祥升煤業15506 工作面順層長鉆孔抽采技術研究與應用

趙賢月

（山西壽陽潞陽祥升煤業有限責任公司, 山西 壽陽 045400）

1 工程概況

潞陽祥升煤業15506 工作面井下位于五采區東翼，工作面西部為工業廣場保護煤柱，東部為礦界保護煤柱，南部為河底村村莊保護煤柱，北部為15505工作面，工作面走向長695 m，切眼斜長187 m，開采15 號下煤層，煤層平均厚度4.3 m，平均傾角為3°，煤層頂板巖層為泥巖和粉砂巖，底板巖層為砂質泥巖和泥巖，工作面采用綜放開采，采高為3 m，放煤步距為0.8 m。

根據礦井地質資料可知，15506 工作面回采前實測瓦斯含量為3.501 3 m3/t，可解析瓦斯含量為2.044 8 m3/t；煤塵具有爆炸危險性，煤層自燃等級為Ⅲ級，屬不易自燃煤層。工作面采用“一進一回”的通風系統，工作面回采的瓦斯治理采用本煤層采前預抽+邊采邊抽+抽采巷封閉抽采相結合的抽采方案。為保障本煤層鉆孔采前預抽效果，特進行抽采參數和抽采方案的分析研究。

2 抽采鉆孔參數模擬分析

順層長鉆孔在對本煤層進行抽采作業時，瓦斯在抽采鉆孔中為徑向流動，現為有效分析本煤層抽采作業時，抽采負壓、鉆孔直徑和抽放時間對抽采效果的影響程度，采用Fluent 數值模擬軟件建立瓦斯抽采模型，根據祥升煤業15506 工作面的具體地質條件，建立長×寬×高= 200 m×30 m×10 m，設置模型中鉆孔長度為200 m，鉆孔直徑為90 mm，模型中將抽采鉆孔布置在模型的中央位置，設置鉆孔的封孔長度為5 m，模型在進行網格劃分時，對瓦斯抽采鉆孔區域進行加密處理[1-2]，具體數值模型如圖（1a），模型參數設置完畢后，進行抽采鉆孔的開挖，在鉆孔開挖完成后通過計算得出鉆孔周邊瓦斯壓力分布云圖如圖1（b）。

圖1 數值模型及抽采鉆孔周邊瓦斯壓力分布云圖

本次數值模擬主要分析抽采負壓、鉆孔直徑和抽放時間對抽采效果的影響程度，模擬時采用單因素分析法，即保持其他影響因素相同，只改變研究因素，根據相關研究成果及工程實踐結果[3-4]，對比分析抽采負壓為-15、-30、-45 kPa 時瓦斯抽采效果，抽采鉆孔直徑為90、110、130 mm 時抽采效果，抽采時間為5、15、30 d 時瓦斯抽采效果。

1）抽采負壓：采用Fluent 數值模擬軟件進行抽采負壓影響效果的模擬分析時，設置煤層的滲透率為1.7×10-4m2/MPa·d，設置煤層中的瓦斯壓力為0.98 MPa，模型中瓦斯抽采鉆孔的直徑為90 mm，長度為200 m，基于數值模擬結果能夠得出抽采鉆孔在不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量如圖2 所示。

圖2 不同抽放負壓下鉆孔瓦斯抽采流量曲線圖

分析圖2 可知，瓦斯抽采鉆孔的抽放負壓整體對抽采鉆孔抽放半徑的影響較小，但在鉆孔抽采的初期，抽放負壓對抽采流量具有較大的影響，隨著抽采時間的增長，抽采流量會逐漸趨于穩定。據此可知，在瓦斯抽采初期，可通過提高抽采負壓來增大瓦斯抽放量，但考慮到抽采管路的氣密性和設備功率的問題，抽采中后期通過提高負壓對提升抽采流量的效果較差，結合目前眾多相關理論研究結論和工程實踐結果[5-6]，確定合理的抽放負壓在-15～-30 kPa。

2）鉆孔直徑：在分析瓦斯抽采鉆孔對瓦斯抽采流量的影響時，設置煤層的滲透率為1.7×10-4m2/MPa·d，設置煤層中的瓦斯壓力為0.98 MPa，模型中抽采負壓設置為-30 kPa，根據數值模擬結果能夠得出不同抽采鉆孔直徑下瓦斯流量曲線如圖3所示。

分析圖3 可知，當瓦斯抽采鉆孔直徑為90 mm時，百米鉆孔的最大瓦斯抽采量為0.083 m3/min；抽采鉆孔直徑為110 mm 時，百米鉆孔的最大瓦斯抽采量為0.098 m3/min；抽采鉆孔直徑為130 mm 時，百米鉆孔的最大瓦斯抽采量為0.12 m3/min；基于此數據可知，鉆孔瓦斯抽采量隨著鉆孔直徑的增大而不斷增大，即表明在現場施工條件許可時，可盡量增大抽采直徑，以提高瓦斯抽采效果。

圖3 不同抽采直徑下鉆孔抽采瓦斯流量曲線圖

3）抽放時間：采用數值模擬進行抽放時間對瓦斯抽采效果的分析時，設置煤層的滲透率為1.7×10-4m2/MPa·d，設置煤層中的瓦斯壓力為0.98 MPa，模型中抽采負壓設置為-30 kPa，鉆孔直徑90 mm，鉆孔長度為200 m，根據數值模擬結果能夠得出不同抽采鉆孔直徑下瓦斯流量曲線如圖4 所示。

圖4 不同抽放時間鉆孔抽放半徑及抽放流量曲線圖

分析圖4 可知，鉆孔瓦斯抽采效果對鉆孔抽放半徑及抽放流量的影響較大，當鉆孔的抽放時間由5 d 增大為30 d 時，此時鉆孔抽放半徑由原來的0.8 m 增大為2.5 m，但鉆孔抽采的瓦斯流量卻隨著抽采時間的增大而逐漸減小，瓦斯抽采流量由初期的0.96 m3/min 降低至0.39 m3/min，且進一步隨著抽采時間的增長，鉆孔抽采流量逐漸趨于一個穩定值。

綜合上述分析可知，本煤層鉆孔抽采時，抽采負壓對抽放具有較大的影響，而對抽采流量的影響程度不大，抽采鉆孔的直徑和抽采時間對本煤層鉆孔的抽放半徑和抽放量具有較大的影響。

3 順層長鉆孔抽采方案及效果

3.1 抽采方案

根據15506 工作面的瓦斯賦存特征，結合上述抽采鉆孔參數模擬分析結果，確定采用大直徑長鉆孔進行本煤層瓦斯預抽，15506 工作面采用長鉆孔遞進式抽采，從工作面內已掘的回采巷道內通過大功率鉆機向工作面內施工本煤層順層長鉆孔，長鉆孔覆蓋工作面及下一個未掘巷道輪廓線的15 m 范圍，通過預抽作業實現本煤層瓦斯抽采達標和下一個回采順槽消突的目的。本煤層鉆孔布置方式如下：

1）抽采鉆孔布置位置：本煤層大直徑順層長鉆孔布置在15506 工作面停采線以里，鉆孔采用EH260 型鉆機進行打設，抽采鉆孔在工作面單側布孔，鉆孔深度施工至待掘順槽區域，15506 回風順槽西幫15 m 以外，抽采鉆孔深度最大不超過300 m。

2）鉆孔參數：瓦斯抽采鉆孔直徑為127 mm，鉆孔間距為2 m，具體工作面瓦斯抽采鉆孔布置見圖5，設置抽采鉆孔的封孔深度為17 m，工作面的封孔長度為8 m，封孔段為9～17 m，封孔作業時的封孔注漿壓力為2.0～2.5 MPa，具體工作面內瓦斯抽采鉆孔的鉆孔深度和下篩管的長度數據見圖6。

圖5 15506 工作面順層長鉆孔布置位置示意圖

圖6 工作面內抽采鉆孔深度及下篩管長度曲線圖

3）抽采參數：順層長鉆孔抽采時，抽采負壓設置為-30 kPa，抽采時間最少為25 d，瓦斯抽采作業時，設置10 個抽采鉆孔為一組，通過高壓管實現聯接，通過單孔安裝觀測嘴和球閥進行鉆孔抽采濃度和抽采負壓的測定，每100 m 為一個抽采評價單元。

3.2 效果分析

15506 工作面采用順層長鉆孔進行瓦斯抽采期間，通過抽采鉆孔上的監測設施進行長鉆孔瓦斯抽采數據的統計分析，具體抽采情況數據見表1。

表1 本煤層瓦斯抽采統計表

分析表1 可知，15506 工作面采用順層長鉆孔進行抽采作業時，瓦斯抽采濃度在67.9～80.1 的范圍內，抽采純量在5.4～5.8 m3/min 的范圍內，平均單孔日抽采瓦斯量為219.3 m3；另外通過效果檢驗可知，工作面大直徑長鉆孔預抽區域，抽采方案實施后，煤層內的瓦斯含量降幅達34.28 %，這即表明大直徑長鉆孔瓦斯抽采效果顯著。

4 結 論

根據15506 工作面的地質及瓦斯賦存特征，通過抽采鉆孔參數模擬分析確定抽采效果與抽采負壓、抽采時間和鉆孔直徑間的關系，基于模擬分析結果進行順層長鉆孔抽采方案的設計，并在抽采方案實施后進行效果分析，基于本煤層瓦斯抽采評價結果可知，大直徑長鉆孔預抽煤層瓦斯效果顯著，有效降低了煤層瓦斯含量。