鉆孔直徑普遍在75～100 mm。研究結(jié)合礦井實(shí)際情況，最終確定的鉆孔直徑為94 mm。

2.3 鉆孔深度

鉆孔深度同樣是影響最終瓦斯抽采效果的重要參數(shù)之一。煤層平均厚度3.9 m，平均絕對(duì)瓦斯涌出量為34.36 m3/min，工作面推進(jìn)速度為5 m/d?；谝陨蠀?shù)，可以計(jì)算得到瓦斯排放寬度在118.1 m左右，所以可以將瓦斯抽采鉆孔深度確定為120 m。

2.4 鉆孔間距

理論上，鉆孔間距越小則瓦斯抽采效果越好，但是當(dāng)間距小到一定程度，抽采效果并不會(huì)隨之線性增長，另外過小的鉆孔間距會(huì)增加施工工作量，提升施工成本。在抽采時(shí)間確定為9個(gè)月時(shí)，基于理論公式可以計(jì)算得到不同鉆孔間距條件下對(duì)應(yīng)的瓦斯抽采率，當(dāng)鉆孔間距分別為1、2、3、4、5 m時(shí)，對(duì)應(yīng)的瓦斯抽采率分別為98.8%、75.5%、51.8%、35.8%、19.9%。根據(jù)煤礦安全生產(chǎn)相關(guān)的要求，本文研究的煤層中要求瓦斯抽采率超過40%。在滿足以上要求的情況下，鉆孔間距越大越好，因?yàn)榭梢栽谝欢ǔ潭壬瞎?jié)約施工成本?；诖?，最終確定的鉆孔間距為3 m。

2.5 瓦斯抽采負(fù)壓

瓦斯要想在煤層中流動(dòng)，必須滿足2個(gè)條件[9]：①煤層中要有縫隙，此條件完全滿足；②不同位置的瓦斯具有一定的壓力差，如果不存在壓力差，則瓦斯不會(huì)相互流動(dòng)，且壓力差越大，瓦斯在煤層中的流動(dòng)速度越大。在工程實(shí)踐中，為了提升瓦斯抽采效果，進(jìn)行鉆孔時(shí)還要設(shè)置一定的負(fù)壓，具體在10～30 kPa。設(shè)置的負(fù)壓越高，對(duì)相關(guān)設(shè)備的精度和性能要求越高。在結(jié)合煤礦企業(yè)現(xiàn)有設(shè)備以及煤層基本情況的基礎(chǔ)上，最終確定的瓦斯抽采負(fù)壓為18 kPa。

3 瓦斯抽采半徑數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

利用COMSOL軟件對(duì)瓦斯抽采過程進(jìn)行模擬分析，該軟件對(duì)于多物理場耦合問題具有很好的計(jì)算精度，在實(shí)踐中應(yīng)用比較廣泛[10]。軟件中內(nèi)置有物體變形控制方程、氣體運(yùn)動(dòng)方程等，只需要設(shè)置相關(guān)參數(shù)即可完成多物理場耦合計(jì)算。在軟件中建立的是二維模型，煤層的長度和寬度分別為20 m和4 m。將上文中確定的瓦斯抽采技術(shù)參數(shù)全部輸入到模型中進(jìn)行分析，以便得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分時(shí)，為了加快模型的計(jì)算速度同時(shí)提升最終計(jì)算結(jié)果精度，將靠近鉆孔區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化以提升計(jì)算精度，而遠(yuǎn)離鉆孔的區(qū)域采用較大網(wǎng)格，以提升計(jì)算速度。模型的網(wǎng)格劃分基本情況如圖4所示。

圖4 模型網(wǎng)格劃分情況Fig.4 Mesh division of model

3.2 模擬結(jié)果分析

(1)鉆孔抽采瓦斯壓力變化規(guī)律。當(dāng)鉆孔直徑和抽采負(fù)壓分別設(shè)置為94 mm和18 kPa、煤層的滲透率設(shè)置為1.125×10-18時(shí)，不同抽采時(shí)間時(shí)煤層中瓦斯壓力的云圖如圖5所示。

圖5 不同抽采時(shí)間時(shí)煤層中瓦斯壓力的分布云圖Fig.5 Distribution cloud map of gas pressure in coal seams at different extraction times

由煤層瓦斯壓力分布云圖明顯可以看出，隨著抽采時(shí)間的不斷延長，煤層中瓦斯壓力呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。與鉆孔的距離越近，則瓦斯壓力的降低幅度越明顯，與鉆孔距離越遠(yuǎn)，其降低幅度相對(duì)更小。進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，在鉆孔初期進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，煤層中的瓦斯?jié)舛冉档退俣雀?，隨著瓦斯抽采過程的不斷推進(jìn)，瓦斯?jié)舛冉档退俣戎饾u減緩。另外，煤層中瓦斯壓力大小的變化規(guī)律與瓦斯?jié)舛鹊淖兓?guī)律基本相同。

(2)有效抽采半徑的變化規(guī)律。煤礦安全規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)于瓦斯抽采率作出了明確規(guī)定，結(jié)合工作面實(shí)際情況，要求抽采率控制在40%以上?；谀M分析結(jié)果，提取了不同瓦斯抽采階段，有效抽采半徑的演變過程，結(jié)果圖6所示。從圖6中可以看出，隨著抽采時(shí)間的不斷推進(jìn)，有效抽采半徑呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢(shì)，當(dāng)抽采時(shí)間達(dá)到90 d時(shí)，對(duì)應(yīng)的有效抽采半徑為1.6 m左右。這與前文確定的3 m孔距是基本吻合的。

圖6 有效抽采半徑隨時(shí)間的演變曲線Fig.6 Evolvement curve of effective drainage radius with time

4 綜采工作面瓦斯抽采效果評(píng)價(jià)

4.1 主要瓦斯抽采指標(biāo)

根據(jù)我國頒布的《煤礦瓦斯抽采基本指標(biāo)》中的要求，當(dāng)綜采工作面的瓦斯涌出總量Q分別在5≤Q<10、10≤Q<20、20≤Q<40、40≤Q<70、70≤Q<100、Q≥ 100時(shí)，對(duì)應(yīng)的工作面瓦斯抽采率分別不得低于20%、30%、40%、50%、60%、70%。另外，對(duì)綜采工作面前方超過20 m內(nèi)的可解吸瓦斯量也作出了明確要求，當(dāng)綜采工作面的產(chǎn)量分別在≤1000、1001～2500、2501～4000、4001～6000、6 001～8 000、8 001～10 000 t時(shí)，對(duì)應(yīng)的可解吸瓦斯量分別不得超過8、7、6、5.5、5、4.5 m3/t。最后，根據(jù)《煤礦瓦斯抽采工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，鉆孔工作量可以在0.04～0.10 m/t內(nèi)進(jìn)行選取。

4.2 瓦斯抽采效果評(píng)價(jià)

(1)采掘前煤層的可吸量。采掘前煤層的可吸瓦斯含量可按下式進(jìn)行計(jì)算：W1=W0-W2-W3，其中，W1表示采掘之前煤層的可解吸瓦斯含量，W0、W2、W3分別表示煤層中原始的瓦斯含量、煤層中殘存的瓦斯含量、煤層中噸煤瓦斯抽采量，W0和W2分別為9.01 m3/t和2.46 m3/t。W3可以根據(jù)下式進(jìn)行計(jì)算：W3=Q抽/A，其中，Q抽和A分別表示綜采工作面抽采的瓦斯總量以及工作面中待開采的煤礦資源總量，計(jì)算得到的煤層中噸煤瓦斯抽采量W3為2.67 m3/t?；诖?，可以計(jì)算得到采掘前煤層的可吸瓦斯含量W1為3.87 m3/t。研究的綜采工作面產(chǎn)量為4 000 t/d，按照要求，可解吸瓦斯量不得超過6 m3/t，通過上述的計(jì)算可知，實(shí)際結(jié)果為3.87 m3/t，完全能夠滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

(3)鉆孔工作量。1001綜采工作面中的可采煤炭資源總量為205萬t，設(shè)計(jì)的鉆孔總長度約為16萬m，基于此，可以計(jì)算得到噸煤的鉆孔工作量為0.078 m/t?？梢?，鉆孔工作量也能夠滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.3 瓦斯抽采現(xiàn)場效果考察

(1)順層鉆孔瓦斯抽采效果。通過鉆孔的方式對(duì)煤層中的瓦斯進(jìn)行抽采，可以很好地解決煤礦中瓦斯?jié)舛冗^高的問題，在實(shí)踐中已經(jīng)取得了很好的應(yīng)用效果。針對(duì)現(xiàn)場瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)前面10 d內(nèi)，每天的瓦斯抽采量分別為9.58、10.04、10.13、10.48、9.49、10.46、10.72、10.77、10.69、10.41 m3/min。由以上數(shù)據(jù)可知，在連續(xù)10 d中，瓦斯抽采量的最小值和最大值分別為9.49、10.77 m3/min，10天內(nèi)的瓦斯抽采量的平均值為10.5 m3/min。整體的瓦斯抽采效果過程比較穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期的效果。

(2)采空區(qū)瓦斯抽采效果。對(duì)采空區(qū)進(jìn)行瓦斯抽采，能防止采空區(qū)中的瓦斯向綜采工作面流動(dòng)，從而提升上隅角部位的瓦斯?jié)舛?，?shí)現(xiàn)上隅角部位瓦斯?jié)舛鹊挠行Э刂啤?duì)采空區(qū)的瓦斯抽采數(shù)據(jù)進(jìn)行連續(xù)一個(gè)月時(shí)間的監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知，在剛開始階段，采空區(qū)的瓦斯抽采量以及抽采瓦斯?jié)舛染鄬?duì)較低，主要是因?yàn)閯傞_始時(shí)采空區(qū)的面積相對(duì)較小，所以瓦斯尚未聚集太多。隨著工作面不斷往前推進(jìn)，采空區(qū)面積不斷擴(kuò)大，采空區(qū)的瓦斯抽采存量和抽采濃度均呈現(xiàn)出逐漸增長的趨勢(shì)。但是經(jīng)過10 d左右基本保持穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下抽采的瓦斯純量和瓦斯?jié)舛确謩e在2.5 m3/min和7%左右。

圖7 采空區(qū)瓦斯抽采純量和抽采濃度隨時(shí)間的變化曲線Fig.7 Change curve of gas drainage scalar and drainage concentration in goaf with time

(3)上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛?。煤礦開采中使用瓦斯抽采技術(shù)以后，為了檢驗(yàn)實(shí)踐應(yīng)用效果，針對(duì)綜采工作面上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行了連續(xù)一個(gè)月時(shí)間監(jiān)測(cè)，結(jié)果如圖8所示。由圖8中數(shù)據(jù)可以看出，在連續(xù)一個(gè)月時(shí)間的監(jiān)測(cè)中，綜采工作面上隅角和回風(fēng)巷的瓦斯?jié)舛确謩e在0.30%～0.45%和0.18%～0.40%內(nèi)變化，其平均值分別為4%和0.26%左右，全部控制在了煤礦生產(chǎn)安全范圍以內(nèi)。

綜上所述，本研究針對(duì)綜采工作面設(shè)計(jì)的瓦斯抽采技術(shù)方案是有效的，能夠?qū)γ旱V工作面的瓦斯?jié)舛冗M(jìn)行有效控制，為煤礦生產(chǎn)安全奠定了良好的基礎(chǔ)，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的安全效益和經(jīng)濟(jì)效益。

圖8 綜采工作面上隅角和回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛茸兓€Fig.8 Change curve of gas concentration in the upper corner of fully- mechanized working face and return airway

5 結(jié)論

本文主要以綜采工作面瓦斯抽采為研究對(duì)象，對(duì)瓦斯抽采技術(shù)方案進(jìn)行了設(shè)計(jì)，對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)，所得結(jié)論主要如下。

(1)對(duì)煤礦綜采工作面煤層瓦斯參數(shù)進(jìn)行勘察，發(fā)現(xiàn)煤層中的瓦斯?jié)舛认鄬?duì)較高。為了確保煤礦生產(chǎn)的安全性，有必要基于瓦斯抽采技術(shù)實(shí)現(xiàn)礦井瓦斯?jié)舛鹊挠行Э刂啤?/p>

(2)對(duì)瓦斯抽采技術(shù)方案進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，其中預(yù)抽采時(shí)間為9個(gè)月，鉆孔直徑和深度分別為94 mm和120 m，鉆孔之間的距離為3 m，抽采負(fù)壓設(shè)置為18 kPa。利用COMSOL軟件對(duì)抽采方案進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)效果良好。

(3)將以上瓦斯抽采技術(shù)方案應(yīng)用到煤礦工程實(shí)踐中，并對(duì)其應(yīng)用效果進(jìn)行了連續(xù)1個(gè)月的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)指標(biāo)都控制在了國家標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，有效保障了煤礦生產(chǎn)安全。