陳彥江

（陽(yáng)泉市舊街煤業(yè)，山西 陽(yáng)泉045000）

1 工程概況

陽(yáng)泉煤炭運(yùn)銷公司上社煤礦15310工作面位于三采區(qū)主要大巷南翼，工作面開(kāi)采15#煤層，煤層均厚6.7m，平均傾角5°，普式硬度f(wàn)=1～1.5，含有0～3層夾矸，煤層內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)理裂隙發(fā)育，煤層直接頂為K2石灰?guī)r，均厚13.76 m，基本頂為砂質(zhì)泥巖，均厚11.57 m，直接底為砂質(zhì)泥巖，均厚2.1 m，基本底為細(xì)砂巖，均厚為6.15 m。15號(hào)煤層原始瓦斯壓力0.12～0.30 MPa，原始瓦斯含量6.11～9.93 m3/t，煤層透氣性系數(shù)0.151 8～0.194 7 m2/MPa2·d，自燃傾向性等級(jí)為Ⅲ，自燃傾向性為不易自燃。

15310工作面回風(fēng)順槽沿煤層底板掘進(jìn)，巷道凈寬×凈高=3.2 m×3.4 m，根據(jù)15號(hào)煤層的透氣性參數(shù)知煤層屬可抽放煤層，現(xiàn)為保障回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間的安全，巷道掘進(jìn)期間采用通風(fēng)排放和超前預(yù)抽+順層鉆孔抽采相結(jié)合的瓦斯治理措施，實(shí)現(xiàn)降低煤層瓦斯含量的目的。

2 順層鉆孔抽采參數(shù)模擬分析

瓦斯抽采鉆孔布置時(shí)，順層抽采鉆孔的有效抽采半徑、鉆孔直徑、抽采負(fù)壓等3項(xiàng)均是影響瓦斯抽采效果的關(guān)鍵因素，現(xiàn)為合理抽采鉆孔的這3項(xiàng)參數(shù)，采用Comsol數(shù)值模擬軟件進(jìn)行模擬分析，根據(jù)15310工作面地質(zhì)條件，建立40 m×40 m的平面模型，模型建立時(shí)以鉆孔為中心，設(shè)置模型四周為對(duì)稱不滲流的邊界條件，根據(jù)工作面埋藏深度在鉆孔四周施加相對(duì)應(yīng)的負(fù)壓，具體鉆孔各項(xiàng)參數(shù)的模擬結(jié)果如下：

1）鉆孔直徑模擬：為有效確定抽采鉆孔的直徑，現(xiàn)設(shè)置抽采負(fù)壓為13、15、20 kPa時(shí)，分別對(duì)鉆孔直徑為73、94、113 mm時(shí)瓦斯的抽采效果進(jìn)行模擬分析，根據(jù)模擬結(jié)果繪制出不同抽采負(fù)壓、不同鉆孔直徑下瓦斯有效抽采半徑曲線如圖1所示。

圖1 不同抽采負(fù)壓、鉆孔直徑下有效抽采半徑曲線圖

分析圖1可知，在抽采負(fù)壓一定時(shí)，隨著鉆孔直徑的增大，鉆孔的有效抽采半徑在不斷增大，但隨著抽采時(shí)間的增長(zhǎng)抽采半徑的增加幅度在不斷降低，在抽采負(fù)壓、抽采時(shí)間相同時(shí)，當(dāng)鉆孔直徑為75～94 mm時(shí)有效抽采半徑增量相對(duì)較大，當(dāng)鉆孔直徑超過(guò)94 mm后，此時(shí)鉆孔抽采半徑增量便逐漸減小；另一方面從瓦斯抽采效果考慮，大鉆孔能夠?qū)崿F(xiàn)較好的抽采效果，但鉆孔過(guò)大時(shí)，此時(shí)施工難度較大，且鉆孔自身穩(wěn)定性較差；在鉆孔直徑為91 mm時(shí)，此時(shí)鉆孔抽采120 d后，抽采半徑可達(dá)2.23～2.61 m，抽采效果良好，且鉆孔大小適中，基于上述分析確定瓦斯抽采鉆孔直徑為94 mm。

2）抽采負(fù)壓模擬：根據(jù)國(guó)內(nèi)外眾多煤層瓦斯抽采方面的試驗(yàn)研究與工程實(shí)踐[1-3]，本次數(shù)值模擬方案主要考慮抽采負(fù)壓為10、15和20 kPa時(shí)抽采時(shí)間與抽采半徑之間的關(guān)系，為較為合理的確定抽采負(fù)壓，設(shè)置在不同抽采直徑下進(jìn)行不同抽采負(fù)壓的模擬分析，抽采鉆孔直徑分別設(shè)置為75、94、113 mm，分別在該3種鉆孔直徑下進(jìn)行不同抽采負(fù)壓下抽采效果的分析，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果可繪制出如圖2所示曲線。

圖2 不同抽采負(fù)壓下抽采時(shí)間與瓦斯抽采半徑曲線圖

根據(jù)相關(guān)研究表明[4-5]，在瓦斯抽采鉆孔抽采到120 d時(shí)，此時(shí)數(shù)值模擬分析得出的瓦斯抽采半徑與現(xiàn)實(shí)情況更加接近，故現(xiàn)以抽采時(shí)間為120 d時(shí)的抽采數(shù)據(jù)為分析依據(jù)。分析圖2可知，當(dāng)抽采鉆孔直徑為75 mm時(shí)，抽采負(fù)壓從13 kPa增大為15 kPa時(shí)，瓦斯抽采半徑增大了0.19 m，增幅為9.5%，當(dāng)抽采負(fù)壓有15 kPa繼續(xù)增大至20 kPa時(shí)，此時(shí)瓦斯抽采半徑增大了0.14 m，增幅為6.4%，同理在鉆孔直徑分別為94 mm和113 mm時(shí)，抽采負(fù)壓從13 kPa增大為15 kPa時(shí)，瓦斯抽采半徑增幅分別為10.31%和9.76%，抽采負(fù)壓從15 kPa增大為20 kPa時(shí)，瓦斯抽采半徑增幅分別為6.10%和7.28%。

綜合上述分析可知，抽采負(fù)壓由13 kPa增大為15kPa時(shí)，此時(shí)瓦斯抽采半徑的增長(zhǎng)率約為10%，而隨著抽采負(fù)壓的進(jìn)一步增大，抽采半徑的增長(zhǎng)率出現(xiàn)一定程度降低的趨勢(shì)，綜合抽采效果及經(jīng)濟(jì)各方面考慮，綜合確定抽采負(fù)壓為15 kPa。

3）鉆孔有效抽采半徑模擬：基于上述分析可知，瓦斯抽采鉆孔的最佳直徑為94 mm，最佳抽采負(fù)壓為15 kPa，根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果得出鉆孔在該參數(shù)不同抽采時(shí)間下瓦斯有效抽采半徑數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 不同抽采時(shí)間下抽采半徑數(shù)據(jù)表

根據(jù)上述分析，結(jié)合表1中的數(shù)據(jù)，以瓦斯抽采鉆孔抽采120 d時(shí)的瓦斯抽采半徑作為參考依據(jù)，表中數(shù)據(jù)可知瓦斯抽采鉆孔在抽采120 d時(shí)，抽采的半徑為2.46 m；為保障15310工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)工作面的抽采效果，考慮到一定的損失系數(shù)，綜合確定有效抽采半徑為2.4 m。

3 瓦斯治理技術(shù)

3.1 瓦斯治理方案

1）巷道掘進(jìn)所需風(fēng)量與風(fēng)機(jī)選擇：工作面按照瓦斯涌出量進(jìn)行風(fēng)量的計(jì)算時(shí)，計(jì)算公式如下：

式中：Qhm為按瓦斯計(jì)算掘進(jìn)所需風(fēng)量；Qm為掘進(jìn)巷道平均瓦斯涌出量；Cp為回風(fēng)流中CH4最大濃度；Ci為進(jìn)風(fēng)流內(nèi)CH4濃度；根據(jù)掘進(jìn)工作面的地質(zhì)條件，確定取Qm=8.39 m3/min，Cp=1%，Ci=0%，Km=1.35，代入式（1）中計(jì)算得出所需風(fēng)量Qhm=1 090.7 m3/min。

當(dāng)按照局部通風(fēng)機(jī)的供風(fēng)量進(jìn)行巷道所需風(fēng)量的計(jì)算時(shí)，此時(shí)風(fēng)量取為按照瓦斯涌出量計(jì)算數(shù)值的1.2倍[6]，為1 308.8 m3/min，壓入式通風(fēng)風(fēng)筒直徑為1 000 mm，風(fēng)筒摩擦阻力計(jì)算公式為：

式中：Rf為風(fēng)筒摩擦阻力；α為摩擦阻力系數(shù)；L為風(fēng)筒長(zhǎng)度；S為風(fēng)筒斷面；U為風(fēng)筒周長(zhǎng)；結(jié)合工作面特征，取L=2 300 m，α=0.002 2 N s2/m4，計(jì)算得出Rf=32.8 N s2/m8，進(jìn)一步可計(jì)算出風(fēng)壓hf=32.8×92=3 896.7 Pa，基于此確定工作面所采用2臺(tái)風(fēng)機(jī)時(shí)，所需風(fēng)壓為3 896.7 Pa，風(fēng)量最小為654.4 m3/min，據(jù)此將局部通風(fēng)機(jī)選用4臺(tái)F BD N o7.1型通風(fēng)機(jī)，風(fēng)壓為1 500～7 000 Pa，風(fēng)量為850 m3/min。

2）超前預(yù)抽鉆孔參數(shù)：在15310工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)作業(yè)時(shí)，每間隔60 m施工1個(gè)瓦斯抽采鉆場(chǎng)，設(shè)置同側(cè)鉆場(chǎng)的間距為120 m，在每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置6個(gè)瓦斯預(yù)抽鉆孔，鉆場(chǎng)斷面為梯形，與煤巷高差為2 m，鉆場(chǎng)布置在巷道兩側(cè)采用“邁步式”布置；每個(gè)鉆場(chǎng)內(nèi)布置6個(gè)瓦斯抽采鉆孔，鉆孔初始直徑為94mm，擴(kuò)孔直徑為113mm，鉆孔分2排布置，第1排鉆孔編號(hào)為1、3、5號(hào)，第2排鉆孔編號(hào)為2、4、6號(hào)，相鄰鉆孔高差為0.5 m，同排鉆孔的距離為0.6 m，具體各鉆孔的參數(shù)見(jiàn)表2，鉆場(chǎng)及鉆孔參數(shù)見(jiàn)圖3。

表2 抽采鉆孔布置參數(shù)表

圖3 鉆場(chǎng)及鉆孔布置平面圖

3）順層鉆孔布置位置：基于上述分析可知，瓦斯抽采鉆孔的有效半徑為2.4 m，不同鉆孔間距下瓦斯抽采效果如圖4所示。

圖4 不同瓦斯抽采間距下瓦斯抽采效果示意圖

根據(jù)上述分析知瓦斯抽采半徑為2.4 m，AB為煤壁高度的一半為1.7 m，根據(jù)三角函數(shù)計(jì)算得出BC=3.4 m，據(jù)此綜合確定鉆孔間距為3.4 m。設(shè)置每2個(gè)鉆場(chǎng)間布置36個(gè)鉆孔，鉆孔直徑為94 mm，鉆孔深度140 m，鉆孔在距離巷道底板1.7 m處開(kāi)孔，沿著煤層傾斜方向施工，具體順層鉆孔布置見(jiàn)圖5。

圖5 順層鉆孔布置位置示意圖

3.2 效果分析

在15310工作面回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間，通過(guò)對(duì)每日瓦斯抽采濃度和抽采流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，能夠得出抽采瓦斯?jié)舛群统椴赏咚辜兞壳€，如圖6所示。

圖6 瓦斯抽采濃度和流量曲線圖

分析圖6可知，隨著抽采方案的實(shí)施，抽采瓦斯?jié)舛群屯咚沽髁烤尸F(xiàn)出逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì)，抽采瓦斯?jié)舛然驹?.0%～4.75%，抽采瓦斯流量基本在0.3～0.5 m3/min，抽采效率高；另外在工作面掘進(jìn)期間，通過(guò)對(duì)掘進(jìn)頭的瓦斯?jié)舛葴y(cè)試可知，瓦斯平均濃度在0.44～0.51范圍內(nèi)，保障了巷道的安全掘進(jìn)。

4 結(jié)論

根據(jù)15310工作面的地質(zhì)及開(kāi)采條件，采用Comsol數(shù)值模擬進(jìn)行順層鉆孔直徑、抽采負(fù)壓、有效抽采半徑的模擬分析，確定順層鉆孔直徑為94 mm，抽采負(fù)壓為15 kPa，基于數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行回風(fēng)順槽掘進(jìn)期間通風(fēng)風(fēng)量、抽采鉆孔參數(shù)的具體設(shè)計(jì)，根據(jù)抽采方案實(shí)施后的抽采數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可知，抽采方案實(shí)施效果顯著，為巷道的安全掘進(jìn)提供了保障。