杜家溝礦20101 工作面底抽巷瓦斯抽采技術(shù)研究

趙紅敏

（霍州煤電集團(tuán)河津杜家溝煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州 031400）

在礦井采掘過程中，瓦斯問題一直是制約著煤礦安全生產(chǎn)的主要難題，對于厚煤層高瓦斯巷道來說，瓦斯超限問題尤為突出，其治理難度也十分復(fù)雜。近些年來，隨著礦井采掘深度和開采規(guī)模的不斷增加，淺埋煤層已逐步開采完畢，礦井開采的重點(diǎn)逐步向著大縱深方向發(fā)展，使得瓦斯含量及瓦斯的壓力不斷加大，所以對厚煤層瓦斯進(jìn)行抽排對于礦井安全開采十分重要。

此前，徐星華[1]利用分源預(yù)測法對瓦斯來源進(jìn)行預(yù)測，通過FLEUNT 軟件對瓦斯的分布及擴(kuò)散規(guī)律進(jìn)行研究，提出利用專用巷道密閉大流量的治理方法，有效消除了放煤后溜通道的瓦斯超限問題。張東旭[2]針對高瓦斯煤巷掘進(jìn)過程中的瓦斯超限難題，采取了“雙掛耳”式鉆場，并對巷道鉆孔進(jìn)行邊鉆邊采，有效提高了瓦斯的抽采效率，實(shí)現(xiàn)了巷道高效掘進(jìn)。本文以杜家溝礦20101 工作面為研究背景，利用數(shù)值模擬對底抽巷抽采效果進(jìn)行研究分析，并給出最佳布置方案，為厚煤層礦井瓦斯抽采提供依據(jù)[3]。

1 礦井概況及數(shù)值模擬研究

杜家溝礦井田位于河津市清澗街道辦杜家溝村西北約3 km 處，礦區(qū)總面積23.7 km2，年生產(chǎn)能力60 萬t。20101 工作面現(xiàn)開采的2 號煤層屬于單一低滲透性煤層，開采煤層厚度3.7 m，煤層具有瓦斯吸附性強(qiáng)、衰退快、抽放難的特點(diǎn)。其中20101 工作面煤層瓦斯含量約為11 m3/t，巷道瓦斯壓力為0.9 MPa，在巷道進(jìn)行開挖前需要將巷道內(nèi)瓦斯含量降低至8 m3/t。20101 工作面的右側(cè)為采空區(qū)，左側(cè)為北風(fēng)井東翼回風(fēng)巷，工作面的頂板由泥巖和粉砂巖組成。目前瓦斯?jié)舛劝凑掌浞植记闆r可分為涌出帶、過渡帶及滯留帶，其中涌出帶位于工作面切眼20 m 范圍內(nèi)，此時(shí)的瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）大致在10%以下，在此區(qū)段內(nèi)瓦斯運(yùn)動(dòng)速度較快，且多為層流；過渡帶在開切眼20～50 m 的范圍內(nèi)，此時(shí)瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）大致分布在10%～20%，在此區(qū)段內(nèi)瓦斯多呈紊亂交錯(cuò)狀態(tài)；滯留帶位于距離開切眼50 m 以上處，此時(shí)的瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）分布在20%～30%之間，在此階段內(nèi)瓦斯流動(dòng)速度較低[4-5]。

底抽巷瓦斯抽采的原理：在底抽巷內(nèi)部施工穿層鉆孔，將鉆孔打入煤層內(nèi)部，對煤體進(jìn)行卸壓，此時(shí)由于鉆孔的存在，使得鉆孔周邊的圍巖應(yīng)力出現(xiàn)重新分布，鉆孔使得煤巖內(nèi)部原生裂縫及人工裂縫增多，瓦斯通過裂縫沿著鉆孔排出，以此達(dá)到瓦斯抽采消突的目的[6-7]。底板抽采預(yù)抽瓦斯示意圖如1 所示。

圖1 底板抽采預(yù)抽瓦斯示意圖

在進(jìn)行底抽巷位置選定時(shí)，因受較多因素影響，本文對不同垂距及不同巖性下底抽巷抽采方案進(jìn)行對比分析。方案1 垂距12 m，布置于粉砂巖中；方案2 垂距15 m，布置于粉砂巖中；方案3 垂距20 m，布置于粉砂巖中。對三種方案進(jìn)行分析，首先建立模型，結(jié)合20101 工作面的實(shí)際情況，建立長方體模型，模型的長×寬×高為100 m×100 m×20 m，完成模型建立后，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)情況對模型的力學(xué)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，設(shè)定完成后對網(wǎng)格進(jìn)行劃分，網(wǎng)格劃分后共有88 520 個(gè)單元格，完成劃分后對模型的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，固定模型四周的位移，同時(shí)對模型上端部施加覆巖自重13 MPa，模型選用摩爾庫倫模型,其為本構(gòu)模型，完成模型設(shè)定后對模型進(jìn)行模擬計(jì)算[8]。不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力云圖如2 所示。

從圖2 可以看出，在回采及地應(yīng)力的作用下，底抽巷的兩幫位置出現(xiàn)一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，且隨著垂距的增加，巷道圍巖的垂直應(yīng)力值呈現(xiàn)增大的趨勢。當(dāng)垂距為12 m 時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值為20.48 MPa；當(dāng)垂距為15 m 時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力最大值為22.11 MPa，此時(shí)較垂距12 m 應(yīng)力值增加了1.63 MPa；當(dāng)垂距為20 m 時(shí)，此時(shí)的巷道垂直應(yīng)力最大值為26.27 MPa，此時(shí)較垂距15 m 應(yīng)力值增加了5.79 MPa。同時(shí)隨著垂距的增大，巷道兩幫的應(yīng)力集中范圍有一定的減小，所以底抽巷距離煤層越近，受到掘進(jìn)的影響越大。根據(jù)對比分析，最終選定底抽巷的布置位置為垂距12 m，并布置于粉砂巖之中，此時(shí)的巷道施工成本最低且巷道的圍巖應(yīng)力良好，有利于煤層瓦斯的抽排[9]。

圖2 不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力（Pa）云圖

對底抽巷鉆孔影響直徑進(jìn)行分析，選定抽采負(fù)壓為15 kPa，抽采的直徑為94 mm，抽采天數(shù)分別選擇30 d、60 d、90 d、120 d、150 d，抽采有效半徑隨瓦斯抽采時(shí)間變化曲線如圖3-1 所示，在一定抽采天數(shù)下不同負(fù)壓抽采有效半徑變化曲線如圖3-2 所示。

圖3 抽采參數(shù)對有效抽采半徑的影響

從圖3 可以看出，當(dāng)鉆孔直徑和抽采負(fù)壓一定時(shí)，此時(shí)隨著抽采時(shí)間的增加，底抽巷鉆孔抽采有效半徑呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，當(dāng)抽采時(shí)間為30 d 時(shí)，此時(shí)的鉆孔有效抽采半徑為0.97 m，當(dāng)抽采天數(shù)增大至60 d 時(shí)，此時(shí)鉆孔有效抽采半徑為1.23 m，當(dāng)抽采天數(shù)增大至150 d 時(shí)，此時(shí)的巷道抽采有效半徑為4 m。同時(shí)對比不同抽采負(fù)壓下的鉆孔抽采有效半徑發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)壓的增大，抽采有效半徑變化近似于平直線，所以負(fù)壓對鉆孔抽采有效半徑的影響較小。因此，在進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐時(shí)可以充分利用模擬結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)[10]。

2 現(xiàn)場實(shí)踐研究

根據(jù)模擬研究進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)踐，選定杜家溝礦20101 工作面的回風(fēng)順槽進(jìn)行驗(yàn)證研究，底抽巷布置按照模擬選定的方案進(jìn)行設(shè)置，在底抽巷進(jìn)行鉆孔，鉆孔直徑選定為94 mm，抽采的負(fù)壓選定為15 kPa，分別設(shè)定11 個(gè)鉆孔對第5 至11 個(gè)鉆孔進(jìn)行水力沖孔，完成沖孔后進(jìn)行瓦斯抽采，瓦斯抽采曲線如圖4 所示。

圖4 瓦斯抽采曲線

從圖4 可以看出，經(jīng)過水力沖孔后瓦斯抽采的濃度及瓦斯純量均有了明顯的增加，前四個(gè)鉆孔抽采的瓦斯?jié)舛龋w積分?jǐn)?shù)）均值為44.8%，抽采的純流均值為0.18 m3/min，而經(jīng)過沖孔后瓦斯抽采的濃度均值為75%以上，瓦斯抽采的純流均值為0.33 m3/min，由此得出經(jīng)過沖孔后鉆孔瓦斯抽采濃度較未經(jīng)水力沖孔提升了30%，而抽采純量同樣提升了15 m3/min，所以底抽巷水力沖孔效果明顯，抽采效果極佳。

3 結(jié)論

1）通過數(shù)值模擬對不同底抽巷布置方案下巷道應(yīng)力云圖進(jìn)行分析，確定了當(dāng)垂距為12 m、底抽巷布置于粉砂巖中時(shí)，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值最小，此時(shí)的垂直應(yīng)力最大值為20.48 MPa。

2）利用數(shù)值模擬軟件，分析抽采參數(shù)對有效抽采半徑的影響，發(fā)現(xiàn)隨著抽采時(shí)間的增加，底抽巷鉆孔抽采有效半徑呈現(xiàn)逐步增大的趨勢，而隨著抽采負(fù)壓的增大，鉆孔抽采有效半徑幾乎不變。

3）利用模擬計(jì)算結(jié)果對杜家溝礦20101 工作面進(jìn)行底抽巷布置，并對鉆孔沖孔前后瓦斯抽采曲線進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，底抽巷鉆孔經(jīng)過水力沖孔后抽采效率有了明顯的提升，抽采效果極佳。