石港公司綜采工作面高位鉆孔抽采瓦斯技術

白硯國

（山西石港煤業有限責任公司山西左權032600）

1 工程概況

陽煤集團石港公司是瓦斯突出礦井。15210工作面的基本頂為中粒粉砂巖，厚度為2 m～3 m，底板為2.98 m的砂質泥巖。3#煤層平均厚度為2.64 m，傾角為2°～6°，平均4°，屬近水平煤層，結構簡單、賦存穩定，每層中含1～2層泥質夾矸，厚度為0.02 m～0.06 m，該煤層以亮煤為主。15210 工作面為綜采工作面，絕對瓦斯涌出量為63.47 m3/min，該工作面采空區冒落帶高度為0 m～10 m，裂隙帶高度10 m～30 m。回采過程中瓦斯檢測儀檢測到工作面上隅角最高瓦斯濃度達到了13.1%，給煤礦安全生產造成了隱患。通過預抽降低煤層含氣量，可保證工作面的安全回采并有效的控制瓦斯超限的問題。

2 瓦斯運移特征分析

2.1 數值模擬

為了探究回采工作面采空區瓦斯流動性與擴散性，建立瓦斯流動模型，通過Fluent軟件對采空區瓦斯的移動與擴散進行數值模擬。巷道內的空氣流動性與破碎區分別用Navier-Stokes 方程和Brinkman 方程表示，可以建立瓦斯在回采工作面的流動模型[1]，見圖1。

圖1 空氣流動模型

2.2 模擬分析

在建立好的模型上，分別模擬抽采前后瓦斯的分布情況，探究頂板高位巖層鉆孔抽采瓦斯的效果。

圖2 瓦斯未抽采時的濃度分布

由圖2a可以看出，采空區內高濃度瓦斯主要集聚在回風巷一側，而在采空區的中間，瓦斯濃度則較低，瓦斯在工作面采空區分布為兩邊高，中間低的馬鞍狀。在采空區內，瓦斯會受到工作面進風的影響，濃度在回風一側明顯升高。由于工作面存在漏風的現象，所以在工作面附近的垮落帶瓦斯濃度會低。沿著采空區到工作面方向，瓦斯濃度會逐漸降低。

由圖2b 可知，在采空區內，瓦斯濃度主要在中部升高，且回風巷附近的濃度比進風側濃度積聚明顯。

為降低瓦斯濃度，提高瓦斯抽取率，決定選用高位巖層鉆孔抽采采空區瓦斯，為探究方案是否可行，對其抽采效果進行數值模擬，通過抽采前后的模擬效果來對比探究抽采方案的可行性。

圖3 瓦斯抽采后的濃度分布

由圖3a 中可知，采空區的中部瓦斯濃度明顯降低，這是由于此處正好為高位巖層鉆孔處的終孔處，瓦斯被抽放，濃度大幅度的降低，同時在回風巷的一側，瓦斯濃度雖然依舊較高，但對比抽采前濃度下降顯著；工作面上隅角的濃度低于1%，抽采效果極佳。

由圖3b看出，水平方向上，在采空區中部區域，瓦斯的總體濃度降低，分布會隨著鉆孔的終孔位置改變。

3 高位巖層鉆孔抽采工作面采空區瓦斯

3.1 鉆場的位置

基于現有裝備與礦方實際情況，結合抽采經驗與理論計算，決定每隔100 m布置一個高位鉆場，選擇在15210工作面回風巷進行高位鉆場施工，在距切眼100 m處布置第一個高位鉆場，鉆場規格設計為寬×高×深=5 m×3 m×6 m。由于煤層頂板為泥巖（泥巖受水膨脹率較高，會使得圍巖出現較大變形），因此為防止鉆場及鉆孔受圍巖變形影響導致難以達成預定效果，決定在煤層頂板高1.5 m左右處進行鉆場作業，此時已高出頂板泥巖位置1.3 m，可以消除泥巖受水膨脹對其的影響。同時考慮鉆場在巷道的施工量，將鉆場設計在回風巷道側30 m，通過聯絡巷相連，聯絡巷的傾角在30°左右，利于施工。鉆孔布置如圖4所示。

圖4 工作面鉆場布置方案示意

高位鉆場聯絡巷設計為：15210 工作面高位鉆場聯絡巷，為矩形斷面，寬×高為3×3 m，截面面積9 m2。每個聯絡巷設計長度30 m，共設計9 個。聯絡巷垂直于回風順槽傾角為30°上坡掘進，掘進到距離煤層頂板1.5 m處開始施工高位巖石鉆場。

3.2 確定鉆孔的終孔位置

由于瓦斯的密度比空氣小，因此容易在采空區上方聚積，且大部分瓦斯存在于圍巖裂隙之中。為了盡可能的抽采瓦斯，需要將鉆孔的終端布置在圍巖裂隙多的地方，所以鉆孔主要布置在圍巖破碎區。查閱相關文獻并結合理論計算[3]可以得出，工作面采空區上方破裂區高度為16.55 m，所以最終決定在距15210工作面頂板3 m～60 m 進行終孔布置，為了提高抽采效果，將鉆終孔位置布置在距煤層頂板3 m～15 m、15 m～30 m、30 m～60 m，可以對破碎帶內瓦斯進行全方位的抽采，完成瓦斯抽采作業。

3.3 鉆孔布置與封孔

(1)鉆孔布置

基于上述鉆場位置與鉆孔終孔位置，確定鉆孔分三排布置，共設計30 個，鉆孔間距為0.5 m，排距設計為0.6 m。每個鉆孔設計為φ 113 mm×150 m，由上文確定需要布置9個鉆場，所以鉆孔數量設計為270個。

(2)鉆孔封孔方式

為了更好的對高位鉆孔封孔，根據礦方地質情況，決定封孔材料選用聚氨酯，孔口管為φ 90 mm 的PVC管，每根之間通過管扣相連，同時為了保證抽采效果，長度設計為10 m，在PVC管四周通過纖維或者棉麻布配合聚氨酯進行封孔。

圖5 封孔示意圖

3.4 高位巖石鉆場及聯絡巷通風管理

在進行高位巖石鉆孔施工期內，采用FBDNo.6.3/11 型礦用壓入式隔爆型軸流的局部通風機對施工區域內通風，通風機風量設計370 m3/min～260 m3/min。在施工期間，局部通風機布置在軌道大巷內，經15210工作面回風順槽連接至高位鉆場內。若施工過程中發現局部通風機無法布置在軌道大巷內，則一次串聯通風布置在15210工作面回風順槽鉆場口處。鉆孔施工連管結束后須在聯絡巷口設置一道防風密閉墻。

3.5 實際應用效果

礦方在治理期間對15210工作面不同地點的瓦斯濃度進行了觀測，共持續了60 天，將數據進行整理分析后得到了圖6瓦斯濃度曲線圖。

由圖6可知，曲線瓦斯濃度峰值為0.6%左右，在允許濃度范圍之內，表明所采取措施有效的解決了15210 工作面的瓦斯問題，而且觀察三條曲線中工作面瓦斯濃度在抽采后有了明顯的降低，整體穩定在0.4%，上隅角瓦斯濃度整體上穩定在0.5%左右，而回風巷瓦斯濃度整體穩定在0.3%～0.4%之間，為煤礦安全提供了保障。

4 結語

應用Fluent 軟件建立回采工作面瓦斯抽采模型，對抽采前后工作面瓦斯濃度分布狀況的對比，分析工作面在未抽采時采空區瓦斯分布特征，得出受采動影響，大量瓦斯積聚在采空區上部，使工作面采空區瓦斯濃度升高，造成安全隱患。采用高位高位鉆孔來抽采采空區瓦斯，治理期間對瓦斯濃度進行檢測，瓦斯濃度降低到安全范圍內，保證了綜采工作面安全生產。