大直徑鉆孔代替上隅角懸管抽采應用效果分析

郝俊忠

（西山煤電集團有限責任公司， 山西 太原 030053）

引言

在煤層開采過程中，由于工程擾動，使得工作面極易出現礦井災害，所以如何解決限制礦井開采的難題成為了學者重要的研究課題。瓦斯災害作為礦井常見問題一直困擾著礦井的正常開采，瓦斯問題一旦出現將會造成極為嚴重的安全事故，所以及時將瓦斯進行抽采關系著礦井的安全生產。采空區的瓦斯是回采工作面瓦斯的重要組成部分，上隅角的瓦斯治理是礦井生產的重中之重[1-2]，目前我國對采空區上隅角瓦斯治理的技術主要有高位鉆孔抽采、埋管抽采等，上述方法雖然能夠一定程度上解決瓦斯問題，但均存在一定的局限性[3-4]，所以本文提出大直徑鉆孔瓦斯抽采技術，以孔代巷對采空區上隅角瓦斯進行抽采，有效降低了工作面上隅角瓦斯濃度，為礦井安全生產提供一定的借鑒。

1 數值模擬研究

某礦井田南北長6.3 km，東西長1.79 km，井田面積11.27 km2?？刹擅簩庸灿? 層，目前礦井主采煤層為2 號煤層，煤層平均厚度20.84 m，平均傾角4°，根據礦井瓦斯等級鑒定結果發現，礦井絕對瓦斯涌出量為272.96 m3/min、絕對二氧化碳涌出量為26.62 m3/min，相對瓦斯涌出量為22.04 m3/t、相對二氧化碳涌出量為2.51 m3/t，為煤與瓦斯突出礦井。

大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采技術，是通過臨近巷道向回風巷道定距離施加大直徑鉆孔，通過鉆孔與瓦斯抽采系統的連接，改變上隅角瓦斯流場特性，從而降低上隅角瓦斯濃度，達到瓦斯抽采的目的。

首先對鉆孔抽采上隅角瓦斯進行數值模擬研究，采用Fluent 數值模擬軟件進行順層鉆孔瓦斯抽采模型的建立，模型的鉆孔直徑設定為90 mm，鉆孔長度為200 mm，對模型進行網格劃分，為了保證計算精度同時降低計算時間，將鉆孔周邊進行細化分，在距離鉆孔較遠位置進行粗劃分，完成網格劃分后共計14 532個節點及20 083 個網格單元。將模型設定為多孔介質模型，對不同參數下的瓦斯抽放效果進行分析。

首先對不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量進行分析，選定抽采負壓為-15 kPa、-30 kPa、-45 kPa，不同負壓下鉆孔瓦斯流量如圖1 所示。

圖1 不同負壓下鉆孔瓦斯流量圖

從圖1 可以看出，不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量隨時間的變化趨勢大致相同，隨著開采時間的增加，鉆孔內部瓦斯流量逐步降低，當抽采負壓為-15 kPa時，在第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.073 m3/min，而當時間到30 d 時，鉆孔瓦斯流量為0.05 m3/min；當抽采負壓為-30 kPa 時，在第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.084 m3/min，而當時間到30 d 時，鉆孔瓦斯流量為0.051 m3/min；當抽采負壓為-45 kPa 時，第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.096 m3/min，而當時間到30 d 時，鉆孔瓦斯流量為0.054 m3/min。由此可以看出，隨著抽采負壓的增大，此時鉆孔內部瓦斯流量呈現逐步增大的趨勢，當抽采達到平穩后，鉆孔內部瓦斯流量相差不大，所以在保證鉆孔密封性的同時，盡量增大抽采負壓，考慮到當抽采負壓為-45 kPa 時，此時密封要求難以達到，所以選定最佳抽采負壓為-30 kPa。

對不同鉆孔直徑下瓦斯流量進行分析，選定抽采負壓為-30 kPa，鉆孔直徑為90 mm、110 m、130 mm，不同鉆孔直徑下瓦斯流量如圖2 所示。

圖2 不同鉆孔直徑下瓦斯流量圖

從圖2 可以看出，不同鉆孔直徑下鉆孔內部瓦斯流量隨著時間的增大呈現逐步降低的趨勢。在抽采初期，鉆孔直徑對于瓦斯抽采影響較大，當抽采時間來到20 d 時，此時的瓦斯流量與鉆孔直徑之間的影響關系減弱。當鉆孔直徑為90 mm 時，第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.083 m3/min，而當時間到30 d 時，鉆孔瓦斯流量為0.051 m3/min；當鉆孔直徑為110 mm 時，第5 d鉆孔瓦斯流量為0.099 m3/min，而當時間到30 d 時，鉆孔瓦斯流量為0.061 m3/min；當鉆孔直徑為130 mm時，第5 d 鉆孔瓦斯流量為0.12 m3/min，而當時間到30 d 時，鉆孔瓦斯流量為0.063 m3/min?？梢钥闯觯S著鉆孔直徑的增大，瓦斯抽采效果較佳，所以在條件允許下，盡量將鉆孔增大，達到組鉆孔瓦斯抽放效果。

2 工業性試驗

對大直徑鉆孔抽采瓦斯進行工業性試驗，首先布置大功率EH260 鉆機進行預抽孔設置，鉆孔的直徑選定130 mm，鉆孔的間距設定為2 m，鉆孔深度最大值為30 m，當鉆孔深度達到30 m 時，立即停止鉆孔。在鉆孔完成后進行套管下放，在鉆成的鉆孔內放入套管，避免出現鉆孔塌陷等問題，對鉆孔進行封堵，選定JD-WFK-2 型速膨脹封孔劑進封孔，保證鉆孔氣密性，設定抽采負壓為-30 kPa，進行鉆孔內部瓦斯抽采監測，大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監測曲線如圖3 所示。

抽采管路內濃度、上隅角瓦斯濃度及瓦斯抽采量隨時間變化趨勢如圖3 所示，當抽采管路內瓦斯濃度為0.1%左右時，此時隨著工作面的不斷推進，使得空區范圍逐步擴大，此時抽采管路內的瓦斯濃度呈現出增加的趨勢，當抽采時間達到一定時間后，此時的抽采管管路內部瓦斯濃度維持在1.2%左右；上隅角的瓦斯抽采量初始時為0.1 m3/min 左右，隨著工作面的推進上隅角瓦斯抽采量呈現快速增大的趨勢，與抽采管路在相同時間位置瓦斯抽采濃度達到平穩。此時抽采濃度維持在1 m3/min，可以看出，當使用大直徑鉆孔進行上隅角瓦斯抽采時，上隅角瓦斯濃度維持在0.2%，抽放效果較佳。

圖3 大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽采監測曲線

對大直徑鉆孔上隅角瓦斯抽放的經濟效益進行分析，按照抽采平均瓦斯量為2 000 m3/min 進行計算，每年可抽采730 000 m3，同時抽采的瓦斯可以作為能源使用。掘進巷道1 m 需要成本5 000 元，一條高抽巷需要投入資金230 萬元，同時需要每隔50 m設置瓦斯聯絡巷，所以成本將近300 萬元，而大直徑鉆孔施工時，每個鉆孔需要4 000 元，100 個鉆孔共計需要40 萬元。可以看出，選定大直徑鉆孔對上隅角瓦斯進行抽放共計可以節省260 萬元，所以以孔代巷不僅可以有效解決上隅角瓦斯問題，同時在資金方面，大直徑鉆孔具有更大的優勢。

3 結論

1）對不同抽采負壓下鉆孔瓦斯流量進行分析，發現隨著抽采負壓的增大，此時鉆孔內部瓦斯流量呈現逐步增大的趨勢，選定最佳抽采負壓為-30 kPa。

2）對不同鉆孔直徑下瓦斯流量進行分析，看出隨著鉆孔直徑的增大，瓦斯抽采效果較佳，所以在條件允許下，盡量將鉆孔增大，達到組鉆孔瓦斯抽放效果，本文選定最佳鉆孔直徑為130 mm。

3）當使用大直徑鉆孔進行上隅角瓦斯抽采時，上隅角瓦斯濃度維持在0.2%，抽放效果較佳。同時通過對比經濟效益驗證了大直徑鉆孔瓦斯抽采的優越性。