望云煤礦15103 工作面高位鉆孔瓦斯抽采技術研究與應用

郝 煜 彪

（山西蘭花科技創業股份有限公司望云煤礦分公司，山西 晉城048400）

1 工程概況

山西蘭花煤炭實業有限公司望云煤礦主要開采3#、9#和15#煤層，15103 工作面開采15#煤層，煤層平均厚度為4.86m，平均含有2 層夾矸，夾矸層厚度為0.2m，煤層頂板巖層為石灰巖，底板巖層為砂質泥巖和黑色泥巖。根據礦井地質資料可知，15#煤層綜采工作面的絕對瓦斯涌出量為5.88m3/min，故回采15#煤層時礦井屬于高瓦斯礦井，另外煤層的透氣性系數為0.052m2/（MPa2·d），鉆孔瓦斯衰減系數為0.1101d-1，據此得出15#煤層屬于較難抽采煤層。

根據15103 工作面的各項地質資料，進行瓦斯涌出量的預測分析，得出工作面回采期間采空區的瓦斯涌出量為8.16m3/min，占到工作面瓦斯涌出量的43%，這會致使工作面回采期間上隅角瓦斯含量易超限，故需對采空區瓦斯進行有效治理，現采用通過分析采空區瓦斯運移規律，通過設置高位鉆孔有效治理采空區的瓦斯。

2 采空區瓦斯運移規律分析

現為分析15103 工作面采空區瓦斯運移規律，根據工作面地質資料，采用Fluent 數值模擬軟件，建立采空區走向和傾斜長度分別為185m 和150m，設置模型中的垮落帶和裂隙帶的總體高度為45m，采空區選用多孔介質模型，并假設采空區內的氣體不可壓縮氣體，設置氣體的流動方式為穩態流動和等溫的過程[1-3]，具體數值模擬模型示意圖如圖1 所示。

圖1 數值模擬模型示意圖

根據上述建立的采空區模型，現具體分析采空區在未進行抽采時采空區的瓦斯分布規律和采用高位鉆孔（垂直高度32～65m）進行瓦斯抽采后的瓦斯分布規律。

1）未抽采時采空區瓦斯分布規律：根據數值模擬結果得出采空區未采取抽采措施時，此時采空區內的瓦斯濃度分布規律如圖2 所示。

圖2 采空區未進行抽采時瓦斯濃度分布規律

分析圖2 可知，隨著工作面回采作業的進行，工作面煤壁的瓦斯一部分隨著風流流入回風巷內，另一部分瓦斯由于采空區漏風現象的存在，使得瓦斯向著采空區的深部運移，由于采空區的漏風現象是由進風側向回風側流動，進而致使采空區內的瓦斯也隨著風流逐漸向回風側移動，進而致使采空區回風側的瓦斯濃度較高，尤其在回采工作面上隅角區域，瓦斯濃度較高，形成了瓦斯聚集區域，而在采空區進風側瓦斯濃度相對較低；另外采空區的瓦斯濃度在工作面回采方向上呈現出倒臺階增大的現象，但其瓦斯降低現象不太明顯。

2）高位鉆孔抽采后采空區瓦斯分布規律：根據數值模擬結果能夠得出高位鉆孔抽采不同天數下采空區瓦斯分布規律，具體對高位鉆孔抽采15d、25d和75d 時采空區瓦斯分布規律進行出圖，具體如圖3 所示。

分析圖3 可知，當高位鉆孔抽采至15d 時，此時采空區內的高瓦斯區域相較于未進行抽采作業時，其范圍大幅減小，其中在靠近工作面附近的區域其瓦斯濃度出現明顯降低的現象，此時高瓦斯區域占到采空區范圍的2/3；當高位鉆孔抽采至25d 時，此時高瓦斯分布區域進一步降低，此時高瓦斯區域占到采空區的1/3，工作面上隅角的瓦斯濃度降低至小于1%，滿足礦井安全生產的要求；當高位鉆孔抽采至75d 時，此時采空區內高瓦斯區域僅在深部位置處存在，且工作面上隅角的瓦斯含量處于小于0.8%的狀態。基于上述分析可知，15103 工作面采用高位鉆孔進行瓦斯抽采后，采空區內的瓦斯含量呈現出逐漸降低的現象，高位鉆孔抽采后工作面上隅角的瓦斯含量能夠保障工作面的安全回采，故基于此可知，高位鉆孔能夠有效解決工作面回采期間瓦斯易超限的問題。

圖3 高位鉆孔不同抽采天數下采空區瓦斯分布云圖

3 高位鉆孔抽采方案

3.1 抽采方案設計

根據15103 工作面的具體地質條件，結合上述數值模擬結果，將高位鉆孔布置在工作面回風順槽內，具體高位鉆孔的各項參數如下：

1）鉆孔水平距離：高位鉆孔與回風順槽之間的距離，可通過下式確定[4-5]：

式中:L 為高位鉆孔距回風巷的水平投影距離，m；α 為頂板巖層的泄壓角，取61°；H 為高位鉆孔距煤層的垂直高度，m；根據15103 工作面的地質條件可知，工作面上覆巖層裂隙帶的發育高度為32.8～65m，為確保高位鉆孔的抽采效果，需將鉆孔的終孔位置布置于裂隙帶內，故根據式（1）能夠計算得出L 的取值范圍為18.22～36.67m，最終確定高位鉆孔與回風順槽之間的水力內錯距應大于27.45m。

2）鉆孔間距：根據礦井地質資料可知，15#煤層的瓦斯有效抽采半徑為2m，本次高位鉆孔的孔徑為94m，相較于普通鉆孔而言，其孔徑較大[6]，故綜合確定本次高位鉆孔的孔間距為5m。

3）開孔位置：本次高位鉆孔布置在工作面回風順槽內，設置鉆場排距為30m，每個鉆場內布置7 個高位鉆孔，具體鉆場內部各個鉆孔的開孔參數如表1所示。

表1 高位鉆孔開孔參數表

4）封孔工藝：本次高位鉆孔采用囊袋式帶壓注漿封孔工藝，設置封孔長度為8m，封孔作業的具體步驟如下：第一步先下放抽采管路與封孔裝置；第二步進行注漿，漿液采用普通硅酸鹽加水泥，膨脹劑：水泥比例為1:7.6；并按照水灰比為1:1.5 的比例進行攪拌，最終通過注漿泵將漿液注入到鉆孔封孔端，形成8m 的封孔深度；第三步為注漿結束后，待漿液凝固24h 后，即可連接抽采管路進行抽采作業，具體抽采鉆孔的封孔結構如圖4 所示。

圖4 高位鉆孔封孔結構示意圖

具體15103 工作面高位鉆孔布置形式如圖5 所示。

圖5 15103 工作面高位鉆孔布置形式示意圖

3.2 效果分析

15103 工作面高位鉆孔抽采期間，為驗證瓦斯抽采效果，在15103 工作面回采期間，在未進行高位鉆孔抽采前和進行高位鉆孔瓦斯抽采后分別對工作面回風巷和上隅角的瓦斯濃度進行長期監測，根據監測結果能夠得出如圖6 所示曲線。

圖6 回采期間回風巷及上隅角瓦斯濃度曲線圖

分析圖6 可知，在工作面未采用高位鉆孔進行瓦斯抽采期間，上隅角和回風巷內最大的瓦斯濃度分別為1.4%和1.0%，工作面回采期間長出現瓦斯超限的現象；當工作面采用高位鉆孔抽采后，工作面回采期間上隅角的瓦斯濃度基本穩定在0.2～0.68%的范圍內，回風巷內的瓦斯濃度基本穩定在0.25～0.8%的范圍內，無瓦斯超限現象出現。據此分析可知，高位鉆孔有效解決了工作面上隅角瓦斯易超限的問題，確保了工作面的安全回采。

4 結 論

根據15103 工作面的地質條件，通過數值模擬軟件分析了采空區未采用抽采和采用高位鉆孔抽采措施后的瓦斯分布規律圖，得出工作面采用高位鉆孔進行瓦斯抽采后，采空區內的瓦斯含量呈現出逐漸降低的現象，上隅角瓦斯大幅降低；結合數值模擬結果，具體進行工作面高位鉆孔參數的設計，通過高位鉆孔抽采前后工作面區域瓦斯濃度的監測結果得出，高位鉆孔解決了上隅角瓦斯易超限的問題，確保了工作面的安全回采。