關(guān)于佛洼8309工作面布孔方式優(yōu)化研究

＊馮遠(yuǎn)照

（華陽集團(tuán)新景公司 山西 045008）

引言

對(duì)于多數(shù)準(zhǔn)備工作面，在采前進(jìn)行區(qū)域性的防突措施是降低工作面煤體瓦斯含量，保證回采工作面安全施工的一項(xiàng)前置工程[1]。一般采用順層鉆孔抽采的方式進(jìn)行，在鉆孔施工過程中，布孔方式是影響抽采效果和工程量的重要因素，不同布孔方式的差異在于鉆孔位置和孔間距的不同[2]。在查閱大量的相關(guān)文章基礎(chǔ)上得出：倘若同時(shí)使用不止一個(gè)鉆孔對(duì)處于同一排的煤層進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)，會(huì)引發(fā)“蝴蝶效應(yīng)”，即鉆孔在進(jìn)行抽采的過程中產(chǎn)生震動(dòng)，這種震動(dòng)在幫助順利抽采瓦斯時(shí)，造成其鉆孔臨近的鉆孔發(fā)生震動(dòng)，從而致使其周圍鉆孔的瓦斯發(fā)生一定程度的流動(dòng)，這種現(xiàn)象被稱為“抽采疊加效應(yīng)”[3]。前人對(duì)于這種現(xiàn)象進(jìn)行一系列實(shí)驗(yàn)研究，得出以下規(guī)律：抽采過程中的疊加效應(yīng)強(qiáng)弱是受鉆孔之間不同的間距以及不同的鉆孔位置兩個(gè)因素共同影響的。因此對(duì)于一個(gè)具體的工作面來說，布孔方式的研究對(duì)施工有著重要的指導(dǎo)意義[4]。

1.工作面基本情況

新景礦8309工作面位于蘆南二采區(qū)，設(shè)計(jì)回采長(zhǎng)度1200m，進(jìn)風(fēng)順槽高5m，寬6m。工作面回采煤的種類是8號(hào)煤。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣實(shí)測(cè)，煤體瓦斯含量在5.7～6.4m/t之間，平均含量為6.05m/t，瓦斯含量較高。在回采前需要進(jìn)行瓦斯抽采。

2.布孔方式介紹

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況可知，對(duì)工作面進(jìn)行施工時(shí)，其順層的打孔方式可分為三種，分別為：?jiǎn)闻?、矩形以及“三花眼”形式的布孔[5]。單排布孔簡(jiǎn)單易行，無需在打鉆過程中對(duì)鉆機(jī)的高度、角度進(jìn)行調(diào)節(jié)。矩形布孔和“三花眼”布孔兩種方式要求在一定區(qū)域內(nèi)按照設(shè)計(jì)施工多個(gè)鉆孔，對(duì)施工技術(shù)要求較高。三種布孔方式的具體設(shè)計(jì)如圖1所示（r為鉆孔半徑）。

圖1 布孔方式圖

3.應(yīng)用數(shù)值模擬的布孔參數(shù)優(yōu)化研究

利用FLUENT數(shù)值模擬軟件建立不同布孔方式的瓦斯抽采幾何模型，在時(shí)間設(shè)定相同的情況下，模擬設(shè)定一系列梯度的鉆孔間間距，之后對(duì)其每一個(gè)間距組的多孔臨近瓦斯的分布?jí)毫η闆r進(jìn)行計(jì)算（設(shè)置平行組），通過對(duì)比分析計(jì)算所得結(jié)果，從而依據(jù)值的大小對(duì)瓦斯抽采優(yōu)劣直接進(jìn)行評(píng)判[6]。

(1)不同布孔方式的抽采效應(yīng)數(shù)值模擬

①單排布孔方式數(shù)值模擬分析

建立抽采模型（單排布孔方式）的首要工作是設(shè)定三個(gè)等距的鉆孔且統(tǒng)一高度，即應(yīng)在具相同高度的煤層位置處進(jìn)行鉆孔布置[7]。此間距的選取確定原則是依據(jù)前文所提的新景公司，其公司數(shù)據(jù)來源于該公司在實(shí)地進(jìn)行操作所測(cè)得的真實(shí)數(shù)據(jù)（r=2.02m），本實(shí)驗(yàn)以此為基礎(chǔ)設(shè)定建立出一個(gè)二維的幾何模式（40m×5m）。如圖2所顯現(xiàn)的，可以明了清晰地看出選取的三孔徑臨近的劃分密實(shí)。

圖2 三種鉆孔間距進(jìn)行抽采90d時(shí)的瓦斯壓力云分布圖

本模型采用通用的瞬態(tài)求解器法進(jìn)行解算。分別模擬以下三種不同大小的鉆孔間距，其三種不同的瓦斯壓力分布云如圖2所示。

對(duì)圖2進(jìn)行全方位的綜合分析，可以得出：互相處于臨近位置的鉆孔，其疊加效應(yīng)對(duì)于鉆孔的抽采效果影響呈現(xiàn)逐步擴(kuò)大的現(xiàn)象。

從圖3可以發(fā)現(xiàn)：同組之間的鉆孔表現(xiàn)為，臨近鉆孔瓦斯壓力與兩側(cè)鉆孔瓦斯壓力明顯有差異，且兩側(cè)鉆孔瓦斯壓力遠(yuǎn)大于臨近鉆孔的瓦斯壓力。本設(shè)計(jì)以瓦斯壓力相較于原瓦斯壓力減少49%（即0.26MPa）作為抽采達(dá)標(biāo)的判定原則。不同臨近布孔的間距、中心位置的瓦斯壓力、瓦斯下降量具體如表1所示，可以看出，瓦斯壓力的下降速率隨臨近孔徑間距的變小而加快。

表1 不同鉆孔間距抽采與瓦斯下降量對(duì)比表

圖3 三種鉆孔抽采瓦斯抽采90d時(shí)的壓力分布曲線情況圖示

利用應(yīng)用數(shù)值對(duì)孔徑間距大小不同的鉆孔進(jìn)行模擬計(jì)算，主要計(jì)算其中心處位置的瓦斯壓力達(dá)到達(dá)標(biāo)要求時(shí)所需要的具體時(shí)間，研究結(jié)果見表2。

表2 不同鉆孔間距進(jìn)行抽采時(shí)達(dá)標(biāo)時(shí)間對(duì)比表

對(duì)表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析解讀，可以得出孔間距呈現(xiàn)不同的大小會(huì)導(dǎo)致其達(dá)到達(dá)標(biāo)要求的要求不同，具體表現(xiàn)為抽采時(shí)間與孔徑間距呈正比例形式，隨著孔徑間距的變大，抽采時(shí)間愈發(fā)變長(zhǎng)[8]。進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行總結(jié)分析，對(duì)表中的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，可以得出如下關(guān)系式：

由公式（1）可知，鉆孔間距越大，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)所需的時(shí)間越長(zhǎng)，發(fā)現(xiàn)其進(jìn)行抽采的效果越不盡人意，抽采的疊加效應(yīng)也愈發(fā)的不明顯[9]。由此可以發(fā)現(xiàn)：抽采的疊加效應(yīng)表現(xiàn)出的顯著性是同臨近鉆孔之間間距呈負(fù)增長(zhǎng)形式的。雖然從理論上得出鉆孔間距與瓦斯的抽采效果呈正比關(guān)系，但在實(shí)際鉆孔過程中發(fā)現(xiàn)以下情況：處于同一高度的煤層在抽采中倘若鉆孔分布呈現(xiàn)為極密集時(shí)，難度會(huì)隨之增加，會(huì)極大程度影響施工進(jìn)度，同時(shí)還會(huì)由于臨近鉆孔間距過于緊密，在抽采時(shí)會(huì)使煤體的形態(tài)發(fā)生嚴(yán)重的變形，從而有竄孔的不安全隱患存在[10]。以上兩種情況的發(fā)生，對(duì)于施工的難度以及成本都有一定程度的增加，因此孔間距應(yīng)取適當(dāng)值。

②矩形及“三花眼”式布孔數(shù)值模擬分析

繼續(xù)建立矩形布孔與“三花眼”布孔的幾何模型。通過以上對(duì)于單排鉆孔從理論及實(shí)際結(jié)合分析可以總結(jié)出以下結(jié)論：當(dāng)抽采的鉆孔間距遠(yuǎn)大于有效的抽采孔徑時(shí)，臨近鉆孔之間的瓦斯壓力降低的速率明顯變得緩慢。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可歸結(jié)于臨近鉆孔間距變大引發(fā)抽采的疊加效應(yīng)變小，從而致使瓦斯壓力慢速下降[11]。

為解決抽采盲區(qū)存在的這種問題，研究發(fā)現(xiàn)應(yīng)該適當(dāng)減小臨近鉆孔之間的間距。由于抽采的鉆孔間距影響疊加效應(yīng)，減小鉆孔之間的間距，會(huì)使疊加效應(yīng)增強(qiáng)。故而，在確定抽采盲區(qū)的鉆孔之間的間距時(shí)，評(píng)判最佳標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是重疊疊加的范圍恰好使抽采盲區(qū)完全覆蓋時(shí)，孔間距最為合理[12]。

從圖4可以得到以下結(jié)果：對(duì)抽采的鉆孔進(jìn)行排列優(yōu)化后，未出現(xiàn)抽采盲區(qū)現(xiàn)象，所有的抽采鉆孔均呈現(xiàn)出達(dá)標(biāo)結(jié)果。在超出抽采時(shí)間后，重新選定研究對(duì)象（y=0），兩種效果如圖5所示。

圖4 抽采進(jìn)行90d后的矩形式與“三花眼”式布孔壓力分布

圖5 不同形式布孔的瓦斯壓力在90d后對(duì)比圖

4.鉆孔布孔方案的確定

矩形布孔和“三花眼”式布孔的抽采范圍均可同時(shí)覆蓋巷道全長(zhǎng)和煤厚，且能夠達(dá)到抽采標(biāo)準(zhǔn)，但在鉆孔數(shù)相同的情況下二者的抽采影響面積不同，矩形布孔方法的抽采影響面積為，“三花眼”布孔有效抽采面積為，可見在相同數(shù)量鉆孔下，“三花眼”有效抽采面積方法是矩形布孔方法的1.3倍。

5.施工及抽采效果檢驗(yàn)

為驗(yàn)證“三花眼”布孔方式在8309進(jìn)風(fēng)順槽的施工效果是否能夠在節(jié)省成本的同時(shí)抽采效果達(dá)標(biāo)。對(duì)比抽采90d后的殘余瓦斯含量，如表3所示。

表3 施工與抽采情況對(duì)比表

通過表3可以看出，兩個(gè)工作面在抽采90d后的殘余瓦斯含量均達(dá)標(biāo)且差距不大，但8309工作面的施工成本減少了20.1萬，可見“三花眼”布孔方式可以滿足抽采達(dá)標(biāo)的同時(shí)降低施工成本，使礦井效益最大化。