頂板走向長鉆孔瓦斯抽采效果的數(shù)值模擬分析

柴少楠

（晉能控股煤業(yè)集團大西煤礦，山西 陽城 048105）

瓦斯是煤礦安全生產(chǎn)的重要威脅源，在實際生產(chǎn)針對工作面瓦斯超限的問題可采用礦井通風和瓦斯抽采的方式進行解決。從實踐表明，在開采初期采用瓦斯抽采方式解決瓦斯超限問題的效果遠不如在開采中采用瓦斯抽采。近年來，隨著鉆孔設(shè)備的不斷改進及其相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的支撐，在頂板走向采用長鉆孔的方式得到廣泛應(yīng)用[1]。該方式與傳統(tǒng)的高抽巷抽采瓦斯具有成本低、施工周期短以及支護簡單的優(yōu)勢。本文重點開展頂板走向長鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的工程應(yīng)用。

1 工程概況

為提升頂板長走向鉆孔瓦斯抽采技術(shù)的應(yīng)用效果，重點對所應(yīng)用的工作面的基本情況及瓦斯的涌出及運移規(guī)律進行研究。

1.1 工作面概況

以山西焦煤下屬的一座煤礦為例開展研究，該煤礦預(yù)計煤炭儲量可達2 億t。目前，該工作面由三個煤層同時開采。在2017 年對該煤礦的瓦斯等級進行了重新的鑒定，經(jīng)探測可知該煤礦瓦斯的相對涌出量為21.67 m3/t，瓦斯的絕對涌出量為55.10 m3/min。

具體以該煤礦的9 號綜采工作面為開展研究。9號綜采工作面煤層的厚度范圍為1.3～1.8 m，煤層平均厚度為1.5 m；工作面煤層的平均傾角為6°，煤層傾角范圍為2°-12°。9 號綜采工作面的走向長度約為1.2 km，其中傾斜工作面的長度約160 m。9號綜采工作面的頂?shù)装迩闆r如表1 所示。

表1 9 號綜采工作面頂?shù)装迩闆r

目前，9 號綜采工作面所采用的通風方式為U型通風，其中，進風巷為材料巷，回風巷為運輸巷。經(jīng)測量，材料進風巷的風量約為1 190 m3/min，運輸回風巷的風量約為11 560 m3/min。

1.2 工作面瓦斯涌出及運移規(guī)律分析

從理論上講，綜采工作面瓦斯的涌出量包括有鄰近層、采空區(qū)層以及所屬實際煤層。對于9 號綜采工作面而言，其工作面實際瓦斯涌出量僅包含本煤層和采空區(qū)所涌出的瓦斯量。經(jīng)測量，本煤層實際瓦斯涌出量為7.35 m3/min；采空區(qū)瓦斯涌出量為7.24 m3/min。即，9 號綜采工作面的瓦斯總涌出量為14.56 m3/min。因此，需重點對本煤層和采空區(qū)的瓦斯進行抽采。

由于瓦斯的密度僅為空氣的一半，采空區(qū)的瓦斯從巖層和煤層中析出后將會不斷上浮至工作面上方并產(chǎn)生積聚現(xiàn)象[2]。同時，采空區(qū)的瓦斯由高濃度區(qū)域擴散至低濃度區(qū)域，最終達到了整個區(qū)域瓦斯?jié)舛确€(wěn)定。

2 頂板走向長鉆孔瓦斯抽采的數(shù)值模擬研究

結(jié)合工作面瓦斯的運移規(guī)律可知，大部分瓦斯將會聚集在裂隙帶中。因此，為保證最終瓦斯的抽采效果主要對工作面裂隙帶的瓦斯進行抽采。此外，對于頂板走向長鉆孔瓦斯抽采工藝而言，頂板長鉆孔的終孔位置將直接決定瓦斯抽采的效果。綜合9 號綜采工作面的地質(zhì)條件和瓦斯分布情況，將頂板長鉆孔布置于裂隙帶偏下的位置為最佳。同時，初步確定頂板長鉆孔的高度位置應(yīng)為距離工作面底板8～30 m的范圍之內(nèi)；終鉆孔的位置應(yīng)距離回風巷水平距離6～55 m 的范圍之內(nèi)。為縮小上述最佳鉆孔的布置范圍，本節(jié)將采用數(shù)值模擬手段對參數(shù)進行優(yōu)化。

2.1 模型的搭建

基于ICEM 軟件對工作面的三維幾何模型進行搭建，并對所搭建的模型結(jié)合工作面的實際情況進行參數(shù)設(shè)置；根據(jù)工作面實際情況設(shè)定的邊界條件如下：

1）設(shè)定工作面進風巷的風速為2.6 m/s；

2）結(jié)合現(xiàn)場壓力的實測值，設(shè)定工作面回風巷的出口壓力為-165 Pa；

所搭建的數(shù)值模擬模型如圖2 所示：

圖2 綜采工作面瓦斯抽采數(shù)值模擬模型

2.2 頂板走向長鉆孔瓦斯抽采參數(shù)的優(yōu)化

頂板走向長鉆孔瓦斯抽采參數(shù)包括有鉆孔位置的確定（垂直和水平距離）以及抽采負壓，具體對上述三項參數(shù)進行優(yōu)化確定。

2.2.1 鉆孔垂直距離的優(yōu)化

在前期研究的基礎(chǔ)上，分別對鉆孔距離底板間距為9 m、12 m、15 m、18 m 以及21 m 的情況下工作面的瓦斯分布情況進行對比。其中，對應(yīng)的鉆孔抽采負壓為10 kPa，鉆孔距離回風巷的水平距離為8 m。經(jīng)數(shù)值模擬分析，得出鉆孔的不同垂直距離對應(yīng)的工作面瓦斯上隅角的瓦斯?jié)舛群屯咚钩椴杉兞咳绫? 所示。

表2 鉆孔不同垂直距離的數(shù)值模擬結(jié)果

如表2 所示，隨著鉆孔抽采垂直距離的增加，工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍黾樱煌瑫r，當鉆孔垂直距離為18 m 和21 m 時上隅角的瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)超過《煤炭安全規(guī)程》所規(guī)定的瓦斯安全閾值[3]。而且，當垂直距離為15 m 時對應(yīng)的瓦斯抽采純量最大，為5.78 m3/min。因此，綜上所述確定鉆孔距離底板的最佳參數(shù)為15 m。

2.2.2 鉆孔水平距離的優(yōu)化

在前期研究的基礎(chǔ)上，分別對鉆孔距離回風巷水平間距為6 m、8 m、10 m 以及12 m 的情況下工作面的瓦斯分布情況進行對比。其中，對應(yīng)的鉆孔抽采負壓為10 kPa，鉆孔距離底板的垂直距離為15 m。經(jīng)數(shù)值模擬分析，得出鉆孔的不同水平離對應(yīng)的工作面瓦斯上隅角的瓦斯?jié)舛群屯咚钩椴杉兞咳绫?所示。

表3 鉆孔不同水平距離的數(shù)值模擬結(jié)果

如表3 所示，隨著鉆孔抽采水平距離的增加，工作面上隅角瓦斯?jié)舛仍黾樱煌瑫r，當鉆孔水平距離為12 m 時上隅角的瓦斯?jié)舛纫呀?jīng)超過《煤炭安全規(guī)程》所規(guī)定的瓦斯安全閾值。而且，當水平距離為8 m 時對應(yīng)的瓦斯抽采純量最大，為5.79 m3/min。因此，綜上所述確定鉆孔距離回風巷的最佳參數(shù)為8 m。

2.2.3 抽采負壓參數(shù)的優(yōu)化

在前期研究的基礎(chǔ)上，分別對抽采負壓為7 kPa、10 kPa、13 kPa、16 kPa 以及19 kPa 的情況下工作面的瓦斯分布情況進行對比。其中，對應(yīng)的鉆孔的水平距離為8 m，鉆孔距離底板的垂直距離為15 m。經(jīng)數(shù)值模擬分析，得出鉆孔的不同水平離對應(yīng)的工作面瓦斯上隅角的瓦斯?jié)舛群屯咚钩椴杉兞咳绫? 所示。

表4 不同抽采負壓的數(shù)值模擬結(jié)果

如表4 所示，隨著抽采負壓的增加對應(yīng)的工作面上隅角瓦斯?jié)舛葴p小，瓦斯抽采純量增加。即，僅考慮抽采效果抽采負壓越高越好。但是，進一步分析表4 可知，當13 kPa 繼續(xù)增大時，瓦斯抽采純量增加不明顯；同時，抽采負壓越高與可能導(dǎo)致工作面漏風及安全性降低[4]。因此，綜合考慮最終確定瓦斯抽采負壓為13 kPa。

3 結(jié)語

瓦斯是影響工作面安全生產(chǎn)的主要威脅之一。本文針對瓦斯抽采技術(shù)中的頂板走向長鉆孔瓦斯抽采參數(shù)進行優(yōu)化，并分別得出9 號綜采工作面的最佳抽采參數(shù)，并總結(jié)如下：

1）9 號綜采工作面的瓦斯由本煤層和采空區(qū)所析出的瓦斯組成；

2）頂板走向長鉆孔瓦斯抽采鉆孔的垂直最佳距離為15 m，水平最佳距離為8 m，抽采負壓最佳為13 kPa。