大西礦順層瓦斯抽采鉆孔封孔參數研究

劉向兵

（山西煤炭運銷集團陽城大西煤業有限公司，山西 陽城 048105）

1 礦井概況

大西礦位于陽城縣芹池鎮大西村，礦井區域為單斜構造，井田面積4.5km2，傾角較小，主采煤層為3號煤，煤層平均厚度3.17m，設計生產能力為60萬t/a，現開采的3#煤，煤層瓦斯含量在6.81m3/t左右，瓦斯壓力達到0.43MPa，礦井瓦斯相對涌出量為20.25m3/t，絕對瓦斯涌出量達到22.11m3/min，屬高瓦斯礦井。3#煤層不易自燃，且無爆炸危險性，采用綜合機械化一次采全高的采煤方法。頂板為較硬的細砂巖和部分泥巖，底板為細粒砂巖，煤質為中—高變質的無煙煤，煤層裂隙發育較完全，具備本煤層順層鉆孔抽采的必要條件，如圖1為本次試驗的工作面平面示意圖，3201工作面走向長660m，傾向長180m，根據瓦斯治理的需求在3021工作面回風順槽布置有若干順層鉆孔。

圖1 3021工作面平面示意圖

2 順層鉆孔封孔參數模擬

2.1 模型的建立

根據大西礦的現場條件，為了滿足3021工作面的順層鉆孔封孔參數的工程需求，將布置順層鉆孔的煤層模型簡化為一個長為30m、寬為3m的矩形平面，煤層瓦斯原始壓力設置為0.43MPa，順層鉆孔的直徑設置為120mm。模型左右兩側的邊界條件設置為滾軸，底部邊界固定，上部施加應力，上部與右側流量設置為零；而鉆孔周圍的壓力設為恒定，煤層裂隙瓦斯壓力與孔壁瓦斯壓力取相同值。模型具體參數見表1。

表1 數值模型參數

為了掌握順層鉆孔封孔長度和深度對瓦斯抽采效率的影響，依據大西礦前期研究知，當順槽形成后，在距離煤壁壁面7.86m處時煤層應力集中程度達到最大。基于此，對不同封孔參數下的抽采效果進行建模分析，其中，模型1與模型2在封孔長度和深度一致，模型1封孔長度在應力集中前，而模型2封孔長度在應力集中之后。模型3～模型6從距孔口0.5m處實施封孔，而模型7、8是在避開卸壓區域后開始實施封孔。各模型詳細封孔參數方案見表2。

表2 數值模擬方案

2.2 封孔深度的模擬

為了掌握3021工作面回風順槽順層鉆孔的封孔深度對鉆孔抽采效率的影響，通過模型1與模型2對比分析封孔深度在最大應力集中點前后時煤層瓦斯抽采效果。如圖2為兩種封孔情況下鉆孔周圍煤層瓦斯含量隨鉆孔抽采時間的變化規律。

圖2 煤層瓦斯含量隨抽采時間的變化規律

從圖2可以看出：

（1）隨著抽采時間的延長煤層瓦斯含量都呈逐漸減小的趨勢，且在鉆孔抽采初期，瓦斯含量減小的梯度較大，隨著時間的推移，瓦斯含量減小的趨勢越來越平緩，這種變化趨勢已在現場測試中得到了驗證，符合順層鉆孔抽采瓦斯的規律。

（2）在順層鉆孔抽采階段，模型1煤層瓦斯抽采效率明顯高于模型2，在相同的抽采時間下，封孔深度為7m時，煤層瓦斯含量下降量更大。這是由于模型2的封孔位置錯過了應力集中最大點，有效封孔長度在變短，鉆孔在此位置更容易發生裂隙破壞，導致此處易發生漏氣現象，影響鉆孔的抽采效率。

（3）在鉆孔抽采后期，煤層瓦斯壓力在不斷降低，使得鉆孔和周圍煤體之間的壓力差逐漸減小，當煤層瓦斯壓力降到井下順槽內大氣壓力之下時，順槽內的空氣會通過煤層裂隙通道進入鉆孔中，降低了鉆孔抽采煤層瓦斯的效果。

2.3 封孔長度的模擬

鉆孔的封孔長度對瓦斯的抽采效率同樣起著關鍵作用。如圖2模擬了模型3～8抽采60d時鉆孔周圍煤體瓦斯壓力分布規律。

模型3～6鉆孔從孔口0.5m處實施封孔，從圖中可以看出隨著封孔長度的延深，煤層瓦斯壓力減小程度越小，受抽采負壓影響程度也在不斷衰減。同時，為了更加直觀展示這6種封孔模式下的抽采效果，如圖3所示，繪制了監測點A(x=7.8，y=0.6)處煤層瓦斯壓力隨著抽采時間的變化曲線。

圖3 抽采60d后基質瓦斯壓力分布圖

圖4 監測點A處不同抽采時間下瓦斯壓力變化圖

由圖4可以看出：

（1）模型5、6中瓦斯壓力變化斜率最小，說明受抽采鉆孔的負壓影響程度低，這說明當鉆孔封孔長度穿過應力集中區甚至到達原始應力區時，這些區域周圍的卸壓瓦斯受封孔的影響很難在抽采負壓的作用下沿著管路抽出，只能靠煤體自身的裂隙進行自然排放，瓦斯壓力降低速率減小；

（2）縱觀6個模型中煤層瓦斯壓力的變化趨勢，在相同抽采時間內，模型3瓦斯壓力降低幅度最大，模型4次之，而模型7與8壓降效果明顯偏差，這說明在對順層鉆孔進行密封時，密封最合適的位置為煤層卸壓區域內，若這部分區域未采取有效封堵，在鉆孔抽采負壓下，順槽內的空氣會沿著裂隙向鉆孔內轉移，嚴重制約了順層鉆孔抽采煤層中的瓦斯。

3 現場方案

3.1 現場鉆孔布置

在3021工作面回風順槽垂直煤壁施工12個順層鉆孔，鉆孔深度均為85m左右，抽采負壓不低于13kPa。鉆孔布置如圖5所示，部分鉆孔具體參數見表3。

圖5 試驗鉆孔布置示意圖

表3 試驗鉆孔施工參數

3.2 瓦斯抽采效果分析

鉆孔施工完成后，確保無塌孔現象，排除鉆孔里的煤屑。然后將鉆孔封孔并通過瓦斯集氣裝置將各個順層鉆孔并入抽采管網中，在現場持續監測鉆孔瓦斯濃度，各個鉆孔抽采瓦斯濃度如圖6所示。

圖6 瓦斯濃度隨抽采時間的演化規律

從圖中可以看出，隨著抽采時間的延長瓦斯濃度逐漸遞減，2號鉆孔瓦斯濃度平均值在35.8%，而1號鉆孔瓦斯濃度平均值在19.7%，3號鉆孔瓦斯濃度平均值在33.7%。這充分說明鉆孔孔深為85m時，封孔深度在7.5m時，效果最佳，即將鉆孔的卸壓區段進行密封而應力集中區保持鉆孔的原始狀態。如此，在抽采負壓下順槽內的空氣不會向鉆孔內流入，而且在應力集中的影響下，鉆孔周圍煤體又得到卸壓，壓力集中和釋放的過程中必然導致煤層瓦斯由吸附狀態解吸為游離態，加速了煤層瓦斯的解吸和排放。

4 結論

（1）基于順層鉆孔抽采瓦斯的原理，通過數值模擬研究表明，本煤層順層鉆孔封孔時要考慮煤層壓力區域的范圍，即封孔的最佳區段為位于煤層卸壓區和達到應力集中最大點的這段區間，若封孔長度太短，導致空氣進入鉆孔中；若封孔長度太長，煤層中卸壓瓦斯不易通過裂隙流入抽采鉆孔中。

（2）結合現場試驗表明，3021工作面回風順槽順層鉆孔最佳封孔深度為7.5m，即對卸壓區域進行密封。

（3）通過現場煤層條件，優化后的順層鉆孔封孔參數可以有力地保障瓦斯抽采的可靠性。