寺河礦W2303掘進工作面穿層鉆孔瓦斯抽采技術研究及應用

焦 軍

（晉煤集團寺河礦，山西 晉城 048200）

1 工程概況

山西晉城煤業(yè)集團寺河礦為高瓦斯突出礦井，礦井單巷掘進時的絕對瓦斯涌出量為2.8m3/min。工作面二氧化碳絕對涌出量為0.02～0.06m3/min。W2303工作面瓦斯抽放采取底板巖巷施工穿層鉆孔對煤巷掘進瓦斯治理，W23032瓦斯抽放措施巷設計總長度約979.6m，巷道斷面為三心圓拱形，巷道拱基線以上凈高1.2m，拱基線以下高2.7m，凈寬5.0m，凈斷面19.074m2。現(xiàn)為保障W2303工作面掘進作業(yè)是不會出現(xiàn)瓦斯超限現(xiàn)象，利用底抽鉆孔解決煤層條件不好，瓦斯較大區(qū)域，通過密集鉆孔覆蓋從而達到降低瓦斯的目的，為工作面掘進提供保障。

2 抽采鉆孔參數模擬分析

在煤巷掘進作業(yè)時，采用穿層鉆孔對煤層的瓦斯進行預抽作業(yè)時，為有效保障穿層鉆孔的瓦斯抽采范圍和效果，一般會施工多個鉆孔，且各個鉆孔的傾角也會存在差異，現(xiàn)為保障抽采效果，采用COMSOL數值模擬軟件對穿層鉆孔抽采半徑與鉆孔傾角之間的關系進行研究，并對比割縫鉆孔與普通鉆孔之間抽采半徑的差異。

現(xiàn)根據W2303工作面的具體地質條件，在上覆巖層上施加10MPa的壓力，對四周的邊界約束其水平方向位移，固定底板邊界，并設計煤層的初始瓦斯壓力為2.0MPa，穿層鉆孔的抽采負壓為15kpa，分別對穿層鉆孔未 15°、30°、45°、60°、75°、90°、120°和145°下，預抽90d后鉆孔在X、Y方向上的抽采達標區(qū)域寬度及抽采達標區(qū)域的半徑，具體不同鉆孔傾角下鉆孔抽采達標區(qū)域寬度及半徑如圖1所示。

圖1 不同穿層鉆孔傾角下預抽90d時抽采達標區(qū)域及寬度圖

通過具體分析圖1可知，當抽采天數相同的條件下，隨著鉆孔傾角的增大穿層鉆孔的抽采有效半徑會出現(xiàn)先逐漸增大后減小的總體趨勢，在鉆孔傾角為90°時，此時鉆孔的抽采半徑最小，出現(xiàn)這種現(xiàn)象即表明鉆孔與主應力的夾角及鉆孔的過煤長度為影響鉆孔抽采效果的主要因素，隨著鉆孔長度的增大，煤體與主應力的夾角及其暴露面積均會逐漸增大，此時鉆孔在徑向方向上受到的破壞程度會增高，進而使得鉆孔周圍煤體的卸壓程度會增大；當鉆孔的傾角在小于75°或者大于90°時，此時鉆孔在垂直傾向方向上的卸壓區(qū)域會相對小于鉆孔在平行傾斜方向上的卸壓區(qū)域，另外鉆孔在小于60°時，在X方向上的抽采達標半徑較大，基于此分析確定確定穿層鉆孔的傾角合理范圍為15°～50°或120°～160°，具體鉆孔傾角在30°及60°時殘余瓦斯壓力分布的云圖如圖2所示。

圖2 鉆孔傾角30°和60°下鉆孔周圍殘余瓦斯分布云圖

為研究割縫鉆孔與普通鉆孔之間的差異，在普通鉆孔的基礎上，設置割縫槽的高度為0.25m，半徑為1m，并具體對比鉆孔傾角在 15°、60°、90°及120°下兩種鉆孔的瓦斯抽采半徑的達標區(qū)域，具體兩種抽采鉆孔抽采半徑達標區(qū)域的對比曲線圖如圖3所示。

圖3 普通鉆孔與割縫鉆孔達標區(qū)域對比曲線圖

通過具體分析圖3可知，普通鉆孔與割縫鉆孔在抽采的影響半徑之間的變化曲線存在著一定的差異，隨著鉆孔傾角的增大，普通鉆孔的抽采達標范圍出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且普通鉆孔最小和最大的抽采達標區(qū)域分別為0.8m和2.5m，而割縫孔的抽采達標范圍會隨著鉆孔傾角的增大出現(xiàn)先增大后減小的趨勢，且割縫孔的達標范圍最小及最大分別為4.8m和5.25m，另外能夠看出鉆孔傾角在15°～120°變化時，普通鉆孔及割縫鉆孔抽采影響半徑的變化幅度分別為233.3%和12.5%；基于上述分析可知割縫鉆孔能夠有效的提升鉆孔抽采的達標區(qū)域，且有效降低鉆孔受到傾角變化的影響[1-2]，割縫鉆孔的角度變化即是通過鉆孔中圓盤角度的變化，且鉆孔的瓦斯抽采效果會隨著主應力方向與圓盤方向夾角的減小而逐漸得到提升。

3 瓦斯抽采方案及效果分析

3.1 抽采方案設計

根據W2303工作面的瓦斯賦存情況及地質條件，基于上述數值模擬結果能夠得割縫鉆孔和普通鉆孔的最大有效抽采半徑分別為4.5m和2.5m，根據模擬結果，確定鉆孔傾角盡量在15°～50°或120°～160°的范圍，抽采作業(yè)時先打設普通鉆孔進行一個月的抽采作業(yè)，隨后再進行割縫鉆孔的施工。

具體穿層鉆孔的抽采方案為：

1）穿層鉆孔分為三次進行遞進施工，12個鉆孔為1組，各組鉆孔之間的間距為6m，其中3#、7#和10#瓦斯抽采鉆孔未割縫鉆孔，其余鉆孔均為普通鉆孔，具體普通鉆孔及割縫鉆孔的各項參數見表1。

2）在進行抽采作業(yè)時，先進行普通鉆孔的施工作業(yè)，其中普通鉆孔11#和12#鉆孔會有效隔斷下幫的瓦斯向巷道內聚集，1#和2#鉆孔能夠有效的隔斷上幫瓦斯向巷道內聚集，其余的不同鉆孔的瓦斯抽采作業(yè)，能夠有效的降低煤層的瓦斯壓力及含量，進而能有效的防止水力割縫鉆孔在施工過程中出現(xiàn)噴孔現(xiàn)象；

3）普通鉆孔進行一個月的抽采作業(yè)完成后，進行水力割縫3#、7#和10#鉆孔的施工作業(yè)，鉆孔施工完畢后再進行割縫鉆孔的瓦斯抽采作業(yè)[3-4]。

圖4 W23032瓦斯抽放措施巷瓦斯抽采鉆孔布置示意圖

W23032瓦斯抽放措施巷內鉆孔布置的平面投影圖及開孔位置的展開圖如圖4所示。

表1 普通鉆孔與割縫鉆孔各項參數表

3.2 抽采效果分析

1）割縫鉆孔抽采效果。為有效驗證割縫鉆孔的瓦斯抽采效果，通過對割縫區(qū)域鉆孔瓦斯抽采期間進行監(jiān)測，分別對割縫前后鉆孔內的瓦斯?jié)舛茸兓闆r進行分析，具體如圖5所示。

圖5 鉆孔割縫區(qū)域鉆孔濃度的變化曲線圖

通過具體分析圖5可知，在進行水力割縫作業(yè)后，在割縫鉆孔的周圍煤層的卸壓透氣性出現(xiàn)明顯增大，煤體內部瓦斯涌出的通道在逐漸增大，其中對于處于割縫鉆孔周圍的62%的鉆孔內部的瓦斯?jié)舛瘸霈F(xiàn)明顯的增大趨勢，在割縫作業(yè)完成2周和3周時，分別有67%和50%普通鉆孔的瓦斯?jié)舛雀哂诟羁p前，在割縫作業(yè)完成6周后，此時一半鉆孔內的瓦斯?jié)舛忍幱诟羁p前的80%以上，在水力割縫作業(yè)完成后15周內，綜合分析可知鉆孔內瓦斯?jié)舛葹楦羁p前濃度60%以上的比例占到60%，據此可知水力割縫作業(yè)對穿層鉆孔提高瓦斯抽采量及提高抽采效率效果顯著。

2）掘進頭瓦斯涌出量分析。在W2303工作面的進風巷掘進期間，為了驗證底板穿層鉆孔的瓦斯抽采效果，通過對巷道掘進頭及巷道外口位置處的瓦斯涌出量進行有效監(jiān)測，能夠得出W2303工作面進風巷在掘進期間掘進頭的瓦斯涌出量及巷道瓦外口的日瓦斯涌出量如圖6所示。

圖6 進風巷掘進頭及外口日瓦斯涌出量分布圖

通過具體分析可知圖6可知，在W2303工作面進風巷的掘進期間，通過對比圖6(a)與(b)能夠看出，其掘進期間的瓦斯涌出量與未掘進之前的變化量相對較小，巷道外口的瓦斯涌出量隨著掘進作業(yè)的進行逐漸增大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因為掘進作業(yè)后新暴露煤壁瓦斯的涌出量會導致巷道外口的瓦斯涌出量增大，且在巷道掘進作業(yè)時20～30d時掘進作業(yè)因某些原因停工，此時W2303工作面進行巷的瓦斯含量出現(xiàn)減小的趨勢，基于此可知，在進風巷掘進期間巷道的瓦斯涌出量較小；基于上述分析可知進風巷在掘進期間瓦斯涌出量相對較小，且瓦斯涌出量始終保持在700m3/d，基于此可知W2303工作面底板巷穿層鉆孔瓦斯抽采技術的效果較為顯著。

4 結 論

通過分析W2303工作面的瓦斯賦存及地質條件，確定采用底抽鉆孔的方式保障工作面掘進作業(yè)的順利進行，根據數值模擬結果可知，穿層鉆孔的傾角合理范圍為15～50°或120°～160°，割縫鉆孔對瓦斯抽采效果的影響效果顯著，結合工作面具體情況對瓦斯抽采方案進行具體設計，基于瓦斯抽采監(jiān)測數據得出水力割縫作業(yè)有效的提高了穿層鉆孔的瓦斯抽采量和抽采效率，巷道掘進期間瓦斯涌出量始終保持在700m3/d，保障了巷道掘進作業(yè)的安全。