王曉東

（山西石港煤業(yè)有限責任公司，山西 左權(quán) 032600）

1 工程概況

石港煤業(yè)公司位于左權(quán)縣城北13km 處，行政區(qū)劃屬左權(quán)縣寒王鄉(xiāng)管轄。礦井生產(chǎn)能力0.9Mt/a，采用斜井開拓方式。石港煤業(yè)15107 工作面地表位于跑馬梁以西，簡會村以東，東義溝以南，劉家莊以北，地面標高+1284～+1373m，井下標高+998～+1055m，平均埋深約為280m。15#煤層厚度6.8～7.63m，均厚7.2m，煤層傾角最大10°，最小5°，平均傾角7°，可采性指數(shù)為1，厚度變異系數(shù)為11%，為穩(wěn)定煤層，屬井田內(nèi)主要可采煤層，結(jié)構(gòu)簡單-較簡單，含夾矸0～3 層，夾矸巖性為炭質(zhì)泥巖。石港煤業(yè)CH4絕對涌出量為158.67m3/min，15#煤層CH4相對涌出量為26.2m3/t，瓦斯最大壓力為2.35MPa，是煤與瓦斯突出礦井，瓦斯突出危險嚴重制約著煤礦生產(chǎn)。通過長距離定向鉆孔預(yù)抽瓦斯能夠有效降低工作面瓦斯壓力，以達到消突的目的，通過預(yù)抽進而降低煤層瓦斯含量，提高采掘速度和確保安全生產(chǎn)。以15107 工作面為背景，對長距離定向鉆孔預(yù)抽本煤層瓦斯進行防治煤與瓦斯突出的應(yīng)用研究。

2 長距離定向鉆孔瓦斯抽采參數(shù)模擬研究

2.1 建立數(shù)值模型

根據(jù)現(xiàn)場實踐經(jīng)驗及相關(guān)研究成果，決定定向長鉆孔瓦斯預(yù)抽效果的主要參數(shù)有鉆孔直徑、抽采負壓、鉆孔間距等。由于定向長鉆孔的施工具有不可逆性[1-2]，因此為了在石港煤業(yè)15107 工作面取得理想的瓦斯預(yù)抽效果，采用COMSOL 軟件根據(jù)15107 工作面的具體情況建立數(shù)值模擬模型，對各個參數(shù)進行模擬分析，進而確定最為合理的參數(shù)。COMSOL 是一款基于有限元方法的模擬軟件[3-4]，廣泛用于解決實際工程中的復雜問題，主要步驟為建立模型→定義相關(guān)參數(shù)→劃分網(wǎng)格→求解→提取需要的結(jié)果。本次建立的數(shù)值模型為瓦斯流場和應(yīng)力場耦合數(shù)學模型，模型為二維模型，模擬工作面長度方向的豎直截面。模型長度為20m，高度為3.0m，瓦斯?jié)B流場設(shè)置初始瓦斯壓力為1.35MPa，模型上下邊界為巖層，瓦斯流量為0。應(yīng)力場邊界條件：模型左右邊界沿X 軸位移為0，上下邊界垂直方向位移為0，模型上部邊界施加7.0MPa（埋深280m）均布載荷。模型如圖1 所示。

圖1 數(shù)值模型示意圖

2.2 鉆孔直徑對于抽采效果的影響

目前在我國常見的長距離定向鉆孔直徑主要有65mm、75mm、96mm[3]，因此對三種鉆孔直徑條件下的抽采效果進行模擬。模擬時抽采負壓為25kPa，瓦斯壓力為1.35MPa，時間為120d，得到圖2 所示的結(jié)果。

根據(jù)圖2 所示結(jié)果可以看出，在同等條件下，鉆孔直徑對抽采效果具有較大的影響，有效抽采半徑隨著鉆孔直徑的增大而增大。定向鉆孔鉆進過程中，會使鉆孔周圍煤巖體破碎，裂隙發(fā)育，形成較大范圍的瓦斯運移通道。鉆孔直徑越大，對鉆孔周圍煤巖體破壞的范圍也就愈大，鉆孔周圍煤的暴露面也增大，鉆孔的有效抽采半徑越大。因此結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果可知，定向鉆孔直徑為96mm 時，其瓦斯預(yù)抽效果將明顯優(yōu)于直徑為65mm 及75mm 時。

圖2 不同鉆孔直徑下的數(shù)值模擬結(jié)果

2.3 鉆孔抽采時間對抽采效果的影響

為了解抽采時間對抽采效果的影響，在鉆孔直徑為96mm，瓦斯壓力和抽采負壓不變的情況下，統(tǒng)計抽采60d、90d、120d 條件下煤層內(nèi)瓦斯壓力的變化，整理得到圖3 所示的結(jié)果。

圖3（a）所示結(jié)果為不同抽采時間條件下鉆孔周圍煤層內(nèi)瓦斯壓力的變化規(guī)律。由圖可以看出，隨著與鉆孔中心距離的增大，煤體內(nèi)的壓力逐漸增大；抽采時間愈長，鉆孔周圍煤體內(nèi)瓦斯壓力越小。抽采時間90d 與60d 相比，煤體內(nèi)瓦斯壓力下降最為明顯；抽采時間由90d 增大至120d，煤體內(nèi)瓦斯壓力的減小幅度明顯減小。主要原因為剛開始抽采時，鉆孔周圍煤體內(nèi)與鉆孔之間瓦斯壓力梯度較大，隨著抽采時間的增大，壓力梯度逐漸減小。圖3（b）為距鉆孔中心不同距離處瓦斯壓力隨抽采時間的變化。由圖可以看出，隨著抽采時間的增大，瓦斯壓力的降低速率逐漸降低，且距離鉆孔愈近的煤體內(nèi)瓦斯壓力下降速率愈快；隨著與鉆孔距離的增大，瓦斯壓力梯度逐漸減小，因此瓦斯壓力的下降速率也逐漸減小。綜上可知，抽采時間應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場的實際情況進行分析，以將煤層內(nèi)瓦斯壓力降至0.74MPa為標準，確定瓦斯的抽采時間。

圖3 不同抽采負壓條件下模擬結(jié)果

2.4 基于數(shù)值模擬的抽采參數(shù)確定

同樣采用COMSOL 軟件對抽采負壓對瓦斯抽采效果的影響進行了研究，結(jié)果表明抽采負壓對煤體內(nèi)瓦斯壓力的影響不大，但是抽采負壓與鉆孔抽采瓦斯量呈正比，因此在條件滿足的情況下，應(yīng)盡可能采用較大的抽采負壓。最終設(shè)計石港煤業(yè)15107 工作面定向鉆孔直徑為96mm，切眼附近煤體的抽采時間不低于120d（持續(xù)抽采），抽采負壓選擇25kPa。

3 長距離定向鉆孔大區(qū)域瓦斯抽采技術(shù)

長距離定向鉆孔鉆場設(shè)置在15#煤層一采區(qū)行人通道，鉆場位于15#煤層下方15～20m，鉆孔目標地層為15#煤層15107 工作面即將回采的區(qū)域。鉆孔主要采用底板梳狀定向鉆孔施工，每個鉆孔總長度約600m 左右，每間隔50m 左右設(shè)一個分支孔進入15#煤層，然后在煤層中鉆進50m，15107 工作面共布置14 個定向鉆孔。鉆孔水平間距為10m，主孔位于底板下部5m 巖層內(nèi)。鉆場擴幫深度5m，鉆場長度9m，高度3m。鉆孔在鉆場處孔間距為0.8m，開孔處距離底板1.7m，鉆孔平直段水平間距10m，鉆孔沿煤層傾向覆蓋140m 范圍，沿走向覆蓋600m。鉆場俯視圖及鉆孔布置詳情如圖4 所示。

圖4 鉆孔及鉆場布置詳情

4 抽采及防突效果分析

為考察定向長鉆孔的抽采效果，統(tǒng)計為期120d的抽采期間鉆孔瓦斯純量和瓦斯?jié)舛入S時間的變化規(guī)律，展示較為典型的兩個鉆孔如圖5 所示。由圖可知，隨著抽采時間的延長，鉆孔內(nèi)瓦斯?jié)舛群屯咚勾媪烤谥饾u減小，減小趨勢較為平緩。各個鉆孔抽采瓦斯最低濃度均在40%以上，最低抽采純量也在0.5m3/min 以上，抽采效果良好。定向鉆孔覆蓋范圍內(nèi)煤炭總量為174054t，煤的原始瓦斯含量為26.2m3/t，定向鉆孔抽采瓦斯總量為3748496m3，計算可得瓦斯抽采率為82.2%，起到了良好的抽采效果。抽采后煤層內(nèi)瓦斯含量約為4.66m3/t，在現(xiàn)場采用水泥漿封堵鉆孔的方法測試煤層內(nèi)瓦斯壓力，結(jié)果表明，瓦斯壓力均在0.31～0.42MPa 之間。抽采后的瓦斯含量和壓力均小于突出臨界值8m3/t和0.74MPa，由此說明消突效果良好。

5 結(jié)論和建議

石港煤業(yè)15 號煤層為煤與瓦斯突出煤層，為保證礦井的安全高效生產(chǎn)，設(shè)計在15107 工作面進行長距離定向鉆孔預(yù)抽瓦斯應(yīng)用試驗。采用COMSOL軟件建立瓦斯流場和應(yīng)力場耦合分析模型，確定定向長鉆孔的直徑96mm，抽采負壓25kPa，抽采時間為120d，根據(jù)15107 工作面具體的情況設(shè)計鉆場及鉆孔的布置參數(shù)?，F(xiàn)場應(yīng)用期間監(jiān)測定向長鉆孔瓦斯抽采純量和濃度的變化，各個鉆孔抽采瓦斯最低濃度均在40%以上，最低抽采純量也在0.5m3/min 以上，對鉆孔覆蓋區(qū)域煤體內(nèi)瓦斯抽采率達到82.2%，瓦斯壓力和含量均降至突出臨界值以下，顯著降低了工作面煤與瓦斯突出的危險性。

圖5 瓦斯?jié)舛燃巴咚钩椴杉兞恳?guī)律圖