采煤工作面高位鉆孔抽采采空區(qū)瓦斯技術(shù)研究

楊程軻

（山西煤炭進出口集團鹿臺山煤業(yè)有限公司，山西 沁水 048200）

1 工程概況

山煤集團鹿臺山煤業(yè)有限公司2205 工作面地表位于礦區(qū)東北部，馮村東北方向兩千米的山區(qū)，工作面上覆為山林，無建筑物。工作面所采2#煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度最大為3.2 m，最小為1.35 m，平均2.2 m。結(jié)合2#煤層以往工作面開采情況，工作面平均瓦斯涌出量31.07 m3/min，其中：本煤層高負壓抽采10 m3/min，采空區(qū)抽采8.5 m3/min，風排量13.07 m3/min（按0.51%計算，其中：采煤工作面占39.2%，巷道涌出量占14.9%，采空區(qū)瓦斯涌出占45.9%）。采煤工作面采用進風順槽、輔助進風順槽雙側(cè)順層平行鉆孔進行本煤層抽采瓦斯，采空區(qū)抽采采用定向高位鉆孔。往期工作面回采期間，上隅角瓦斯常出現(xiàn)超限情況，影響礦井的安全高效生產(chǎn)，因此，需要進一步提高瓦斯治理效果，加強定向高位鉆孔瓦斯抽采技術(shù)優(yōu)化研究。

2 導(dǎo)氣裂隙帶高度及“O”圈寬度模擬研究

以傳統(tǒng)采空區(qū)上覆巖層“三帶”為基礎(chǔ)，許家林教授提出采空區(qū)豎直方向瓦斯運移的“三帶”[1]。冒落帶和彎曲下沉帶下半部共同組成“導(dǎo)氣裂隙帶”，主關(guān)鍵層下方的彎曲下沉帶上半部為“卸壓解吸帶”，主關(guān)鍵層上方巖層為不易解吸帶。導(dǎo)氣裂隙帶內(nèi)巖層破碎、離層且存在許多豎直方向貫通的裂隙，煤巖體內(nèi)的瓦斯充分解吸，解吸后的瓦斯可通過裂隙、裂縫運移至回采工作面，是導(dǎo)致工作面風流、上隅角瓦斯?jié)舛壬叩闹匾蛩?。隨著工作面的回采，采空區(qū)中間部分的冒落巖石將重新壓實擠密，中部形成壓實區(qū)，采空區(qū)四周一定寬度的裂隙區(qū)形成“O”形圈。將高位瓦斯鉆孔布置在“O”形圈內(nèi)，可有效將采空區(qū)瓦斯抽出，進而減小工作面及上隅角瓦斯?jié)舛取?/p>

為掌握鹿臺山煤礦2205 工作面“O”形圈發(fā)育情況，根據(jù)工作面巖層的實際賦存情況，采用UDEC 軟件建立模型，模擬研究采空區(qū)上覆巖層垮落運移規(guī)律，確定導(dǎo)氣裂隙帶高度和“O”形圈寬度。模擬工作面長度方向的切面，模型大?。洪L500 m，高300 m，模型頂面覆巖厚度約250 m，施加等效載荷6.25 MPa。為避免邊界效應(yīng)，模型由距左側(cè)邊界100 m 處開挖。工作面開挖后，根據(jù)上覆巖層裂隙發(fā)育及運移情況，將采空區(qū)劃分為三個區(qū)域：Ⅰ—邊緣裂隙區(qū)、Ⅱ—“O”形圈裂隙區(qū)、Ⅲ—重新壓實區(qū)，選取典型的結(jié)果展示如圖1。

圖1 不同工作面長度“O”形圈發(fā)育剖面圖

根據(jù)圖1 可以看出，隨著工作面長度的增大，上覆巖層發(fā)生明顯彎曲下沉的范圍呈增大趨勢，“O”形圈裂隙區(qū)的寬度同樣呈增大趨勢。當工作面長度為100 m、150 m 時，導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度分別為38 m、65 m；工作面長度為200 m、250 m 時，導(dǎo)氣裂隙帶高度分別為79 m、80 m。由此表明，工作面長度大于200 m 后，隨著工作面長度的增大，導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度不再隨之增大，由此表明2205工作面導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度為80 m。2205 工作面長度為200 m，根據(jù)模擬結(jié)果，“O”形圈寬度范圍為距采空區(qū)邊緣10～46 m 范圍內(nèi)。

3 高位瓦斯抽采鉆孔布置層位優(yōu)化

3.1 高位鉆孔與輔助進風順槽水平距離分析

采空區(qū)高位鉆孔與回風巷水平距離對于采空區(qū)瓦斯抽采效果具有重要影響，如果距離過近，很可能出現(xiàn)抽出氣體與巷道內(nèi)氣流連通，無法抽到高濃度瓦斯；如果距離過遠可能位于采空區(qū)中部的重新壓實區(qū)域，巖石的透氣性較差，抽采量很小，難以達到預(yù)想的效果。參閱相關(guān)研究成果，抽采鉆孔在水平方向與順槽的距離x應(yīng)滿足[2]：

結(jié)合鹿臺山煤礦2205 工作面具體地質(zhì)條件，采空區(qū)覆巖卸壓角為δ=57°，煤層傾角θ=5°，工作面長度L=200 m，冒落帶高度H為25 m，計算可得13.3 m ≤x≤66.7 m。結(jié)合工作面“O”型圈寬度范圍10～46 m，確定高位鉆孔與輔助進風順槽水平距離為14～46 m。

3.2 高位鉆孔垂直層位優(yōu)化研究

鹿臺山煤礦2205 工作面導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度為80 m，冒落帶高度為25 m，高位鉆孔垂直層位應(yīng)為距工作面頂板23～78 m（減去2 m 煤層厚度）范圍內(nèi)。為確定最佳的抽采層位，采用ANSYSFluent 軟件建立三維數(shù)值模擬[3-4]，模擬分析不同層位的抽采效果。采用Desin-Modeler 模塊建立采空區(qū)三維模型，工作面采用“兩進一回”通風方式，工作面尺寸為200 m×10 m×3 m，三維模型建立后采用Mesh 軟件進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格劃分后三維模型如圖2 所示。高位鉆孔水平方向間距6 m，距輔助進風順槽水平距離為14 m，距離輔助進風順槽最遠的為44 m，鉆孔水平方向在同一層位，4 個模擬方案距煤層底板分別為40 m、50 m、60 m、70 m，模擬時抽采負壓25 kPa，觀測不同層位條件下抽采鉆孔瓦斯?jié)舛燃肮ぷ髅嫱咚節(jié)舛龋淼玫綀D3 所示模擬結(jié)果。

圖2 三維數(shù)值模型

由圖3（a）所示不同層位條件下鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛饶M結(jié)果可知，相同層位的鉆孔，距離輔助回風順槽越近瓦斯?jié)舛仍礁?，表明采空區(qū)中部重新壓實，鉆孔在該區(qū)域抽采效果不理想。鉆孔距煤層頂板50 m 時，1#～6#鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛葹?.6%～17.5%，明顯高于其余3 組鉆孔，說明鉆孔布置在距煤層頂板50 m 層位內(nèi)，可有效抽采采空區(qū)“O”形圈內(nèi)瓦斯。由圖3（b）所示工作面及巷道內(nèi)瓦斯?jié)舛饶M結(jié)果可以看出，鉆孔層位為40 m、50 m、60 m、70 m時，上隅角瓦斯?jié)舛确謩e為0.35%、0.44%、0.69%、0.87%，隨著鉆孔層位的增高，上隅角瓦斯?jié)舛戎饾u增大，鉆孔層位為40 m、50 m 時上隅角瓦斯?jié)舛容^低。綜合考慮鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛饶M結(jié)果，確定高位鉆孔距煤層頂板最佳垂直距離為50 m。

圖3 高位鉆孔及工作面瓦斯?jié)舛饶M結(jié)果（m）

3.3 高位鉆孔布置方案

結(jié)合2205 工作面現(xiàn)場實際情況，設(shè)計高位鉆孔布置方式如圖4。鉆場布置在2205 輔助進風順槽，首個鉆場布置在距切眼100 m 處，之后每間隔50 m布置一個鉆場，每組6 個鉆孔，鉆孔終孔處距巷幫14～44 m，終孔位置距煤層頂板50 m，采用ZDY-10000L 鉆機施工。

圖4 2205 工作面高位鉆孔布置詳情（m）

4 瓦斯治理效果分析

2205 工作面投入生產(chǎn)后，記錄鉆孔瓦斯抽采量并監(jiān)測上隅角瓦斯?jié)舛?，得到圖5 所示結(jié)果。工作面由14.8 m 回采至106.3 m 期間，高位鉆孔最大抽放量為46 023.5 m3，最小抽放量19 483.2 m3，平均抽放量31 246.5 m3，瓦斯抽放量較高且穩(wěn)定，抽采效果良好。工作面回采期間，上隅角瓦斯?jié)舛茸畹蜑?.14%，最高為0.47%，未出現(xiàn)瓦斯超限情況，保障了工作面的安全高效生產(chǎn)。

圖5 鉆孔瓦斯抽采量及上隅角瓦斯?jié)舛茸兓?guī)律

5 結(jié)論

（1）UDEC 數(shù)值模擬研究得出，鹿臺山煤礦2205 工作面回采期間，上覆巖層中導(dǎo)氣裂隙帶發(fā)育高度為80 m，“O”形圈寬度范圍為距采空區(qū)邊界10～46 m。

（2）理論分析計算得到，高位鉆孔與輔助進風順槽水平距離合理范圍14～46 m，高位鉆孔與煤層頂板垂直距離合理范圍23～78 m。模擬研究成果表明，最佳布置層位為距煤層頂板50 m。

（3）2203 工作面回采期間，高位鉆孔瓦斯抽放量穩(wěn)定在19 483.2～31 246.5 m3之間，上隅角瓦斯穩(wěn)定在0.14%～0.47%，工作面上隅角未出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，保障了工作面安全回采。