穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)研究與應(yīng)用

陳建杰

(新疆焦煤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830025)

穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯技術(shù)研究與應(yīng)用

陳建杰

(新疆焦煤(集團(tuán))有限責(zé)任公司,新疆烏魯木齊 830025)

通過測(cè)定氣煤公司一號(hào)井A2煤層瓦斯基本參數(shù)及透氣性系數(shù)等參數(shù),采用數(shù)值模型分析的方式為A2煤層實(shí)施有效和經(jīng)濟(jì)的穿層鉆孔預(yù)抽措施設(shè)計(jì)提供理論和技術(shù)支持;對(duì)比A2煤層預(yù)抽前后煤層瓦斯壓力和可解吸瓦斯含量的降低程度,即預(yù)抽效果的考察,進(jìn)一步考察和評(píng)價(jià)穿層鉆孔預(yù)抽消突措施的可行性和有效性。

穿層鉆孔 瓦斯抽采 數(shù)學(xué)模型 效果考察

區(qū)域瓦斯治理能夠更有效地進(jìn)行消突和防突，由區(qū)域治理代替局部瓦斯治理，由接觸式向非接觸式、由局部預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)向區(qū)域性安全評(píng)價(jià)轉(zhuǎn)換，是解決一切問題的關(guān)鍵[1]。用穿層鉆孔預(yù)抽區(qū)段煤層瓦斯的區(qū)域防突措施，就是能夠同時(shí)對(duì)一個(gè)區(qū)段煤層范圍的瓦斯進(jìn)行非接觸式預(yù)抽，這種方式能較好發(fā)揮區(qū)域防突措施的作用。

1 工作面區(qū)域概況

阜康氣煤公司一號(hào)井11A201工作面為礦井首個(gè)工作面。工作面走向長度600m，傾斜長度100m，工作面標(biāo)高+589～+632m。A2煤層厚度10.0m～12.0m，平均10.73m，含夾矸0～3層，結(jié)構(gòu)簡單—復(fù)雜。工作面區(qū)域探測(cè)主要斷層2條，最大落差分別為8m、18m。

對(duì)該區(qū)域進(jìn)行了瓦斯基本參數(shù)測(cè)定，測(cè)定項(xiàng)目包括煤層瓦斯壓力、吸附常數(shù)、堅(jiān)固性系數(shù)、放散初速度、透氣性系數(shù)等。測(cè)定結(jié)果見表1。

圖1 單孔瓦斯壓力云圖

圖2 鉆孔周圍瓦斯流動(dòng)圖

2 區(qū)域消突機(jī)理與措施

就目前的技術(shù)狀況看，區(qū)域防突措施只有開采保護(hù)層和預(yù)抽煤層瓦斯兩大類。阜康氣煤一號(hào)井11A201工作面主要煤層包括A2、A3和A4煤層，其中A2和A3煤層間距32.97m、A3和A4煤層間距3.61m。經(jīng)在該區(qū)域進(jìn)行瓦斯壓力測(cè)定，A3、A4煤層瓦斯壓力分別達(dá)到1.6MPa和1.7MPa，且鉆孔施工期間噴孔現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，氣煤一號(hào)井選擇采用預(yù)抽煤層瓦斯措施。

底板抽采巷穿層鉆孔條帶區(qū)域預(yù)抽是通過向突出煤層巷道及其兩側(cè)一定范圍內(nèi)打大量的密集鉆孔使煤體區(qū)域卸壓，同時(shí)抽采瓦斯釋放其潛能，然后再經(jīng)過較長時(shí)間的預(yù)抽煤層瓦斯使瓦斯壓力與瓦斯含量進(jìn)一步降低，并由此引起煤層的收縮變形、地應(yīng)力下降、透氣系數(shù)增高、地應(yīng)力與瓦斯壓力梯度減小和煤的普氏系數(shù)增加等變化，從而達(dá)到消除在煤巷掘進(jìn)過程中突出危險(xiǎn)性目的[2]。阜康氣煤一號(hào)井底板瓦斯抽采巷布置在A2煤層底板15～20m處，位于工作面順槽下側(cè)垂向10m。

圖3 鉆孔間距計(jì)算示意圖

圖4 抽采參數(shù)圖

3 穿層鉆孔布置

提高瓦斯抽放率是制約瓦斯抽采的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。根據(jù)氣煤一號(hào)井煤層賦存條件、瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果及底板抽采巷與煤層相對(duì)位置，采用多物理場(chǎng)耦合數(shù)值模擬軟件系統(tǒng)(COMSOL Multiphysics)對(duì)鉆孔布置，特別是孔底間距設(shè)置進(jìn)行數(shù)值模型分析[3]。COMSOL是一個(gè)專業(yè)有限元數(shù)值分析軟件包，是專為描述和模擬各種物理現(xiàn)象而開發(fā)的基于偏微分方程的多物理場(chǎng)模型仿真計(jì)算的有限元分析軟件包。利用COMSOL中無限制多物理場(chǎng)和基于偏微分方程的表達(dá)式可將力學(xué)分析與流場(chǎng)耦合起來[4]。

表1 試驗(yàn)區(qū)域參數(shù)測(cè)定結(jié)果

表2 殘余瓦斯參數(shù)測(cè)定結(jié)果

在底板抽采巷向A2煤層施工115mm鉆孔，根據(jù)煤層賦存參數(shù)計(jì)算單個(gè)鉆孔抽采模型如圖1、2所示。

經(jīng)數(shù)值模型分析計(jì)算，抽采時(shí)間為每個(gè)鉆孔的抽采影響范圍都可以看成一個(gè)圓形，其半徑即確定的抽采影響半徑(R)。為了在提高鉆孔抽采效率的同時(shí)保障無預(yù)抽空白區(qū)域，以相鄰3個(gè)鉆孔抽采效果為例，如圖3所示。當(dāng)SABC最小時(shí)，在相鄰3個(gè)鉆孔相交排列的情況下，可抽采面積S最大(即抽采效率最優(yōu))。其中：

聯(lián)立式(1)和式(2)，可得：

以數(shù)值模型分析得出的抽采影響半徑為依據(jù)，按鉆孔沿傾向布置控制巷道位置以及其上幫輪廓線外至少20m，下幫至少10m控制底板抽采巷控制范圍，鉆場(chǎng)間距為

4 瓦斯抽采效果考察

在穿層鉆孔預(yù)抽瓦斯實(shí)施期間計(jì)量瓦斯抽采濃度及抽采量，并在實(shí)施計(jì)量一段時(shí)間后，在底板抽采巷向穿層鉆孔預(yù)抽控制范圍內(nèi)施工檢驗(yàn)孔測(cè)定抽采后煤層瓦斯壓力和瓦斯含量。

4.1 抽采參數(shù)考察

底板穿層鉆孔預(yù)抽初期瓦斯?jié)舛葹?0%，在抽采優(yōu)良周期2～3個(gè)月內(nèi)保持在35%左右，抽采周期后瓦斯?jié)舛认陆当３衷?5%。抽采參數(shù)統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

4.2 區(qū)域措施效果檢驗(yàn)

在底板抽采巷距離工作面停采線50m、200m、450m處分別布置鉆孔測(cè)定預(yù)抽區(qū)域殘余瓦斯壓力和可解吸瓦斯含量(見表2)。殘余瓦斯含量最大值為0.57MPa，可解吸瓦斯含量最大值為5.35m3/t。

通過對(duì)預(yù)抽后相關(guān)參數(shù)的測(cè)定，穿層鉆孔預(yù)抽煤層瓦斯的區(qū)域防突措施達(dá)到了消突目標(biāo)。

4.3 掘進(jìn)期間瓦斯涌出情況

11A201工作面掘進(jìn)期間采用局部防突措施進(jìn)行煤巷掘進(jìn)局部預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)指標(biāo)基本無超限現(xiàn)象，根據(jù)數(shù)值模型分析和計(jì)算得出的穿層鉆孔合理間距能有效的實(shí)現(xiàn)預(yù)抽工作。掘進(jìn)期間工作面瓦斯涌出量為1.5～2.4m3/min。

5 結(jié)語

(1)底板穿層抽采鉆孔使預(yù)抽區(qū)域的煤層應(yīng)力分布狀態(tài)發(fā)生變化，瓦斯含量降低，瓦斯壓力減小，消除了發(fā)生突出的原動(dòng)力。(2)通過數(shù)值模型分析結(jié)合計(jì)算得出抽采鉆孔間距，按照網(wǎng)格化的布置方式提出鉆孔布置方案，有效的提高抽采效率。(3)經(jīng)預(yù)抽效果考察，殘余瓦斯壓力和抽采后可解吸瓦斯含量均有明顯的下降，達(dá)到了消突效果。

[1]秦法秋,秦剛偉.突出煤層底板抽放巷區(qū)域消突技術(shù)實(shí)踐探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,(1)：225-227.

[2] 張明杰,滑俊杰,華敬濤.單一煤層底板巷穿層鉆孔預(yù)抽煤巷瓦斯條帶區(qū)域防突技術(shù)[J].煤礦安全,2011,(6)：30-32.

[3]徐濤,宋力.真實(shí)破裂過程分析軟件與多物理場(chǎng)耦合軟件結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊對(duì)比研究[J].大連大學(xué)學(xué)報(bào),2007,(12)：66-71.

[4]楊天鴻、唐春安、朱萬成,巖石破裂過程滲流與應(yīng)力耦合分析[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001,23(4)：489～493.

陳建杰(1969—),男,四川中江人,高級(jí)工程師,主要從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)管理工作。