馬德林

（山西省大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司通風(fēng)處，山西 大同 037003）

1 工程概況

該礦屬于高瓦斯礦井，2#煤層絕對(duì)瓦斯壓力范圍為 0.5～0.67MPa，瓦斯含量為 5.83～7.58 m3/t，透氣性系數(shù)為0.4625m2/（MPa2.d），屬可以抽放煤層。某工作面配風(fēng)量2425m3/min，回采期間主要為本煤層鉆孔抽采（正、付巷均施工有鉆孔抽采）、上隅角（兩趟）埋管抽采及裂隙帶鉆孔抽采三種抽采方法，在進(jìn)行抽采工作時(shí)為保證抽采效果，通過在順槽內(nèi)采動(dòng)幫采用壁面進(jìn)行噴涂、固液混合鉆孔密封以及充填護(hù)孔的三位一體封孔瓦斯抽采技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽采工作，現(xiàn)針對(duì)這三種措施的具體方法對(duì)本煤層瓦斯抽采效果的影響進(jìn)行分析。

2 巷道壁面噴涂對(duì)瓦斯抽采的影響

為有效防止在瓦斯抽采時(shí)煤壁出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，故需對(duì)鉆孔周圍裂隙及巷幫裂隙進(jìn)行有效封堵，使用壁面噴涂能夠?qū)γ罕诘牧严缎纬珊芎玫姆舛?，從源頭上對(duì)隔離漏氣通道，現(xiàn)通過FLUENT軟件對(duì)瓦斯抽采鉆孔的煤壁采用的壁面噴涂前后的抽采效果進(jìn)行模擬對(duì)比分析，根據(jù)工作面現(xiàn)場(chǎng)的具體情況，建立如圖1所示的幾何模型，模型中煤層沿孔徑徑向的長(zhǎng)度為50m，沿鉆孔方向的長(zhǎng)度為100m，并在模型中設(shè)置觀察點(diǎn)A，其坐標(biāo)為（2,27），設(shè)置煤層壓力為2MPa，鉆孔孔口抽采壓力為-20kPa。

圖1 煤層瓦斯抽采幾何模型

2.1 未噴涂煤壁抽采效果

根據(jù)瓦斯抽采的現(xiàn)場(chǎng)情況可知，在進(jìn)行本煤層瓦斯抽采作業(yè)時(shí)，巷道內(nèi)的氣體會(huì)通過鉆孔的封孔段或者裂隙進(jìn)入到鉆孔，現(xiàn)對(duì)巷道一側(cè)的漏風(fēng)情況進(jìn)行考察，為簡(jiǎn)化研究視漏風(fēng)側(cè)的壓力出口值為0，以此條件對(duì)煤層瓦斯的抽采壓力隨時(shí)間的變化情況進(jìn)行考察，根據(jù)模擬結(jié)果選取考察點(diǎn)A具有代表性的點(diǎn)進(jìn)行瓦斯壓力隨抽采時(shí)間變化規(guī)律的擬合，曲線圖如圖2所示。

分析圖2可知，A點(diǎn)的瓦斯壓力會(huì)隨著時(shí)間的增加呈現(xiàn)出明顯的負(fù)指數(shù)規(guī)律下降，在16d以前，A點(diǎn)的瓦斯壓力會(huì)急劇下降，且在26d時(shí)降低為負(fù)值，鉆孔開始出現(xiàn)漏風(fēng)現(xiàn)象，在60d時(shí)鉆孔的漏風(fēng)達(dá)到-20kPa。

圖2 未噴涂煤壁時(shí)A點(diǎn)瓦斯壓力-時(shí)間曲線

2.2 噴涂煤壁抽采效果

在巷道一側(cè)煤壁噴涂時(shí)，將模型一側(cè)設(shè)為完全不漏風(fēng)的狀態(tài)，通過建立的數(shù)值模擬模型對(duì)不同抽采時(shí)間下，本煤層的瓦斯壓力的變化規(guī)律進(jìn)行模擬分析，通過選取模型中較具有代表性的考察點(diǎn)A中對(duì)瓦斯壓力隨時(shí)間的變化規(guī)律進(jìn)行擬合，得出曲線圖如圖3所示。

圖3 噴涂一側(cè)煤壁后瓦斯壓力-時(shí)間變化曲線

分析圖3可知，A點(diǎn)的瓦斯壓力隨著時(shí)間的呈現(xiàn)出明顯的指數(shù)規(guī)律下降，且下降較為劇烈的區(qū)域?yàn)榍?5d，25d后下降速度逐漸平緩，最后趨近于一個(gè)定值，這即可說明在煤壁在噴涂后完全不漏氣的狀態(tài)下，巷道壁面處的瓦斯會(huì)逐漸被抽走，但由于抽采能力的有限，不會(huì)降低到零，且抽采半徑不會(huì)隨著時(shí)間的增長(zhǎng)無限增大。

根據(jù)上述分析可知壁面在未采取噴涂措施時(shí)，瓦斯壓力會(huì)隨著抽采時(shí)間的增大而逐漸減小，并且在最終會(huì)變?yōu)樨?fù)值，當(dāng)巷道煤壁采取噴涂措施時(shí)，在一定范圍內(nèi)，瓦斯抽采的有效半徑隨著抽采時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸變大，抽采效果良好，據(jù)此可知壁面噴涂能夠有效的減小負(fù)壓損耗，提高瓦斯的抽采效率。

3 煤層瓦斯充填護(hù)孔抽采研究

工作面在進(jìn)行瓦斯抽采作業(yè)時(shí)采用充填護(hù)孔的方式保護(hù)鉆孔，該方法即為在抽采氣室中注入高透氣性的多孔流體狀態(tài)材料，在多孔材料凝固后，能夠有效的防止鉆孔坍塌，確保瓦斯抽采的可持續(xù)性[1-3]，具體充填護(hù)孔的方式如圖4所示。

圖4 充填護(hù)孔方法示意圖

在工作面進(jìn)行充填護(hù)孔作業(yè)時(shí)，主要使用的為多孔介質(zhì)材料，在施工時(shí)就地選用煤屑作為骨料，使用泡沫輕質(zhì)土作為鉆孔抽采氣室的多孔介質(zhì)充填材料，泡沫輕質(zhì)土是通過物理方法將發(fā)泡水溶液制備成泡沫得到，由于泡沫輕質(zhì)土泡孔結(jié)構(gòu)的存在，能夠與內(nèi)部泡孔形成溝通，提升透氣性，同時(shí)其作為鉆孔充填材料具有良好的抵抗沖擊的特性，能夠有效的防止鉆孔的失穩(wěn)變形[4-5]。

在進(jìn)行充填護(hù)孔作業(yè)時(shí)，其操作流程為：首先使用鉆機(jī)在預(yù)定的位置處施工穿層瓦斯鉆孔或者本煤層鉆孔，在鉆孔打設(shè)完畢后進(jìn)行退鉆作業(yè)，通過空心鉆桿向打設(shè)完畢的鉆孔內(nèi)注入充填材料，最后進(jìn)行常規(guī)的鉆孔封孔作業(yè)。

4 三位一體封孔抽采技術(shù)

4.1 封孔抽采技術(shù)

在工作面瓦斯抽采鉆孔的孔徑為130mm，抽采負(fù)壓為20kPa的條件下，在運(yùn)輸順槽內(nèi)選取部分鉆孔采用三位一體的封孔技術(shù)進(jìn)行瓦斯抽采，工作面進(jìn)行瓦斯抽采工作時(shí)采用壁面噴涂、固液混合鉆孔密封及充填護(hù)孔的方式進(jìn)行瓦斯抽采工作，具體現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行瓦斯抽采時(shí)施工順序如圖5所示。

圖5 三位一體封孔抽采技術(shù)流程圖

現(xiàn)場(chǎng)施工采用固液混合流體的方法進(jìn)行封孔時(shí)，通過將蓄能穩(wěn)壓設(shè)備與注漿管路進(jìn)行連接，以此保證在注漿完成后封孔段流體材料的壓力能夠處于指定的流域，從而有效確保在新的裂隙出現(xiàn)時(shí)流體材料不會(huì)由于供給不足而出現(xiàn)封孔段失效的現(xiàn)象。

在封孔作業(yè)完成后，在孔口處進(jìn)行噴涂以在煤壁面上形成隔膜層，阻止煤壁與外部空氣相接觸，保證瓦斯抽采的高效性，在進(jìn)行煤壁噴涂作業(yè)時(shí)，以鉆孔為中心，對(duì)周圍3m圓形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行有效噴涂。

4.2 效果分析

為對(duì)三位一體封孔抽采的效果進(jìn)行分析，選取運(yùn)輸順槽在原始封孔技術(shù)下的鉆孔與采用三位一體封孔技術(shù)的鉆孔進(jìn)行對(duì)比分析，本次試驗(yàn)共計(jì)選取20個(gè)鉆孔，將采用三位一體封孔工藝的鉆孔標(biāo)記為Ⅰ類鉆孔，采用該封孔技術(shù)的鉆孔共計(jì)18個(gè)，將采用采用原有“兩堵一注”封孔工藝的鉆孔標(biāo)記為觀察孔，通過對(duì)瓦斯抽采作業(yè)時(shí)進(jìn)行持續(xù)30d的觀測(cè)，能夠得出Ⅰ類鉆孔與對(duì)比孔瓦斯抽采濃度間的對(duì)比曲線，具體曲線圖如圖6所示。

圖6 Ⅰ類試驗(yàn)孔與觀察孔對(duì)比曲線圖

通過分析圖6可知，工作面運(yùn)輸巷內(nèi)本煤層瓦斯抽采的考察鉆孔和試驗(yàn)鉆孔均有著較高的初始抽采濃度，這表明巷道在掘進(jìn)期間由于開挖的影響，使得巷道周圍的煤體形成卸壓作業(yè)，增大了煤層的透氣性系數(shù)，進(jìn)而導(dǎo)致鉆孔內(nèi)的瓦斯含量很高，通過對(duì)比曲線圖可知在30d的考察時(shí)間內(nèi)，試驗(yàn)孔的瓦斯抽采濃度一致保持在48%～58%左右，而采用原始封孔工藝的觀察孔瓦斯抽采的濃度會(huì)隨著時(shí)間的增加出現(xiàn)較快的衰減，在監(jiān)測(cè)到30d左右時(shí)瓦斯抽采的濃度已經(jīng)降低至8%～10%，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的主要原因?yàn)樵诔椴沙跗谟捎诳變?nèi)的瓦斯含量大，在抽采一定時(shí)間后，隨著鉆孔內(nèi)游離瓦斯數(shù)量的減少，采用原有封孔工藝的密封質(zhì)量較差的弊端會(huì)顯現(xiàn)的越來越明顯，觀察孔的瓦斯抽采濃度逐漸降低，進(jìn)而致使試驗(yàn)鉆孔與觀察孔相對(duì)比的瓦斯抽采濃度增量在逐漸增大。

綜合上述分析可知工作面采用三位一體密封高效抽采技術(shù)，通過在煤壁上進(jìn)行噴涂、固液混合鉆孔密封以及充填護(hù)孔三種技術(shù)相結(jié)合的方式，提高了封孔效率，保證了瓦斯的安全高效抽采。

5 結(jié)論

針對(duì)工作面的具體地質(zhì)條件，通過具體分析瓦斯抽采作業(yè)時(shí)巷道壁面噴涂、煤層瓦斯充填護(hù)孔對(duì)瓦斯抽采效果的影響，提出三位一體封孔技術(shù)進(jìn)行高效瓦斯抽采作業(yè)，并對(duì)應(yīng)用效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，得出采用三位一體密封封孔工藝的瓦斯抽采濃度一致保持在48%～58%%左右，可知三位一體密封抽采技術(shù)保證了瓦斯安全高效抽采。