葛宏偉

(霍州煤電集團公司 李雅莊煤礦，山西 霍州 031400)

1 工程概況

霍州煤電集團李雅莊礦位于臥龍垣村東北部，地表大部為黃土覆蓋，為低山區(qū)丘陵地帶。2-616工作面位于六采區(qū)中部前進方向的左翼，其右側(cè)為2-612回采工作面，再往右緊鄰F12正斷層保安煤柱，左側(cè)緊鄰F10正斷層。2-616工作面開采煤層為1號和2號合并區(qū)域，厚度為3.3 m，煤層間存在少量的夾矸，屬近水平煤層，平均傾角為8°，煤層頂?shù)装逄卣饕姳?。工作面絕對瓦斯涌出量為44 m3/min，屬于高瓦斯礦井，必須進行瓦斯抽采。

表1 1、2號煤層頂?shù)装鍘r層特征

2 頂板走向長鉆孔瓦斯抽采數(shù)值模擬研究

2.1 頂板長鉆孔孔位確定

由于鉆孔布置高度不同，瓦斯抽采效率不同[1-2]，因此需要確定鉆孔在頂板上覆巖層的最佳層位，即鉆孔終孔層位與煤層頂板的垂高：

Hm

(1)

式中：Hm是冒落帶高度，m；Hl是裂隙帶高度，m。

根據(jù)礦井現(xiàn)有資料可知冒落帶高度Hm為8 m，裂隙帶高度Hl為30 m。由式(1)可判別鉆孔距離煤層頂板高度H范圍為8～30 m。

根據(jù)采空區(qū)覆巖采動裂隙“O”型圈理論[3]，布置鉆孔時需要將鉆孔布置在“O”型圈中，與此同時終孔位置到回風(fēng)巷幫的距離S可以按照式(2)計算：

S=[H-(B+Hcotθ)tanα]sinα+(B+Hcotθ)/cosα

(2)

式中：H為抽采鉆孔層位與工作面頂板的垂直高度，m；B為抽采孔距離“O”型圈的外邊界距離，一般取0～34 m；α為煤層傾角，8°；θ為頂板覆巖卸壓夾角，65°。

將2-616工作面相關(guān)參數(shù)帶入，根據(jù)上式計算可得鉆孔終孔位置距回風(fēng)巷距離為6～55 m。

由于無法確定鉆孔距離煤層頂板高度H的具體值，則鉆孔位置距離回風(fēng)巷幫距離S也無法確定。根據(jù)式(1)、(2)估算的鉆孔布置范圍較大，因此需要對鉆孔高度H進一步研究，進而確定終孔位置。

2.2 數(shù)值模擬分析

為了確定鉆孔高度H以及終孔位置距離回風(fēng)巷幫距離S，采用數(shù)值模擬的方法對鉆孔參數(shù)進行分析。結(jié)合2-616工作面的地質(zhì)資料，采用ICEM軟件建立三維數(shù)值模型，見圖1。在模型中在回風(fēng)巷巷幫布置鉆孔，每個鉆孔相隔8 m，負(fù)壓10 kPa進行抽采，建立模型后采用Fluent軟件進行數(shù)值后處理。

在鉆孔負(fù)壓10 kPa，鉆孔水平間距8 m的基礎(chǔ)上，分別模擬鉆孔與煤層頂板垂高為9 m、12 m、15 m、18 m、21 m不同情況下采空區(qū)瓦斯?jié)舛确植记闆r，模擬結(jié)果見圖 2。

圖1 頂板長鉆孔抽采模型

圖2 鉆孔不同層位瓦斯分布

由圖2可以看出，瓦斯?jié)舛入S著鉆孔與煤層頂板間距的增加而呈現(xiàn)先減后增的現(xiàn)象。這是由于在采空區(qū)頂板垂直方向上，在裂隙帶中下部裂隙發(fā)育較好，瓦斯容易在中下部聚集，當(dāng)鉆孔位于裂隙帶中下部時，鉆孔比較容易抽出大量瓦斯。在裂隙帶上部，裂隙發(fā)育較差，透氣性較差，因此當(dāng)鉆孔距離煤層頂板距離較大時，瓦斯抽采量下降，所以瓦斯?jié)舛瘸尸F(xiàn)出先減小后增加的現(xiàn)象。根據(jù)圖2可以看出在距離煤層頂板15 m左右呈現(xiàn)出最小值，由此確定長鉆孔距離工作面頂板的距離應(yīng)該在15 m左右達(dá)到最優(yōu)。將長鉆孔距離頂板高度帶入公式(2)計算可得鉆孔與回風(fēng)巷巷幫的水平距離為10 m，在現(xiàn)場施工時可根據(jù)現(xiàn)場施工時進行調(diào)整。

3 綜采工作面工程應(yīng)用

3.1 頂板長鉆孔現(xiàn)場應(yīng)用

結(jié)合礦井地質(zhì)資料和其他相似礦井布置的長鉆孔設(shè)計[4-6]，在2-616工作面回風(fēng)巷布置鉆場，其尺寸為：長8 m×寬3.6 m×高2.5 m，每個鉆場布置4個頂板長距離鉆孔，鉆孔終孔間距為8 m，鉆孔終孔與煤層頂板垂距為15 m。隨著工作面的推進，在鉆孔銜接處會造成瓦斯?jié)舛鹊脑黾樱虼隧敯甯縻@場間長鉆孔有20 m的重疊區(qū)域。頂板定向鉆孔布置如圖3所示。鉆孔施工參數(shù)如表2所示。

圖3 頂板長孔布置

表2 2-616工作面回風(fēng)巷鉆場施工參數(shù)

將鉆機調(diào)至相應(yīng)的開孔方位，然后進行現(xiàn)場掛線確定，或者采用羅盤進行測量。開孔主要分為兩次，首先采用D96 mmPDC鉆頭+連接手+D73 mm通纜鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進，第二次采用D113 mm PDC 擴孔鉆頭+連接手+D73 mm通纜鉆桿回轉(zhuǎn)鉆進擴孔，施工完成采用聚氨酯進行壓風(fēng)注漿封孔。

3.2 頂板長鉆孔抽采效果分析

通過對2-616工作面抽采前后回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛冗M行為期一個月的統(tǒng)計，結(jié)果見圖4。

由圖4可知，未采取長鉆孔瓦斯抽采措施時，回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛绕骄翟?.9%左右，采用長鉆孔抽采技術(shù)后瓦斯?jié)舛冉抵?.45%左右。由此可見長鉆孔抽采瓦斯可以有效降低2-616工作面瓦斯?jié)舛取?/p>

4 結(jié) 語

1) 采用Fluent軟件進行數(shù)值模擬，對2-616工作面鉆孔布置層次進行分析得出鉆孔布置距離煤層頂板高度在15 m時達(dá)到最優(yōu)效果。

2) 根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，施工鉆孔布置在距離煤層頂板15 m的距離，在2-616工作面采用長鉆孔抽采瓦斯后，回風(fēng)巷中瓦斯?jié)舛扔?.9%降低至0.5%，由此可見長鉆孔明顯降低了工作面中的瓦斯?jié)舛取?/p>

圖4 回風(fēng)巷瓦斯?jié)舛?/p>