騰暉礦2202工作面底抽巷瓦斯技術(shù)研究

雷龍龍

（霍州煤電集團(tuán)騰暉煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 臨汾 041000）

在礦井開(kāi)采過(guò)程中，瓦斯問(wèn)題一直制約著我國(guó)煤礦正常開(kāi)采，而對(duì)于厚煤層高瓦斯巷道來(lái)說(shuō)瓦斯超限問(wèn)題尤為突出，其治理難度也十分復(fù)雜，近些年來(lái)由于我國(guó)開(kāi)采年限的不斷增加，開(kāi)采的重點(diǎn)逐步向著大縱深方向發(fā)展，使得瓦斯含量及瓦斯的壓力不斷加大，所以對(duì)厚煤層瓦斯進(jìn)行抽排對(duì)于礦井安全開(kāi)采十分重要，此前，劉志偉、張帥[1]利用分源預(yù)測(cè)法對(duì)瓦斯來(lái)源進(jìn)行預(yù)測(cè)，通過(guò)FLEUNT軟件對(duì)瓦斯的分布及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，提出利用專用巷道密閉大流量的治理方法，有效地消除了放煤后溜通道的瓦斯超限問(wèn)題。岳乾、李希建、陳守坤[2]針對(duì)高瓦斯煤巷掘進(jìn)過(guò)程中的瓦斯超限難題，采取了“雙掛耳”式鉆場(chǎng)，并對(duì)巷道鉆孔進(jìn)行邊鉆邊采，有效提高了瓦斯的抽采效率，實(shí)現(xiàn)了巷道高效掘進(jìn)。本文以騰暉礦2202工作面為研究背景，利用數(shù)值模擬對(duì)低抽巷抽采效果進(jìn)行研究分析，并給出最佳布置方案，為厚煤層礦井瓦斯抽采提供依據(jù)。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

騰暉礦位于山西鄉(xiāng)寧縣棗嶺鄉(xiāng)店溝村，設(shè)計(jì)年生產(chǎn)能力120×104t。井田結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，主要構(gòu)造形式為單斜延伸構(gòu)造，井田的地層的坡度均值在5°左右，2202工作面現(xiàn)主要開(kāi)采2#煤層，煤層厚度3.2～6.0m，煤層的平均厚度為5.6m。

2202工作面所開(kāi)采的太原組2#煤層屬于單一低滲透性煤層，煤層具有瓦斯吸附性強(qiáng)、衰退快、抽放難的特點(diǎn)，其中2202工作面煤層瓦斯含量約為11m3/t，巷道瓦斯壓力0～9MPa，在巷道進(jìn)行開(kāi)挖前需要將巷道內(nèi)瓦斯含量降低至8m3/t，2202工作面的右側(cè)為N2202采空區(qū)，左側(cè)為北風(fēng)井東翼回風(fēng)巷，工作面的頂板由泥巖和粉砂巖組成，目前瓦斯?jié)舛劝凑掌浞植记闆r可分為涌出帶、過(guò)渡帶及滯留帶，其中涌出帶位移工作面切眼20m范圍內(nèi)，此時(shí)的瓦斯?jié)舛却笾聻?0%以下，在此區(qū)段內(nèi)瓦斯運(yùn)動(dòng)速度較快，且多為層流；過(guò)渡帶載開(kāi)切眼20～50m的范圍內(nèi)，此時(shí)瓦斯?jié)舛却笾路植荚?0%～20%，在此區(qū)段內(nèi)瓦斯多呈紊亂交錯(cuò)狀態(tài)；滯留帶為距離開(kāi)切眼50m以上，此時(shí)的瓦斯?jié)舛确植荚?0%～30%之間，在此階段內(nèi)瓦斯流動(dòng)速度較低[3]。

底抽巷瓦斯抽采的原理是在底抽巷內(nèi)部施工穿層鉆孔，將鉆孔打入煤層內(nèi)部，對(duì)煤體進(jìn)行卸壓，此時(shí)由于鉆孔的存在使得鉆孔周邊的圍巖應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，鉆孔使得煤巖內(nèi)部原生裂縫及人工裂縫增多，瓦斯通過(guò)裂縫沿著鉆孔進(jìn)行排除，以此達(dá)到瓦斯抽采消突的目的[4]。底板抽采預(yù)抽瓦斯示意圖如圖1所示。

圖1 底板抽采預(yù)抽瓦斯示意圖

在進(jìn)行底抽巷位置選定時(shí)，較多的因素對(duì)其有所影響，因此本文對(duì)不同垂距及不同巖性下底抽巷抽采方案進(jìn)行對(duì)比分析，方案1垂距12m，布置于粉砂巖中；方案2垂距15m，布置于粉砂巖中，方案3垂距20m，布置于粉砂巖中，對(duì)三種方案進(jìn)行分析，首先進(jìn)行模型的建立，結(jié)合2202工作面的實(shí)際情況，建立長(zhǎng)方體模型，模型的長(zhǎng)寬高分別為100m×100m×20m，完成模型建立后根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況對(duì)模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定完成后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分后共有88520個(gè)單元格，完成劃分后對(duì)模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，固定模型四周的位移，同時(shí)對(duì)模型上端部施加覆巖自重13MPa，模型選用摩爾庫(kù)倫模型為本構(gòu)模型，完成模型設(shè)定后對(duì)模型進(jìn)行模擬計(jì)算，應(yīng)力模擬云圖如圖2所示。

圖2 不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力云圖

從圖2可以看出，在回采及地應(yīng)力的作用下，底抽巷的兩幫位置出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中，且隨著垂距H的增加，巷道圍巖的垂直應(yīng)力值呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，當(dāng)垂距H為12m時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值為20.48MPa；當(dāng)垂距H為15m時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力最大值為22.11MPa，此時(shí)較垂距12m應(yīng)力值降低了1.63MPa；當(dāng)垂距H為20m時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力最大值為26.27MPa，此時(shí)較垂距15m應(yīng)力值降低了5.79MPa。同時(shí)隨著垂距的增大，巷道兩幫的應(yīng)力集中范圍有一定的減小，所以底抽巷距離煤層距離越近，受到掘進(jìn)的影響越大。根據(jù)對(duì)比分析最終選定底抽巷的布置位置為垂距12m，布置于粉砂巖之中，此時(shí)的巷道施工成本最低且巷道的圍壓應(yīng)力良好，有利于煤層瓦斯的抽排[5-6]。對(duì)底抽巷鉆孔影響直徑進(jìn)行分析，選定抽采負(fù)壓為15kPa，抽采的直徑分別為94mm，抽采天數(shù)分別選擇30d、60d、90d、120d、150d，抽采有效半徑隨瓦斯抽采時(shí)間變化曲線見(jiàn)圖3（a），在一定抽采天數(shù)下不同負(fù)壓抽采有效半徑變化曲線如圖3（b）所示。

從圖3可以看出，當(dāng)鉆孔直徑和抽采負(fù)壓一定時(shí)，此時(shí)隨著抽采時(shí)間的增加，底抽巷鉆孔抽采有效半徑呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，當(dāng)抽采時(shí)間為30d時(shí)，此時(shí)的鉆孔有效抽采半徑為0.97m，當(dāng)抽采天數(shù)增大至60d時(shí)，此時(shí)鉆孔有效抽采半徑為1.23m，當(dāng)抽采天數(shù)增大至150d時(shí)，此時(shí)的巷道抽采有效半徑為4m。同時(shí)對(duì)比不同抽采負(fù)壓下的鉆孔抽采有效半徑發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)壓的增大，抽采有效半徑幾乎類似于平行直線，所以負(fù)壓對(duì)鉆孔抽采有效半徑的影響較小，所以在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐時(shí)可以充分利用模擬結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)[7-8]。

2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐研究

根據(jù)模擬研究進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，選定2202工作面的回風(fēng)順槽進(jìn)行驗(yàn)證研究，底抽巷布置按照模擬選定的方案進(jìn)行設(shè)置，在底抽巷進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑選定為94mm，抽采的負(fù)壓選定為15kPa，分別設(shè)定11個(gè)鉆孔，在第5至11個(gè)鉆孔進(jìn)行水力沖孔，完成沖孔后進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯抽采曲線如圖4所示。

圖4 瓦斯抽采曲線

從圖4可以看出，經(jīng)過(guò)水力沖孔后瓦斯抽采的濃度及瓦斯純量均有了明顯的增加，在前四個(gè)鉆孔抽采的濃度均值為44.8%，抽采的純流均值為0.18m3/min，而經(jīng)過(guò)沖孔后瓦斯抽采的濃度均值為75%以上，瓦斯抽采的純流均值為0.33m3/min，可以看出經(jīng)過(guò)沖孔后鉆孔瓦斯抽采濃度較未經(jīng)水力沖孔提升了30%，而抽采純量同樣提升了15m3/min，所以底抽巷水力沖孔效果明顯，抽采效果極佳[9-10]。

3 結(jié)論

（1）通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，確定了當(dāng)垂距H為12m時(shí)，底抽巷布置于粉砂巖中時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值最小，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值為20.48MPa。

（2）利用數(shù)值模擬軟件對(duì)抽采參數(shù)對(duì)有效抽采半徑的影響進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)隨著抽采時(shí)間的增加，底抽巷鉆孔抽采有效半徑呈現(xiàn)逐步增大的趨勢(shì)，而隨著抽采負(fù)壓的增大鉆孔抽采有效半徑幾乎不變。

（3）利用模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)騰暉礦2202工作面進(jìn)行底抽巷布置，并對(duì)鉆孔沖孔前后瓦斯抽采曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，底抽巷鉆孔經(jīng)過(guò)水力沖孔后抽采效率有了明顯的提升，抽采效果極佳。